PT1503075E

PT1503075E - Amortecimento de oscilações em turbinas eólicas

Info

Publication number: PT1503075E
Application number: PT04077689T
Authority: PT
Inventors: Thomas Steiniche Bjertrup Nielsen
Original assignee: Neg Micon As
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2007-06-26
Also published as: US6695588B1; ES2233387T3; DE60016418T2; CN1201079C; DK1203155T3; DE60034079T2; ES2285347T3; CA2374803A1; DE60016418D1; EP1203155B1; CA2589614A1; EP1203155A1; EP1503075B1; AU5208800A; DE60034079D1; ATE357593T1; CN1375040A; EP1503075A1; AU772084B2; ATE283975T1

Description

DESCRIÇÃO "AMORTECIMENTO DE OSCILAÇÕES EM TURBINAS EÓLICAS" A presente invenção refere-se ao amortecimento de oscilações numa turbina eólica através de um meio de amortecimento de oscilações compreendendo um ou mais depósitos parcialmente cheios com um liquido para amortecer as oscilações da turbina eólica.

Em particular, a invenção refere-se a um meio de amortecimento compreendendo uma pluralidade de depósitos em forma de caixas tendo uma secção transversal quadrada e que são parcialmente cheias com liquido de modo a proporcionar um amortecimento unidireccional com uma magnitude equivalente a uma diminuição logarítmica das oscilações da primeira frequência de flexão natural da turbina eólica de, pelo menos, 4 - 8%, sendo a massa total do líquido contido nos depósitos igual a 1,2 - 1,8% da massa da nacelle. No caso de turbinas eólicas colocadas no alto mar, a excitação combinada do vento e das ondas do mar exige um maior amortecimento, sendo o amortecimento, de um modo preferido, equivalente à diminuição logarítmica de 10 - 15%, que pode ser obtida com uma massa total de líquido igual a 2 - 4% da massa da nacelle.

Para além disto, a invenção refere-se ao amortecimento de oscilações do segundo modo de flexão de uma turbina eólica e do amortecimento combinado das oscilações do primeiro e do segundo modo de flexão da turbina eólica. 1

Antecedentes

Todos os edifícios e construções altos são excitados pelo vento na totalidade do espectro de frequências incluindo as frequências de flexão naturais do edifício. Devido a uma proporcionalidade positiva entre as forças horizontais sobre o edifício e a velocidade do vento, o vento tem um efeito de amortecimento das oscilações da primeira frequência de flexão natural dos edifícios que tenham uma forma cilíndrica estreita, tal como chaminés, e para as turbinas eólicas tradicionais que tenham uma tal característica de forças horizontais.

As turbinas eólicas modernas têm uma característica das forças horizontais que tem um patamar ou mesmo uma

proporcionalidade negativa relativamente à velocidade do vento acima de um certo limite. Esta última característica é vantajosa em relação à produção de energia da turbina eólica, mas a construção torna-se menos estável porque o vento irá amplificar as oscilações da turbina eólica quando a velocidade do vento exceder o limite, tipicamente, cerca de 10 m/s. A proporcionalidade negativa tem a consequência de aumentar as forças horizontais sobre a turbina eólica quando o topo da turbina eólica se flecte a favor do vento e a velocidade relativa do vento no topo decresce, e de reduzir as forças horizontais quando o topo da turbina eólica se flecte contra o vento e a velocidade relativa do vento aumenta.

Sabe-se, de acordo com a técnica anterior, amortecer oscilações da primeira frequência de flexão natural das turbinas eólicas através de meios de amortecimento mecânicos compreendendo uma ou mais massas, molas e amortecedores. Tais soluções para o problema da oscilação são caras para serem 2 utilizados em turbinas eólicas devido às massas relativamente grandes dos meios de amortecimento que têm de ser utilizadas, isto porque a massa oscilante equivalente no primeiro modo de flexão natural é muito grande em virtude de a nacelle, compreendendo um sistema de geração de energia, estar disposta no topo de uma torre estreita. É conhecido dos documentos EP 0648906 AI e EP 0686733 AI que o amortecimento de oscilações de edifícios estreitos, tal como chaminés, mastros, etc., é conseguido com a colocação de depósitos parcialmente cheios com líquido e sintonizados para amortecer a frequência natural do edifício. Os depósitos utilizados têm uma secção transversal quase simétrica, tal como circular, quadrada ou triangular, de modo a proporcionarem características de amortecimento quase simétricas que são vantajosas para edifícios tendo um comportamento de oscilação simétrica. 0 amortecimento similar de edifícios estreitos com depósitos quase simétricos é conhecido dos documentos US 4.873.798, US 4783937, US 4924639, US 4875313 e US 4922671. Os princípios dos depósitos utilizados podem também ser utilizados na presente invenção, mas o amortecimento da frequência natural de uma turbina eólica é muito diferente do amortecimento das oscilações de um edifício estreito.

