PT1339985E - Comando azimutal para uma instalação de energia eólica em caso de tempestade - Google Patents

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Description

DESCRIÇÃO "COMANDO AZIMUTAL PARA UMA INSTALAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA EM CASO DE TEMPESTADE" A presente invenção refere-se a um processo para o comando de uma instalação de energia eólica quando as velocidades do vento forem muito elevadas, processo esse de acordo com o qual se preestabelece um primeiro valor da velocidade do vento que quando atingido, faz com que as pás do rotor da instalação de energia eólica sejam levadas a uma primeira posição predefinida.
Além disso a presente invenção refere-se a uma instalação de energia eólica que está nomeadamente concebida para realizar um tal processo de comando e que está provida de um accionamento azimutal e de um rotor com pelo menos uma pá de rotor que pode ser ajustada individualmente.
Um processo para o comando de uma instalação de energia eólica de acordo com o conceito genérico da reivindicação principal e uma instalação de energia eólica de acordo com o conceito genérico da reivindicação 10 ficaram por exemplo a ser conhecidos pelo documento da DE 195 32 409. Para além disso ficaram a ser conhecidos processos para o comando de uma instalação de energia eólica no caso de a velocidade do vento atingir valores elevados, através de Erich Hau "Windkraftanlagen" (Instalações de energia eólica), editora Springer, 2a. edição, 1996, página 89 e seguintes, página 235 e seguintes, bem como pelo documento da DE 19 717 059 Cl. 1
Este estado já conhecido da técnica descreve sobretudo medidas que são tomadas para proteger as instalações de energia eólica contra sobrecarga quando a velocidade do vento atingir valores muito elevados. Para tal tomam-se nomeadamente em consideração esforços mecânicos para assim impedir a danificação da instalação e/ou de componentes individuais da mesma.
Como medida Standard descreve-se regularmente o ajuste das pás do rotor para uma assim chamada posição de bandeira. Para tal pressupõe-se no entanto a existência da possibilidade de fazer variar o ângulo de ataque das pás do rotor - o assim chamado ajuste do pitch. Caso esta possibilidade não estiver disponível, provoca-se um rompimento da corrente de ar que circula em torno das pás do rotor para aliviar o esforço que incide sobre a instalação de energia eólica.
Nestes processos já conhecidos torna-se no entanto inconveniente o facto de não serem indicadas medidas para o caso de a velocidade do vento crescer ainda mais e para além do primeiro valor preestabelecido da velocidade do vento, de modo que só é possível esperar que a instalação esteja suficientemente bem dimensionada para impedir uma total destruição da instalação, o que acarreta um grave perigo para a vizinhança próxima, perigo esse que é inevitável e inerente àquela destruição.
Por esse motivo o objectivo da presente invenção é o de indicar um processo para o comando de uma instalação de energia eólica, bem como uma instalação de energia eólica para a realização deste processo, que numa situação de vento extremo estão em condições de reduzir ao mínimo possível os esforços mecânicos que incidem sobre a instalação de energia eólica por 2 acção daquele vento extremo.
Este objectivo atinge-se pela implementação de um processo do género de inicio referido e que, para o comando de uma instalação de energia eólica, tem as caracteristicas enunciadas na reivindicação 1. Em virtude disso torna-se possivel apoiar a medida destinada a proteger a instalação de energia eólica, que consiste num ajuste apropriado das pás do rotor, fazendo com que essas pás do rotor sejam levadas a uma posição na qual a sua resistência ao vento é especialmente reduzida.
De acordo com uma forma de realização da invenção a que se dá especial preferência o rotor é nestas condições girado para uma posição azimutal ao abrigo do vento, de modo a ficar localizado do lado contrário ao da incidência do vento sobre a torre da instalação de energia eólica.
De acordo com uma forma de realização do processo a que se dá uma preferência muito especial faz-se, a par de levar a casa de máquinas à posição azimutal, ficando o rotor assim virado para o lado que está ao abrigo do vento, com que o ângulo de ataque das pás reguláveis do rotor seja ajustado de maneira a que as pás ofereçam a menor resistência possivel ao vento. Deste modo torna-se possivel reduzir nitidamente o esforço que incide sobre toda a instalação de energia eólica. Para tal as pás do rotor são novamente levadas à posição de bandeira.
