Como freia uma turbina eólica?

O sistema de frenagem de uma turbina eólica é um projeto de engenharia complexo e preciso, que não se resume a uma simples "pastilha de freio", mas sim a um sistema de segurança colaborativo de múltiplos níveis.

O objetivo principal é parar ou reduzir a velocidade do grande impulsor de forma segura e controlada quando necessário.

Quando necessário, "geralmente inclui as seguintes situações:

Velocidade excessiva do vento (geralmente superior a 25 metros por segundo): Para evitar que o ventilador funcione muito rápido e cause danos estruturais.

Falha na rede elétrica ou interrupção de energia: requer desligamento seguro.

Manutenção ou revisão diária: Garantir um ambiente de trabalho seguro para os técnicos.

Situação de emergência: Se o sensor detectar uma falha grave (vibração excessiva, sobreaquecimento da caixa de velocidades, etc.).

As turbinas eólicas modernas de grande escala utilizam principalmente os três métodos de frenagem a seguir para funcionarem em conjunto:

1. Frenagem pneumática - métodos primários e principais
Este é o método de frenagem mais comum e essencial, obtido através da alteração das características aerodinâmicas das pás.

Princípio: A extremidade de cada pá pode girar um determinado ângulo (geralmente 90 graus) em torno do seu eixo. Essa ação é chamada de "remada".

Processo:

Em circunstâncias normais, as pás ficam de frente para o vento no ângulo ideal (ângulo de ataque), capturando a energia eólica de forma eficiente.

Quando é necessário frear, o sistema de controle comanda a rotação das pás, fazendo com que a borda de ataque se aponte na direção do vento ou que a borda da pá se aponte na direção do vento.

Dessa forma, as pás se transformam de "asas" eficientes em "tábuas de madeira" de alta resistência, com uma queda acentuada na sustentação e um aumento significativo no arrasto, resultando em uma rápida diminuição da velocidade até a parada completa.

Vantagens:

Sem desgaste mecânico: pois utiliza a resistência do ar sem atrito por contato físico.

Confiável: Mesmo em caso de queda de energia, a bateria pode fornecer energia de reserva para o sistema de propulsão.

Ajustável: A potência pode ser ajustada por meio de modulação parcial ou modulação total para frenagem de emergência.

2. Freios mecânicos (freios a disco) - freios auxiliares e de estacionamento
Semelhantes aos freios a disco de carros, mas geralmente não são usados ​​como principal meio de desaceleração.

Localização: Instalado no eixo de alta velocidade (após a saída da caixa de engrenagens e antes do gerador), pois este eixo opera em alta velocidade e baixo torque, permitindo que o tamanho do dispositivo de frenagem necessário seja reduzido.

Função:

Estacionamento: Depois que o freio pneumático praticamente para a hélice (a velocidade cai para um nível extremamente baixo), a pinça de freio mecânica prende o disco de freio, travando firmemente a hélice para evitar a rotação lenta causada por uma brisa suave ou inércia. Isso é crucial para manter a segurança dos funcionários.

Sistema de segurança de emergência: Em casos extremos onde o freio pneumático falha completamente, ele serve como a última barreira de segurança.

Características: Para evitar desgaste excessivo e geração de calor, os designs modernos de ventiladores minimizam a frequência de frenagem mecânica e normalmente só a utilizam após o desligamento completo.

3. Freio elétrico (freio de geração de energia) - modo de ajuste auxiliar
A frenagem é realizada através do próprio gerador.

Princípio: Quando o gerador é desconectado da rede elétrica, a energia do sistema rotativo pode ser consumida através da geração de energia elétrica no resistor de frenagem (convertendo energia cinética em energia térmica e dissipando-a), ou controlando o torque reverso do gerador por meio de dispositivos eletrônicos de potência para auxiliar na desaceleração.

Função: É utilizado principalmente para ajustar e auxiliar a desaceleração, especialmente durante o processo de desconexão, em conjunto com freios pneumáticos para obter uma parada suave.

Fluxo de trabalho colaborativo do sistema de frenagem (tomando como exemplo a parada em caso de vento forte):
O sensor de velocidade do vento detecta quando a velocidade sustentada do vento excede a velocidade de corte (como 25 m/s).

O sistema de controle primeiro emite um comando para ativar o freio pneumático: as pás começam a inclinar e a velocidade do impulsor diminui.

Ao mesmo tempo, os freios elétricos podem ser acionados para ajudar a consumir energia.

Quando a velocidade da hélice cai para perto de zero (por exemplo, algumas rotações por minuto), o freio mecânico é acionado, prendendo o disco de freio para parar e travar completamente o ventilador.

O ventilador entra em estado de desligamento seguro.

Caso especial: Frenagem durante perda de potência
A segurança é a principal consideração. O ventilador está equipado com um sistema de alimentação ininterrupta (UPS) ou uma bateria de reserva. Mesmo que a rede elétrica externa seja completamente interrompida, a fonte de alimentação de reserva ainda pode fornecer energia para o sistema de controle e o sistema de inclinação, garantindo que as pás possam inclinar-se com sucesso e realizar a frenagem aerodinâmica. Este é o aspecto mais crítico do projeto de segurança contra falhas.

resumo
Resumindo, a frenagem de uma turbina eólica é um "golpe combinado":

Principal força motriz: Frenagem aerodinâmica (emplumagem), responsável pela maior parte da frenagem e do controle de potência.

Estacionamento: Freio mecânico, responsável por travar as rodas após uma parada estável para garantir a segurança.

Assistência: Freios elétricos para ajudar a suavizar o processo de frenagem.

Este sistema de segurança múltiplo e redundante garante que, mesmo em condições climáticas adversas ou de falha, as turbinas eólicas de grande porte possam ser desligadas de forma segura e confiável.