Sabe-se, a partir do documento US 4515525, como é que se amortece a oscilação de guinada numa turbina eólica com meios de comando. Para além disto, o documento EP 1008747 revela (na técnica anterior de acordo com o Artigo 54(3) EPC) a utilização de um depósito colocado na torre de uma turbina eólica para amortecer as oscilações da torre. 3

Contrariamente a um edifício estreito, tal como uma chaminé, a massa oscilante equivalente do primeiro modo de flexão natural é igual a 85 - 90% da massa total de uma turbina eólica, enquanto que a massa equivalente de uma chaminé é de cerca de 10 - 15% da massa total. Esta diferença resulta da concentração da massa na nacelle da turbina eólica que, tipicamente, contribui com cerca de 85% da massa oscilante. Para além disto, o rotor disposto no topo da turbina eólica expõe a turbina eólica a elevadas forças do vento no seu topo, assim como à excitação periódica com a frequência de rotação do rotor, assim como a três vezes (para uma turbina eólica de três pás) a frequência de rotação. A formação de uma passagem para o vórtice de von Karman, que é bem conhecido no que se refere aos edifícios estreitos é, por outro lado, negligenciável em turbinas eólicas.

As oscilações das turbinas eólicas têm existido sempre, mas parece que o problema se está a agravar com o desenvolvimento da nova geração de turbinas eólicas muito grandes. A velocidades elevadas do vento (> 20 m/s) e alguns erros de cálculo da guinada mostram que é demasiadamente pequena a combinação do amortecimento estrutural da torre e o amortecimento aerodinâmico do rotor e da nacelle. Está a entrar no sistema mais energia vinda do vento do que aquela que está a sair dele. O resultado é que as oscilações estão a ficar fora de controlo o que irá levar à falha do sistema.

Um gerador 'macio', í. e. um gerador com uma patinagem elevada, pode amortecer as oscilações, mas um tal gerador é muito mais caro e maior que um gerador com uma patinagem mais baixa. Consequentemente, ele é evitado como solução para o problema. 4

As oscilações podem ser reduzidas através da alteração da frequência natural da torre, mas esta via não resolve o problema principal de estar a entrar no sistema mais energia do que aquela que está a sair dele. A solução melhor e mais barata é a instalação de meios de amortecimento na turbina eólica. 0 amortecedor pode ser colocado onde ocorrem os movimentos, mas uma vez que a amplitude das oscilações é maior no topo da torre e na nacelle, a parte superior da turbina eólica é o local óptimo. 0 amortecedor pode ser colocado dentro da torre, dentro da nacelle ou no exterior. 0 amortecimento de oscilações na primeira frequência de flexão das turbinas eólicas irá, geralmente, reduzir as cargas de fadiga que actuam na torre e, devido a esta situação, reduz a quantidade de aço necessária à construção da torre.

Todavia, um amortecimento eficiente das oscilações que leve a uma construção mais leve da torre da turbina eólica, especialmente em combinação com torres mais altas, até cerca de 120 m, pode resultar no aparecimento de oscilações da segunda frequência de flexão natural da turbina eólica que, mais uma vez, pode levar ao aparecimento de cargas de fadiga na torre. O amortecimento de oscilações de segunda ordem não foi anteriormente reconhecido nem abordado na literatura conhecida sobre turbinas eólicas porque o problema não tem sido relevante nas estruturas mais pequenas e mais robustas das torres de turbinas eólicas que não têm meios de amortecimento para amortecer as frequências do primeiro modo de flexão natural. 5

Descrição da Invenção

Para alcançar um objectivo da presente invenção que consiste em proporcionar um amortecimento eficiente de oscilações da turbina eólica, de um modo comercialmente viável, verificou-se que é vantajoso dotar a turbina eólica com um amortecedor em que a massa oscilante é um liquido, o que permite tanto uma construção simples dos amortecedores, como a utilização de uma massa oscilante barata, tal como água.

Um outro objectivo da presente invenção é o de proporcionar o amortecimento das oscilações da segunda frequência de flexão natural, ou por si só, ou em combinação com o amortecimento de oscilações da primeira frequência de flexão natural de acordo com a invenção. 0 amortecedor das oscilações da primeira frequência de flexão natural pode ser implementado de várias maneiras, mas a presente descrição refere-se à forma de realização preferida de acordo com a invenção. A Fig. 1 mostra uma caixa quadrada em que o comprimento dos flancos é L e o nivel do liquido dentro da caixa (quando a caixa está estacionária, i. e. não há oscilações) é H.

