PT1432911E - Sistema de alerta rápido para turbinas eólicas com sodar - Google Patents

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Description

1
DESCRIÇÃO
"SISTEMA DE ALERTA RÁPIDO PARA TURBINAS EÓLICAS COM SODAR"
As turbinas eólicas são, em função das dimensões e da capacidade, investimentos relativamente caros, que devem ser protegidos contra a destruição, a danificação ou outras causas de falhas numa turbina eólica quando se pretende preservar a sua vida útil prescrita. Além disso, a intenção é rentabilizá-las ao máximo para obter o maior rendimento energético. Ambos os objectivos, nomeadamente a longa vida útil por um lado e o maior rendimento energético possível por outro lado, encontram-se, em parte, diametralmente opostos, pois embora fosse possível sujeitar parcialmente uma turbina eólica a sobrecarga, aumentando assim o rendimento energético, a sua vida útil iria sofrer uma redução substancial com isso. Se, porém, utilizar uma turbina eólica apenas em áreas de vento moderado, ela estará mais protegida, mas o seu rendimento energético seria insuficiente.
Conhecemos de WO-A 98/42980 uma turbina eólica, na qual com a ajuda de um sistema de medição da velocidade do vento para determinar velocidades do vento à frente da turbina eólica, se procede a um controlo do ângulo de uma pá do rotor da turbina eólica em função da velocidade definida, sendo a velocidade do vento determinada com a ajuda de um raio laser.
De US 4.651.017 conhece-se uma turbina eólica, na qual a velocidade do vento é determinada com a ajuda de um raio laser à frente da turbina para controlá-la. US 5.979.234 já nos apresentou um processo acústico para medição do vento, que calcula a velocidade do vento 2 entre uma fonte de ruído num local conhecido e um detector a uma certa distância desta fonte, preferencialmente em aeroportos. A invenção pretende apresentar medidas e possibilidades para proteger uma turbina eólica contra danos ou contra circunstâncias que possam causar falhas na turbina, ao mesmo tempo que permite obter o máximo rendimento energético possível. A tarefa é resolvida por meio de uma invenção com as características segundo a reivindicação 1 ou 2. Encontramos outros desenvolvimentos privilegiados nas subreivindicações. A invenção baseia-se no conhecimento em medir não apenas (como até agora) as condições do vento numa turbina eólica através de anemómetros, mas também utilizar estes resultados de medição em turbinas eólicas dispostas na direcção do vento atrás da primeira turbina eólica, de modo a poder alterar atempadamente o ângulo de ajuste das pás da turbina pouco antes de uma rajada de vento para não a sujeitar a uma sobrecarga demasiado forte, que a pudesse danificar. 0 sistema de alerta rápido em conformidade com a invenção baseia-se principalmente em duas saliências, em parte diferentes, mas que também podem ser combinadas uma com a outra, o que faz com que elas se complementem.
Uma possibilidade consiste em aplicar na própria turbina eólica, preferencialmente na sua gôndola, como por exemplo na área frontal do cubo à frente do rotor, um chamado sistema SODAR (ver p. ex. http://akulOO.physik.uni-oldenburg.de/Schallausbreitung/sodarl). Este tipo de sistemas SODAR (Sonic Detection and Ranging) consegue detectar tridimensionalmente as condições do vento (online) numa direcção desejada (na direcção do vento) à frente da turbina eólica. Se for aplicado um sistema SODAR numa gôndola da turbina eólica e alinhado à frente do rotor da 3 turbina, não são necessários ajustes posteriores (uma vez que o sistema SODAR estará sempre alinhado com a gôndola na direcção do vento principal) e é possível observar a área à frente do rotor da turbina eólica para detectar rajadas.
Apesar de já se conhecerem sistemas SODAR, estes são até agora instalados apenas de modo estacionário ou são transportados sobre um reboque como sistemas móveis e servem apenas para medir uma vez um perfil do vento numa determinada área.
Em conformidade com a invenção, este tipo de sistemas SODAR permanece na turbina eólica e não é instalado apenas uma vez e de forma estacionária, de modo que com a aproximação de uma rajada de vento que poderia sobrecarregar a turbina, esta situação é atempadamente detectada, podendo assim ajustar-se adequadamente as pás do rotor ainda antes da ocorrência da rajada de vento sobre a turbina, diminuindo substancialmente a sobrecarga exercida na turbina, o que seria o caso se as pás do rotor não fossem ajustadas.
Se o sistema SODAR estiver instalado numa turbina eólica (ou em várias) num parque eólico, nomeadamente na periferia do parque eólico onde o vento se aproxima mais rapidamente, os dados medidos pelo sistema SODAR não só podem ser processados na turbina eólica que o sistema SODAR suporta, como também podem ser processados por todas as outras turbinas eólicas, que se encontram na direcção do vento atrás da turbina eólica equipada com o sistema SODAR, de modo a evitar também aí danos causados pelas rajadas de vento ou outras condições de vento extremas, desde que as turbinas eólicas orientem adequadamente as pás do rotor ao vento, tornando-as assim inacessíveis às rajadas de vento ou outras condições extremas do vento.
