PT1442216E

PT1442216E - Método e aparelho para a montagem/desmontagem de um anel se suporte fexível numa roda pneumática.

Info

Publication number: PT1442216E
Application number: PT02776321T
Authority: PT
Inventors: Geoffrey F Deane; Amir S Mikhail
Original assignee: Clipper Windpower Technology
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2002-10-24
Publication date: 2007-05-31
Also published as: US20030044274A1; BR0213558A; CA2465271A1; EP1442216B1; EP1442216A1; EP1442216B2; DE60218328T2; CA2465271C; WO2003036082A1; ATE354728T1; DE60218328D1; MXPA04003945A; ES2282475T3; DK1442216T3; US6726439B2

Description

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DESCRIÇÃO "ROTOR COM LÂMINAS EXTENSÍVEIS E CRITÉRIOS DE CONTROLO DAS MESMAS" ANTECEDENTES DA INVENÇÃO Campo da Invenção

Esta invenção refere-se a dispositivos de geração de energia eléctrica tais como turbinas eólicas e turbinas de correntes oceânicas e, mais especificamente, a um método e aparelho para controlo de rotores extensíveis de turbinas eólicas ou de água.

Descrição da Arte Anterior

Os aerofólios rotativos de vão variável têm estado em desenvolvimento nos últimos 20 anos pela indústria aeroespacial para utilização na Descolagem e Aterragem Vertical de helicópteros e aeronaves (Vertical Take Off and Landing (VTOL)) .

As pás de rotor extensíveis em equipamentos rotativos, dos quais as turbinas eólicas são um subconjunto, são conhecidas na arte desde 1930 (Cameron 2,163,482 e Ash 2,108,245). Têm sido apresentados inúmeros designs mecânicos específicos tais como o conjunto de tubo e longarina de torção para uma pá de rotor extensível accionada por parafuso (5,636,969), a configuração de montagem para conjuntos de rotor de diâmetro variável (5,655,879), o sistema de accionamento de pás de rotor de diâmetro variável que utiliza correias de retenção enroladas em volta de um tambor accionado centralmente (5,642,982, 6,019,578 e DE-A-4 428 731), o mecanismo de bloqueio e paragem de segurança contra o excesso de extensão para um rotor de diâmetro variável ( 4, 080,097), um rotor de diâmetro variável com uma torção de deslocamento 2 (5,253,979), um sistema de accionamento para alteração do diâmetro de um rotor de diâmetro variável que utiliza engrenagens de ângulo direito para interface com um mecanismo de retracção accionado por parafuso (5,299,912), bem como vários outros (5,620,303; 6,030,177; 5,735,670; 5,655,879). Em todos os casos, a arte anterior apresenta mecanismos para utilização como componentes de sistemas de pás de rotor extensíveis que são peças de equipamentos rotativos para helicópteros ou aeronaves, ou são descritos em termos mais gerais como aparelhos para utilização em qualquer sistema de rotor extensível. A arte anterior não descreve sistemas de pás de rotor extensíveis para turbinas eólicas ou de correntes oceânicas combinados com o controlo das cargas que enfrentam. A arte anterior mostra sistemas de rotor que funcionam em quatro regiões: (1) a velocidades abaixo da velocidade de entrada (cut-in) , (2) acima de uma gama de velocidades intermédias cujo rendimento de produção de energia varia, (3) a velocidades mais elevadas em que as turbinas produzem energia constante ou ligeiramente reduzida para limitar as cargas, e (4) a velocidades extremamente elevadas em que as turbinas se desligam. Nenhuma arte anterior indica o funcionamento dentro de uma quinta região em que o diâmetro do rotor é alterado para manter o funcionamento dentro de um regime de cargas específico. O que é necessário é um método de controlo de turbinas eólicas e de correntes oceânicas de forma a aumentar a produção de energia ao mesmo tempo que limita o binário, o impulso ou outras cargas a um nível que seja inferior ao das cargas que seriam encontradas se o rotor pudesse produzir uma potência pico de sistema enquanto os rotores estivessem totalmente estendidos, em todas as condições de vento de velocidades de vento de entrada a velocidades de saída.

RESUMO DA INVENÇÃO 3

Em resumo, a presente invenção refere-se ao controlo de uma pá de rotor extensível utilizado em equipamentos de produção de energia accionados por fluidos de movimento lento tais como o vento e a água. 0 rotor extensível pode consistir em inúmeras configurações gerais. Numa configuração, um aerofólio com um vão inferior ao raio exterior da turbina é manobrado de forma controlada para fora e para dentro a partir do centro de rotação ao longo de um veio de suporte de carga, que aumenta e reduz a área varrida pelo aerofólio durante a rotação do rotor. Noutra configuração, o rotor é composto de duas peças principais: a pá principal e uma extensão da pá.

Como componentes da turbina, no seu todo, estas configurações apresentam quatro variáveis de design principais: diâmetro mínimo do rotor (com a extensão totalmente retraída), diâmetro máximo do rotor (com a extensão totalmente estendida), a potência nominal do sistema e o binário nominal do sistema. De interesse um pouco menor, mas de relevância em casos de design isolados como um factor limitador em vez do binário, é o impulso nominal do sistema (resistência do rotor) e a flexão da raiz da pá.

De acordo com um aspecto da invenção, o binário mecânico (ou impulso) fornecido pelo rotor é controlado de forma a que o binário (ou impulso) seja limitado abaixo de um valor de limiar. Uma vantagem da invenção é permitir uma configuração de pá de rotor extensível para funcionar dentro de binários ajustáveis e de limites de carga de impulso. Isto permite uma adaptação a um sem número de fabricantes de designs de aerofólios de turbina ou a uma variedade de condições de funcionamento através da utilização de diferentes pontos de regulação de controlo, bem como permite a retromontagem de turbinas eólicas já instaladas.

