BR0213134B1

BR0213134B1 - sistema de geração e armazenamento de energia eólica, método de geração e armazenamento de energia, fazenda eólica para gerar e armazenar energia e método de operação da mesma.

Info

Publication number: BR0213134B1
Application number: BRPI0213134-0A
Authority: BR
Inventors: Ben Enis; Paul Lieberman
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2012-01-10
Also published as: BR0213134A; AU2002330063B8; EP1451466A1; DE60222694T2; JP2010133422A; US20060232895A1; ES2294162T3; EP1451466B1; CN1615402A; DE60222694D1; US20050225091A1; CN100339593C; JP4731812B2; MXPA04003095A; JP2005530074A; DK1451466T3; PT1451466E; AU2002330063B2; US20030105556A1; CA2462852C

Description

SISTEMA DE GERAÇÃO E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA EÓLICA MÉTODO DE GERAÇÃO E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA, FAZENDA EÓLICA PARA GERAR E ARMAZENAR ENERGIA E MÉTODO DE OPERAÇÃO

DA MESMA

Fundamentos da Invenção

A geração de energia a partir de fontes naturais, tais como o sol e o vento, tem-se configurado como um importante objetivo no país através das últimas décadas. As tentativas para se reduzir a dependência de petróleo, tal como o proveniente de fontes estrangeiras, se tornou um assunto de importância nacional. Os especialistas em energia temem que alguns desses recursos, incluindo petróleo, gás e carvão, possam vir, algum dia, a desaparecer. Como conseqüência dessas preocupações, muitos projetos têm sido iniciados como uma tentativa de captação de energia a partir do que é chamado de fontes "alternativas" naturais.

Mesmo que a energia solar possa ser considerada como a fonte natural mais amplamente conhecida, há também o potencial de captar a grande energia gerada pelo vento. Fazendas de captação eólica, por exemplo, têm sido construídas em regiões do país onde o vento sopra naturalmente. Em muitas dessas aplicações, um grande número de moinhos de vento são dispostos e "apontados" na direção do vento. À medida que o vento sopra contra os moinhos de vento, a energia de rotação é criada e, então, usada para acionar geradores que, por sua vez, podem gerar eletricidade. Essa energia é freqüentemente usada para suplementar a energia produzida pelas empresas de fornecimento de energia. No entanto, uma desvantagem em se usar o vento como uma fonte de energia é que ele nem sempre sopra, e mesmo quando o faz, ele nem sempre sopra com a mesma velocidade, isto é, nem sempre ele oferece continuidade. 0 vento também nem sempre sopra regularmente ao longo dos diversos períodos do dia, da semana, do mês e estações do ano, ou seja, ele nem sempre é previsível. Apesar das diversas tentativas que foram feitas no passado para armazenar energia produzida pelo vento de forma que ela possa ser usada nos períodos de maior demanda, e quando pouco vento ou nenhum está soprando, os sistemas anteriores falharam em ser implementados com confiabilidade e de maneira regular. As tentativas anteriores não foram capazes de reduzir a ineficiência e as dificuldades inerentes do uso do vento como fonte de energia em bases contínua e constante.

A maioria das áreas populosas do país possuem adequados sistemas de geração de energia elétrica e de apoio, tais como aqueles providos pelas companhias locais de fornecimento de energia, que estão distribuídos pelas extensas redes de distribuição de energia elétrica. Exceto para aqueles poucos casos em que pode ocorrer interrupção no fornecimento de energia, ou seja, devido a rompimento da linha de transmissão ou falha mecânica do equipamento etc., a maioria da população do país tem a expectativa da energia elétrica estar sempre disponível.

No entanto, em algumas regiões remotas do interior, a energia elétrica nem sempre está prontamente disponível e são precisos esforços para se obter a energia necessária. As pessoas que moram em locais elevados nas montanhas ou em áreas que estão distantes da rede de distribuição de energia elétrica mais próxima, por exemplo, freqüentemente têm dificuldade em obter energia. 0 custo da passagem de cabos aéreos ou subterrâneos, a partir da rede de distribuição de energia elétrica mais próxima para servir esses tipos de locais distantes, pode ser proibitivamente alto e, pior que isso, esses custos precisam, freqüentemente, ser arcados pelos usuários, pois quando a terra é uma propriedade privada, as companhias de fornecimento de energia · públicas não têm obrigação de servir esses locais. Mais que isso, mesmo que as linhas de transmissão de energia estiverem conectadas a esses locais distantes, a energia que atravessa as linhas de distribuição pode estar reduzida quando ela alcança o seu destino.

Apesar desses problemas, e com base no fato de que o vento é um importante recurso natural que nunca deixará de existir e que é, com freqüência, abundante nesses locais remotos, há um desejo de tentar desenvolver um sistema que não só capte a energia gerada pelo vento, mas que o faça de um modo interligado para permitir que a energia eólica seja suprida a locais distantes em bases continua e constante, ou seja, que a fonte primária de energia use meios para armazenar a energia eólica de forma efetiva a garantir a sua utilização durante os períodos de maior demanda e quando pouco ou nenhum vento esteja disponível.

Sumário Da Invenção

A presente invenção se refere a sistemas de geração e armazenamento de energia a partir da força dos ventos capaz de ser adaptada para uso contínuo e constante, isto é, como uma fonte primária de energia elétrica para locais distantes da rede de distribuição elétrica, por exemplo. De uma forma geral, a invenção compreende um sistema projetado para permitir que uma parte da energia proveniente dos ventos seja destinada ao uso imediato e uma outra parte da energia proveniente dos ventos seja reservada para armazenamento de energia, usando um sistema de energia de ar comprimido eficientemente projetado.

Como descrito acima, em razão do vento ser, em geral, inconstante e algumas vezes imprevisível, é desejável haver a capacidade de armazenar uma parte da energia eólica de forma que ela possa ser usada durante os períodos de maior demanda e/ou quando pouco ou nenhum vento estiver disponível. A presente invenção supera a ineficiência dos anteriores sistemas de uso e armazenagem de energia gerada pelos ventos pelo provimento de um sistema que pode ser interligado de modo a funcionar eficiente e continuamente, no caso de haver pouca ou nenhuma constância de fontes convencionais de energia e, dessa maneira, capaz de ser usado como uma fonte primária de energia em locais distantes da rede de distribuição de energia elétrica.