Os parques eólicos possuem, porém, outra alternativa para um sistema de alerta rápido, utilizando os anemómetros e anteriores dispositivos de medição de carga aplicados 4 numa turbina eólica, não apenas para fornecer dados importantes para a turbina e que são suportados pelo anemómetro ou pelo dispositivo de medição da carga, mas também para explorar com o anemómetro a direcção do vento atrás da turbina eólica. Se o anemómetro medir por exemplo fortes intensidades de vento, é possível transmitir estas informações às outras turbinas, que se encontram na direcção do vento atrás da turbina eólica em questão, e as turbinas podem ainda antes da ocorrência das condições desfavoráveis e perigosas do vento ajustar as pás do rotor ou tomar outras medidas, como p. ex. desligar completamente as turbinas, para reduzir ou, de preferência, evitar as sobrecargas e eventuais danos consequentes provocados pelas condições desfavoráveis do vento.
Um ajuste regular das pás do rotor ao vento reduz a superfície das pás do rotor exposta ao vento, o que em determinadas circunstâncias pode também reduzir a potência eléctrica. Esta desvantagem é aceitável se com isto se evitarem os danos que uma sobrecarga pode acarretar, pois bastam alguns casos de sobrecarga para reduzir substancialmente toda a vida útil da turbina, desvalorizando uma descida temporária da potência se a compararmos com a vida útil da turbina eólica. 0 sistema de alerta rápido em conformidade com a invenção, no qual os dados (dados sobre o vento e a sobrecarga) medidos numa turbina eólica podem também ser utilizados para outras turbinas eólicas, pressupõe uma rede de comunicação entre as turbinas eólicas de um parque eólico, em que a transmissão de dados pode ser feita com ou sem fios e a transmissão em si poder fazer uso de tecnologia de rede já conhecida. A transmissão de dados pode ser efectuada de turbina para turbina ou através de um controlo central. 0 controlo central pode, por sua vez, transmitir as informações relativas às condições do vento medidas na turbina a todas 5 as turbinas eólicas ou àquelas que foram seleccionadas (p. ex. as que ficam na "sombra" de uma determinada turbina) de um parque eólico e/ou disponibilizar os necessários sinais de controlo e transmitir às respectivas turbinas eólicas. Naturalmente que também se pode ponderar uma combinação de SODAR e de medidores-anemómetros para permitir uma transmissão de turbina para turbina, assim como, uma transmissão através de um controlo central, o que possibilita uma redundância de informações, que p. ex. permite corriqir erros. Além disso, pode verificar-se um tal controlo de plausibilidade, que as instruções de controlo emitidas pelo controlo central para a turbina eólica através de uma transmissão de turbina para turbina dos dados sobre a velocidade ou a direcção do vento, são verificadas e somente executadas quando se constata que há plausibilidade.
Claro que por outro lado cada turbina pode também, e através dos dados transmitidos entre as turbinas, proceder no seu próprio dispositivo de controlo a uma respectiva verificação enquanto um controlo central executa uma respectiva observação.
Uma vez que as distâncias entre as diversas turbinas eólicas de um parque eólico são inalteráveis, é possível prever com segurança (através das velocidades do vento e em caso de condições extremas de vento) quando vão ocorrer alterações desfavoráveis do vento, como p. ex. rajadas de vento, e qual a turbina que será afectada. Em conformidade com isso, é por exemplo possível calcular um tempo de avanço em função da velocidade do vento, que a turbina precisa para proceder ao necessário ajuste (ângulo das pás do rotor em relação ao vento) . Em alternativa ou de modo complementar pode ser introduzida uma componente fixa para o tempo de avanço.
Devido às distâncias entre as diversas turbinas eólicas e devido às velocidades do vento, os tempos de pré- 6 aviso resultantes deviam ser suficientes para alterar atempadamente o ângulo da pá (a velocidade pitch situa-se aprox. entre 4 e 8°/segundos).
Como foi mencionado, as informações relativas às condições do vento medidas numa turbina eólica, podem ser recolhidas em principio em todas as turbinas de um parque eólico. Uma alternativa pode ser a transmissão de informações em função da direcção do vento, onde podia estar previsto um ângulo de abertura para comunicar as informações pelo menos às turbinas directamente adjacentes à rota do vento. Este ângulo de abertura pode, por sua vez, ser fixo ou dependente das oscilações da direcção do vento.