Outra vantagem da invenção são as pás extensíveis terem capacidade para aumentar ou reduzir a área varrida pelas 4 pás, aumentando ou reduzindo assim a captação de energia para uma determinada velocidade de vento ou corrente oceânica. Devido ao facto da área varrida pelo rotor ser proporcional ao raio das pás ao quadrado, pequenas alterações induzidas no raio do rotor (através da extensão ou retracção das extensões da pá) dão origem a grandes alterações na captação de energia. Por exemplo, um aumento de 25% no raio do rotor resulta num aumento de 56% na área varrida. Além disso, pelo facto do vento e das correntes oceânicas poderem ser intermitentes, as turbinas podem funcionar durante um período de tempo significativo em fluxos com velocidades inferiores às necessárias para atingir a potência nominal. Uma turbina com capacidade para estender a sua área varrida em períodos de velocidade baixa poderá neste caso aumentar significativamente a energia gerada durante esses períodos em comparação com uma turbina de rotor não extensível, o qual também resulta numa redução da variabilidade da potência disponível (intermitência).

Uma vantagem da presente invenção é que fornece uma abordagem ao controlo de turbinas que aumenta o valor do equipamento de produção de energia com um custo adicional reduzido. A invenção permite aumentos significativos do rendimento do rotor na captação de energia através do aumento da sua área varrida, sem qualquer penalização em termos de binário do rotor ou de cargas de impulso fornecidos a motopropulsores ou a estruturas ligadas. Este método é aplicável a rotores, quer tenham pás que se expandem, quer tenham aerofólios de suspensão regulada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A invenção será descrita em pormenor com referência aos desenhos nos quais as: 5 FIGURAS la-le mostram vistas laterais em corte das incorporações preferidas da presente invenção; FIGURA 2 mostra as possíveis curvas de turbina eólica, dividindo a captação de potência do rotor versus a velocidade do vento para três diâmetros de rotor diferentes, com o rotor 1 a representar o diâmetro maior e o rotor 2 o diâmetro mais pequeno; FIGURA 3 mostra a curva de potência seguida de um sistema de pá de rotor extensível quando controlado de acordo com a presente invenção; FIGURA 4 mostra as cinco regiões de funcionamento da turbina da presente invenção; FIGURA 5 mostra um circuito de processo de controlo simplificado para 1 · funcionamento do sistema dentro da Região -L r FIGURA 6 mostra um circuito de processo de controlo simplificado para 2; FIGURA 7 mostra funcionamento do sistema dentro da Região um circuito de processo de controlo simplificado para •3 . funcionamento do sistema dentro da Região r FIGURA 8 mostra um circuito de processo de controlo simplificado para A · funcionamento do sistema dentro da Região ·* f Θ FIGURA 9 mostra um circuito de processo de controlo simplificado para funcionamento do sistema dentro da Região 5.

DESCRIÇÃO DAS INCORPORAÇÕES PREFERIDAS A captação de energia a partir de turbinas eólicas e de correntes oceânicas é directamente proporcional à área transversal varrida pelas pás do rotor da turbina. Os rotores convencionais utilizam pás de comprimento fixo, unidas e que rodam sobre um cubo. Estas pás podem ser de 6 inclinação variável (selectivamente rotativas sobre os seus eixos longitudinais ) de modo a alterar o ângulo de ataque em relação ao fluxo do fluido de entrada, principalmente para cortes de corrente momentâneos em velocidades de fluxo elevadas. Em alternativa, estas pás podem ser de inclinação fixa ou de suspensão regulada, em que a pá se eleva e, por conseguinte, a captação de energia desce drasticamente quando as velocidades do vento excedem algum valor nominal. Quer as pás de rotor de inclinação fixa, quer as pás de suspensão regulada com diâmetros fixos são bem conhecidas na arte. 0 rotor extensível abordado nesta invenção pode consistir de inúmeras configurações gerais. Numa configuração, um aerofólio com um vão inferior ao raio exterior do rotor da turbina (ver FIGURAS la-lc) é manobrado de forma controlada para fora e para dentro a partir do centro de rotação ao longo de um veio de suporte de carga, que aumenta e reduz a área varrida pelo aerofólio durante a rotação do rotor. Noutra configuração, o rotor consiste de duas peças principais: ( ver FIGURAS 1 d-le) : a pá principal e a extensão da pá (representado por linhas interrompidas). Como componentes da turbina, no seu todo, estas configurações apresentam quatro variáveis de design principais: diâmetro mínimo do rotor (FIGURAS lc e ld com a extensão totalmente retraída), diâmetro máximo do rotor (FIGURAS la e le com a extensão totalmente estendida), a potência nominal do sistema e as cargas nominais do sistema tais como binário do veio, impulso do rotor, tensão de flexão da pá, flexão da face anterior e posterior da pá, flexão da alheta ou outras cargas limitadoras.

Um aspecto desta invenção é um método de controladamente limitar as cargas mecânicas tais como o binário, impulso, face anterior e posterior da pá (no plano), alheta da pá (fora do plano) ou as cargas de flexão da parte superior da torre fornecidas pelo rotor abaixo de um valor de limiar. Ao atingir este objectivo permite uma configuração única da 7 pá de rotor extensível para funcionar dentro de limites de carga ajustáveis. Isto permite uma adaptação a um sem número de designs de fabricantes de aerofólios de turbina eólica ou a uma variedade de condições ambientais através da utilização de diferentes pontos de regulação de controlo, bem como permite a retromontagem de turbinas eólicas já instaladas.