Em uma das concretizações, o sistema, preferivelmente, compreende um grande número de estações de moinhos de vento, em que uma parte das estações é destinada à geração de energia para uso imediato (aqui referidas como "estações de uso imediato") e uma parte das estações reservada para armazenagem de energia usando um sistema de energia de ar comprimido (aqui referidas como "estações de armazenagem de energia"). O sistema é, preferivelmente, projetado com um número predeterminado de estações de moinho de vento e uma relação predeterminada de um tipo de estação de moinho de vento para outro para capacitar o sistema de funcionamento eficiente tanto do ponto de vista econômico quanto do energético. Esta concretização é, preferivelmente, usada em pequenas cidades ou comunidades onde possa haver a necessidade de um grande número de estações de moinhos de vento, ou seja, uma fazenda eólica.

Nesta concretização, -cada estação de uso imediato tem, preferivelmente, uma turbina eólica orientada

horizontalmente e um gerador elétrico localizado na nacele do moinho de vento de forma que o movimento de rotação causado pelo vento é diretamente convertido em energia elétrica via o gerador. Isto pode ser feito, por exemplo, por conexão direta do gerador elétrico com o eixo de rotação da turbina eólica de modo que a energia mecânica originada pelo vento possa acionar diretamente o gerador. Quando o gerador é disposto abaixo da caixa de mudança localizada no eixo do moinho de vento e quando é usada a energia mecânica do moinho de vento, diretamente, podem ser evitadas as perdas energéticas que caracteristicamente ocorrem em outras montagens.

A energia oriunda do vento pode ser convertida mais eficientemente em energia elétrica quando a conversão é direta, por exemplo, a eficiência dos sistemas de energia gerada pelos ventos pode ser melhorada pelo aproveitamento, de forma direta, do movimento mecânico de rotação causado pelo vento à medida em que ele sopra sobre as pás do moinho de vento para gerar eletricidade diretamente, sem haver, antes, o armazenamento de energia.

Da mesma forma, nesta concretização, cada estação de armazenagem de energia é, preferivelmente, conectada a um compressor de forma a converter, diretamente, a energia eólica em energia de ar comprimido. Neste aspecto, a turbina eólica orientada horizontalmente, de modo preferido, tem um eixo horizontal conectado a uma primeira caixa de mudança a qual é conectada a um eixo vertical que se estende na direção descendente da torre do moinho de vento, o qual, por sua vez, é conectado a uma segunda caixa de mudança conectada a um outro eixo horizontal localizado na base. O eixo horizontal inferior é, então, conectado ao compressor de forma que a energia mecânica oriunda do vento possa ser convertida diretamente em energia de ar comprimido e estocada em tanques de armazenagem a alta pressão.

O ar comprimido de cada estação de armazenagem de energia é, preferivelmente, conduzido para um ou mais tanques de armazenamento de alta pressão onde o ar comprimido possa ser estocado. O armazenamento de ar comprimido permite que a energia oriunda do vento seja estocada por um longo período de tempo. 0 armazenamento de energia feito desta forma possibilita que o ar comprimido possa ser liberado ou expandido, como é feito pelos equipamentos de turbo-expansão, no momento apropriado, como no caso em que pouco ou nenhum vento está disponível e/ou durante os períodos de maior demanda. O ar liberado ou expandido pode, então, acionar um gerador elétrico de forma que a energia oriunda do vento possa ser usada para gerar energia elétrica baseado "na necessidade", ou seja, quando a energia é realmente necessária, o que pode ou não coincidir com o tempo em que o vento de fato sopra.

A presente invenção também contempla a concretização em que os aspectos de aumento da eficiência possam ser incorporados em tanques de armazenamento. Por exemplo, a presente invenção, preferivelmente, incorpora um ou mais dispositivos de aquecimento que podem ser dispostos no topo ou parte interior dos tanques de armazenamento. Isso pode auxiliar a geração de calor adicional e de energia de pressão, ajudar na absorção de calor para uso futuro e auxiliar no provimento de meios pelos quais a expansão de ar possa ser isenta de congelamento. A presente invenção prevê o uso de uma combinação de calor solar, calor desperdiçado pelo compressor e energia de combustível fóssil de baixo nível para prover o calor necessário ao aumento de temperatura e pressão do ar comprimido no tanque de armazenamento.

O calor da energia térmica solar, a energia calorífica do desperdício e energia de combustível fóssil é, preferivelmente, distribuída por tanques de armazenamento via uma condução fluida através de tubulação de paredes finas que se estende até os tanques de armazenamento. Outros meios convencionais de suprimento de calor, tal como o uso de combustores, etc são também previstos. 0 presente sistema prevê que o ar frio criado pela expansão do ar comprimido que sai do equipamento de turbo-expansão possa ser usado para finalidades de refrigeração adicional, ou seja, como o que ocorre durante o verão quando os serviços de ar condicionado possam ser demandados.

Em outra concretização, o presente sistema, preferivelmente, compreende uma única estação de moinho de vento de maior porte, tal como a que seria usada para uma casa ou pequena fazenda, em que a energia do vento pode ser fracionada ou destinada simultaneamente a energia para uso imediato e energia de armazenamento (aqui referida como uma "estação híbrida"). Neste caso, a presente invenção, preferivelmente, converte energia mecânica diretamente a partir do eixo do moinho de vento para gerar energia elétrica para uso imediato e, ao mesmo tempo, pode acionar um compressor que fornece energia de ar comprimido a um ou mais tanques de armazenamento. A relação entre a quantidade de energia que é destinada ao uso imediato e a que é reservada para armazenamento pode ser modificada pela aplicação de certos ajustes, ou seja, o uso de embreagens ou mecanismos de transmissão localizados na estação de modo que uma quantidade apropriada de energia de cada tipo possa ser provida.

Exemplificando, a um dado momento qualquer, os mecanismos de transmissão podem ser dispostos de modo que é gerada menos energia para'uso imediato do que a energia de armazenamento, o que pode ser vantajoso quando a demanda de energia é baixa e a disponibilidade de vento é alta. Por outro lado, a estação híbrida pode ser ajustada de modo que a relação seja a oposta, isto é, é gerada mais energia para uso imediato do que a que é gerada para energia de armazenamento, o que pode ser vantajoso em situações quando a demanda de energia é elevada e a disponibilidade de vento é moderada. Isto permite que a estação híbrida seja estabelecida de forma individualizada para uma dada aplicação para permitir que o sistema forneça a quantidade apropriada de energia para uso imediato e para armazenamento de energia, dependendo da disponibilidade do vento e da demanda energética.

