PT2002120E - Sistema de gestão térmica para turbina eólica - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "SISTEMA DE GESTÃO TÉRMICA PARA TURBINA EÓLICA"

Campo da Invenção

Esta invenção refere-se a turbinas eólicas com uma torre de turbina eólica, um sistema electrónico para controlo da energia localizado dentro da torre da turbina eólica, sendo que este sistema compreende componentes geradores de calor.

Descrição da Técnica Actual

Como a electricidade produzida a partir do vento é cada vez mais frequente em muitas regiões em todo o mundo, sente-se a necessidade de criar instalações de turbinas eólicas mais estéticas. Uma das preocupações tem sido a localização das cabines de controlo, que se encontram fora das torres das turbinas, onde ficam visivelmente expostas. Para responder a esta questão tem-se recentemente colocado as cabines de controlo dentro da torre da turbina. Normalmente, o espaço ai dentro é suficiente para acomodar essas cabines, mas podem surgir sérios problemas de gestão térmica. Por exemplo, em turbinas eólicas de velocidade variável, onde se utiliza frequentemente um sistema electrónico de controlo de conversor, este pode produzir uma quantidade significante de calor. Vamos p. ex. considerar um sistema total de conversor com 96% de eficiência numa turbina de 1,5 MW. Isto significa que o conversor dissipa 4% de 1,5 MW ou 60 kW. Se o conversor é 2 colocado na torre sem um movimento adequado de ar, pode resultar daqui uma forte subida da temperatura dentro da torre. Esta elevada temperatura pode ser prejudicial à vida útil do sistema de controlo de conversor e de outros componentes necessários dentro da torre. Para fazer face a esta subida de temperatura, foram instalados na torre ventiladores de forte movimento de ar para extrair ar quente; no entanto, não é favorável retirar materiais, fazendo buracos na torre por razões que serão expostas mais à frente. Seria melhor encontrar um método alternativo para retirar o calor de dentro da torre. A tecnologia actual utiliza uma estrutura de torre de turbinas eólicas para elevar a turbina. A torre fornece um suporte estático e dinâmico para cargas mecânicas sujeitas à estrutura de elevação da torre. É habitual a torre possuir uma porta de entrada na base da torre. A porta é ventilada para permitir a passagem de ar exterior para dentro da torre. Além da porta de entrada, é proporcionada uma abertura a 180 graus da porta para permitir que entre ar adicional na torre do lado oposto da porta. Este corte adicional na torre não é vantajoso, pois enfraquece a estrutura da torre, embora seja desejável para permitir uma entrada adequada de ar para dentro da torre.

No caso de uma turbina eólica de velocidade variável, o gerador está electricamente ligado ao sistema electrónico de controlo da energia dentro da base da torre, através de cabos eléctricos suspensos. O mesmo aplica-se a uma turbina eólica de velocidade constante, com excepção do facto do sistema de controlo no fundo da torre ser antes um convencional comutador electromecânico ou de potência electrónica, em vez de um conversor de velocidade variável. 3 0 sistema de controlo assenta numa plataforma. Consegue-se retirar o calor do sistema de controlo através de dissipadores de calor no topo de uma cabine do sistema de controlo. 0 calor produzido pelo sistema de controlo é deslocado para o dissipador de calor, onde os ventiladores sopram o ar sobre os dissipadores de calor para retirar o calor. Porém, o calor permanece na torre, o que faria subir a temperatura na torre se não fosse a instalação de orifícios de exaustão no cimo da torre. Os ventiladores activos forçam o ar quente em ascensão para fora da torre mesmo abaixo do topo da torre. Há muitas consequências indesejáveis desta abordagem para retirar calor de dentro da torre. Em primeiro lugar, a abordagem requer três orifícios adicionais, para além da porta de manutenção, para efeitos de recolher ar frio e expelir ar quente. Estes orifícios adicionais enfraquecem estruturalmente a torre e podem resultar na necessidade de acrescentar aço, o que encarece a estrutura da torre. Em segundo lugar, a abordagem extrai contaminadores para dentro da torre, o que, dependendo do ambiente, pode ser corrosivo e prejudicial ao sistema de controlo, cabos suspensos e outros componentes dentro da torre. Por último, os ventiladores de exaustão no topo da torre podem contribuir fortemente para o ruído na área circundante da turbina. WO 01/77526 AI apresenta uma turbina eólica, um sistema de permutador de calor, em que o permutador de calor inclui uma unidade receptora de calor na área do gerador e uma unidade emissora de calor disposta na área da torre, sendo o calor transferido da unidade receptora para a unidade emissora por um sistema condutor. 4 DE 103 52 023 AI apresenta também um sistema de permutador de calor para uma turbina eólica. Uma unidade receptora de calor é anexada a um sistema eléctrico gerador de calor ao lado da torre da turbina, e uma unidade emissora de calor é anexada à torre da turbina eólica, sendo que as duas unidades são ligadas por um sistema condutor. WO 01/06121 Al apresenta um sistema de arrefecimento para uma turbina eólica, incluindo este sistema um circuito de arrefecimento, em que o calor dissipado do circuito de arrefecimento é evacuado através da torre da turbina eólica.