Uma característica das turbinas eólicas e de correntes oceânicas é a velocidade de rotação do rotor da turbina ser limitada pela velocidade da inclinação da pá no seu raio exterior. Quando as velocidades periféricas do rotor excedem aproximadamente 65m/s numa turbina eólica, a produção de ruido tem tendência a aumentar significativamente. Por conseguinte, a velocidades de vento superiores a aproximadamente 5-14m/s, as velocidades de rotação das turbinas eólicas de grande diâmetro são determinadas por limitações da velocidade periférica e não por velocidades de captação de energia óptimas. Isto é relevante devido ao seu impacto directo no binário, um factor importante de custo em motopropulsores de turbina. 0 binário (T) fornecido pelo rotor ao motopropulsor é dado por

P

(D

Onde P é a energia e 0 é a velocidade angular do rotor. Quando a velocidade angular é limitada pela velocidade periférica (V, sp), o binário pode ser representado para ser relacionado com o raio do rotor, r, como

(2)

Indo mais além, se pretendermos manter o binário inferior ao limite do design definido, tijm, neste caso a potência máxima que o rotor pode produzir enquanto se mantém dentro da velocidade periférica, e o limite de binário pode ser considerado para ser inversamente proporcional ao raio do rotor, conforme dado por

(3)

Então, se observarmos que a potência para uma determinada velocidade de vento (v) e a densidade p, é indicada como P=lp{nr>yCp (4) A relação entre o raio do rotor e a velocidade do vento pode ser representada para ser

(5)

Onde Cp é a eficiência de captação de energia de uma determinada geometria de rotor à velocidade angular do rotor especificada e à velocidade do vento. Isto significa que, à medida que a velocidade do vento aumenta, o raio do rotor deve diminuir inversamente a este aumento (Cp pode variar ligeiramente se isto ocorrer) de modo a permanecer dentro das limitações de binário. Contudo, na prática, uma 9 turbina eólica medirá a sua potência disponível (através da corrente eléctrica, por exemplo) e as RPM do rotor e, por conseguinte, pode determinar-se o raio adequado

P (6)

Onde tip é a eficiência aproximada do motopropulsor da turbina a uma determinada potência disponível, P. A carga de impulso (Ft) é calculada como (7)

Ft ” — p π r2v2C( 2

Onde Ct é o coeficiente de impulso do rotor a uma determinada velocidade de fluxo, as r.p.m. do rotor e o ângulo de inclinação da pá. Se o impulso for mantido abaixo de um limite nominal (F tnm) , neste caso o raio do rotor pode ser considerado para alterar como

(8)

Onde o raio do rotor deve diminuir como o inverso de um aumento de velocidade, similarmente para Eq. 5.

Outra maneira de examinar as equações 5, 6 e 8 é dizer que como as pás do rotor ficam com um diâmetro maior, atingem limites de cargas específicas a uma velocidade do 10 vento mais baixa. FIGURA 2 mostra as possíveis curvas de potência da turbina eólica, dividindo a captação de potência do rotor versus a velocidade do vento para três diâmetros de rotor diferentes, em que o rotor 1 representa o diâmetro maior e o rotor 3 representa o diâmetro mais pequeno. Conforme se pode observar, aumentando o diâmetro do rotor a velocidades de vento baixas resulta numa maior captação de energia àquelas velocidades. Além disso, pode observar-se que a velocidades de vento elevadas, os rotores de diâmetro mais pequeno podem produzir mais potência enquanto se mantêm sob a restrição de binário e, por essa razão, conseguem girar mais rápido ao mesmo tempo que se mantêm sob restrições de velocidades periféricas. Os pontos A, B, e C representam as velocidades de vento a que os rotores 1, 2, e 3 primeiro produzem o valor simples do binário (ou impulso, potência, velocidade periférica, flexão da pá ou da parte superior do torre ou qualquer outra carga limitadora), o que limita a capacidade da turbina. Por conseguinte, um objectivo desta invenção é reduzir e aumentar o raio do rotor dentro da gama de ventos delimitada pelos pontos A e C, conforme ilustrado na FIGURA 3. A velocidades de vento superiores às do ponto C, a turbina assenta na expansão da pá do rotor ou na utilização de pás de rotor de suspensão regulada para continuar em funcionamento a cargas inferiores às restrições nominais. A presente invenção compreende um método de controlo de um rotor de diâmetro variável utilizado em equipamentos de produção de energia accionados por fluidos de movimento lento tais como o vento e a água. A invenção permite aumentos significativos do rendimento do rotor na captação de energia através do aumento da sua área varrida, sem qualquer penalização em termos de binário do rotor ou das cargas de impulso fornecidas a motopropulsores ou a estruturas ligadas. Este método é aplicável a rotores, quer tenham pás que se expandem, quer tenham aerofólios de suspensão regulada. 11

Na descrição do método de funcionamento do rotor, é mais simples separar o estado do rotor extensível em cinco regiões de funcionamento distintas de velocidade de fluxo, conforme ilustrado na FIGURA 4. A Região 1 alcança velocidades baixas inferiores à velocidade de entrada (cut-in) da turbina; a Região 2 alcança velocidades de transição durante as quais o diâmetro do rotor é máximo, a velocidade do rotor pode variar e a potência aumenta regularmente com o aumento da velocidade de vento; a Região 3 alcança velocidades mais elevadas durante as quais o raio do rotor e a velocidade variam para limitar as cargas enquanto a produção de energia continua a aumentar; a Região 4 alcança velocidades muito elevadas em que a turbina produz aproximadamente um binário e potência constantes utilizando a velocidade temporal do rotor e a modulação de inclinação da pá; a Região 5 alcança velocidades extremas durante as quais a velocidade de saída (cut-out) da turbina expande as suas pás para deter a rotação e reduzir as cargas. Para comparação, estas gamas de funcionamento são abordadas em relação ao rotor de diâmetro fixo cuja curva de potência é mostrada na FIGURA 2 como rotor 2 para um sistema de rotor expansível cujo diâmetro pode variar entre o diâmetro expandido do rotor e o diâmetro retraído do rotor 3. Por exemplo, o rotor 2 pode representar um rotor normal de 50m de diâmetro para uma turbina eólica de 750kW, enquanto os rotores 1 e 3 podem representar um rotor nos limites de extensão da pá e retracção de 65m totalmente expandida e 35m totalmente retraída, enquanto funciona sob as mesmas restrições de carga apresentadas no rotor 2. Nas FIGURAS 5, 6, 7, 8, e 9 apresenta-se um diagrama de fluxo de funcionamento da turbina dentro e entre as Regiões 1, 2, 3, 4, e 5, respectivamente.

Região 1

Com velocidades muito baixas, o vento não contém energia suficiente para permitir que a turbina vença as suas 12 próprias perdas. Por conseguinte, o(s) gerador(es) estão geralmente fechados, não fornecendo resistência reactiva à rotação do rotor. Em geral, as pás dos rotores são controladas para a sua inclinação óptima para captação da potência com ventos fracos e a extensão do rotor é mantida no raio máximo. Conforme mostra a FIGURA 5, quando a velocidade do rotor aumenta para além de um valor de velocidade de entrada (cut-in) devido ao aumento das velocidades do vento, o gerador engata e as transições da turbina funcionam na Região 2.