Em uma outra concretização, a estação híbrida pode ser usada em conjunção com o uso imediato e estações de armazenamento de energia, discutidas acima, para permitir que fazendas eólicas de grande porte sejam projetadas de uma maneira mais flexível e individualizada, por exemplo, de forma que o sistema global seja individualizado para uma dada aplicação com necessidades e características particulares. Em outras palavras, usando a combinação dos três tipos de estações de moinho de vento é possível tornar um sistema adaptado mais especificamente às necessidades e variações na disponibilidade de vento e demanda de energia para uma dada área.

Os padrões de vento em uma dada região qualquer do país pode mudar de um período para o outro, ou seja, de uma estação do ano para a outra, de um mês para o outro, ou mesmo de dia para dia ou hora para hora. Ao mesmo tempo, os padrões de demanda de energia em um dado local pode permanecer relativamente constante de um período para o outro, ou pode variar, mas, na maioria dos casos, não de maneira coincidente com as mudanças na disponibilidade de vento. Em outras palavras, provavelmente, há muitos períodos durante um dado' ano em que ocorre um completa disparidade entre a disponibilidade de energia eólica e a demanda de energia, ou seja, como é o caso em que a demanda é alta enquanto que o fornecimento é baixo ou quando o fornecimento é elevado e a demanda é baixa. Neste sentido, a presente invenção dá base para que esses aspectos sejam levados em consideração durante a fase de projeto do sistema de fazenda eólica a ser aplicado, em que um número apropriado de cada tipo de estação de moinho de vento pode ser instalado de modo que a energia seja suprida e convertida em energia elétrica em uma base continua e constante, mesmo na ocorrência de qualquer disparidade entre o suprimento e a demanda.

A presente invenção leva em consideração o fato de que a seleção de um número apropriado de estações de moinho de vento de cada tipo envolverá um estudo dos padrões de disponibilidade de vento através do ano, em um dado local da fazenda eólica, bem como os padrões de demanda de energia e os ciclos que estão presentes no local. É levada em consideração a ocorrência dos cenários do pior caso, por exemplo, as piores estações ou meses em que o suprimento e a demanda são mais dispares, que deve ser considerada na seleção do projeto do sistema, na medida em que o sistema, para trabalhar apropriadamente, precisa, no mínimo, ser projetado para fornecer um suprimento contínuo de energia durante os períodos de maior disparidade.

O uso de estações híbridas em combinação com estações de uso imediato e de armazenamento de energia torna possível fazer com que uma parte das estações permute de um tipo para o outro, ou seja, do uso imediato para o armazenamento de energia e vice versa e variar a relação entre elas. Isso pode ser de muita ajuda em situações em que o cenário do pior caso somente ocorre em alguns meses do ano, enquanto que durante o restante do ano, os períodos de disponibilidade de vento e demanda de energia podem seguir um padrão muito menos desigual. Em tais casos, o sistema global pode ser projetado de forma que possa terminar sendo projetado significativamente acima do necessário em relação ao resto do ano.

A presente invenção permite que o sistema possa ser configurado para maximizar a quantidade de energia que pode ser originada a partir da energia eólica, pelo fato de se levar em conta quando e quanto de vento está disponível em um dado momento, e quando e quanta energia está sendo demandada em um dado momento qualquer, de forma que o sistema possa ser interligado e operado eficientemente e com confiabilidade para prover energia contínua e constante em locais distantes da rede de distribuição de energia. Apesar de, freqüentemente, ser difícil prever quando e quanto vento está soprando, e a extensão dos períodos de demanda, a presente invenção busca usar dados confiáveis como meio de calcular certos valores médios, ou seja, relacionados com o suprimento de vento e a demanda de energia e usando esses valores médios como meio de aplicação de um processo interativo para criar um sistema otimizado que pode ser utilizado em praticamente qualquer dado emprego durante o ano todo.

Alguns dos fatores de eficiência, que são preferivelmente levados em consideração, se relacionam com o custo global de construção do sistema, caso em que é desejável usar os valores médios de suprimento e demanda para se chegar ao número ótimo de estações de moinho de vento que precisam ser instaladas de modo a se determinar as demandas de energia a serem atendidas pelo sistema para um dado período do ano. Isto deve envolver a determinação de quantas estações devem ser destinadas a uso imediato e a armazenamento de energia, e quantas estações híbridas são necessárias para assegurar que o sistema atue eficiente e efetivamente durante o ano.

Breve Descrição das Figuras

A Figura 1 mostra um fluxograma de um sistema de turbina eólica de eixo horizontal destinado a gerar energia para uso imediato.

A Figura 2 mostra um fluxograma de um sistema modificado de turbina eólica de eixo horizontal destinado a armazenar energia em um sistema de energia de ar comprimido.

A Figura 3 mostra um1diagrama esquemático do tanque de armazenamento e componentes de aquecimento do sistema ilustrado na Figura 2.

A Figura 4 mostra um fluxograma de um sistema híbrido de turbina eólica de eixo horizontal para gerar eletricidade para simultâneos uso imediato e armazenamento de energia.

A Figura 5 mostra um histograma para uma localidade hipotética durante a estação do ano de ocorrência de mais vento. A Figura 6 mostra um histograma para a localidade hipotética durante a estação do ano de ocorrência de menos vento.

A Figura 7 mostra um gráfico referente ao histórico de ventos para a mesma localidade hipotética para um dia de valor médio durante a estação do ano de ocorrência de mais vento.

A Figura 8 mostra um gráfico referente ao histórico de ventos para a mesma localidade hipotética para um dia de valor médio durante a estação do ano de ocorrência de menos vento.

A Figura 9 ilustra um gráfico de demanda de energia para a mesma localidade hipotética mostrando a demanda de energia tanto para dias de mais vento como de menos vento.

A Figura 10 mostra um gráfico comparando a curva de demanda de energia com a curva de disponibilidade de energia eólica para a mesma localidade hipotética durante a estação do ano de ocorrência de mais vento.