Para uma dada primeira frequência de flexão natural da torre e um dado tamanho da caixa, é apresentado um nivel óptimo do liquido Hopt. Este parâmetro é calculado a partir das duas equações que se seguem 6

(eq. 1) (eq.2) Η* =1.06^*, em que

L g

comprimento da caixa aceleração da gravidade nivel óptimo teórico do liquido nivel óptimo empírico do líquido frequência natural do líquido (deverá ser igual à frequência natural da torre, primeiro modo de flexão) . A equação 1 é definida teoricamente enquanto que o factor 1,06 é determinado empiricamente e a magnitude do factor faz parte da presente invenção. A massa total oscilante de uma turbina eólica é determinada pela massa da nacelle, rotor e massa equivalente da torre -todas juntas. A massa equivalente da torre é a massa que, quando colocada no topo da torre, pode substituir todas as outras massas da torre e dar origem à mesma oscilação. Para as turbinas eólicas actualmente produzidas e comercializadas a massa total oscilante encontra-se principalmente no intervalo de 30 000 - 120 000 kg, mas não será irrealista uma massa até 300 000 kg dentro de uma década.

As experiências realizadas mostram que, com o nível óptimo do líquido em cada caixa sintonizado para a frequência natural 7 da torre, as oscilações da turbina eólica serão amortecidas em 4 - 4,5% (diminuição logarítmica) quando a massa de todo o líquido utilizado constituir 1% da massa total oscilante. As experiências mostram, também, que o amortecimento esperado do sistema é, aproximadamente, uma função linear do rácio da massa (o rácio entre a massa total do líquido e a massa total oscilante), dentro de um intervalo razoável de rácio de massa de 0,5% a 8%. O amortecimento da caixa é igual para as oscilações em todas as direcções no plano horizontal. A diminuição logarítmica, δ, do sistema é definida pela equação (eq.3) δ=-1./3’ 1-100% n \®n / em que n é o número de oscilações ai é a amplitude da primeira oscilação an é a amplitude da oscilação de ordem n

Consequentemente, a presente invenção refere-se a uma turbina eólica compreendendo uma parte estacionária incluindo uma torre que se estende substancialmente na vertical e alicerces nos quais é alicerçada uma parte de extremidade inferior da torre, uma nacelle compreendendo um rotor eólico tendo, pelo menos, uma lâmina disposta num primeiro veio tendo um eixo de rotação substancialmente horizontal e um sistema de transmissão de energia, um sistema de movimento de guinada compreendendo uma parte estacionária que é fixada numa parte de extremidade superior da torre e uma parte móvel que é fixada na nacelle, sendo a parte estacionária e a parte móvel concebidas para que a nacelle seja suportada vertical e horizontalmente pela torre e possa girar relativamente à torre em torno de um eixo de guinada substancialmente vertical, e um meio de amortecimento de oscilação proporcionado numa parte superior da turbina eólica e compreendendo, pelo menos, um depósito que é parcialmente cheio com um liquido, sendo a frequência de amortecimento principal do meio de amortecimento da oscilação concebida para amortecer as oscilações da turbina eólica com um amortecimento substancialmente unidireccional com uma magnitude equivalente a uma diminuição logarítmica de oscilações da referida primeira frequência natural da turbina eólica de, pelo menos, 2%, e sendo a massa total do liquido contido no, pelo menos, um depósito, igual a, pelo menos, 0,6% da massa da nacelle. A turbina eólica tem, pelo menos, uma lâmina, e o mais habitual é as turbinas eólicas aqui consideradas terem duas ou três lâminas. O veio principal tem um eixo de rotação substancialmente horizontal que inclui eixos que estão inclinados até cerca de 10 graus em relação à horizontal. A massa total do liquido pode estar situada entre 0,6% - 3%, de um modo preferido, na amplitude de 0,9% - 2,4% e, de um modo mais preferido, entre 1,2% - 1,8% da massa da nacelle 9 de modo a obter uma magnitude adequada de amortecimento. Todavia, para uma turbina eólica situada em alto mar, em que a torre da turbina eólica fica exposta à excitação das ondas do mar, a massa total do liquido pode estar situada entre 1% - 6%, de um modo preferido, entre 1,5% - 5% e, de um modo mais preferido, na amplitude de 2% - 4% da massa da nacelle a fim de amortecer suficientemente a excitação combinada da turbina eólica por acção do vento, incluindo a excitação da(s) lâmina (s), e a excitação das ondas do mar. A massa da nacelle situa-se, tipicamente, entre 25 - 350 toneladas, como, por exemplo, entre 70 - 250 toneladas. A magnitude do amortecimento pode ser equivalente a uma diminuição logarítmica de oscilações da referida primeira frequência natural da turbina eólica situada entre 2% - 20%, de um modo preferido, entre 3% - 12% e, de um modo mais preferido, entre 4 - 8% a fim do amortecimento ser adequado, dependendo do nível permitido de amplitudes e da construção da torre da turbina eólica, i. e. do amortecimento estrutural das oscilações. Em particular, para uma turbina eólica situada no alto mar, onde a torre da turbina eólica fica exposta à excitação das ondas do mar, a magnitude do amortecimento pode ser equivalente a uma diminuição logarítmica de oscilações da referida primeira frequência natural da turbina eólica situada entre 2% - 20%, de um modo preferido, entre 3% - 12% e, de um modo mais preferido, entre 10 - 15% para que o amortecimento seja suficiente.