De uma maneira a que se dá especial preferência o processo de comando de acordo com a invenção pode estar configurado de tal maneira que se faz a aquisição do valor dos esforços que actuam nomeadamente sobre uma ou várias pás do rotor. Esta aquisição pode efectuar-se por exemplo pela determinação da 3 velocidade do vento junto da pá do rotor, através da deformação que a pá do rotor sofre e/ou mediante outros métodos apropriados (medição das forças de tracção e de compressão na pá do rotor ou no cubo do rotor).
De acordo com um aperfeiçoamento da invenção a que se dá preferência a torção dos cabos que se estendem nomeadamente a partir da casa de máquinas para dentro da torre, ou vice-versa, é tomada em consideração ao definir a direcção do movimento para a mudança da posição azimutal da casa de máquinas. Deste modo é possível evitar de uma maneira efectiva danos que em princípio são evitáveis. A primeira velocidade do vento predefinida, que é da ordem de grandeza de cerca de 20 m/s, é também designada habitualmente por velocidade de corte ou por velocidade limite. A essa velocidade ou a uma velocidade com um valor um pouco superior, por exemplo uma velocidade do vento de 25 m/s, a maioria das instalações de energia eólica desligam, isto é, todo o rotor é frenado, já não sendo gerada mais energia.
De acordo com um aperfeiçoamento do processo a que se dá especial preferência solta-se o freio azimutal e/ou o freio do rotor, de modo que o vento que aflui posiciona o rotor localizado ao abrigo do vento automaticamente para a posição em que oferece a menor resistência ao vento, sendo simultaneamente os esforços que incidem sobre as próprias pás do rotor dissipados pela possibilidade de o rotor poder girar, de modo que o processo de acordo com a invenção faz com que a instalação de energia eólica possa ser ajustada de maneira a poder desviar-se tanto quanto possível das forças do vento.
Outras formas de realização vantajosas da invenção encontram-se caracterizadas nas reivindicações secundárias. A 4 seguir explica-se mais em pormenor, mediante as figuras, um exemplo de realização da invenção. Mostra-se na:
Figura 1 uma instalação de energia eólica em serviço normal,
Figura 2 uma instalação de energia eólica que foi ajustada pelo processo de acordo com a invenção após ter sido atingido um primeiro valor da velocidade do vento; e
Figura 3 uma instalação de energia eólica que foi ajustada pelo processo de acordo com a invenção após ter sido atingido um segundo valor da velocidade do vento. A figura 1 mostra uma instalação de energia eólica com a configuração de uma instalação com rotor posicionado face ao vento, isto é, o rotor está situado do lado da torre 10 que fica virado para o vento. Na extremidade da torre 10 encontra-se assente a casa 12 de máquinas que abriga o gerador e as pás 14 do rotor (não representadas).
Nesta figura a instalação de energia eólica, apresentada a titulo de exemplo, encontra-se representada em serviço normal, estando as pás 14 do rotor ajustadas de maneira a extraírem do vento, cuja direcção é indicada por uma seta 20, a potência máxima para a converter seguidamente em energia eléctrica. A figura 2 mostra igualmente uma instalação de energia eólica que comporta uma torre 10 em cuja extremidade está situada uma casa 12 de máquinas. Nesta figura encontra-se representada a possibilidade de ajuste das pás 14 do rotor, ajuste esse que está a cargo do comando de acordo com a invenção quando tiver sido atingida ou ultrapassada uma primeira 5 velocidade preestabelecida do vento, por exemplo 20 m/s. As pás 14 do rotor são então rodadas para uma assim chamada posição de bandeira, na qual se encontram orientadas de maneira a apresentarem a menor resistência possivel ao vento.
Deste modo consegue-se diminuir nitidamente a carga que o afluxo de vento 20 exerce através das pás 14 do rotor sobre a instalação 8, 10, 12, 14 de energia eólica. Além disso nesta posição a corrente de ar não está evidentemente em contacto com as pás 14 do rotor, de modo que não são também originadas as correspondentes forças (de impulsão) . Por esse motivo não há movimento giratório do rotor.
Nas instalações de energia eólica nas quais não é possivel variar o ângulo de ataque das pás 14 do rotor uma reacção do comando em conformidade com o processo de acordo com a invenção poderá por exemplo consistir em ajustar uma parte da pá do rotor, de um modo preferido a parte do lado de fora da mesma, que está distanciada o máximo possivel do cubo (não representado) do rotor, de tal maneira que a circulação de ar em torno das pás do rotor rompe, o que impede a rotação.