A Figura 11 mostra um gráfico comparando a curva de demanda de energia com a curva de disponibilidade de energia eólica para a mesma localidade hipotética durante a estação do ano de ocorrência de menos vento.

A Figura 12 mostra um gráfico de energia de apoio remanescente em um tanque 'de armazenamento hipotético em um dia representativo da estação do ano de ocorrência de mais vento usando o presente sistema, sendo o fator de desequilíbrio da forma de onda de cerca de 3,0.

A Figura 13 mostra um gráfico de energia de apoio remanescente em um tanque de armazenamento hipotético em um dia representativo da estação do ano de ocorrência de mais vento usando o presente sistema, sendo o fator de desequilíbrio de forma de onda de cerca de 3,3.

A Figura 14 mostra um gráfico de energia de apoio remanescente em um tanque de armazenamento hipotético em um dia representativo da estação do ano de ocorrência de mais vento usando o presente sistema, sendo o fator de desequilíbrio de forma de onda de cerca de 3,6.

A Figura 15 mostra um gráfico de energia de apoio remanescente em um tanque de armazenamento hipotético em um dia representativo da estação do ano de ocorrência de mais vento usando o presente sistema, sendo o fator de desequilíbrio de forma de onda de cerca de 3,9.

A Figura 16 mostra um gráfico indicando a quantidade de energia de apoio remanescente em um tanque de armazenamento hipotético - em um dia representativo da estação do ano de ocorrência de mais vento mostrado na Figura 13 onde o presente sistema tenha dispositivos de aquecimento tanto solar quanto de queimadores auxiliares.

A Figura 17 mostra um gráfico indicando a quantidade de energia de apoio remanescente em um tanque de armazenamento hipotético em um dia representativo da estação do ano de ocorrência de mais vento mostrado na Figura 16 onde o presente sistema não possui dispositivo de aquecimento solar mas tem um dispositivo de queimadores auxiliares.

Descrição Detalhada Da Invenção

A presente invenção se relaciona com aperfeiçoamentos na geração e armazenamento de energia eólica. A invenção compreende diversos métodos aperfeiçoados e aparelhos que são projetados para aumentar a eficiência e adaptabilidade dos sistemas de uso e armazenamento de energia gerada pelo vento para prover um fornecimento continuo e constante de energia elétrica a locais distantes da rede de distribuição de energia. O presente sistema é preferencialmente projetado para permitir que usuários sem acesso à rede de distribuição de energia existente possam contar quase exclusivamente com energia eólica como fornecimento de energia em uma base continua e constante apesar das condições geralmente imprevisíveis e inseguras de disponibilidade de vento.

A parte da presente invenção referente ao aparelho, preferivelmente, compreende três tipos diferentes de estações de moinho de vento, incluindo um primeiro tipo tendo uma turbina eólica de eixo horizontal que converte energia mecânica de rotação em energia elétrica usando um gerador elétrico e provendo energia para uso imediato (aqui referidas como "estações de uso imediato"), um segundo tipo tendo uma turbina eólica de eixo horizontal que converte energia mecânica de rotação em energia de ar comprimido para armazenamento de energia (aqui referidas como "estações de armazenamento de energia") e um terceiro tipo que combina as características dos dois primeiros em uma única estação de moinhos de vento tendo a capacidade de converter energia mecânica de rotação para energia elétrica para uso imediato e/ou armazenamento de energia (aqui referidas como "estações híbridas"). O presente sistema é projetado para usar e interligar um ou mais dos três tipos de estações de moinho de vento descritas acima de forma que uma parte da energia oriunda do vento possa ser destinada a energia para uso imediato e uma parte da energia possa ser reservada para armazenamento de energia. A presente invenção também prevê a existência de um suprimento de energia de emergência, que é um sistema de baixa energia independente e suplementar, para assegurar o fornecimento de energia ininterruptamente.

A discussão a seguir descreve cada um dos três tipos de estações de moinho de vento descritas acima, seguida de uma descrição de como melhor interligar as estações de moinho de vento para uma dada aplicação qualquer.

A. Estações de Uso Imediato:

A Figura 1 mostra um fluxograma esquemático de uma estação de uso imediato. 0 diagrama mostra como a energia mecânica de rotação gerada pelo moinho de vento é convertida em energia elétrica e suprida como energia elétrica para uso imediato.

Da mesma forma que os dispositivos de moinho de vento convencionais, a presente invenção prevê que cada estação de uso imediato compreenderá uma torre de moinho de vento com uma turbina eólica de eixo horizontal localizada na mesma. A torre é preferencialmente posicionada de forma ereta com relação à posição da turbina eólica, colocada a uma altura predeterminada, e cada turbina eólica é preferencialmente direcionada para o vento para maximizar a área de interceptação do vento bem como a eficiência de conversão da energia eólica da estação. Uma turbina eólica, tal como aquelas produzidas por fabricantes habituais, pode ser instalada no topo da torre, com as pás do moinho de vento ou ventoinhas posicionadas perto de um eixo de rotação orientado horizontalmente.

Nesta concretização, uma caixa de mudança e um gerador elétrico estão, preferencialmente, localizados na nacele do moinho de vento de forma que a energia mecânica de rotação do eixo possa acionar diretamente o gerador para produzir energia elétrica. Assim, pela disposição do gerador elétrico diretamente no eixo via a caixa de mudança, a energia mecânica pode ser convertida mais eficientemente em energia elétrica. A energia elétrica pode, então, ser transmitida na direção descendente da torre via a linha de transmissão de energia, a qual pode ser conectada a outras linhas ou cabos que alimentam energia ao usuário a partir da estação de uso imediato.

A presente invenção prevê que as estações de uso imediato sejam para utilização em conexão com outras estações de moinho de vento de forma a serem capazes de armazenar energia eólica para uso futuro, como descrito, em maiores detalhes, abaixo. Como discutido acima, isso resulta do fato de que o vento é, em geral, inconstante e imprevisível e, dessa forma, existindo somente estações de uso imediato para fornecer energia para uso imediato não seria possível o uso do sistema em uma base contínua e constante como no caso em que pouco ou nenhum vento está disponível. Em conformidade com isso, a presente invenção prevê também a possibilidade de instalação e uso de estações de armazenamento de energia adicional nas aplicações em fazenda eólica onde múltiplas estações de moinho de vento estão instaladas.