Foi também verificado que o meio de amortecimento funciona satisfatoriamente desde que a frequência de amortecimento principal do meio de amortecimento da oscilação tenha um desvio 10 inferior a 5% em relação à primeira frequência de flexão natural da turbina eólica.

Experiências mostraram que a altura óptima da superfície do liquido dentro do, pelo menos, um depósito, a partir da parte inferior do depósito, é de 106% da altura obtida através da utilização dos métodos teóricos padrão de cálculo da altura apropriada do líquido para fazer coincidir a frequência de amortecimento principal do depósito com a primeira frequência de flexão natural da turbina eólica.

Para a maioria dos tipos de turbinas eólicas, a frequência de amortecimento principal dos meios de amortecimento da oscilação deverá estar abaixo dos 0,8 Hz, de um modo preferido, na amplitude de 0,1 - 0,6 Hz.

Nos casos em que a turbina eólica está exposta a factores ambientais, tal como marés e variação da temperatura, que podem alterar as frequências naturais da turbina eólica, é uma vantagem que ela compreenda meios de detecção das oscilações colocados numa parte superior da turbina eólica para detectar as oscilações da turbina eólica e produzir uma correspondente saída, meios de controlo para receber a saída vinda dos meios de detecção e dos meios de controlo para ajustar a quantidade de líquido que é colocada dentro do, pelo menos, um depósito, de modo a adaptar a frequência de amortecimento principal do, pelo menos, um depósito às variações da primeira frequência de flexão natural da turbina eólica.

Foi verificado que, para alcançar o efeito óptimo do depósito, as partes laterais de cada um do, pelo menos, um depósito se estendem, de um modo preferido, verticalmente ao 11 longo de, pelo menos, 1,8 vezes a altura da superfície do líquido dentro do depósito, a partir da parte inferior do depósito. É vantajoso que os meios de amortecimento das oscilações compreendam uma pluralidade do depósitos que sejam parcialmente cheios com um líquido que torna mais fácil colocar os meios de amortecimento no topo da torre e/ou dentro da nacelle e/ou distribuídos no exterior da torre/nacelle.

Em particular, cada um da pluralidade de depósitos tem, de um modo preferido, uma secção transversal quase simétrica quando vista num plano horizontal e características de amortecimento quase simétricas que são muito adequadas a uma turbina eólica que exiba, tipicamente, um comportamento de oscilação simétrica. A forma óptima para os depósitos é que eles tenham uma secção transversal substancialmente quadrada quando vista num plano horizontal. As experiências realizadas mostraram que um tal depósito para uma dada massa oscilante dá um amortecimento de 60 - 100% maior que um depósito que tenha uma secção transversal circular, principalmente porque o movimento circulatório do líquido em torno de um eixo vertical fica significativamente impedido pelos cantos do depósito quadrado. Outra alternativa é a utilização de tubos em forma de U, tal como dois tubos em forma de U contendo um líquido e sendo colocados com a parte inferior do U num sentido descendente e os dois tubos em forma de U estando colocadas com uma orientação mútua de 90°. Todavia, para proporcionar um amortecimento correcto das oscilações, os tubos em forma de U têm uma quantidade de líquido nos tubos que se estendem na vertical, cuja massa não contribui para a massa oscilante e para a massa 12 total de líquido necessária para os tubos em forma de U excederem a massa de líquido necessária para as caixas quadradas.