Os sistemas de arrefecimento e sistemas de permutador de calor da tecnologia actual utilizam um circuito de arrefecimento, ou seja, o calor é recebido numa área da turbina e transferido para a torre por um sistema condutor. Esta abordagem para retirar calor é tecnicamente exigente e requer muita manutenção. É, portanto, um objectivo da presente invenção encontrar um método melhorado, um aparelho para deslocar o calor produzido por um sistema de controlo dentro de uma torre para fora da torre, de um modo tecnicamente simples e económico.

RESUMO DA INVENÇÃO O objectivo da presente invenção é alcançado por uma turbina eólica com uma torre de turbina eólica, um sistema electrónico de controlo da energia localizado dentro da torre da turbina eólica, sendo que este sistema compreende componentes geradores de calor. Os componentes geradores de 5 calor são directamente montados na superfície interior da torre da turbina eólica, dissipando o calor produzido pelos componentes geradores de calor directamente para a superfície interior da torre da turbina eólica, sendo providenciado um bom caminho termicamente condutor a toda a torre da turbina eólica. Com esta disposição, a torre da turbina eólica exposta ao vento dominante, actua como dissipador de calor. 0 objectivo da presente invenção é também alcançado por um método para retirar calor de dentro da torre da turbina eólica, que compreende um sistema electrónico de controlo da energia localizado dentro da torre da turbina eólica, incluindo este sistema componentes geradores de calor, em que o método engloba os passos de a) transferir directamente o calor dos componentes geradores de calor do sistema electrónico de controlo da energia para uma superfície interior da torre da turbina eólica, e b) dissipar pelo menos uma parte do calor para a torre da turbina eólica. Por outras palavras, a invenção propõe um método para encaminhar perdas produzidas no conversor ou comutador para a torre, e para utilizar a torre como um dissipador de calor com a finalidade de arrefecimento. A presente invenção propõe um aparelho novo e um método para retirar o calor de dentro de uma torre da turbina eólica, que contém um conversor electrónico de energia numa turbina eólica de velocidade variável ou, em alternativa, do comutador numa turbina eólica de velocidade constante. Em qualquer um dos casos, a invenção propõe uma abordagem única para retirar as perdas de um qualquer sistema de controlo. Assim sendo, a invenção baseia-se na ideia de utilizar a torre como um dissipador de calor. 6

Numa versão, os meios de transferência de calor podem compreender uma superfície interior plana da referida torre, sob a qual são montados componentes do referido sistema electrónico de controlo para dissipar calor directamente para a referida torre. Nesta versão, a torre pode compreender uma superfície, que é trabalhada para acomodar os componentes. Os componentes compreendem, normalmente, uma superfície plana, mas também podem compreender uma superfície curvada para adaptar o componente à superfície interior da torre.