B. Estações de Armazenamento de Energia

A Figura 2 mostra um fluxograma esquemático de uma estação de moinho de vento de armazenamento de energia. Esta estação também compreende, preferencialmente, uma torre de moinho de vento convencional e uma turbina eólica de eixo horizontal, como discutido acima, em conexão com estações de uso imediato. Da mesma forma como antes, a turbina eólica está, preferencialmente localizada no topo da torre do moinho de vento e podendo ser direcionada para o vento como no projeto anterior. Um eixo de rotação é também provido a partir da turbina eólica para transportar energia.

Entretanto, de modo diferente daquele do projeto anterior, nesta concretização, a energia oriunda do vento é, preferivelmente, captada na base da torre do moinho de vento com o propósito de armazenamento de energia. Como mostrado na Figura 2, uma primeira caixa de mudança é, preferencialmente localizada em posição adjacente à turbina eólica na nacele do moinho de vento, a qual pode transferir o movimento de rotação do eixo horizontal de acionamento para o eixo vertical disposto na direção descendente da torre do moinho de vento. Na base da torre, preferencialmente, existe uma segunda caixa de mudança projetada para transferir o movimento de rotação do eixo vertical para um outro eixo horizontal localizado na base, o qual é então conectado ao compressor. A energia mecânica de rotação da turbina eólica no topo da torre pode, então, ser transferida, de modo descendente, pela torre e pode ser convertida diretamente em energia de ar comprimido, via o compressor localizado na base da torre. Um motor existente no compressor força a energia de ar comprimido para dentro de um ou mais tanques de armazenamento a alta pressão localizados nas redondezas da base.

Com o provimento deste arranjo, cada estação de armazenamento de energia é capaz de converter energia mecânica eólica diretamente em energia de ar comprimido, a qual pode ser armazenada para uso futuro, tal como no caso dos períodos de maior demanda e/ou quando pouco ou nenhum vento está disponível. Pelo fato de que as estações de armazenamento de energia somente fornecem energia para armazenamento, o presente sistema preferivelmente contém, juntamente com uma ou mais estações de armazenamento de energia, uma ou mais estações de uso imediato, as quais, como discutido acima, são, em geral, mais eficientes em converter energia mecânica em energia elétrica.

A parte de armazenamento de energia do presente sistema compreende, de preferência, meios para armazenar e fazer uso da energia de ar comprimido no tanque de armazenamento. Neste aspecto, os tanques de armazenamento a alta pressão são preferivelmente projetados para resistir às pressões normalmente aplicadas pelos compressores e isolados para manter as temperaturas existentes no tanque. Os tanques estão também,_ de preferência, localizados nas proximidades das estações de armazenamento de energia (às quais eles estão conectados) de forma que o ar comprimido possa ser transportado dos tanques sem perdas significativas de pressão.

Apesar da presente invenção prever a possibilidade de uso de tanques de tamanho variado, o presente sistema, de preferência, prevê que o tamanho dos tanques seja baseado em cálculos relacionados a vários fatores. Por exemplo, como será discutido mais adiante, o tamanho dos tanques de armazenamento pode depender do número de estações de armazenamento de energia e da relação entre as estações de armazenamento de energia e as de uso imediato que estão instaladas, bem como de outros fatores, tais como o tamanho e capacidade das turbinas eólicas selecionadas, a capacidade dos compressores selecionados, a disponibilidade de vento, a dimensão da demanda de energia etc. O tamanho preferido de tanque usado nos exemplos da presente discussão é baseado na capacidade preferida de 600 psig. Os tanques de armazenamento são, de preferência, feitos em unidades de 10 pés de diâmetro e 60 pés de comprimento para se ajustar ao transporte rodoviário ou ferroviário.

A presente invenção prevê que qualquer um dos muitos meios convencionais de converter o ar comprimido em energia elétrica pode ser usado. Na concretização preferida, um ou mais equipamentos de turbo-expansão são usados para liberar o ar comprimido dos tanques de armazenamento para criar uma corrente de ar de alta velocidade que pode ser usado para possibilitar que um gerador crie energia elétrica. Esta eletricidade pode então ser usada para suplementar a energia fornecida pelas estações de uso imediato. Cada vez que a energia eólica armazenada for necessária, o sistema é projetado para permitir a liberação do ar dos tanques através dos equipamentos de turbo-expansão. Como mostrado na Figura 2, os equipamentos de turbo-expansão, de preferência, alimentam de energia um alternador que é conectado a um conversor AC para DC, seguido de um inversor DC para AC e então seguido de um condicionador para igualar as impedâncias aos circuitos do usuário.

A Figura 3 mostra os detalhes dos componentes do tanque de armazenamento ao qual as estações de armazenamento de energia estão conectadas. Na concretização preferida, um ou mais meios de geração e fornecimento de calor ao ar comprimido armazenado nos tanques é, de preferência, previsto. A presente invenção possibilita o uso de pelo menos três diferentes tipos de sistemas de aquecimento como meio de fornecimento de calor ao ar comprimido dentro dos tanques a alta pressão, incluindo 1) coletores térmicos solares para utilizar energia proveniente do sol, 2) coletores do calor de desperdício para circular o calor desperdiçado, gerado pelo compressor, pelos tanques de armazenamento e 3) uma unidade de aquecimento separada, tal como um queimador de combustível fóssil, para introduzir calor nos tanques de armazenamento. A invenção também prevê o uso de outros métodos rotineiros de fornecimento de calor ao ar comprimido.

Os meios' pelos quais o calor oriundo dos vários coletores é encaminhado até o ar comprimido nos tanques compreende, em geral, uma grande área superficial de tubulação de paredes finas que se estende através dos tanques. A tubulação, de preferência, corresponde a aproximadamente 1% da área interna total dos tanques e, preferivelmente é feito de material de aço carbono ou cobre. Eles também contém, de preferência, um fluido anticongelante que pode ser aquecido pelos coletores e distribuído pela tubulação através do interior do tanque de armazenamento. A tubulação de paredes finas atua como um trocador de calor o qual é parte do sistema de inércia térmica. Os tanques de armazenamento são, de preferência, revestidos com material isolante para evitar a perda de calor a partir do seu interior.

