PT2655877E - Turbina eólica offshore flutuante com sistema de estabilização ativa da inclinação da nacela - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "TURBINA EÓLICA OFFSHORE FLUTUANTE COM SISTEMA DEESTABILIZAÇÃO ATIVA DA INCLINAÇÃO DA NACELA" 0 objeto da presente invenção refere-se a turbinas eólicasinstaladas no mar, sobre um suporte flutuante e, mais emparticular, os sistemas de manutenção do eixo de rotaçãodas pás seguindo uma direção imposta em relação à direçãoefetiva do vento, para todos os movimentos do suporte daturbina eólica, isto é, o mastro e o seu apoio flutuante.

No caso de uma turbina eólica padrão, a nacela podetransportar três pás (por exemplo de cerca de 60 m decomprimento) ligadas a um rotor que impulsiona, através deum redutor de velocidade, um gerador elétrico e acessórios,tais como o sistema de orientação das pás, transformadoreselétricos, um sistema hidráulico, a ventilação. A estruturada nacela baseia-se numa coroa de orientação, ela própriasuportada pelo mastro. A nacela é constantemente orientada em azimute para o planode rotação de pás em relação ao vento. Para isso, a nacelapode rodar em relação ao eixo do mastro, por acionamento deuma (ou mais) engrenagens motorizadas, que cooperam com umacoroa dentada. O conjunto de uma nacela pode pesar na ordemde 200 a 300 toneladas. O mastro, de cerca de 100 m de altura, de suporte da nacelaestá assente num apoio flutuante mantido e substancialmenteestabilizado por linhas de ancoragem em caso deprofundidades de água superiores a 100 m. A nacela da turbina eólica é submetida a muitas forças elimitações relacionadas com a velocidade do vento. Istoresulta numa pressão sobre as pás suportada por um encostorotativo tendo a sua parte móvel fixa ao eixo do rotor. A força de impulso ou força axial orientada na direção dovento, tem um valor que é dependente do ângulo de cada pá("pitch") em relação à direção do vento.

No caso de uma turbina de vento sobre o apoio flutuante, osuporte flutuante é sujeito a várias forças resultantes dosefeitos combinados do vento, das ondas, das correntesmarinhas, das linhas de ancoragem, dos efeitos do mastrosobre o suporte flutuante, da sua inclinação e da suaflexão pelas forças aplicadas devido ao vento e à nacela. 0 sistema de "turbina de vento sobre suporte flutuante"está sujeito a um conjunto complexo de forças que atuam emdireções diferentes, com valores diferentes, estáticos,periódicos, aperiódicos. Estas forças, ligadas einterdependentes, são provenientes dos efeitos do ventosobre as pás e a nacela, o mastro, o suporte flutuante, aslinhas de ancoragem e os efeitos do vento, das ondas e dascorrentes sobre este suporte flutuante.

Trata-se da direção do vento que impõe a direção da forçaaxial aplicada ao rotor pois o plano de rotação das pásdeve ser permanentemente orientado na perpendicular àdireção do vento, e isso para obter a absorção máxima deenergia eólica para um melhor rendimento ou eficiência. A direção do vento no espaço pode ser definida por doisângulos: - o ângulo de inclinação feito pela direção dovento relativamente ao plano horizontal tomado comoreferência e - o ângulo de azimute, que descreve, no mesmoplano horizontal, a direção do vento com a direção do campomagnético terrestre tomado como referência.

As turbinas eólicas convencionais atualmente utilizadaspara terra ou no mar fixas ou flutuantes incluem uma nacelamóvel em rotação de acordo com o eixo do mastro que podeser orientado em azimute. Mas nenhuma turbina eólica tem meios ativos para o controlo da inclinação da nacela emrelação à referência horizontal em função das deslocaçõesperiódicas devidas à flutuação do suporte, ou às variaçõesda direção do vento.

Assim, a presente invenção refere-se a uma turbina devento. A nacela pode ser articulada em torno de um eixo horizontale assentar sobre um apoio no setor circular centrado sobreo eixo do referido eixo. A nacela pode incluir um sistema de transferência de massapara mover o centro de gravidade do conjunto suspenso.

Uma massa pode ser transferida para uma corrediça.