Uma grande vantagem do aparelho de acordo com a presente invenção é a capacidade de poder ser adaptado a uma grande variedade de turbinas, devido às diferentes quantidades de calor conduzido pelos diferentes meios de transferência de calor.

Noutra versão da presente invenção, a turbina eólica compreende uma série de tubos de calor utilizados para melhor transferir o calor produzido pelos componentes geradores de calor para a superfície maior da torre da turbina eólica.

Privilegia-se o facto dos tubos de calor serem termicamente ligados à torre da turbina eólica por soldadura, brasagem ou por união térmica.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Passamos a descrever a invenção em pormenor, fazendo referência aos desenhos, onde: 7 A FIGURA 1 é uma vista de perspectiva de uma torre de turbina eólica da técnica anterior com ventiladores de arrefecimento do ar; A FIGURA 2 é uma vista de perspectiva de um sistema de gestão térmica dentro de uma torre de turbina; e, A FIGURA 3 é uma vista de perspectiva de um sistema de gestão térmica dentro de uma torre de turbina de acordo com a invenção.

DESCRIÇÃO DAS VERSÕES PRIVILEGIADAS A FIGURA 1 é um exemplo do tipo existente utilizado para retirar o calor produzido dentro de uma torre da turbina eólica. Esta figura mostra uma turbina eólica de frente para o vento 8. Este vento faz subir as pás da turbina eólica 6, fazendo rodar todo o rotor 7. A rotação do rotor resulta numa rotação do veio principal de baixa velocidade 5, que é a entrada mecânica para o ascensor da velocidade 3. A saida mecânica do ascensor da velocidade é o veio de alta velocidade 4, que está ligado a um gerador de alta velocidade 2. A razão de transmissão 3 é seleccionada para fazer corresponder a velocidade desejada do veio de baixa velocidade 5 à velocidade do gerador de alta velocidade 2 e do veio 4. A estrutura da torre da turbina eólica é identificada pelo número 1 na figura. Esta estrutura é utilizada para elevar a turbina e providencia um suporte estático e dinâmico para cargas mecânicas sujeitas à estrutura da torre superior. É habitual a torre possuir uma porta de entrada, como se pode ver em 9, e esta porta é ventilada para permitir a passagem do ar exterior para dentro da torre. Além da porta, é instalada uma 8 abertura a 180 graus da porta para permitir que entre mais ar na torre em 13. O adicional orifício da torre não é muito favorável, pois enfraquece a estrutura da torre, mas é necessário para possibilitar uma adequada entrada de ar para dentro da torre 1.

Ainda na FIGURA 1, no caso de uma turbina eólica de velocidade variável, o gerador é electricamente ligada ao sistema electrónico de controlo de energia 11, através de cabos eléctricos suspensos 15. O mesmo aplica-se a uma turbina eólica de velocidade constante, com excepção do facto do sistema de controlo no fundo da torre 11 ser antes um convencional comutador electromecânico ou comutador electrónico de energia, em vez de um conversor de velocidade variável. O sistema de controlo 11 assenta numa plataforma 10. Consegue-se retirar calor do sistema de controlo 11 através de dissipadores de calor 19 apresentados no topo da cabine do sistema de controlo 11. O calor produzido pelo sistema de controlo é deslocado para o dissipador de calor 19, onde os ventiladores 20 sopram ar sobre os dissipadores de calor para retirar o calor. Porém, o calor permanece na torre, o que faria subir a temperatura na torre se não fosse a instalação de orifícios de exaustão da torre 18 no cimo da torre. Os ventiladores 17 activos forçam o ar quente em ascensão para fora da torre mesmo abaixo do topo da torre. Há muitas consequências indesejáveis desta abordagem para retirar calor de dentro da torre. Em primeiro lugar, a abordagem requer três orifícios adicionais, para além da porta de manutenção, para efeitos de recolher ar frio e expelir ar quente. Estes orifícios adicionais enfraquecem estruturalmente a torre e podem resultar na necessidade de 9 acrescentar aço, o que encarece a estrutura da torre. Em segundo lugar, a abordagem extrai contaminadores para dentro da torre, o que, dependendo do ambiente, pode ser corrosivo e prejudicial ao sistema de controlo, cabos suspensos e outros componentes dentro da torre. Por último, os ventiladores de exaustão no topo da torre podem contribuir fortemente para o ruído na área circundante da turbina. Por estas razões, seria vantajoso encontrar uma abordagem melhorada para deslocar o calor produzido pelo sistema de controlo para fora da torre.