As partes laterais de cada um da pluralidade de depósitos estendem-se, de um modo preferido, substancialmente na vertical a partir da parte inferior do depósito. É muito vantajoso para uma série de líquidos que podem ser aplicados, que a turbina eólica compreenda meios de aquecimento para aquecer o líquido contido no, pelo menos, um depósito. Os meios de aquecimento podem ser utilizados para impedir que a temperatura do líquido caia abaixo de uma temperatura mínima predeterminada e/ou para manter uma temperatura substancialmente constante do líquido. Por "temperatura substancialmente constante" entende-se que a temperatura pode ser mantida dentro de uma amplitude estreita de, tipicamente, 10 - 20 graus Celsius. Os meios de aquecimento podem impedir a congelação do líquido, se tal risco existir, dependendo das características do líquido e do ambiente à volta da turbina eólica, definindo assim uma temperatura de congelação como sendo a temperatura mínima. Uma temperatura mínima pode também ser definida pela temperatura de recristalização de um líquido que compreenda um sal, como sulfato de ferro, cloreto de zinco, etc., de modo a evitar a formação de cristais no líquido. Ao manter uma temperatura substancialmente constante, são mantidas as características físicas do líquido para que as alterações ambientais na temperatura não perturbam o amortecimento da turbina eólica. Meios de controlo controlam o funcionamento dos meios de aquecimento. Uma fonte de calor preferida para os meios de aquecimento é o calor excedente vindo do sistema de geração de energia, i. e. da caixa de transmissão e/ou do gerador e/ou do 13 conversor de frequência, e os meios de aquecimento compreendem assim meios para transferir até ao liquido o calor na área de arrefecimento do gerador de energia que está disposto na nacelle.

Para fazer com que a turbina eólica possa resistir às alterações ambientais e seja operacional na maioria das circunstâncias, a temperatura de congelação do liquido deverá ser inferior a -10 graus celsius, de um modo preferido, inferior a -18 graus celsius. A densidade do liquido é, com vantagem, de, pelo menos, 1,1 toneladas por metro cúbico, de um modo preferido, de, pelo menos, 1,4 toneladas por metro cúbico e de um modo mais preferido, de, pelo menos, 1,8 toneladas por metro cúbico, para que o tamanho físico dos meios de amortecimento das oscilações não se torne excessivamente grande.

Um líquido menos caro que pode ser escolhido para a massa oscilante é água que compreenda, pelo menos, um agente de redução da temperatura de congelação da água e/ou, pelo menos, um agente para aumentar a densidade do líquido. Para além disto, a água não representa qualquer risco ambiental se ela vier a escorrer dos depósitos.

Podem ser utilizados uma série de agentes diferentes, entre os quais uma série de sais. Um agente preferido é o cloreto de sódio por não constituir qualquer risco ambiental e porque a solubilidade do cloreto de sódio em água quase não varia com a temperatura levando a que não ocorra a cristalização no depósito. O cloreto de sódio tanto diminui a temperatura de congelação da água como aumenta a densidade. 14 A água pode compreender, pelo menos, 18% em massa de cloreto de sódio, de um modo preferido, pelo menos, 22% em massa de cloreto de sódio e, de um modo mais preferido, 26% em massa de cloreto de sódio.

De um modo mais preferido, podem ser utilizados agentes mais baratos, como o cloreto de zinco, que é menos agressivo que o cloreto de sódio para os metais, e sulfato de ferro cristalizado que permitem obter-se facilmente densidades de, pelo menos, 2 e 1,4 toneladas por metro cúbico, respectivamente. 0 nitrato de ferro cristalizado pode também ser utilizado como agente e a variedade de agentes aplicáveis que podem ser adicionados à água está revelada no documento "Densities of Aqueous Solutions of Inorganic Substances", de Sõhnel e Novotny, ISBN 0-444-99596, de 1985.

Outro agente adequado para ambas as finalidades é o glicerol. A presente invenção refere-se ainda a uma turbina eólica que compreende: uma parte estacionária que inclui uma torre que se estende substancialmente na vertical e alicerces no qual é alicerçada uma parte de extremidade inferior; uma nacelle que compreende um rotor eólico que tem, pelo menos, uma lâmina disposta num veio principal tendo um eixo de rotação substancialmente horizontal e um sistema de geração de energia; um sistema de guinada que compreende uma parte estacionária que é fixada numa parte de extremidade superior da torre e uma parte móvel que é fixada na nacelle, a parte 15 estacionária e a parte móvel sendo concebidas para que a nacelle seja suportada vertical e horizontalmente pela torre e possa girar relativamente à torre em torno de um eixo de guinada substancialmente vertical; e segundos meios de amortecimento da oscilação cuja frequência de amortecimento principal é concebida para o amortecimento substancialmente unidireccional das oscilações da segunda frequência de flexão natural da turbina eólica.