A temperatura aumentada no interior do tanque de armazenamento apresenta diversas vantagens. Primeiro, foi descoberto que o calor contribui enormemente para a eficiência do trabalho total desempenhado pelos equipamentos de turbo-expansão e, desse modo, pelo aumento da temperatura do ar comprimido nos tanques de armazenamento, uma maior quantidade de energia pode ser gerada a partir de tanques de armazenagem de mesmo tamanho. Segundo, pelo aumento da temperatura do ar no tanque de armazenamento, a pressão no interior do tanque pode ser aumentada, caso em que uma maior velocidade pode ser gerada através dos equipamentos de turbo-expansão. Terceiro, o aquecimento do ar no tanque ajuda a evitar o congelamento que pode ser causado pela expansão do ar no tanque. Sem um elemento de aquecimento, a temperatura do ar liberado do tanque pode alcançar níveis próximos do criogênico, no qual o vapor de água e o dióxido de carbono gasoso dentro do tanque podem congelar e reduzir a eficiência do sistema. A presente invenção é, de preferência, capaz de manter a temperatura do ar em expansão a um nível aceitável, para ajudar a manter a eficiência de operação do sistema. Tipos adicionais de unidades de aquecimento, tais como combustores, etc podem também, se desejado, ser previstos.

Além disso, a presente invenção, de preferência, se beneficia do ar frio que está sendo gerado pelo equipamento de turbo-expansão. Por exemplo, o ar frio pode ser reorientado através dos tubos para o compressor a fim de manter o compressor frio. Mais ainda, o ar frio desperdiçado pelo equipamento de turbo-expansão pode ser usado para fins de refrigeração e ar condicionado, como é necessário durante o tempo quente.

O sistema também compreende, de preferência, um sistema de controle para controlar a operação do tanque de armazenamento, equipamento de turbo-expansão, unidades de aquecimento, componentes de refrigeração, etc. O sistema de controle é, de preferência, projetado para ser capaz de manter o nível de energia de ar'comprimido no tanque em um valor apropriado, através da regulação do fluxo de ar comprimido de entrada e saída do tanque de armazenamento. Os controles são também usados para controlar e operar os trocadores de calor que são usados no controle de apoio da temperatura do ar no tanque. Os controles possibilitam a determinação de quais trocadores de calor devem ser usados em um dado momento e que quantidade de calor deve ser fornecida ao ar comprimido nos tanques de armazenamento. 0 sistema de controle, ' de preferência, tem um microprocessador que é programado previamente de modo que o sistema possa funcionar automaticamente. Em virtude de ser provido um gerador de energia elétrica em separado para possibilitar a geração de energia naqueles intervalos de tempo em que os períodos de pouco vento são excessivamente longos ou em ocasiões em que não há vento, o sistema de controle, de preferência, permite que o usuário verifique quando usar a energia de ar comprimido e quando usar o gerador de energia elétrica.

A presente invenção prevê o desenvolvimento e instalação de um sistema completo compreendendo estações tanto de uso imediato como de armazenamento de energia. Neste caso, dependendo da demanda a ser atendida pelo sistema para uma determinada área de uso pretendido, são providos, de preferência, um número predeterminado de estações de uso imediato e um número predeterminado de estações de armazenamento de energia. Isto permite que o presente sistema possa ser adaptado a cada caso, individualmente, e usado em conexão com aplicações de várias escalas. Em aplicações de larga escala, por exemplo, pode ser instalado e interligado um múltiplo número de estações de moinho de vento, assim como pode ser estabelecida uma proporção entre uso imediato e armazenamento de energia para se alcançar os resultados desejados.

C. Estações Híbridas

A Figura 4 mostra uma estação híbrida. A estação híbrida é, essencialmente, uma única estação de moinho de vento que compreende certos elementos de estações de uso imediato e de armazenamento de energia, com um mecanismo de divisão de energia mecânica que permite que a energia eólica seja distribuída entre energia para uso imediato e energia para armazenamento, dependendo das necessidades a serem atendidas pelo sistema.

Do mesmo modo que no caso das duas estações discutidas acima, uma torre convencional de moinho de vento é, de preferência, posicionada de forma ereta com relação a uma turbina eólica convencional de eixo horizontal localizada na mesma. A turbina eólica, de preferência, compreende um eixo horizontal de rotação tendo a capacidade de transportar energia mecânica diretamente para os conversores.

Da mesma forma que no caso da estação de armazenamento de energia, a estação híbrida é adaptada de forma que a energia eólica seja captada na base da torre do moinho de vento. Como mostrado esquematicamente na Figura 4, a turbina eólica possui um eixo de acionamento de rotação conectado a uma primeira caixa de mudança localizada na nacele do moinho de vento, onde o movimento de rotação horizontal do eixo pode ser transferido para um eixo vertical que se estende na direção descendente da torre. Na base da torre, de preferência, há uma segunda caixa de mudança para transferir o movimento de rotação do eixo vertical para um outro eixo horizontal localizado na base.

Neste ponto, como mostrado na Figura 4, é provido, de preferência, um distribuidor de energia mecânica. O distribuidor, que será descrito em maiores detalhes mais adiante, é projetado para distribuir a energia mecânica de rotação do eixo horizontal inferior de modo que uma quantidade apropriada de energia eólica pode ser transmitida para o conversor desejado localizado na direção descendente, ou seja, ele pode ser ajustado para enviar energia para um gerador elétrico para uso imediato e/ou para um compressor para armazenamento de energia.

Na direção descendente do distribuidor mecânico, de preferência, a estação híbrida tem, de um lado, uma conexão mecânica com um gerador elétrico, e, do outro lado, uma conexão mecânica com um compressor. Quando o distribuidor mecânico é ligado, de modo completo, ao gerador elétrico, a energia mecânica de rotação oriunda do eixo horizontal inferior é transmitida diretamente para o gerador via um eixo engrenado. Isto permite que o gerador converta, direta e eficientemente, energia mecânica em energia elétrica e transmita a energia elétrica até o usuário para uso imediato.