Região 2

Com velocidades baixas (ou de transição) , as pás do rotor estão totalmente expandidas, permitindo a captação de mais potência de forma significativa. Este estado de fluxo estende-se desde a velocidade de entrada do rotor (a velocidade de fluxo inferior à que a turbina é fechada) até ao ponto em que é atingida a carga limitadora do sistema (por ex., binário, impulso, velocidade periférica do rotor, flexão da pá ou parte superior da torre).

Devido à aerodinâmica da pá, os rotores de turbinas eólicas geralmente produzem eficiências de captação de potência máximas (Cp) a um rácio de velocidade periférica fixa (velocidade periférica do rotor / velocidade de corrente livre). Para velocidades do vento baixas, as turbinas de velocidade variável alter as suas taxas de rotação com a velocidade do vento para manter a máxima eficiência de captação de potência e, deste modo, a máxima produção de energia, conforme indicado na Equação 4. Nesta gama de velocidade variável, a produção de energia aumenta muito, raio ao quadrado vezes a velocidade ao cubo (r2 v3), apenas com uma ligeira variação em Cp. Pelo facto do binário ser calculado como a potência dividida pela taxa de rotação (conforme a Eq. 1), pode observa-se que o binário aumenta conforme o raio do rotor ao cubo vezes a velocidade de fluxo ao quadrado (r3 v2) . Além disso, as 13 cargas de impulso variam consoante a área varrida vezes a velocidade ao quadrado (r2v2) . Portanto, o aumento das velocidades para um rotor de raio fixo, o binário e as cargas de impulso que são transferidas para o equipamento gerador aumentam quadraticamente. À medida que as velocidades de fluxo aumentam, a taxa de rotação das pás aumenta linearmente até ser atingida a velocidade periférica máxima VtiP. A FIGURA 6 mostra que na Região 2, a turbina monitoriza a velocidade do vento, a velocidade do rotor e uma ordenação da carga através de sensores. À medida que a velocidade do vento (e a captação de potência do rotor associada) varia, o sistema de controlo altera a velocidade do rotor para optimizar a captação de potência enquanto se mantém abaixo dos limites da velocidade periférica. Se a velocidade do vento e as RPM descerem abaixo dos valores da velocidade de entrada, a turbina volta a funcionar na Região 1, e se qualquer dos sensores exceder os limites, as transições da turbina funcionam na Região 3. Em geral, a velocidade a que a velocidade periférica limite é atingida pode ser inferior à velocidade em que a carga limitadora é atingida (ou seja, binário, impulso, flexão da pá ou parte superior da torre) . Neste caso, existe uma pequena gama de velocidades em que os rotores estão totalmente expandidos e em que a velocidade de rotação não aumenta. Alternativamente, em algumas circunstâncias tais como instalações eólicas marítimas em que a acústica da pá não é importante, podem ser permitidas velocidades periféricas para aumentar e manter a eficiência de captação de potência óptima em relação a esta gama. Devido à velocidade de rotação e à alteração de captação de potência, a velocidade do vento a que é atingido o binário pode ser ligeiramente superior ou inferior nestas circunstâncias.

Região 3 14

Quando a carga nominal é atingida, por exemplo, à velocidade A para o rotor I expandidos conforme mostra a FIGURA 2, a carga é idêntica a produzida pelo rotor 2 de diâmetro nominal fixo (ou semiretraido) à velocidade B e à produzida pelo rotor 3 totalmente retraído à velocidade C.

Por conseguinte, à medida que a velocidade aumenta para a gama intermédia, as extensões do rotor são gradualmente retraídas, mantendo fixa a carga limitadora fornecida pelo rotor. Ao fazer isto, o diâmetro do rotor é determinado conforme indicado nas Equações 5 e 6 ou 8, e a curva de potência segue aproximadamente o percurso mostrado na FIGURA 3. Além disso, dado que o diâmetro do rotor é reduzido, as RPM do rotor aumentam ao mesmo tempo enquanto mantém as velocidade periféricas da pá do rotor abaixo do limite. Pelo facto do sistema de rotor extensível apresentado poder reduzir o seu diâmetro abaixo da linha de base da pá de diâmetro fixo do rotor 2, este pode rodar a velocidades mais elevadas. Por poder rodar a velocidades mais elevadas, tem uma potência de pico mais elevada ao mesmo tempo que mantém as cargas (especialmente o binário) dentro de restrições predefinidas.

Como pode observar-se na FIGURA 7, o funcionamento na Região 3 entra a partir da Região 2 porque é infringido ou vai ser infringido um limite de carga. 0 sistema de controlo verifica primeiro a posição do rotor (através de um sensor) para assegurar que o rotor está totalmente retraído. Se o rotor estive totalmente retraído, as transições da turbina funcionam na Região 4. Se não estiver, a extensão da pá é retraída por incrementos, as RPM e a inclinação da pá são ajustadas para optimizar a produtividade da potência, monitorizando ao mesmo tempo a velocidade do rotor, a inclinação da pá, a posição da extensão e as cargas críticas. 0 controlador da turbina verifica os sensores de carga, e pode repetir estes passos ou entrar no circuito de funcionamento principal da Região 3, que mantém a estabilidade estática dos sistemas desde que os limites de carga não sejam excedidos através de um 15 limite superior ou inferior. Se as cargas forem demasiado elevadas, o controlador reexamina e executa a retracção da pá. Se as cargas forem demasiado baixas, a turbina tenta expandir as pás do rotor para a maximizar a captação de potência. Uma maneira de estabelecer a histereses de controlo é regular as diferenças entre os limites de carga de extensão e retracção da pá. Se, antes da extensão das pás, o controlador determinar que o rotor está totalmente expandido, as transições da turbina voltam a funcionar na Região 2. É importante referir que os programas ou instruções de controlo indicam a forma como o rotor é retraído como uma função da velocidade do vento pode variar para o mesmo sistema de pá de rotor, permitindo diferentes binários de pico e critérios de carga da potência a utilizar. Através de utilização deste método de controlo, pode ser instalado o mesmo sistema de pás de rotor extensíveis numa variedade de diferentes designs de turbinas eólicas ou de correntes oceânicas, em terra ou no mar, tendo cada uma as suas próprias restrições de design de engenharia. 0 fim deste regime de fluxo ocorre quando o sistema atingiu a potência nominal, conforme determinada pelo ponto a que a pá está totalmente retraída e os limites de retracção das cargas são atingidos.