Os segundos meios de amortecimento das oscilações são, de um modo preferido, colocados numa parte central da torre no sentido vertical porque a torre de uma turbina eólica no segundo modo de flexão natural da turbina eólica actua, em grande medida, como se ela estivesse fixada na extremidade superior e também na inferior devido à concentração da massa na extremidade superior. A amplitude das oscilações tem, assim, um valor máximo próximo do centro da torre e os meios de amortecimento deverão ser colocados próximo do local de amplitude máxima. A frequência de amortecimento principal dos segundos meios de amortecimento das oscilações deverá, para a maioria das turbinas eólicas, estar na amplitude de 1 - 10 Hz, de um modo preferido, na amplitude de 2 - 5 Hz. O amortecimento dos segundos meios de amortecimento das oscilações tem, numa forma de realização preferida da presente invenção, uma magnitude equivalente a uma diminuição logarítmica de oscilações da referida segunda frequência natural da turbina eólica de, pelo menos, 2%, como na amplitude de 2% - 20%, de um modo preferido, na amplitude de 3% - 12% e, de um modo mais preferido, na amplitude de 4 - 8%. 16

Os segundos meios de amortecimento das oscilações podem compreender um ou mais elementos de amortecimento das oscilações tendo um elemento de massa disposto de um modo móvel num sentido vertical de e até uma posição neutra do elemento de massa, e meios de armazenamento de energia para receber e armazenar a energia cinética vinda do elemento de massa quando ele estiver a afastar-se da posição neutra e para fornecer energia cinética ao elemento de massa quando ele estiver a aproximar-se da posição neutra. 0 elemento de massa pode ser um liquido mas, de um modo preferido, para os meios de amortecimento da presente, ele é um ou mais sólidos. Os meios de armazenamento de energia podem compreender uma ou mais molas ou semelhantes mas podem, de um modo alternativo, ser meios para deslocar a massa ao longo de uma trajectória curvada para que a energia seja armazenada pela posição vertical da massa na forma de energia potencial.

Um ou mais dos elementos de amortecimento das oscilações podem ainda, com vantagem, compreender meios de amortecimento para receber energia cinética vinda do elemento de massa quando eles estão em deslocação.

Embora a turbina eólica que compreende os segundos meios de amortecimento das oscilações constitua ela própria uma inovação, os segundos meios de amortecimento das oscilações podem, com vantagem, ser combinados com os meios de amortecimento das oscilações para amortecer as oscilações do primeiro modo de flexão natural da turbina eólica de acordo com a invenção conforme acima descrito. 17

Exemplo

Foi realizada na Alemanha uma experiência à escala 1:1 numa turbina eólica do tipo NM1000/60-59 (uma turbina eólica de 1 MW, com rotor de diâmetro de 60 m, altura do eixo de 59 m) . Foram colocadas 25 caixas quadradas com dimensões de L=745 mm no topo da torre e na nacelle. As caixas continham 44,8 kg de uma solução de água e sal a 26% (percentagem em massa) dando um rácio total de massa de 1,73%. A situação aqui referida deu um amortecimento esperado da torre de 4% x 1,73 = 7% (diminuição log.) .

As medições obtidas da turbina eólica NM1000/60-59 com o amortecedor de oscilações da torre instalado mostram uma clara redução das cargas de fadiga a velocidades do vento acima dos 13 m/s e a velocidades do vento entre 4-5 m/s (a velocidade de 4-5 m/s é a velocidade operacional da turbina eólica a girar com um gerador auxiliar o que produz maiores oscilações na torre) quando comparado com as cargas de fadiga da turbina eólica sem estar instalado o amortecedor de oscilações da torre. É esperado que um amortecimento de 5% (diminuição log.) seja suficiente para resolver os problemas de oscilações. A massa de líquido necessária para uma dada turbina eólica com uma dada massa oscilante é então 1,25% (5%/4%) da massa oscilante. A quantidade óptima de líquido dentro de cada caixa é conhecida quando forem determinadas a dimensão das caixas e a primeira frequência de flexão da torre. O número de caixas necessário na turbina eólica pode então ser calculado. As caixas são colocadas em duas colunas no topo da torre e as caixas são colocadas umas em cima das outras. 18 É importante que as caixas sejam tão grandes quanto possível para assim reduzir claramente a quantidade de caixa necessárias. 0 líquido utilizado deverá ter uma densidade tão elevada quanto possível, deverá ser barato e não deverá congelar até aos 20° negativos. Conforme referido, uma solução de 26% de água salgada tem estas três qualidades: 1. A densidade é 1,2 kg/m3; 2. O sal e a água são fáceis de obter e são baratos; 3. O ponto de congelação é -20 °C; mas também podem ser utilizados outros líquidos.

