Mecanismos de controlo

Os mecanismos de controlo são essenciais ao funcionamento do aerogerador evitando danos estruturais e permitindo a orientação do rotor, o controlo de velocidade, o controlo de carga, entre outros. Estes mecanismos permitem limitar a potência extraída do vento pelas pás, evitando que a potência obtida com ventos superiores ao nominal provoque a destruição dos componentes do sistema eólico.

Os mecanismos de controlo podem ser mecânicos (velocidade, passo, freio), aerodinâmicos (posicionamento do rotor), ou electrónicos (controlo da carga).

Devido à actuação das forças aerodinâmicas nas pás do rotor, uma torre eólica converte a energia cinética do vento em energia mecânica rotacional. Estas forças aerodinâmicas são geradas ao longo das pás do rotor que necessitam de perfis especialmente projectados. Com a velocidade do fluxo de ar aumentando, as forças de sustentação aerodinâmica aumentam com a segunda potência (i.e., elevada ao quadrado) e a energia extraída do rotor com a terceira potência (i.e., elevada ao cubo) da velocidade do vento. Esta situação necessita de um controlo de potência do rotor muito efectivo e rápido de modo a evitar sobre carregamento eléctrico e mecânico no sistema de transmissão.

Os modernos de aerogeradores utilizam dois diferentes princípios de controlo aerodinâmico para limitar a extracção de potência à potência nominal do aerogerador, chamados de controlo de perdas aerodinâmicas (stall) e controlo do ângulo de passo (pitch).

2.6.4.1. Controlo de Ângulo de Passo (Pitch)

O controlo de passo é um sistema activo que normalmente necessita de uma informação vinda do controlador do sistema. Sempre que a velocidade do vento aumente e leve a que a potência produzida pelo aerogerador ultrapasse uma potência específica, o controlador envia um sinal ao mecanismo de mudança do ângulo de passo e as pás do rotor giram em torno do seu eixo longitudinal, i.e., as pás mudam o seu ângulo de passo para reduzir o ângulo de ataque de forma a diminuir a oposição ao vento. Esta redução diminui as forças aerodinâmicas (sustentação e de arrasto) e, consequentemente, a extracção de potência.

Para velocidades do vento superiores à velocidade nominal do aerogerador, o ângulo é alterado e mantido de forma a produzir apenas a potência nominal. Os aerogeradores com este mecanismo são mais sofisticados porque necessitam de um sistema de variação do ângulo de passo, que funciona de forma hidráulica.

Este mecanismo de controlo tem como vantagens permitir o dito controlo de produção de potência para quase todas as condições do vento, alcançando a potência nominal mesmo para condições em que a massa de ar é baixa. Verifica-se, portanto, que a instalação deste tipo de aerogeradores em grandes altitudes é aconselhável permitindo inúmeras vantagens, tais como: uma maior produção de energia sob as mesmas condições, a inutilidade de sistemas de travagem e possibilidade de as pás serem colocadas de modo a permitirem a passagem de ventos elevados sem grande obstáculo.

2.6.4.2. Controlo de Perdas (Stall)

Ao contrário do controlo de perdas de ângulo de passo, em que o sistema para velocidades elevadas reage apenas com informação vinda do sistema de controlo (sistema activo), o controlo de perdas aerodinâmicas (stall) é um sistema passivo que reage à velocidade do vento. As pás do rotor são fixas e não podem girar em torno do seu eixo longitudinal. Como tal, o ângulo de passo tem de ser escolhido de forma que, para velocidades de vento superiores a velocidade nominal, o aerogerador entre em perdas aerodinâmicas, reduzindo as forças de sustentação e aumentando as forças de arrasto. Assim, e devido a menores forças de sustentação e maiores de arrasto, o rotor mantém a velocidade não aumentando a velocidade com o vento. Para evitar que o efeito stall ocorra em todas as posições radiais das pás ao mesmo tempo, o que reduziria significativamente a potência do rotor, as pás possuem uma pequena torção longitudinal que as levam a um suave desenvolvimento deste efeito.

A produção deste modelo de aerogeradores apresenta certas vantagens, tais como: ter uma estrutura da cabine do rotor muito mais simples e mais robusto, uma vez não ser necessário o sistema de controlo de passo. A manutenção dos sistemas com este tipo de controlo também é menor devido ao facto de existirem menos peças móveis, tornando o sistema muito mais simples. Contudo, como a aerodinâmica das pás é maior, estas têm de ser cuidadosamente projectadas para uma potência nominal.

2.6.4.3. Controlo Stall Activo

Ultimamente têm sido produzidos aerogeradores com um mecanismo de controlo denominado stall activo, que consiste na junção dos dois tipos de sistemas de controlo stall e de passo (pitch), cujo objectivo é aproveitar as vantagens de ambos.

Tecnicamente as máquinas de regulação activa por perda aerodinâmica (stall) são parecidas com as de controlo de pitch, contudo o controlo de perdas aerodinâmicas permite uma maior regulação da produção de potência do que com regulação passiva (pitch). Outra

vantagem é que a máquina pode funcionar quase à potência nominal em todas as velocidades do vento.

2.6.4.4. Pitch vs Stall

A discussão em torno de qual o método de controlo mais vantajoso tem sido grande na industria eólica. Até ao aparecimento da produção de Aerogeradores com capacidades de MW, em meados da década de 1990, o controlo do tipo Stall era predominante em relação ao controlo Pitch [1]. No entanto, actualmente o controlo Picth é o favorito para os Aerogeradores de grande porte, existindo hoje mais do dobro de Aerogeradores com controlo Picth no mercado. Este facto acontece devido a uma combinação de vários factores. Os Custos globais são bastante semelhantes para cada tipo de desenho, mas o controlo Picth oferece potencialmente melhor qualidade e potência de saída (este talvez tenha sido o factor mais importante no mercado alemão). As vibrações induzidas pelo controlo Stall, tem motivado uma certa preocupação, especialmente para as maiores máquinas. Têm sido poucos os indícios de que ocorram estas vibrações em grande escala, embora tenha havido problemas específicos associados com perdas de amortecimento aerodinâmico. No entanto, esta tem sido abordada através da introdução de amortecedores de pás do rotor.

Figura 2.20 - Curvas de potência: pitch (Bonus) e stall (NEG e Nordex) [DanishAssoc]18

2.6.4.5. Controlo de Azimute

Uma técnica para regulação da potência que está a cair em desuso é o desvio do rotor de modo a criar um erro de azimute em relação ao vento. Esta técnica é na prática, apenas utilizada por torres eólicas de pequeno porte devido à fadiga que provoca no rotor e que se transmite a toda a estrutura. O aerogerador apresenta um erro de yaw se o rotor não se apresentar perpendicular ao vento. Isto significa que apenas uma fracção da energia (cos j) disponível no vento pode ser aproveitada. No entanto, a parte do rotor que se apresenta mais avançada face ao vento é sujeita a uma força de torção superior á parte de trás do rotor, o que

também significa que os aerogeradores tendem automaticamente a reduzir o erro de yaw a zero.

Figura 2.21 - Ângulo de yaw