Nesta posição as forças que actuam sobre as pás 14 do rotor, sobre a casa 12 de máquinas e sobre a torre 10 são no entanto ainda bastante grandes, sendo nomeadamente o ajuste azimutal obrigado a resistir a cargas muito consideráveis.
Para evitar danos o processo de comando de acordo com a invenção regula por isso a posição azimutal da casa 12 de máquinas ao ser atingida uma segunda velocidade preestabelecida do vento, por exemplo mais de 30 m/s e até 50 m/s, de tal maneira que o rotor fica situado ao abrigo do vento, isto é, do 6 lado da torre 10 que é contrário à direcção do vento. Esta situação encontra-se representada na figura 3. A segunda velocidade preestabelecida do vento situa-se numa ordem de grandeza que permite classificá-la de tempestade violenta ou de furacão. A estas velocidades do vento nas instalações de energia eólica até agora conhecidas habitualmente já nada se move, uma vez que tanto o freio azimutal como também o freio do rotor providenciam uma total paragem da instalação.
Na figura 3 a casa 12 de máquinas situada na extremidade da torre 10 está posicionada de tal maneira que o vento 20 flúi primeiro em torno da torre 10, atingindo só então o rotor provido das suas pás 14. Soltando o freio azimutal e o freio do rotor, torna-se possível nesta posição que as forças resultantes do afluxo de vento, que actuam nomeadamente sobre as pás 14 do rotor, possam conduzir a um movimento giratório livre da casa 12 de máquinas na posição azimutal, de modo que o vento "arrasta" a casa de máquinas 12 quando mudar de direcção.
Como se reconhece na figura 3, a posição das pás 14 do rotor em relação ao vento permaneceu inalterada, isto é, as pás 14 do rotor continuam a permanecer na assim chamada posição de bandeira, na qual oferecem a menor resistência possível ao vento.
Dado que a casa 12 de máquinas da instalação 10, 12, 14 de energia eólica foi rodada da posição localizada face ao vento para a posição ao abrigo do vento, isto é, realizou uma rotação de 180°, também as pás 14 do rotor são giradas de 180°, para que possam manter a sua posição em relação ao vento.
Em correspondência com o exposto o apoio das pás do rotor, 7 bem como o accionamento das pás do rotor devem permitir uma tal rotação.
Para tal tornam-se possíveis, para obter uma mudança da posição das pás 14 do rotor, dois processos fundamentais e evidentemente qualquer variante intermédia. Uma das possibilidades consiste em mudar primeiro a posição azimutal da casa 12 de máquinas de tal maneira que o rotor se move da posição face ao vento para a posição ao abrigo do vento, deixando durante esta mudança de posição inalterada a posição das pás 14 do rotor. Esta variante faz no entanto com que as pás 14 do rotor exponham, após uma rotação de cerca de 90°, toda a sua superfície ao vento, oferecendo-lhe portanto a plena superfície de ataque. Soltar nestas condições o freio do rotor só consegue obviar a este inconveniente com certas limitações, uma vez que pelo menos duas pás, das quais uma se encontra acima e a outra abaixo do eixo horizontal do rotor, ficam expostas ao vento. A alternativa a que se dá preferência consiste em manter durante a mudança da posição azimutal a posição das pás 14 do rotor em relação ao vento por intermédio de uma variação continua da posição dessas pás 14 do rotor em relação ao vento, e isto por sua vez mediante uma variação continua da posição das pás 14 do rotor em relação à casa 12 de máquinas (mantendo-se inalterada a orientação em relação ao vento) . Em virtude disso as pás 14 do rotor encontram-se na posição de bandeira, mesmo quando a casa 12 de máquinas estiver posicionada perpendicularmente à direcção 20 do vento, continuando a oferecer assim sempre a menor resistência possível. A invenção atrás descrita presta-se nomeadamente a ser utilizada em instalações de energia eólica que se encontram em zonas de offshore. Dado que muito especialmente em zonas de offshore, tratando-se portanto de instalações de energia eólica expostas ao mar aberto, ser de esperar que estas instalações estejam em parte expostas aos temporais mais fortes, podendo no entanto ser reparadas de imediato quando ocorrerem danos de pequena monta nas instalações, consegue-se providenciar pela implementação da invenção que logo à partida seja impossível ocorrerem danos de maior monta ou de menor monta nas instalações, dado que pela mudança da posição das pás do rotor para a posição de bandeira e pela mudança da posição da casa de máquinas para a posição ao abrigo do vento se tomam as medidas necessárias para que a carga do vento sobre toda a instalação de energia eólica e seus componentes (nomeadamente a torre) seja tão pequena quanto possível.