Região 4

Em velocidades de fluxo superiores as necessárias para atingir a potência nominal, a potência é limitada pelo sistema de controlo do rotor para que a produção de energia, a velocidade de rotação e, por conseguinte, a carga de binário sejam todas ligeiramente alteradas em volta de um valor constante. Para um funcionamento prolongado, isto é executado quer por (a) expansão ou por rotação das pás ao longo dos seus eixos longitudinais, reduzindo os seus coeficientes de elevação e as suas eficiências de captação da potência, ou (b) regulação 16 suspensa em que a suspensão das pás do rotor suspendem aerodinamicamente quando as velocidades excedem um valor específico, reduzindo de forma significativa a eficiência de captação de potência, e limitando ou reduzido assim as cargas associadas. Para períodos curtos, a velocidade do rotor pode aumentar cerca de 10%, aceitando a energia de rajada e traduzindo-a em inércia de rotação em oposição ao binário, que pode danificar os componentes do sistema. Tipicamente, as rajadas baixarão num curto período de tempo e o pico de potência pode ser captado lentamente pela turbina quando o seu rotor volta à velocidade mais lenta desejada. Na prática, o controlador procura sempre manter a velocidade do rotor constante, mas os atrasos implícitos no controlador e no sistema de accionamento da inclinação permite uma pequena variabilidade de velocidade em torno do valor desejado.

Conforme mostra a FIGURA 8, a Região 4 entra a partir da Região 3 pelo facto dos limites de cargas estarem a ser excedidos e não ser possível retrair mais a pá. Durante a monitorização das velocidades e cargas do rotor, a velocidade do rotor ou dos volantes aumenta para absorver as cargas de rajada. Se o vento não for sustentado, a turbina entra no seu circuito de funcionamento principal da Região 4, mantendo o binário e a potência entre os limites superiores e inferiores. Contudo, se as cargas persistirem para além de um certo limite de tempo, as pás do rotor são expandidas por incrementos para descarregar a potência, e o circuito de funcionamento da turbina entra na Região 4. Se os sensores de velocidade do vento indicarem que as velocidades são extremas, as transições da turbina entram em funcionamento na Região 5, velocidade de saída (cut-out) , continuando a expandir as suas lâminas. Durante o circuito de funcionamento, a turbina avalia se a potência e o binário são inferiores ao valor nominal, e se assim for, tenta deixar de expandir as pás do rotor para aumentar a eficiência de captação da potência do rotor. Se as pás do rotor estiverem perfeitamente inclinadas e a potência e o 17 binário continuarem demasiado baixos, a turbina volta a funcionar na Região 3.

Região 5

Quando as velocidades excederem uma condição extrema definida, as pás do rotor expandam-se completamente ou é aplicado um travão, interrompendo totalmente a rotação e a produção de energia de forma a proteger o equipamento de condições de carga extremas que podem ocorrer nestas velocidades. A FIGURA 9 mostra que depois da entrada na Região 5, o rotor expande as suas pás para deter a rotação. Quando a velocidade de vento descer abaixo de um valor de limiar, a turbina volta a funcionar na Região 4.

Abordagem do Controlo

Os novos controlos a ser aplicados ao rotor expansível utilizam três níveis de independência: inclinação variável da pá, controlo da potência que permite uma taxa de rotação variável do rotor, e comprimento variável da pá do rotor. Ao combinar estes três parâmetros, pode limitar-se um conjunto de cargas e potências fornecidos à turbina. Por exemplo, durante um curto periodo de alterações de ciclo (< 1-2 seg), pode ser preferível controlar a taxa de rotação da pá (e, portanto, a potência e o binário) utilizando dispositivos electrónicos de potência. Isto geralmente não elimina o aumento de cargas, mas sim os níveis de picos fora da carga, reduzindo o impacto das rajadas de vento ou as oscilações das ondas. Para ciclos de tempo mais alargados, ou alterações de velocidade medidas em segundos para dezenas de segundos ou mais longos, pode ser preferível um método de retracção da pá. Como um terceiro parâmetro que também pode actuar nesta escala de tempo mais lenta, a inclinação da pá do rotor permite a queda de 18 potência a velocidades que resultam na produção de energia acima do valor nominal. 0 modo de retracção da pá, ou a definição de transição entre estes modos, pode modificar-se devido a requisitos de controlo e fluxo. Por exemplo, as extensões da pá pode ser retraídas antes de ser atingida a carga nominal. As pás podem atingir a retracção total antes da potência total ser atingida. As extensões da pá podem continuar parcialmente desdobradas para além da velocidade à qual a potência de pico é atingida, em vez de combinar a inclinação variável com a extensão da pá para gestão de potências. Para além disso, a histerese dos controlos pode ser implementada, por exemplo, como uma parte em que o raio do rotor pode seguir um modo em velocidades crescentes, e outro em velocidades decrescentes. A histerese permite que o rotor funcione durante períodos de tempo mais longos num determinado conjunto de parâmetros de estado da turbina (ou seja, o diâmetro do rotor, inclinação da pá e velocidade do rotor) entre a operação do sistema, o que geralmente reduz o número de ciclos do actuador e prolonga a vida da turbina.