Relativamente à FIGURA 2, esta mostra uma turbina eólica de frente para o vento 8. Este vento faz subir as pás da turbina eólica 6, fazendo rodar todo o rotor 7. A rotação do rotor resulta numa rotação do veio principal de baixa velocidade 5, que é a entrada mecânica para o ascensor da velocidade 3. A saída mecânica do ascensor da velocidade é o veio de alta velocidade 4, que está ligado a um gerador de alta velocidade 2. A razão de transmissão 3 é seleccionada para fazer corresponder a velocidade desejada do veio de baixa velocidade 5 à velocidade do gerador de alta velocidade 2 e do veio 4. A estrutura da torre da turbina eólica é identificada pelo número 1 na figura. Esta estrutura é utilizada para elevar a turbina e providencia um suporte estático e dinâmico para cargas mecânicas sobre a estrutura da torre superior. É habitual a torre possuir uma porta de entrada, como se pode ver em 9. Pelo facto da torre ser uma estrutura para suportar carga, não é aconselhável fazer buracos para retirar calor. A FIGURA 2 é outro exemplo do tipo existente utilizado para retirar o calor produzido dentro de uma torre de turbina eólica. No caso de uma turbina eólica de velocidade 10 variável, o gerador é electricamente ligada ao sistema electrónico de controlo de energia 11, através de cabos eléctricos suspensos 15. O mesmo aplica-se a uma turbina eólica de velocidade constante, com excepção do facto do sistema de controlo no fundo da torre 11 ser antes um convencional comutador electromecânico ou comutador electrónico de energia, em vez de um conversor de velocidade variável. O sistema de controlo assenta numa plataforma 10 e contém um sistema de arrefecimento por liquido, que consiste de um tubo 13 e de uma bomba de circulação 12. A entrada eléctrica para o sistema de controlo vem dos cabos suspensos 15 do gerador e a energia eléctrica de saida do sistema de controlo está ligada ao transformador montado em pedestal (pad-mounted) da turbina, através de condutores subterrâneos 14 apresentados a sair da base da torre. A bomba de circulação faz o liquido fluir pela parte geradora de calor do sistema de controlo. Este liquido é aquecido pelo sistema de controlo e sai a uma temperatura mais alta. O liquido torna-se termicamente condutor para a torre, através de um tubo espiral, como se vê em 13. À medida que o liquido passa pelo tubo 13 transfere o seu calor para a torre 1. O vento 8 a soprar sobre a torre 1 faz o calor, que foi fornecido à torre, dissipar-se no vento. Uma vez que o calor é, por fim, levado pelo vento, não se observa nenhum aumento significativo do calor dentro da torre. O liquido de baixa temperatura na outra extremidade do tubo em espiral é, depois, recirculado para a entrada do sistema de controlo através do tubo 13. Há inúmeros métodos para anexar o tubo à torre da turbina eólica. Por exemplo, a soldadura, a brasagem ou a união térmica são métodos aceitáveis. 0 11 número de voltas e a altura do tubo em espiral pode ser dimensionado com base nos kW a retirar do sistema de controlo; uma altura maior pode permitir a dissipação de mais kW para subir a temperatura. É habitual retirar desde cinco a centenas de kW, enquanto se tenta manter subidas de temperatura de 10-80 graus Celsius. A FIGURA 3 mostra uma versão de uma turbina eólica de acordo com a invenção. Esta abordagem utiliza uma estrutura da torre 1 idêntica à que foi descrita. A figura apresenta um recorte na torre, mostrando a invenção dentro da torre. É providenciada uma superfície plana trabalhada 6 num lado da torre 1. A superfície 6 é trabalhada, de modo a aceitar componentes planos 4 para serem aí instalados, proporcionando um bom caminho termicamente condutor para toda a torre 1. Os componentes comuns 4 utilizados no sistema de controlo são módulos electrónicos com IGBT, SCR e díodos. Estes tipos de módulos são concebidos para serem montados em superfícies planas. 0 calor produzido por estes componentes 4 é, depois, transferido através da superfície plana e para a parede interior da torre 1. Os elementos 5 são tubos de calor utilizados para transferir melhor o fluxo de calor dos componentes 4 para uma superfície maior da torre. O dimensionamento dos tubos de calor é determinado pelo montante do fluxo de calor por deslocar. Quanto maior for o fluxo de calor, maiores são os tubos de calor. Os tubos de calor são termicamente ligados à torre através de soldadura, brasagem ou união térmica e servem para transferir o calor do componente 4 para uma superfície maior da torre. Em algumas aplicações, pode não ser necessário utilizar os tubos de calor. 12

