PT2841769E - Turbina eólica sobre um suporte flutuante estabilizada por um sistema de ancoragem sobrelevado - Google Patents

Turbina eólica sobre um suporte flutuante estabilizada por um sistema de ancoragem sobrelevado Download PDF

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Description

DESCRIÇÃO "TURBINA EÓLICA SOBRE UM SUPORTE FLUTUANTE ESTABILIZADA POR UM SISTEMA DE ANCORAGEM SOBRELEVADO" 0 objeto desta invenção compreende as turbinas eólicas instaladas no mar, sobre um suporte flutuante e, em particular, os sistemas de estabilização do suporte flutuante face às forças geradas pelo vento sobre o aerogerador.
No caso de uma turbina standard com potência de 5 mW, a nacela pode compreender um rotor constituído por três pás (por exemplo com um comprimento de aproximadamente 60 m) que aciona, por intermédio de um redutor de velocidade, a parte que gira de um gerador elétrico e os acessórios tais como o sistema de orientação das pás, os transformadores elétricos, um sistema hidráulico ou um sistema de ventilação. A estrutura da nacela assenta sobre uma coroa de orientação suportada pelo poste. O plano do rotor está orientado face ao vento. Para tal, a nacela é móvel em termos de rotação em relação ao eixo do poste, pelo acionamento de uma (ou mais) engrenagens motorizadas, que cooperam com a coroa dentada. O conjunto de uma nacela pode pesar entre 200 a 300 toneladas. O poste, com uma altura de aproximadamente 100 m, suportando a nacela, assenta sobre um suporte flutuante mantido por linhas de ancoragem, no caso de profundidades de água superiores a 50 m.
As turbinas eólicas flutuantes compreendem sistemas de suporte flutuantes e de ancoragem de diversas naturezas, sistemas em que uma das funções é a de limitar os movimentos e acelerações ao nível da turbina, sob o efeito do ambiente marinho (vento, corrente, ondas). No entanto, a problemática específica das turbinas eólicas flutuantes resulta de um momento de reversão importante ser criado pela força de impulso do rotor em funcionamento aplicada, aproximadamente, ao nível da nacela. Assim que a turbina eólica é parada, a força de impulso reduz e o seu ponto de aplicação desloca-se para baixo.
De facto, o rotor da turbina eólica é submetido a inúmeras forças e restrições relacionadas com a velocidade do vento. Isto traduz-se num impulso sobre o rotor suportado por um rolamento rotativo. Esta força de impulso, orientada de acordo com a direção do vento, tem um valor que depende do ângulo das pás (passo ou "pitch") em relação à direção do vento.
Um dos parâmetros importantes para o dimensionamento de uma turbina eólica flutuante é a inclinação do flutuador (e logo do rotor), não podendo as turbinas eólicas funcionar para além de inclinações relativamente moderadas (tipicamente alguns graus). É, então, necessário conceber um flutuador e o seu sistema de ancoragem, de tal modo a limitar o adornamento e o balanço e, a fortiori, os movimentos de inclinação e de oscilação. São conhecidos suportes flutuantes de todos os tipos (semissubmersiveis, spar ou TLP), dimensionados para limitar a inclinação e a oscilação sob o efeito, nomeadamente, de um momento de torque criado pela turbina eólica. Estes flutuadores assentam, respetivamente, sobre a criação de um momento de reação sob a ação das forças hidrostáticas, de peso ou da tensão das ancoragens. Assim, nos sistemas eólicos do estado da técnica, o flutuador fornece a rigidez hidrostática necessária para limitar a inclinação sob efeito das cargas. 0 documento DE102008029982 divulga um sistema típico do estado da técnica.
No entanto, o facto de alterar as dimensões dos flutuadores pode resultar, de acordo com as condições de utilização, em sobredimensionamentos, bem como dimensionamentos em condições excecionais (ventos fortes, ...). 0 objetivo da presente invenção consiste em propor uma disposição especifica dos meios de ancoragem, de tal modo a limitar o adornamento e o balanço, bem como os movimentos de inclinação e de oscilação, sob efeito, nomeadamente, de um momento de torque criado pela turbina eólica para um determinado suporte flutuante.
De um modo geral, a presente invenção compreende uma turbina eólica sobre um suporte flutuante e meios de ancoragem do sistema, conectado ao referido sistema por pontos de fixação. 0 sistema compreende ainda meios de sobrelevação dos referidos pontos de fixação acima de uma linha de flutuação do referido suporte flutuante, os meios de sobrelevação sobrelevam os pontos de fixação a uma altura em relação à linha de flutuação determinada para contrabalançar o momento de reversão da turbina eólica submetida a um vento a uma determinada velocidade.
De acordo com a invenção, os pontos de fixação podem localizar-se acima da borda livre do suporte flutuante.
De acordo com uma forma de realização, os meios de sobrelevação compreendem vigas ou vigas e cabos. As vigas podem ser suportes metálicos tubulares ou suportes metálicos de secção variável ou fabricados em rede.
De acordo com uma forma de realização, os meios de sobrelevação são conectados mecanicamente ao poste da turbina eólica.
De acordo com outra forma de realização, os meios de sobrelevação são conectados mecanicamente entre eles por vigas ou cabos, para endireitar a curvatura dos referidos meios de sobrelevação.
De acordo com a invenção, os meios de sobrelevação podem ser constituídos por uma extensão das colunas do flutuador.
Por último, os pontos de fixação podem estar situados a alturas diferentes. A invenção será melhor compreendida, e as suas vantagens serão mais evidentes, com a leitura dos exemplos abaixo, não limitativos e ilustrados pelas figuras a seguir anexadas, entre as quais: • a figura 1 que apresenta esquematicamente um exemplo de um sistema eólico de acordo com a invenção. • a figura 2 que ilustra o princípio da invenção, demonstrando as forças e o momento de reversão da turbina. • a figura 3 que ilustra os meios de sobrelevação compreendendo vigas (PO) ou vigas e cabos. • a figura 4 que ilustra meios de sobrelevação conectados ao poste da turbina eólica por meios mecânicos (CO), tais como vigas ou cabos. • a figura 5 que ilustra meios de sobrelevação conectados mecanicamente entre eles por vigas ou cabos (LP), para endireitar a curvatura dos meios de sobrelevação. • a figura 6 que ilustra meios de sobrelevação constituídos por uma extensão das colunas do flutuador, sob a forma de rede, por exemplo. • a figura 7 que ilustra meios de sobrelevação constituídos por sistemas mecânicos, fixados ao poste, para conectar diretamente os meios de ancoragem ao poste e não ao suporte flutuante. • a figura 8 que ilustra um modo de realização no qual o sistema compreende pontos de fixação dos meios de ancoragem a diferentes alturas. • a figura 9 que apresenta o impacto da altura (H) do ponto de fixação sobre o adornamento (PS) para três massas lineares diferentes. A figura 1 ilustra um exemplo de um sistema eólico (1) instalado no mar, de acordo com a invenção. Este sistema compreende uma turbina eólica (2) , um suporte flutuante (3) , sobre o qual assenta a turbina eólica, e meios de ancoragem (4) do sistema. Os meios de ancoragem são conectados ao sistema através de pontos de fixação, normalmente ao nível do suporte flutuante.