Este processo de controlo pode ser melhorado acrescentando um controlo de estado, no qual o controlador é codificado com uma ordenação de equações de espaço de estados que comandam a operação dos sistemas de turbina, incluindo mas não limitado às extensões da pá, inclinação da pá do rotor e r.p.m. do rotor, incluindo o controlo de velocidade variável para conversão total ou parcial de qualquer gerador eléctrico. Ainda que o controlo de espaço de estados seja bem conhecido na arte [1,2], não foi encontrada qualquer discussão sobre a implementação de controlo de espaço de estados de sistemas de turbina integrados que incorporem pás de rotor extensíveis. Esta estratégia de controlo, como é o caso de muitas outras estratégias, é baseada na avaliação contínua do estado da turbina. Por outras palavras, a quantificação constante (ou periódica) de diversas variáveis de estado da turbina permite o cálculo das respostas do sistema, actualizando 19 dinamicamente o comportamento do sistema para funcionar dentro de uma fronteira de controlo especificado. Esta fronteira de controlo pode incluir a definição da histerese do sistema adequada. Esta estratégica pode permitir combinações mais amplas de estados de controlo individuais, permitindo uma maior estabilidade de controlo e uma optimização de rendimentos. Ao equipar os componentes da turbina com sensores para medir as variáveis de estado tais como a potência, binário, impulso, flexão e r.p.m., a turbina pode determinar mais rigorosamente os comandos do actuador de controlo, optimizando o rendimento da turbina. Estes sensores podem incluir dispositivos tais como codificadores ópticos de eixo, indicadores de tensão nas pás, torres ou outras estruturas, sensores de corrente e voltagem do gerador, acelerómetros, termómetros, e transdutores de binário.

Em alternativa, pode ser implementado um controlo adaptável para funcionar dentro das restrições de carga utilizando um conjunto de equações empíricas com os ganhos que são actualizados periodicamente. Este sistema utiliza um conjunto de curvas ou matrizes de funcionamento para determinar quais as combinações de estado dos componentes que são aceitáveis e para controlar se os accionadores do sistema se mantêm dentro destas combinações de estado. Como existem alterações dos estados do sistema, as respostas implícitas nestas matrizes são verificadas e adaptadas permanentemente para optimizar o funcionamento face aos objectivos especificados. Os sistemas podem utilizar um conjunto semelhante de sensores para determinar o estado do sistema (por ex., raio do rotor, inclinação da pá, velocidade do rotor, binário, impulso, curvatura ou velocidade do vento, e a histerese de controlo pode estar implícita nesses ganhos de controlo podem ser diferentemente alterados porque os estados variam nas direcções positiva e negativa.

Também podem ser utilizadas tabelas de consulta que detalhem os estados combinados do sistema (por ex., 20 inclinação da pá, diâmetro do rotor e velocidade do rotor) como funções de uma ou mais variáveis de estado independentes (por ex., velocidade do vento), as variáveis de estado medidas ou calculadas (binário, impulso, flexão, etc.). Tipicamente, estas tabelas são desenhadas para optimizar uma área especifica do rendimento da turbina. Embora este método de controlo tenha sido amplamente aplicado em turbinas no passado, nunca foi aplicado a um sistema que incorpora pás de rotor extensíveis e, por conseguinte, não foi aplicado com o objectivo de maximizar a produção de energia ao mesmo tempo que limita as cargas produzidas. Embora não seja necessariamente simples, é possível incorporar a histerese de controlo nestas tabelas de consulta fornecendo diferentes conjuntos de tabelas de estado para derivados positivos de negativos de variáveis de estado independentes e fornecendo um método de transição entre as tabelas desde que estes derivados passem a zero. O Controlo Derivativo Proporcional (PID) assenta em equações que combinam as condições para resposta proporcional (a diferença entre um estado do sistema e um estado desejado multiplicado por algum ganho), para integração de estados do sistema anteriores e para taxas de alteração do sistema. Os estados independentes (velocidade do vento, etc.) e os estados medidos ou calculados (binário, impulso, flexão, etc.) podem servir como inputs (entradas) para este método de controlo. Os métodos através dos quais estas três condições são calculadas podem permitir a histerese de controlo. Enquanto o PID é largamente utilizado em turbinas, o controlo PID do sistema de turbinas contendo as pás do rotor extensíveis, a velocidade do rotor variável e a inclinação do rotor variável é novo.

Podem ser usados outros métodos de controlo para implementar este processo. Em geral, estes métodos dão oportunidade de integrar a histerese de controlo que permitirá reduzir o ciclo do actuador nas turbinas. Estes métodos podem incluir o controlo híbrido, o qual pode 21 incluir métodos de controlo tais como equações PID integradas num conjunto de equações de espaço de estados mais alargado.

Oportunidade para modificações no design de pás A estratégia de controlo acima referida permite várias modificações físicas nos anteriores designs extensíveis e não extensíveis. É principalmente devido ao comportamento de controlo que esta invenção permite que uma pá seja retraída em função potência medida a determinadas RPM, tendo um rendimento da pá óptimo que com velocidades elevadas não é crítico. 0 rotor pode simplesmente ser retraído de uma forma mais lenta. Neste caso, pode existir uma pequena penalização porque isto significa que o rotor ficará estendido com ventos mais fortes, reduzindo a taxa de rotação admissível sob limitações de inclinação. Isto resultará numa menor captação de potência admissível para permanecer dentro das restrições de binário ou de impulso, ou aumentos destas restrições para alojar o mesmo perfil de captação da potência. Isto dá oportunidade para as extensões do rotor terem uma variação de corda ou torção mínima ou não terem nenhuma torção, permitindo a construção com métodos mais económicos tais como a extorsão. A eficiência de captação da potência mantém-se elevada quando o rotor está totalmente estendido porque a metade exterior da pá do rotor tem uma variação de torção e de corda mínima nos presentes designs.

Embora a invenção tenha sido especificamente mostrada e descrita com referência às respectivas incorporações preferidas, será entendido pelos especialistas da arte, que o que precede e outras alterações, em termos de forma e pormenor, podem ser executadas sem sair do âmbito da presente invenção.