Uma massa liquida pode ser transferida por bombagem. A zona circular pode ter um sistema dentado que coopera comum pinhão motorizado de acordo com os meios de ajustamentoautomático. A nacela pode compreender meios para mover o ponto dearticulação, de modo a mover o centro de gravidade doconjunto suspenso, em relação ao mastro. A invenção será melhor compreendida e as suas vantagensaparecerão mais claramente aquando da leitura dos exemplosa seguir, de modo algum limitativos, e ilustrados pelasseguintes figuras anexas, entre as quais: • a figura 1 mostra esquematicamente uma turbina eólicaoffshore, • as figuras 2 e 3 mostram esquematicamente duas formasde realização, • a figura 4 mostra o princípio da nacela articulada esuportada pela sua base, • as figuras 5 e 6 mostram esquematicamente atransferência de balanço de massas, • as figuras 7 e 8 mostram, esquematicamente, os meiospara deslocar o centro de gravidade do conjuntosuspenso. 0 objeto da presente invenção refere-se à estabilizaçãoativa da nacela de uma turbina eólica por meio de atuadorespara a manter, permanentemente, orientada ao longo do eixoreal do vento tomado em inclinação e em azimute. A nacela está ligada ao mastro e ao seu apoio. Para isso aorientação da nacela de acordo com o eixo real do ventodeve ser feita para todos os ângulos de inclinação e deazimute do mastro e para todos os movimentos periódicos ouaperiódicos, de amplitudes variáveis, movimentosrelacionados com a flexibilidade do mastro e o deslocamentodo seu suporte, em particular flutuador. A figura 1 mostra esquematicamente uma turbina eólicaoffshore cuja nacela 1 suportada pelo mastro 2, oscila comum ângulo α de acordo com a oscilação do suporte flutuanteancorado por três linhas de ancoragem 4. 0 objetivo da presente invenção é o de dotar a nacela de um sistema decorreção do plano de rotação das pás suportadas pelanacela, continuamente como uma função das oscilações dosuporte flutuante, ou da dobragem do mastro.

As Figuras 2 e 3 mostram esquematicamente duas formas derealização, no seu principio. A figura 2 mostra o principio do pêndulo invertido, anacela 1 é suportada por uma base 5 em equilíbrio instávelsobre um veio rotativo 6 situado abaixo do centro degravidade do conjunto móvel, isto é, a nacela e a base.Meios de ativação 7a e 7b ou 9a e 9b, representados por setas, controlam a posição do eixo 8 da nacela, em relaçãoa uma referência. A figura 3 mostra o principio do pêndulo suspenso, ouoscilante, em que a nacela é suspensa sobre um eixo derotação superior 11. Meios de ativação 10a e 10b,representados por setas, controlam a posição do eixo 8 danacela, em relação a uma referência.

Por estes dois principios, os meios de ativação sãoadaptados para agir de um modo dinâmico para aestabilização da nacela, de modo a fazer correçõessincronizadas com a frequência das oscilações.

As direções de referências; inclinação e azimute emrelação, respetivamente, à horizontal e ao norte magnéticosão dadas por sensores convencionais. Além disso, outrossensores de tais medidas, inclinómetro e acelerómetro detrês eixos dispostos na parte móvel (nacela) e com o apoiooscilante (mastro), cata-vento ou medições por um feixe delaser para a marcação da direção do vento, as medidas davelocidade do vento, as medidas de temperatura e de pressãosão acopladas ao sistema de controlo de comando automáticodos meios de ativação da estabilização estática ou dinâmicada nacela em relação ao mastro. A Figura 4 mostra uma outra forma de realização cujoprincipio é semelhante à de uma nacela suspensa por um eixode rotação, mas é complementado por um suporte inferiorpara a nacela para melhor distribuir as cargas e, assim,retomar o peso da nacela sem exigir totalmente o eixo derotação 12.

Na figura 4, a nacela é presa através de um eixo 12 quepermite um ajuste da inclinação. Uma porção da coroa 13integrante com a nacela repousa sobre uma porção de coroa14 solidária com a extremidade do mastro 2 por meio de uma coroa de orientação em azimute 15. Os rolos interpostosentre as duas coroas permitem a deslocação relativa entreas duas coroas aquando de uma mudança de inclinação,enquanto suporta as forças de compressão devidas ao peso danacela e das pás. A coroa 13 ligada à nacela compreendedentes de engrenagem para cooperar com um carreto 16motorizado. Nesta forma de realização, o eixo de rotação jánão suporta todas as cargas. É claro que, outros meios mecânicos no âmbito da arte podemser utilizados para rodar a parte móvel em relação à partefixa.

No que respeita ao modo de realização pendular, doissistemas de estabilização podem ser previstos, ligados ouusados simultaneamente: • Meios de estabilização "estáticos" utilizando oprincipio de balanceamento do peso da nacela submetidaa diferentes forças aplicadas como o efeito do ventoque empurra as pás. Esta estabilização estáticautiliza o efeito da força da gravidade em um pêndulo.Além disso, sistemas adaptativos podem mover o centrode gravidade da nacela para, ou compensar as forçasexteriores variáveis (vento, efeito giroscópico, ...),ou para permitir ter um tempo de respostasuficientemente rápido do sistema de controlo automático.

As figuras 5 e 6 ilustram dois meios de estabilização ditosde "estáticos".A figura 5 mostra a transferência de umamassa 17 ligada à nacela 1 numa calha ou equivalente 18.Esta massa altera a posição do centro de gravidade emrelação ao eixo do veio de rotação, o que proporciona umbraço de alavanca que desenvolve um binário derestabelecimento. A frequência da deslocação da massa deequilíbrio 17 é, portanto, substancialmente da mesma ordemque a frequência das oscilações que devem ser compensadas. A figura 6 está dentro do mesmo princípio, mas a massa transferida é um volume de líquido deslocado por bombagem entre dois tanques 19 e 20.

