Projeto e análise comparativa de soluções hidráulicas para controle de potência, yaw e passo em aerogeradores

Abstract

A presente dissertação apresenta o projeto e análise do comportamento de uma solução hidráulica que incorpora transmissão hidrostática, atuação do ângulo de passo ou pitch, além da atuação de yaw em um aerogerador de eixo horizontal. Tem como objetivo projetar uma solução hidráulica que possa integrar o controle de potência por meio das três atuações descritas, sendo possível reduzir o peso da nacele devido a redução do número de componentes instalados no seu interior. Adicionalmente, o sistema não requer o uso de inversor de frequência e caixa de transmissão, otimizando a viabilidade econômica da solução. Em pesquisas anteriores foram desenvolvidas concepções de transmissões hidrostáticas aplicadas em aerogeradores. Porém, estas soluções, destinam-se apenas para o controle de potência do aerogerador até a região de operação onde não há a necessidade da atuação do ângulo de passo, sendo assim necessária a aplicação de outro sistema de atuação para realizar o deslocamento das pás da turbina. Além do controle de ângulo de passo, há a necessidade do controle do ângulo yaw que também requer um sistema de atuação isolado do sistema da transmissão. Visando obter uma concepção, que englobe todas as faixas de operação do aerogerador, esta dissertação apresenta uma solução integrada que emprega cilindros hidráulicos para o controle do pitch, motor hidráulico para controlar o yaw, e transmissão hidrostática para regulação de potência para o gerador. O sistema projetado foi modelado em Amesim® incluindo o controle simultâneo das três atuações. Os resultados obtidos indicam a operação condizente em uma situação real de vento para todas as regiões de operação, obtendo uma eficiência energética máxima de 85 %.

Abstract: This master?s thesis presents the design and behavior analysis of a hydraulic solution that incorporates hydrostatic transmission and pitch angle and yaw controls on a horizontal axis wind turbine. The focus is to design a hydraulic solution that can integrate the power control through these three actuation systems and therefore reducing the nacelle weight due to the reduction of the number of components which are installed inside it. Additionally, the system does not require the use of frequency inverter and gearbox, optimizing the cost of the solution. Previous researches developed hydrostatic transmission applied to wind turbines. However, these solutions were only intended to control the power of the wind turbine through the operating condition where there is no need to actuate the pitch angle, requiring the application of another actuation system to perform the displacement of the turbine blades. In addition to pitch angle control, there is also a need for yaw angle control, which requires an actuation system isolated from the transmission system. To achieve a design solution that is able to provide all operating ranges of the wind turbine, this master?s thesis presents an integrated solution that employs hydraulic cylinders for pitch control, hydraulic motor for yaw control and hydrostatic transmission for power regulation of the generator. The designed system was modeled in Amesim® including simultaneous control of the three actuations. The obtained results indicate that the operation in a real wind situation for all operating regions, obtaining a maximum energy efficiency of 85%.