Lisboa, 19 de Setembro de 2006 9

Claims (13)

  1. REIVINDICAÇÕES 1. Processo para o comando de uma instalação de energia eólica provida de uma casa de máquinas e de um rotor com pelo menos uma pá de rotor, processo segundo o qual as pás do rotor da instalação de energia eólica são levadas, ao ser atingido um primeiro valor preestabelecido da velocidade do vento, tratando-se nomeadamente da velocidade limite, que é superior a 20 m/s, a uma primeira posição predefinida e, ao ser atingido um segundo valor predefinido da velocidade do vento, que é nitidamente superior ao do primeiro valor predefinido da velocidade do vento, a casa (12) de máquinas ser levada a uma posição azimutal prescrita, caracterizado por o movimento da casa de máquinas para a posição azimutal preestabelecida ser acompanhado em simultâneo de um ajuste das pás do rotor, por forma a que a sua posição de bandeira em relação à direcção principal do vento não seja no essencial alterada.
  2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as pás (14) do rotor, ao ser atingido um segundo valor preestabelecido da velocidade do vento, serem levadas a uma segunda posição predefinida.
  3. 3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por as pás (14) do rotor serem levadas à segunda posição predefinida depois de a casa (12) de máquinas ter atingido a sua posição preestabelecida.
  4. 4. Processo de acordo com a reivindicação 3, em que o ajuste da segunda posição predefinida das pás (14) do rotor é realizado durante a operação preestabelecida de 1 posicionamento da casa (12) de máquinas.
  5. 5. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por nas pás (14) do rotor se fazer a aquisição, mediante meios de detecção de esforços, dos esforços que incidem sobre essas pás do rotor.
  6. 6. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por se tomar em consideração, ao definir a direcção do movimento da casa (12) de máquinas para a nova posição azimutal, a torção dos cabos no interior da casa de máquinas.
  7. 7. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por se determinar, nomeadamente quando a direcção do vento mudar rapidamente, uma direcção média do vento e por essa direcção média do vento ser tomada em consideração ao definir a direcção do movimento da casa (12) de máquinas.
  8. 8. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por no caso de haver vários parâmetros que influenciam a direcção do movimento da casa (12) de máquinas se efectuar uma ponderação desses parâmetros.
  9. 9. Processo para o comando de uma instalação de energia eólica de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por, ao ser atingido o segundo valor predefinido da velocidade do vento, a casa de máquinas ser levada a uma posição ao abrigo do vento, encontrando-se as pás do rotor então na posição de bandeira. 2
  10. 10. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por se soltar o freio azimutal ao ser atingida uma velocidade situada acima da primeira velocidade, de um modo preferido no entanto ao ser atingido o segundo valor da velocidade do vento.
  11. 11. Processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por se soltar o freio do rotor.
  12. 12. Instalação de energia eólica destinada nomeadamente à realização do processo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, instalação essa que está provida de um accionamento azimutal e de um rotor com pelo menos uma pá de rotor que pode ser ajustada individualmente, caracterizada por estar previsto um dispositivo de comando que detecta o valor da velocidade do vento e que na dependência do valor calculado da velocidade do vento faz variar, com o rotor parado, o ângulo de ataque da pá do rotor ou das pás (14) do rotor e simultaneamente faz variar a posição azimutal da casa (12) de máquinas de tal maneira que a pá do rotor ou as pás do rotor se encontra ou se encontram durante a operação de mudança de posição da casa de máquinas para uma posição azimutal preestabelecida sempre no essencial na posição de bandeira em relação à direcção principal do vento.
  13. 13. Instalação de energia eólica de acordo com a reivindicação 12, caracterizada por o dispositivo de comando estar equipado de pelo menos um microprocessador. Lisboa, 19 de Setembro de 2006 3
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