As Figuras 7 e 8 mostram o princípio em que o conjunto suspenso, nacela e pás, se move num carril 21 ao longo de um eixo paralelo ao rotor, em relação ao eixo de rotaçãoligado ao mastro. A deslocação da nacela ao longo desteeixo move o seu centro de gravidade em relação ao seu eixode rotação. Assim, toda a massa da nacela contribui para oseu posicionamento e já não uma massa adicional anexa,sólida ou líquida, para mover. A figura 7 mostra a variantearticulada suspensa e a figura 8 mostra a variantearticulada instável. • Meios de estabilização "dinâmicos" e por atuadoreshidráulicos, por atuadores elétricos ou por sistemaseletromecânicos de engrenagens de cremalheiras ou depinhões sobre coroas. Um dos objetivos é usar ummínimo de potência para corrigir os movimentos deinclinação periódica da nacela em relação ao mastro,os movimentos da nacela sendo do tipo periódico ouaperiódico com amplitudes angulares limitadas.

Note-se que o eixo de rotação da nacela pode ser deslocadopara a frente ou para trás em relação ao centro degravidade da nacela.Com efeito, o impulso do vento tende adobrar o mastro no sentido oposto ao do vento, o eixo derotação da nacela pode ser deslocado, posicionadoligeiramente para trás do centro de gravidade da nacelapara permitir que a nacela, na ausência de vento, se dobrenaturalmente pela ação do peso da nacela.

As vantagens da presente invenção podem ser especialmente: • A nacela é padrão contendo o multiplicador develocidade e o gerador, • utilização da força giroscópica de rotação das páspelo vento numa direção vertical (para cima ou para baixo) • utilização do efeito de pêndulo direto ou inverso deacordo com a variante proposta, • correção continua da inclinação, com meios que requerem pouca energia. 0 eixo do veio de rotação da nacela é de preferênciarelativamente próximo do eixo do rotor da nacela. 0 rotor é o eixo de acionamento das pás, o rotor estáligado, no caso geral, ao multiplicador de velocidade e aogerador. A força de impulso do vento no plano de rotaçãodas pás, por exemplo de superfície de 10 000 m ' e considerável. Esta força de impulso do vento é transmitidapelas pás ao rotor e à nacela. Para evitar um binário muitoimportante gerado pela força de impulso axial sobre o rotorna distância entre o eixo do rotor e o eixo de rotação danacela, a distância entre o eixo de rotação da nacela e oeixo do rotor deve ser otimizada. Em presença de vento, aforça de impulso do vento tende a inclinar o mastro nadireção oposta à direção do vento e, assim, a fazerlevantar a parte frontal da nacela. Quando a nacela é móvelem torno do seu eixo de rotação e que de acordo com a opção escolhida este eixo de rotação se situa acima do eixo do rotor, o binário rotacional aplicado pela força de impulsodo vento sobre o eixo do rotor tende a diminuir a frente danacela para a colocar de acordo com o eixo do vento. A otimização do ponto de rotação da nacela axialmente eradialmente em relação ao seu centro de gravidade emrelação ao eixo de rotação do rotor vai reduzir as forçasde correção a serem aplicadas para manter a nacelahorizontal.

Lisboa, 9 de junho de 2016

Claims (7)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Turbina eólica compreendendo uma nacela (1) instalada num mastro (2) suportada por um suporte flutuante,caracterizada por a nacela ser articulada em relação aoreferido mastro, num plano vertical, e pelo facto decompreender meios de correção da inclinação da nacela,meios de ajustamento automático dos referidos meios decorreção com base em sensores de deteção de valores decorreção, os referidos meios de ajustamento sendo sincronizados com os movimentos do suporte flutuante esendo configurados para manter a nacela orientada empermanência ao longo do eixo real do vento marcado eminclinação e em azimute, e por a referida nacela sersuspensa e articulada sobre um eixo horizontal.
2. 2. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 1, em que anacela é articulada em torno do veio horizontal e assentanum batente num setor circular centrado no eixo do referidoveio.
3. 3. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 2, em que anacela compreende um sistema de transferência de massa paramover o centro de gravidade do conjunto suspenso.
4. 4. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 3, em queuma massa é transferida sobre uma corrediça.
5. 5. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 3, em queuma massa liquida é transferida por bombagem.
6. 6. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 2, em que osetor circular compreende um sistema dentado que cooperacom um pinhão motorizado de acordo com os meios deajustamento automático.
7. 7. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 1, em que anacela compreende meios para mover o ponto de articulação,de modo a mover o centro de gravidade do conjunto suspenso,em relação ao mastro.