Lisboa, 17/05/2007

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um método de controlo de um rotor utilizado para captar a energia fornecida a partir de uma turbina de fluxo de fluidos compreendendo; a detecção de uma ou mais velocidades de vento, RPM do rotor, posição de inclinação da pá, posição da extensão da pá e cargas; a regulação de captação de potência e carregamento do dito rotor através de parâmetros de controlo do raio do rotor, inclinação da pá e velocidade do rotor através, respectivamente, do controlo do comprimento das pás do rotor variáveis, do controlo da inclinação variável da pá e do controlo electrónico da potência, permitindo uma taxa variável de rotação do dito rotor; sendo cada um dos ditos parâmetros controlados para que as cargas, a potência ou a velocidade de inclinação da pá produzidas pela dita turbina de fluxo sejam mantidos abaixo dos limites definidos. 2. 0 método da Reivindicação 1 em que em todas as velocidades de fluxo inferiores a uma velocidade de fluxo necessária para atingir a potência nominal, o dito diâmetro do rotor é estendido até um raio máximo admissível para continuar dentro dos limites de carga, sendo estes limites pelo menos uma das limitações de (1) impulso do rotor, (2) tensão de flexão da pá, (3) deflexão da face anterior e posterior da pá, (4) flexão da alheta e (5) binário do veio. 3. 0 método da Reivindicação 1 em que os ditos limites de carga variam consoante o dito raio do rotor é aumentado ou reduzido, permitindo a histerese de controlos. 4. 0 método da Reivindicação 1 em que a velocidade de rotação é limitada por uma velocidade máxima periférica da pá, e em que a taxa de rotação pode variar consoante o dito 2 raio do rotor aumenta e consoante o dito raio do rotor diminui, de modo que a velocidade periférica da dita pá de rotor permaneça abaixo de uma velocidade periférica máxima da pá.

5. Um método de controlo de um rotor de raio variável utilizado para captar a energia fornecida a partir de uma turbina de fluxo de fluidos compreendendo; a determinação dos pontos A, B, e C em curvas de potência para as gamas de funcionamento da dita turbina relativa a um rotor de diâmetro fixo, em que uma curva de potência do dito rotor de diâmetro é o rotor 2; e para um rotor de raio variável, um diâmetro do dito rotor de raio variável capaz de alternar entre um diâmetro estendido do rotor 1 e um diâmetro retraído do rotor 3, os ditos pontos A, B, e C que representam as velocidades do vento em que os ditos rotores 1, 2, e 3 primeiro produzem um valor de pelo menos uma carga limitadora, incluindo o binário, impulso, potência, velocidade periférica, flexão da pá e da parte superior da torre, que limita a capacidade da turbina; o dito ponto A corresponde a uma velocidade do vento a que o dito rotor 1 primeiro produz um valor de carga limitadora, como definida pelo rotor 2; o dito ponto C corresponde a uma velocidade do vento a que o dito rotor 3 primeiro produz um valor de carga limitadora, como definido pelo rotor 2; e a retracção e extensão do raio do dito rotor de raio variável dentro de uma gama de ventos delimitada pelos ditos pontos A e C. 6. 0 método da Reivindicação 5 em que o dito rotor inclui uma pá de rotor extensível e um raio de rotor de pá de rotor extensível para que em todas as velocidades de fluxo abaixo de uma velocidade de fluxo necessária para atingir a potência nominal, sendo a dita pá do rotor 3 estendida a um diâmetro máximo admissível para se manter dentro dos limites de carga, e em que os tais limites são pelo menos uma das limitações de (1) impulso do rotor, (2) tensão de flexão da pá, (3) deflexão da face anterior e posterior da pá, (4) flexão da alheta e (5) binário do veio. 7. 0 método da Reivindicação 6 em que os ditos limites de carga variam consoante o dito raio do rotor é aumentado ou reduzido, permitindo a histerese de controlos. 8. 0 método da Reivindicação 5 em que o dito rotor inclui uma pá de rotor extensível e uma taxa de rotação do dito rotor é limitada por uma velocidade periférica máxima da pá, e em que a dita taxa de rotação é permitida para variar à medida que o dito raio do rotor aumenta e diminui, para que a velocidade periférica da dita pá do rotor permaneça abaixo de uma velocidade periférica máxima da pá. 9. 0 método da Reivindicação 5 em que o dito rotor inclui uma pá de rotor extensível de inclinação variável e à medida que o raio do dito rotor de pá extensível é aumentado ou diminuído, a dita inclinação do rotor é ajustada para que a dita inclinação do rotor seja aumentada por incrementos, a captação da potência do dito rotor é diminuída. 10. 0 método da Reivindicação 5 em que o dito rotor inclui uma pá do rotor extensível e a velocidades de vento superiores ao ponto do dito raio do rotor é mantido no seu raio mínimo.

11. O método da Reivindicação 10 em que a velocidades de vento superiores ao ponto C, a expansão da pá do rotor é activada para manter a dita turbina em funcionamento a um nível de potência constante. 4 12. 0 método da Reivindicação 10 em que a velocidades de vento superiores ao ponto C, os aerofólios de suspensão regulada nas ditas pás do rotor são activados para manter a dita turbina em funcionamento a um nível de potência constante.

13. O método da Reivindicação 5 em que o sistema de controlo estabelece o dito raio de rotor variável, a inclinação das ditas pás do rotor e a taxa de rotação do dito rotor, para que: em baixas velocidades de fluxo para maximizar a produção de energia, o dito raio do rotor é regulado para o seu valor máximo, a inclinação da dita pá permanece fixa ou varia ligeiramente, e a dita taxa de rotação pode variar; em velocidades de fluxo acima da velocidade de fluxo à qual a velocidade periférica máxima da pá do rotor é atingida mas abaixo da velocidade de fluxo à qual os limites de carga são atingidos, o dito raio do rotor é regulado para o seu valor máximo, a inclinação da dita pá permanece fixa ou varia ligeiramente, e a taxa de rotação é mantida fixa; em velocidade de fluxo abaixo da velocidade de fluxo a que os ditos limites de carga são atingidos mas abaixo da velocidade à qual a potência nominal do sistema é atingida, o dito raio do rotor é aumentado ou diminuído em linha com a dita velocidade de rotação do rotor diminui ou aumenta, e a dita inclinação da lâmina do rotor é aumentada ou diminuída para que o rotor não produza cargas que excedam os ditos limites de carga e em que o dito rotor produziria menos potência se a inclinação da pá do rotor fosse aumentada; em velocidades de fluxo acima da velocidade de fluxo à qual a potência nominal é atingida, a dita inclinação da pá o rotor é alterada para que a potência captada pelo dito rotor não exceda a potência nominal e as cargas produzidas pelo dito roto não exceda os ditos limites de carga. 5 14. 0 método da Reivindicação 5 em que um sistema de controlo estabelece o dito raio do rotor variável, a inclinação das ditas pás do rotor e a taxa de rotação do dito rotor, utilizando pelo menos uma das entradas do sensor a partir do grupo compreendendo: medição da potência disponível; medição da velocidade de rotação do rotor; medição do binário do rotor; medição da posição da pá do rotor extensível; medição do ângulo de inclinação da pá do rotor; medição da carga de flexão da pá do rotor; e, medição das cargas de flexão sobre uma estrutura de suporte.

