O que é a saída de energia turbina eólica e como aumentá-la

A saída de energia da turbina eólica corresponde à quantidade de eletricidade gerada por ela. Essa energia renovável geralmente é medida em megawatts (MW) para turbinas em parques eólicos de grande porte. Diversos fatores afetam a saída de energia de uma turbina eólica, como a velocidade do vento, a densidade do ar, o design das lâminas e a eficiência dos componentes da turbina.

A saída de energia da turbina eólica pode ser calculada pela fórmula: P = 0,5 * ρ * A * Cp * v3, onde P é a potência em Watts, ρ é a densidade do ar (em kg/m3), A é a área verificada em metros quadrados (calculada por Pi R² or πR², sendo R o comprimento da lâmina), Cp é o coeficiente de potência e v é a velocidade do vento em metros por segundo.

A capacidade de saída pode variar significativamente para turbinas eólicas em escala utilitária. No entanto, turbinas onshore geralmente variam entre 2 a 5 megawatts (MW), enquanto turbinas offshore ficam na faixa de 8 a 12 MW, com algumas turbinas de nova geração alcançando até 26 MW. 


Uma vez instalado, comissionado e em operação, o método principal de aumentar a saída de um gerador de turbina eólica é com atualizações significativas de hardware para a unidade. Isso pode ser um programa longo, difícil e caro para muitos operadores eólicos, que podem não ter recursos para realizar tal esforço ou se sentirem confiantes sobre os resultados que produziriam. Felizmente, a implantação de estratégias de controle avançadas e modernas pode melhorar a saída de energia da turbina eólica, sem alterar nenhum componente mecânico, tornando-a altamente eficaz e econômica.

Melhorar a eficiência da turbina eólica geralmente leva a um aumento na saída de energia, à medida que mais energia eólica é convertida em eletricidade. A discussão a seguir se concentra principalmente no aumento da produção anual de energia (AEP) por meio de tecnologias de controle avançado personalizadas.

Solução de controle avançado: Power Boost
O algoritmo Power Boost melhora a extremidade frontal da porção nominal da curva de potência aumentando o ponto de ajuste de energia à medida que passa da subcategoria. O impulso momentâneo adiciona uma fração de percentual de AEP a cada transição e é mais prevalente em condições com mais ventos. É importante ressaltar que não há compensações significativas associadas à utilização deste recurso de controle avançado.

Solução de controle avançado: Power Uprate
A solução Power Uprate é projetada para melhorar a saída de energia das turbinas eólicas por meio de duas abordagens distintas: Maximized Uprate e Balanced Uprate. Ambos os métodos têm como objetivo aumentar a produção anual de energia, embora venham com considerações e compensações específicas. Uma característica significativa dessa opção é a capacidade de ativar manual ou automaticamente esse recurso quando determinados mercados e/ou condições operacionais são ideais para combater a compensação de desgaste mecânico. Deve-se notar que, para cada um, pode ser necessária capacidade auxiliar elétrica adicional para lidar com o aumento da saída. 

Maximized Uprate Esta abordagem permite um aumento significativo na saída de energia, dependendo da temperatura dos componentes críticos, operando acima da curva de potência nominal para todas as velocidades de vento de nível nominal. Este método requer sobrecarga mecânica e elétrica para gerenciar o desempenho aprimorado. O benefício dessa abordagem é um aumento potencial substancial nos ganhos, com um aumento de até 7% na AEP, dependendo do nível proporcional e das condições do local. No entanto, esse método pode reduzir a expectativa de vida útil geral da turbina devido ao aumento do desgaste operacional. Balanced Uprate Esta abordagem também se concentra no aumento da saída de energia, mas o faz com base nas velocidades predominantes do vento e nas temperaturas dos componentes. Como a Maximized Uprate, esse algoritmo opera a unidade acima da curva de potência nominal, mas apenas em uma faixa de velocidade de vento selecionada. Dessa forma, não requer a mesma compensação mecânica que a Maximized Uprate. O aumento dos ganhos potenciais com Balanced Uprate é de até 2,5% em AEP, dependendo do nível de aumento e das condições do local.

Solução de controle avançado: Extended Cut-Out
A solução Extended Cut-out é projetada para melhorar a faixa operacional das turbinas eólicas, permitindo que elas continuem funcionando mesmo em velocidades de vento acima do limite normal de corte. Isso é obtido ao diminuir a curva de potência além da velocidade normal de corte. Isso, de fato, degrada gradualmente a unidade em condições de vento alto para proteger a turbina de danos potenciais, estendendo a operação para além da velocidade de vento de corte anterior.

Um dos principais benefícios da redução do poder é que ela elimina cortes abruptas, o que melhora significativamente a estabilidade da rede. Essa transição mais suave reduz o desgaste dos componentes principais, pois há menos paradas e inicia em altas velocidades de vento. Consequentemente, isso leva a uma saída de energia mais estável e confiável.

Além disso, o recurso de corte estendido pode resultar em aumento dos ganhos, particularmente em locais com ventos fortes, onde as velocidades dos ventos frequentemente excedem os limites normais de corte. Ao ampliar a faixa operacional, as turbinas eólicas podem capturar mais energia, aumentando, assim, a produção anual de energia.

No entanto, é importante considerar que há uma compensação associada a essa abordagem. A operação estendida a velocidades de vento mais altas causa tensão adicional nos componentes, o que pode levar a uma diminuição no tempo de vida útil geral da turbina eólica.

Controle de guinada de calibração automática
Algoritmos de controle de guinada autocalibrantes são projetados para identificar e ajustar constantemente os desalinhamentos de guinada estáticos, aprimorando assim o desempenho da turbina, garantindo que a célula esteja voltada para o vento. Ao utilizar machine learning, esses algoritmos geralmente precisam de uma fase de calibração automática curta após a instalação. Se ocorrer alguma alteração ou deterioração na palheta de vento ou calibração de guinada, o sistema automaticamente se ajustará. Isso permite o alinhamento preciso do rotor e melhora a saída de energia do gerador de turbina, potencialmente aumentando a produção anual de energia em 3–5%.

Correção de desalinhamento do rotor automático
Os sistemas de controle avançados nas turbinas modernas incorporam algoritmos de detecção de desequilíbrio do rotor para identificar e corrigir o desalinhamento de lâmina a lâmina. Após a detecção do desalinhamento de passo, o sistema ajusta de forma autônoma os pontos de ajuste de lançamento para garantir que as lâminas estejam alinhadas corretamente. Essa tecnologia não só aumenta a produção anual de energia em até 0,7%, mas também diminui as cargas de fadiga nos rotores de turbina eólica.

Adaptação da saída de energia de turbina para atender às demandas operacionais
Soluções de controle avançadas, como power boost, power uprate e extended cut-out , juntamente com técnicas de eficiência de turbinas eólicas, podem aumentar significativamente a produção anual de energia, ao mesmo tempo em que têm um impacto mínimo na carga.

A Emerson oferece uma gama de soluções de aperfeiçoamento de turbinas eólicas adaptadas para melhorar a saída de energia de turbina de acordo com seus requisitos operacionais específicos.