Por outro lado, quando o distribuidor mecânico é ligado, de forma completa, ao compressor, a energia mecânica de rotação oriunda do eixo horizontal inferior é transmitida diretamente para o compressor, de modo a permitir que a energia de ar comprimido seja armazenada em um tanque de armazenamento a alta pressão. Esta parte da estação híbrida é, de preferência, substancialmente semelhante aos componentes da estação de armazenamento de energia, na medida em que a energia mecânica gerada pela estação híbrida é destinada a ser diretamente convertida em energia de ar comprimido e, depois, armazenada em tanques a alta pressão, de onde a energia pode ser liberada, no momento apropriado, via um ou mais equipamentos de turbo- expansão. Da mesma forma que na concretização anterior, o tanque de armazenamento a alta pressão está, de preferência, localizado em estreita proximidade com a estação de moinho de vento de modo que a energia de ar comprimido pode ser eficientemente armazenada no tanque para uso futuro.

Em uma outra versão da estação híbrida, somente uma única estação de moinho de vento é usada para uma dada área. Esse seria o uso em casos onde a energia é destinada ao fornecimento de uma única casa ou uma pequena fazenda. Neste caso, um único tanque de armazenamento a alta pressão é preferencialmente conectado a um compressor e usado para armazenar energia no módulo de armazenamento de energia.

Por outro lado, como será discutido adiante, as estações híbridas também podem ser incorporadas à aplicação em fazenda eólica de grande porte, e instaladas juntamente com outras estações para uso imediato e também para armazenamento de energia. Neste caso, o compressor existente em cada estação híbrida pode ser conectado a tanques de armazenamento localizados centralmente, de modo que uma pluralidade de estações possa alimentar ar comprimido para um único tanque. Na verdade, o sistema pode ser projetado de forma que tanto as estações híbridas quanto as estações de armazenamento de energia possam alimentar energia de ar comprimido para um tanque de armazenamento ou diversos tanques, qualquer que seja o caso.

Os detalhes dos componentes do tanque de armazenamento mostrados na Figura 3 são', de preferência, incorporados às estações híbridas. Por exemplo, qualquer um ou mais de um dos três tipos de sistemas de aquecimento descritos acima podem ser usados para aquecer o ar no tanque de armazenamento de forma a permitir o aproveitamento das suas vantagens. O tanque de armazenamento pode também ser adaptado com trocadores de calor para distribuir o calor dentro do tanque, ou seja, através da tubulação de paredes finas que é disposta no interior do tanque. Pode ser provido, ainda, um queimador adicional de propano.

O distribuidor de energia mecânica, que é adaptado para distribuir a energia mecânica entre a energia destinada ao uso imediato e a reservada para o armazenamento de energia, de preferência, compreende múltiplas engrenagens e embreagens de modo que a energia mecânica possa ser transportada diretamente até os conversores e distribuir tanto completamente para um tipo de energia como em uma forma em que ambos os tipos operam simultaneamente.

Na concretização preferida, o distribuidor mecânico compreende uma engrenagem de grande porte em comunicação com o eixo horizontal de acionamento inferior que se estende ao longo da base da estação, em combinação com engrenagens adicionais de acionamento capazes de engrenar e serem captadas pela a engrenagem de grande porte. De preferência, uma primeira embreagem controla o movimento das engrenagens e permite que elas sejam captadas a partir de uma primeira posição que se engatam e são captadas pela engrenagem de grande porte, e a partir de uma segunda posição que faz com que .a engrenagem de acionamento não engate e nem se movimente com a engrenagem de grande porte. Desta forma, através da operação de uma primeira embreagem, um número apropriado de engrenagens de acionamento podem ficar em posição de engate e captação pela engrenagem de grande porte, dependendo da distribuição desejada de energia mecânica desde o eixo de acionamento inferior até os dois tipos de conversor.

Por exemplo, em uma concretização, pode haver uma engrenagem de grande porte e cinco engrenagens adicionais de acionamento, o sistema podendo prever o uso de uma primeira embreagem para permitir que a engrenagem de grande porte, a qualquer tempo, engate e capte uma, duas, três, quatro ou cinco das engrenagens de acionamento. Desta maneira, a primeira embreagem pode controlar quantas engrenagens de acionamento forem requeridas para ativação e, dessa forma, ser acionada pelo eixo horizontal de acionamento inferior a fim de determinar a razão de energia mecânica que está sendo transportada para o componente de conversão de energia apropriado do sistema. Em outras palavras, se todas as cinco engrenagens de acionamento forem engatadas com a engrenagem de grande porte, cada uma das cinco engrenagens de acionamento será capaz de transportar 1/5 ou 20% dã energia mecânica total para os conversores de energia. Ao mesmo tempo, se somente três das engrenagens adicionais de acionamento estiverem engatadas com a engrenagem de grande porte, então 1/3 ou 33, 33% da energia mecânica gerada pelo moinho de vento serão transportados para os conversores de energia. Se duas engrenagens de acionamento engatarem com a engrenagem de grande porte, cada uma transportará metade da energia transmitida.

0 distribuidor mecânico da presente invenção também prevê o provimento de uma segunda embreagem para permitir que cada uma das engrenagens adicionais de acionamento sejam conectadas, na direção descendente, tanto ao gerador elétrico (que gera energia para uso imediato) como para o compressor de ar (que gera energia de ar comprimido para o armazenamento de energia). Assim, pelo ajuste da segunda embreagem, a energia mecânica transportada da engrenagem de grande porte para qualquer uma das engrenagens adicionais de acionamento pode ser direcionada tanto para o gerador elétrico como para o compressor.'

Isto permite que uma quantidade de energia mecânica fornecida pela estação de moinho de vento seja distribuída proporcionalmente entre o uso imediato e o armazenamento de energia em bases ajustáveis. Em outras palavras, a quantidade de energia distribuída para cada tipo de conversor de energia pode' ser dependente da quantidade de engrenagens adicionais de acionamento que engatam com a engrenagem de grande porte, sendo que o conversor de energia está conectado, na forma de engate, a cada uma das engrenagens de acionamento, por exemplo, aquelas conectadas ao gerador elétrico gerarão energia para uso imediato e aquelas conectadas ao compressor gerarão energia para armazenamento.