As frequências naturais do primeiro modo de flexão das torres nas turbinas eólicas do tipo NEG Micons que são actualmente comercializadas estão no intervalo de 0,3 a 0,7 Hz. É realístico que dentro de uma década elas possam estar no intervalo de 0,1 a 0,8 Hz, que é o limite funcional deste conceito de amortecimento com líquido dentro de caixas. O amortecimento está próximo do óptimo mesmo quando a frequência natural da torre permanece dentro dos 5% da frequência natural da água. É importante não esquecer que a frequência natural da torre pode variar para a mesma turbina eólica devido a diferentes condições do subsolo.

Lisboa, 14 de Junho de 2007 19

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Turbina eólica compreendendo: uma primeira parte estacionária incluindo uma torre que se estende substancialmente na vertical e alicerces nos quais é alicerçada uma parte de extremidade inferior da torre; uma nacelle compreendendo um rotor eólico tendo, pelo menos, uma lâmina disposta num primeiro veio tendo um eixo de rotação substancialmente horizontal e um sistema de transmissão de energia; um sistema de movimento de guinada compreendendo uma segunda parte estacionária que é fixada numa parte de extremidade superior da torre e uma parte móvel que é fixada na nacelle, sendo a parte estacionária e a parte móvel concebidas para que a nacelle seja suportada vertical e horizontalmente pela torre e possa girar relativamente à torre em torno de um eixo de guinada substancialmente vertical; e um segundo meio de amortecimento de oscilação proporcionando um amortecimento substancialmente unidireccional das oscilações cuja frequência de amortecimento principal é substancialmente igual à segunda frequência de flexão natural da turbina eólica; sendo o segundo meio de amortecimento da oscilação proporcionado numa parte central da torre no sentido vertical, em que o amortecimento do segundo meio de amortecimento das oscilações tem uma magnitude equivalente a uma diminuição logarítmica de oscilações da referida 1 segunda frequência natural da turbina eólica de, pelo menos, 2%.
2. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 1, em que a frequência de amortecimento principal do segundo meio de amortecimento das oscilações está situada entre 1-10 Hz, de um modo preferido, entre 2 - 5 Hz.
3. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 1, em que a referida magnitude do amortecimento é equivalente a uma diminuição logarítmica das oscilações da referida segunda frequência natural da turbina eólica situada entre 2% - 20%, de um modo preferido, entre 3% - 12% e de um modo mais preferido, entre 4% - 8%.
4. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações 1 - 3, em que o segundo meio de amortecimento das oscilações compreende um ou mais elementos de amortecimento das oscilações tendo um elemento de massa disposto de um modo móvel numa direcção vertical de e até uma posição neutra do elemento de massa, e um meio de armazenamento de energia para receber e armazenar energia cinética resultante do elemento de massa quando estiver a afastar-se da posição neutra e para fornecer energia cinética ao elemento de massa quando se estiver a aproximar da posição neutra.
5. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 4, em que um ou mais elementos de amortecimento das oscilações compreendem um meio de amortecimento para receber a energia cinética resultante do elemento de massa quando está em movimento. 2
6. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações 1 - 5 e compreendendo um meio de amortecimento das oscilações proporcionados no topo da torre e/ou na nacelle e/ou distribuído pelo exterior da torre/nacelle, e compreendendo, pelo menos, um depósito que é parcialmente cheio com um líquido, sendo a frequência de amortecimento principal do meio de amortecimento da oscilação concebida para amortecer as oscilações da primeira frequência de flexão natural da turbina eólica com um amortecimento substancialmente unidireccional com uma magnitude equivalente a uma diminuição logarítmica de oscilações da referida primeira frequência natural da turbina eólica de, pelo menos, 2%, e sendo a massa total do líquido contido dentro do, pelo menos um, depósito, igual a, pelo menos, 0,6% da massa da nacelle.
7. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 6, em que a massa total do líquido se situa entre 0,6% - 3%, de um modo preferido, entre 0,9% - 2,4% e, de um modo mais preferido, entre 1,2% - 1,8% da massa da nacelle.
8. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 6, e estando localizada no alto mar, onde a torre da turbina eólica está exposta à excitação por parte das ondas do mar, em que a massa total do líquido se situa entre 1% - 6%, de um modo preferido, entre 1,5% - 5% e, de um modo mais preferido, entre 2% - 4% da massa da nacelle.
9. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações 6 - 8, em que a referida magnitude do amortecimento é equivalente a uma diminuição logarítmica das oscilações da referida primeira frequência natural da turbina eólica 3 entre 2% - 20%, de um modo preferido, entre 3% - 12% e de um modo mais preferido, entre 4% - 8%.
10. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações 6-8, e estando localizada no alto mar, onde a torre da turbina eólica está exposta à excitação por parte das ondas do mar, em que a referida magnitude do amortecimento é equivalente a uma diminuição logarítmica das oscilações da referida primeira frequência natural da turbina eólica entre 2% - 20%, de um modo preferido, entre 3% - 12% e de um modo mais preferido, entre 10% - 15%.
11. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que a frequência de amortecimento principal do meio de amortecimento das oscilações tem um desvio inferior a 5% em relação à primeira frequência de flexão natural da turbina eólica.
12. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que a altura (H) da superfície do líquido dentro do, pelo menos um, depósito, a partir da parte inferior do depósito, é de cerca de 106% da altura verificada através da utilização de métodos teóricos padrão de cálculo da altura (H) apropriada do líquido para fazer coincidir a frequência de amortecimento principal do depósito com a primeira frequência de flexão natural da turbina eólica.
13. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que a frequência de amortecimento principal do meio de amortecimento de oscilações é inferior a 0,8 Hz, de um modo preferido, situa-se entre 0,1 - 0,6 Hz. 4
14. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, e compreendendo um meio de detecção das oscilações colocado numa parte superior da turbina eólica para detectar as oscilações da turbina eólica e produzir uma correspondente saída, um meio de controlo para receber a saida vinda do meio de detecção e do meio de controlo para ajustar a quantidade de liquido que é colocado dentro do, pelo menos um, depósito de modo a adaptar a frequência de amortecimento principal do, pelo menos um, depósito face às variações da primeira frequência de flexão natural da turbina eólica.
15. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que cada um dos, pelo menos um, depósitos compreende partes laterais que se estendem verticalmente ao longo de, pelo menos, 1,8 vezes a altura (H) da superfície do líquido dentro do depósito a partir da parte inferior do depósito.
16. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o meio de amortecimento das oscilações compreende uma pluralidade de depósitos que são parcialmente cheios com um líquido.
17. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 16, em que cada um da pluralidade de depósitos tem uma secção transversal quase simétrica quando vista num plano horizontal e características de amortecimento quase simétricas.
18. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 17, em que cada um da pluralidade de depósitos tem uma secção 5 transversal substancialmente quadrada quando vista num plano horizontal.
19. Turbina eólica de acordo com as reivindicações 16 - 18, em que cada um da pluralidade de depósitos compreende partes laterais que se estendem substancialmente na vertical a partir da parte inferior do depósito.
20. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, compreendendo um meios de aquecimento para aquecer o liquido contido no, pelo menos um,depósito.
21. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 20, compreendendo um meio de controlo para controlar o funcionamento do meio de aquecimento de modo a impedir que a temperatura do liquido seja inferior a uma temperatura minima predeterminada.
22. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 21, compreendendo um meio de controlo para controlar o funcionamento do meio de aquecimento de modo a manter uma temperatura substancialmente constante do liquido.
23. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações 20 - 22, em que o meio de aquecimento compreende um meio de transferência do calor resultante do arrefecimento da transferência de energia disposta na nacelle para liquido.
24. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que a temperatura de congelação do líquido é inferior aos -10 graus celsius, de um modo preferido, inferior aos -18 graus celsius. 6
25. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 24, em que o liquido é água compreendendo, pelo menos, um agente de redução da temperatura de congelação da água.
26. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o, peso especifico do liquido é de, pelo menos, 1,1 toneladas por metro cúbico, de um modo preferido, de, pelo menos, 1,4 toneladas por metro cúbico e de um modo mais preferido, de, pelo menos, 1,8 toneladas por metro cúbico.
27. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 26, em que o liquido é água compreendendo, pelo menos, um agente para aumentar o peso especifico do liquido.
28. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações 25 - 27, em que, pelo menos, um agente é cloreto de sódio.
29. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 28, em que o líquido é água compreendendo, pelo menos, 18% em massa de cloreto de sódio, de um modo preferido, pelo menos, 22% em massa de cloreto de sódio e, de um modo mais preferido, 26% em massa de cloreto de sódio.
30. Turbina eólica de acordo com qualquer das reivindicações 25 - 29, em que, pelo menos, um agente é glicerol. Lisboa, 14 de Junho de 2007 7