Para lutar contra o movimento de reversão da turbina eólica, (Mh) criado pela ação (força horizontal F) de um vento de velocidade V sobre a turbina eólica sem, contudo, aumentar o tamanho (B) do suporte flutuante, juntamos a esse sistema meios de sobrelevação (5) acima da linha de flutuação (LF) do flutuador. Os pontos de fixação são, então, conectados a uma altura H da linha de flutuação, sendo esta altura determinada de tal modo que os meios de ancoragem contrabalancem da forma mais eficaz possível o momento de reversão da turbina eólica a uma velocidade de vento V determinada. São conhecidos vários tipos de suportes flutuantes (semissubmersiveis, "spar" ou TLP) e vários tipos de meios de ancoragem (catenárias, semi-catenárias ou em tensão).
Geralmente um meio de ancoragem compreende: • um sistema de tensão, geralmente ao nivel do flutuador, para tencionar a linha. • a linha de ancoragem que pode ser constituída por um ou mais troços de corrente e/ou de cabo. • um encaixe fixado ao suporte do flutuador abaixo da linha de flutuação que guia a linha ao longo do casco até ao sistema de tensão. É o ponto de fixação do meio de ancoragem sobre o suporte flutuante. • um meio de fixação da linha de ancoragem no fundo marinho (âncora, estacas, ...)
Principio da invenção 0 objetivo é limitar a inclinação do suporte flutuante sob o efeito do momento de reversão criado pela ação do vento sobre a turbina eólica. A invenção é descrita no caso de um suporte flutuante de comprimento B, num plano ancorado por duas ancoragens e submetido a uma força horizontal de intensidade F, em função da velocidade V do vento, aplicado sobre a nacela (ver figura 2) . Esta força representa o impulso do rotor sob a ação de um vento de velocidade V. 0 flutuador é, então, submetido ao seu peso P aplicado no seu centro de gravidade, à força de empuxo A aplicada no centro de carena C (centro de gravidade da massa de água deslocada); às forças externas e às forças de reação das ancoragens. A posição relativa de C e P cria, então, durante os movimentos do flutuador, um binário eletroestático que equilibra o momento de reversão liqado à ação das forças exteriores do flutuador.
Observa-se L a distância vertical entre o ponto de aplicação da força F e o centro de carena e z a distância vertical entre o ponto de fixação das ancoraqens ao flutuador e o centro de carena. z é positivo se o ponto de fixação estiver acima do centro de carena e neqativo se estiver abaixo. Na fiqura 2, os pontos de fixação das ancoraqens situam-se abaixo da linha de flutuação. Analisando agora o equilíbrio do flutuador ancorado. 0 momento de reversão Mh pode ser escrito como:
Mh=F*(L-z)+(Tv2-Tvi)*B/2
Em que:
Mh : momento de reversão F : intensidade da força horizontal L : distância vertical entre o ponto de aplicação da força F e o centro de carena z : altura do ponto de fixação no centro de carena Tv2 : componente vertical da tensão T sobre uma linha de ancoragem 2.
Tvi : componente vertical da tensão T sobre uma linha de ancoragem 1. B : comprimento do suporte flutuante
Para reduzir o momento de reversão é necessário reduzir a distância L-z.
Assim, de acordo com a invenção, utilizamos meios de sobrelevação dos pontos de fixação acima da linha de flutuação do flutuador, aumentando assim a altura z. Preferencialmente, os meios de sobrelevação permitem posicionar os pontos de fixação acima da borda livre do suporte flutuante. Denominamos borda livre à distância entre o nível da água (linha de flutuação) e a parte superior do suporte flutuante.
Esses meios de sobrelevação são dimensionados de tal modo a sobrelevarem os pontos de fixação a uma altura em relação à linha de flutuação determinada para contrabalançar o momento de reversão da turbina eólica submetida a um vento a uma determinada velocidade.
Meios de sobrelevação
De acordo com uma forma de realização representada pela figura 3, os meios de sobrelevação compreendem vigas (PO) ou vigas e cabos. As vigas podem ser suportes metálicos tubulares ou suportes metálicos de secção variável ou fabricados em rede.
De acordo com uma forma de realização representada pela figura 4, os meios de sobrelevação são conectados ao poste da turbina eólica por meios mecânicos (CO), tais como vigas ou cabos.
De acordo com uma forma de realização representada pela figura 5, os meios de sobrelevação são conectados mecanicamente entre eles por vigas ou cabos (LP), para endireitar a curvatura dos meios de sobrelevação.
De acordo com uma forma de realização representada pela figura 6, os meios de sobrelevação são constituídos por uma extensão das colunas do flutuador, sob a forma de rede, por exemplo.
De acordo com uma forma de realização representada pela figura 7, os meios de sobrelevação são constituídos por sistemas mecânicos que permitem conectar diretamente os meios de ancoragem ao poste e não ao suporte flutuante.
De acordo com uma forma de realização representada pela figura 8, o sistema compreende pontos de fixação dos meios de ancoragem a diferentes alturas. Por exemplo, o sistema pode compreender pontos de fixação ao nivel dos meios de sobrelevação e pontos de fixação abaixo da linha de flutuação. A figura 9 ilustra as vantagens do sistema de acordo com a invenção, compreendendo esses meios de sobrelevação pontos de fixação, no caso de um suporte flutuante do tipo tri-flutuadores. A figura 9 mostra o impacto, para uma mesma tensão, da altura (H) do ponto de fixação (altura medida acima da linha de flutuação) sobre o adornamento (PS) para três massas lineares diferentes (100 kg/m em pontos, 450 kg/m em linha tracejada e 900 kg/m em traço continuo).
Observa-se (figura 9) que, independentemente da caracteristica da ancoragem (massa linear), reduzimos em quase metade, neste caso, o adornamento aumentando as ancoragens de 30 metros por iso pré-tensão.
Lisboa, 9 de junho de 2016