15. Um método de controlo para controlar um sistema de rotor para funcionar dentro de quatro regiões em que uma primeira das ditas regiões com velocidades abaixo da velocidade de entrada (cut-in), uma segunda das ditas regiões a uma gama de velocidades intermédias cujo rendimento varia consoante a produção de energia, uma terceira das ditas regiões a velocidades mais elevadas em que as turbinas produzem uma potência constante ou ligeiramente diminuída para limitar cargas, e a quarta das ditas regiões a velocidades extremamente elevadas na velocidade de saída (cut-out) das turbinas, o método de controlo caracterizado por: controlar o dito sistema do rotor para funcionar dentro de uma quinta região na qual o diâmetro do rotor é alterado para manter o funcionamento dentro de um regime de cargas especificado. 16. 0 método de controlo da Reivindicação 15 em que o dito regime de cargas especificadas é tal que, em todas as velocidades de fluxo inferiores a uma velocidade de fluxo necessária para atingir a potência nominal, o dito diâmetro 6 do rotor é expandido até um diâmetro máximo admissível para se manter dentro dos limites de carga do rotor especificados, sendo tais limites pelo menos uma das limitações sobre o impulso do rotor impulso e binário do veio. 17. 0 método de controlo da Reivindicação 16 em que os ditos limites de carga são alterados consoante o raio do rotor é aumentado ou diminuído, permitindo a histerese de controlos. 18. 0 método da Reivindicação 15 em que o dito rotor inclui uma pá do rotor extensível e a taxa de rotação do dito rotor é limitada a uma velocidade máxima de inclinação da pá, e em que a dita taxa de rotação pode variar à medida que o rotor aumenta e diminui para que a velocidade periférica da dita pá do rotor permaneça abaixo da velocidade máxima de inclinação da lâmina. 19. 0 método da Reivindicação 15 em que o dito rotor inclui uma pá de rotor extensível de inclinação variável e à medida que o raio do dito rotor de pá extensível é aumentado ou diminuído, a dita inclinação do rotor é ajustada para que a dita inclinação do rotor seja aumentada por incrementos, a captação da potência do dito rotor é diminuída. 20. 0 método da Reivindicação 15 em que o dito rotor inclui uma pá de rotor extensível e, a velocidades de fluxo iguais ou superiores a um velocidade de fluxo necessária para atingir a potência nominal, o dito raio do rotor é mantido no seu raio mínimo. 21. 0 método da Reivindicação 20 em que a velocidades de fluxo iguais ou superiores à velocidade de fluxo necessária para atingir a potência nominal, as cargas produzidas pelo 7 dito rotor são mantidas abaixo dos limites definidos por expansão das ditas pás do rotor. 22. 0 método da Reivindicação 20 em que a velocidades de fluxo iguais ou superiores à velocidade de fluxo necessária para atingir a potência nominal, as ditas cargas produzidas pelo dito rotor são mantidas abaixo dos limites definidos pela utilização de aerofólios de suspensão regulada na ditas pás do rotor.

23. O método da Reivindicação 15 em que um sistema de controlo estabelece o dito raio do rotor variável, a inclinação das ditas pás do rotor e a taxa de rotação do dito rotor para que em baixas velocidades de fluxo para maximizar a produção de energia, o dito raio do rotor é regulado para o seu valor máximo, a inclinação da dita pá permanece fixa ou varia ligeiramente, e a dita taxa de rotação pode variar; em velocidades de fluxo acima da velocidade de fluxo à qual a velocidade de periférica máxima pá do rotor é atingida mas abaixo da velocidade de fluxo à qual os limites de carga são atingidos, o dito raio do rotor é regulado para o seu valor máximo, a inclinação da dita pá permanece fixa ou varia ligeiramente, e a taxa de rotação é mantida fixa; em velocidade de fluxo acima da velocidade de fluxo a que os ditos limites de carga são atingidos mas abaixo da velocidade à qual a potência nominal do sistema é atingida, o dito raio do rotor é aumentado ou diminuído em linha com a dita velocidade de rotação do rotor diminui ou aumenta, e a dita inclinação da lâmina do rotor é aumentada ou diminuída para que o rotor não produza cargas que excedam os ditos limites de carga e em que o dito rotor produziria menos potência se a inclinação da pá do rotor fosse aumentada; em velocidades de fluxo acima da velocidade de fluxo à qual 8 a potência nominal é atingida, a dita inclinação da pá do rotor é alterada para que a potência captada pelo dito rotor não exceda a potência nominal e as cargas produzidas pelo dito rotor não exceda os ditos limites de carga. 24. 0 método da Reivindicação 15 em que um sistema de controlo estabelece o dito raio do rotor variável, a inclinação das ditas pás do rotor e a taxa de rotação do dito rotor, utilizando pelo menos uma das entradas do sensor a partir do grupo compreendendo: medição da potência disponível; medição da velocidade de rotação do rotor; medição do binário do rotor; medição da posição da pá do rotor extensível; medição do ângulo de inclinação da pá do rotor; medição da carga de flexão da pá do rotor; e, medição das cargas de flexão sobre uma estrutura de suporte. Lisboa 17/05/2007