Podem, naturalmente, também serem transmitidas outras informações, para além dos meros dados sobre a velocidade e a direcção do vento, como a identificação de turbinas eólicas emissoras e destinatárias, códigos de correcção de erros ou informações idênticas. A consideração especial da direcção do vento parece útil, pois mesmo com uma direcção essencialmente constante do vento continuam a ocorrer rajadas de vento locais, que (podem) chegar apenas a uma parte das turbinas eólicas, de modo que do ponto de vista da optimização do rendimento, apenas as turbinas eólicas que realmente se encontram na rota de uma rajada destas é que têm de ser respectivamente controladas para minimizar a sobrecarga. A figura 1 mostra p. ex. uma disposição de parque eólico com várias turbinas eólicas 1 ligadas a um controlo central 2. 0 controlo central pode processar dados medidos de turbinas individuais e também disponibilizar respectivos sinais de controlo para cada turbina. A figura 2 mostra p. ex um caso tipico de aplicação. Neste caso, o vento 3 passa primeiro por uma determinada turbina 4, que por sua vez transmite os dados medidos a um controlo central ou por outro meio (que não pelo controlo central) a outras 7 turbinas. Espera-se que o vento que passa na turbina também vá passar nas turbinas que ficam directamente na sombra da turbina (sombreado estreito). É porém também possível alarqar o ângulo de abertura (sombreado mais largo) para definir assim uma "sombra do vento" mais larga, de modo que em várias turbinas que ficam total ou parcialmente na área sombreada se podem utilizar também os resultados da medição da primeira turbina para controlar as restantes turbinas à sombra do vento da primeira turbina para evitar danos nas outras turbinas e protegê-las também através da avaliação dos resultados de medição da primeira turbina.
Em vez de um controlo central 2 pode também utilizar-se outro conceito de controlo (como já foi mencionado). Por exemplo segundo este conceito, podem existir ligações de dados entre turbinas adjacentes ou entre turbinas eólicas de uma determinada área e podem transmitir-se dados de medição sem fios e sem um controlo central entre as turbinas eólicas. É também possível que na ocorrência de determinados ventos, como p. ex. rajadas, não se ajustar apenas em concreto a turbina em questão, mas várias turbinas perto desta turbina ou turbinas numa determinada condição geográfica relativamente à turbina em questão. Segundo a figura 2, isto podem ser também as turbinas eólicas 6, que se encontram à esquerda e à direita da turbina em questões da direcção do vento.
Se a primeira turbina 4 estiver equipada, segundo a figura 2, com um SODAR, pode logo medir-se a rajada sobre a primeira turbina eólica e tomar as respectivas medidas nessa mesma turbina para evitar eventuais danos. 8
DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO A lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor, não sendo parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.
Documentos de patente referidos na descrição • WO 9842980 A [0002] • US 4651017 A [0003] • US 5979234 A [0004]
Lisboa 12/02/2009

Claims (8)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Turbina eólica com um sistema acústico para detectar a velocidade do vento, nomeadamente com um SODAR na gôndola (nacelle) da turbina, que é colocado na área do cubo do rotor da turbina à frente do nível do rotor da turbina.
2. Turbina eólica segundo a reivindicação 1, caracterizada pelo facto do SODAR medir as condições do vento à frente do rotor e transmitir os respectivos dados de medição a um controlo da turbina eólica, que por sua vez no caso de ocorrerem condições de vento particularmente indesejadas, como p. ex. rajadas, altera o ângulo das pás do rotor e assim protege toda a turbina contra sobrecargas e destruição.
3. Parque eólico com várias turbinas eólicas segundo uma das reivindicações anteriores 1 ou 2 com um sistema de alerta rápido para proteger as turbinas eólicas num parque eólico com meios para medir as condições do vento na área de uma primeira turbina, sendo os dados medidos processados por um dispositivo de controlo, que controla a primeira turbina e/ou uma outra segunda turbina na proximidade da primeira, sendo o controlo efectuado principalmente no ajuste do ângulo da pá do rotor relativamente ao vento, sendo efectuado um ajuste do ângulo de ataque assim que se medir uma situação ameaçadora do vento para a primeira turbina eólica.
4. Parque eólico com várias turbinas eólicas segundo uma das reivindicações anteriores 1 ou 2, em que os dados de medição de uma primeira turbina do parque eólico, que fica primeiramente exposta ao vento, são transmitidos a pelo menos uma segunda turbina disposta na direcção do vento por trás da primeira turbina, e a segunda turbina 2 eólica que se encontra a sotavento da primeira é controlada em função dos dados medidos sobre a posição do vento na área da primeira turbina.
5. Turbina eólica segundo uma das reivindicações 1 ou 2 com um dispositivo para detectar as condições do vento na área da turbina, caracterizada por um dispositivo para enviar/receber informações sobre a velocidade e/ou a direcção do vento para/de pelo menos uma das outras turbinas eólicas no parque eólico.
6. Turbina eólica com um dispositivo para detectar as condições do vento segundo uma das reivindicações 1 ou 3 e 5, caracterizada pelo facto do dispositivo para detectar a velocidade do vento funcionar com ondas sonoras, preferencialmente com ondas de ultra-som segundo um SODAR.
7. Turbina eólica segundo a reivindicação 6, caracterizada pelo facto do dispositivo para detectar a velocidade do vento estar disposto, pelo menos parcialmente, na área da gôndola (nacelle) da turbina eólica.
8. Turbina eólica segundo a reivindicação 7, caracterizada pelo facto do dispositivo para detectar a velocidade do vento fazê-lo tridimensionalmente. Lisboa, 12/02/2009
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