Claims (8)

REIVINDICAÇÕES
1. Sistema eólico compreendendo uma turbina eólica sobre um suporte flutuante e meios de ancoragem do sistema, conectado ao referido sistema por pontos de fixação, caraterizado por o referido sistema compreender meios de sobrelevação dos referidos pontos de fixação acima de uma linha de flutuação do referido suporte flutuante, os referidos meios de sobrelevação sobrelevam os referidos pontos de fixação a uma altura em relação à linha de flutuação determinada para contrabalançar um momento de reversão da turbina eólica submetida a um vento a uma determinada velocidade.
2. Sistema de acordo com a Reivindicação 1, caraterizado por os referidos pontos de fixação se localizarem acima da borda livre do suporte flutuante.
3. Sistema de acordo com uma das Reivindicações anteriores, no qual os referidos meios de sobrelevação compreendem vigas ou vigas e cabos.
4. Sistema de acordo com a Reivindicação 3, no qual as vigas são suportes metálicos tubulares ou suportes metálicos de secção variável ou fabricados em rede.
5. Sistema de acordo com uma das Reivindicações anteriores, no qual os meios de sobrelevação são conectados mecanicamente ao poste da turbina eólica.
6. Sistema de acordo com uma das Reivindicações anteriores, no qual os meios de sobrelevação são conectados mecanicamente entre eles por vigas ou cabos, para endireitar a curvatura dos referidos meios de sobrelevação.
7. Sistema de acordo com uma das Reivindicações anteriores, no qual os meios de sobrelevação são constituídos por uma extensão das colunas do flutuador.
8. Sistema de acordo com uma das Reivindicações anteriores, no qual os pontos de fixaçao estão situados a alturas diferentes. Lisboa, 9 de junho de 2016
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