As características e vantagens descritas nesta especificação não são totalmente inclusivas e muitas outras características e vantagens ficarão mais claras às pessoas com conhecimento geral nesta matéria, tendo em conta a figura, especificação e suas reivindicações. Além do mais, note-se que a linguagem utilizada na especificação foi escolhida, principalmente, para efeitos de legibilidade e efeitos instrutivos e, por conseguinte, recorre às reivindicações, quando necessário, para determinar a matéria que é objecto da invenção. 13

DOCUMENTOS APRESENTADOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista dos documentos apresentados pelo requerente foi exclusivamente recolhida para informação do leitor e não faz parte do documento europeu da patente. Apesar de ter sido elaborado com o máximo cuidado, o IEP não assume, porém, qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente apresentados na descrição • WO 0177526 AI · WO 0106121 Al • DE 10352023 Al

Lisboa, 30/12/2009

Claims (5)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Uma turbina eólica, compreendendo: uma torre de turbina eólica (1), um sistema electrónico de controlo da energia (11) localizado dentro da torre da turbina eólica (1), englobando este sistema (11) componentes geradores de calor (4), caracterizada pelo facto dos componentes geradores de calor (4) serem directamente montados na superfície interior da torre da turbina eólica (1), dissipando o calor produzido pelos componentes geradores de calor (4) directamente para a superfície interior da torre da turbina eólica (1), sendo providenciado um bom caminho termicamente condutor a toda a torra da turbina eólica (1).

2. A turbina eólica da reivindicação 1, caracterizada pelo facto da superfície plana (6) ser providenciada num lado da torre da turbina eólica (1) e em que os componentes geradores de calor (4) englobam uma superfície plana.

3. A turbina eólica da reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo facto da turbina eólica compreender uma série de tubos de calor (5) utilizados para transferir melhor o calor produzido pelos componentes geradores de calor (4) para a superfície maior da torre da turbina eólica (1). 2

4. A torre da turbina eólica de qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizada pelo facto dos tubos de calor (5) estarem termicamente ligados à torre da turbina eólica (1) através de soldadura, brasagem ou união térmica.

5. Um método para retirar calor de dentro de uma torre da turbina eólica (1), compreendendo um sistema electrónico de controlo da energia (11) localizado dentro da torre da turbina eólica (1), em que este sistema (11) inclui componentes geradores de calor (4) e em que o método inclui os seguintes passos: a) transferir directamente o calor dos componentes geradores de calor (4) do sistema electrónico de controlo da energia (11) para uma superfície interior da torre da turbina eólica (1); e b) dissipar, pelo menos, uma parte do calor para a torre da turbina eólica (1) . Lisboa, 30/12/2009 1/3

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