Baseado nos fatos descritos acima, pode ser visto que pelo ajuste das embreagens e engrenagens do presente mecanismo de distribuição de energia mecânica pode-se ajustar a proporção da energia para uso imediato e da energia para armazenamento. Por exemplo, se for desejável que 40% da energia mecânica sejam distribuídos para energia para uso imediato e 60% da energia mecânica sejam distribuídos para energia para armazenamento, a primeira embreagem pode ser usada para engatar todas as cinco engrenagens adicionais de acionamento com a engrenagem de grande porte, enquanto que, simultaneamente, a segunda embreagem pode ser usada para conectar, na forma de engate, duas das cinco engrenagens de acionamento (cada uma delas fornecendo 20% da energia ou 40% no total) ao gerador elétrico, e três das cinco engrenagens de acionamento (cada uma delas fornecendo 20% da energia ou 60% no total) ao compressor. Assim, o distribuidor mecânico pode dividir e distribuir a energia mecânica entre uso imediato e armazenamento de energia em uma razão predeterminada de 40/60, respectivamente.

Em um outro exemplo, usando o mesmo sistema, se for desejável que a energia mecânica seja distribuída um-terço para uso imediato e dois-terços para armazenamento de energia, a primeira embreagem pode ser usada para engatar somente três das engrenagens adicionais de acionamento com a engrenagem de grande porte, e a segunda embreagem pode ser usada para conectar, na forma de engate, uma das engrenagens de acionamento ao gerador elétrico e as outras duas engrenagens de acionamento conectadas, na forma de engate, ao compressor. Assim, a energia mecânica fornecida pela turbina eólica pode ser distribuída em uma razão de um-terço para dois-terços, isto é, entre energia para uso imediato e armazenamento de energia, respectivamente.

0 presente sistema prevê a provisão de qualquer número de engrenagens adicionais de acionamento para variar a proporção na qual a energia mecânica pode ser distribuída. No entanto, é previsto que com cinco engrenagens adicionais de acionamento, provavelmente, é proporcionada flexibilidade suficiente para permitir que a estação híbrida funcione na maioria das situações. Com cinco engrenagens adicionais de acionamento, podem ser providas as seguintes proporções: 50/50; 33,33/66,66; 66,66/33,33; 20/80; 40/60; 60/40; 80/20; 100/0; e 0/100.

Quando se usam as embreagens no distribuidor de energia mecânica, a estação híbrida pode ser ajustada para diferentes períodos do ano para fornecer uma diferente razão de quantidade de energia entre uso imediato e armazenamento de energia. Como será discutido mais adiante, dependendo dos históricos da demanda de energia e de disponibilidade de vento, é previsto que diferentes razões podem ser necessárias para prover uma quantidade adequada de energia ao usuário, particularmente em situações onde os requisitos de demanda de energia mantém-se consistentes em bases contínua e constante, apesar dos padrões imprevisíveis e não confiáveis do vento.

Mais ainda, quando as estações híbridas são usadas em conjunto com uma fazenda eólica de grande porte, o distribuidor de energia mecânica pode ser usado para permutar, de forma completa, a energia mecânica entre uso imediato e armazenamento de energia, isto é, pode ser estabelecido ò fornecimento de 100% de energia para uso imediato ou 100% de energia para armazenamento, dependendo das necessidades do sistema. Isso pode ser feito pelo engate de somente uma das engrenagens adicionais de acionamento com a engrenagem de grande porte, através do uso da primeira embreagem, e sendo a engrenagem de acionamento conectada ao conversor apropriado, pelo uso da segunda embreagem. Como será discutido mais adiante, isso permite que o presente sistema seja projetado e instalado em bases de eficiência sob os pontos de vista de custos e energético.

D. Interligação dos Três Tipos de Estações

A próxima discussão se relaciona com as etapas que, de preferência, são estabelecidas para se determinar o melhor modo de interligar os tipos descritos acima de estações de moinho de vento para uma aplicação particular, incluindo verificar se uma localização particular é mesmo apropriada para ter-se o presente sistema instalado e operando. Essa verificação, em geral, compreende a análise de custos versus beneficio e estudo da eficiência energética que leva em consideração a disponibilidade de vento num dado período qualquer e em uma localidade, isto é, no curso de um ano e as demandas que provavelmente devem ser atendidas pelo sistema naquela localidade.

As Figuras 5 e 6 mostram o que comumente é chamado de histogramas eólicos para uma localidade hipotética. Esses gráficos representam exemplos hipotéticos de possíveis históricos eólicos que poderiam ocorrer em uma localidade real, de maneira a mostrar como o presente sistema pode ser interligado e aplicado a circunstâncias variadas. Neste exemplo particular, apesar de haver quatro estações a ser consideradas, para efeito de demonstração, são providos somente dois gráficos (para duas das quatro estações).

Neste exemplo, essas duas estações são os dois casos extremos para o ano hipotético em questão. Em um estudo real, normalmente devem ser levados em consideração os gráficos para as quatro estações ou todos os períodos do ano.

Em geral, esses gráficos mostram o número médio de períodos em que o vento alcança uma certa velocidade (quando medida em intervalos de três minutos) durante qualquer dado dia, no curso de um período de três meses, isto é, uma estação completa. Os históricos eólicos são projetados para permitir a realização de um estudo da quantidade média de vento que pôde estar disponível em uma dada localidade, durante um dado dia, de uma estação do ano para a outra.

Por exemplo, a Figura 5 tem por objetivo representar o número médio de ocorrências de velocidade de vento durante uma estação de "mais vento" e a Figura 6 tem por objetivo representar o número médio de ocorrências de velocidade de vento durante a estação de "menos vento". Em ambos os casos, se objetiva a produção de múltiplos gráficos para um estudo de uma dada localidade, isto é diariamente, para cada estação ou período de estudo para ajudar a indicar o número médio de ocorrências de velocidade de vento que possam acontecer durante um dado dia, durante vários períodos do ano. Esta informação pode ser utilizada, como será discutido mais adiante, como apoio na formulação de uma solução para o ano inteiro, a qual pode estar baseada nos cenários de melhor e pior casos apresentados pelos estudos.

A Figura 5 mostra que durante a estação de mais vento o número máximo de ocorrências para uma qualquer medida de velocidade de vento particular durante um periodo de 24 horas, foi cerca de 52, a qual ocorreu quando a velocidade do vento alcançou o valor de cerca de 30 pés por segundo. Colocado de maneira diferente, durante um dia médio da estação de mais vento, o vento soprou a cerca de 30 pés por segundo mais freqüentemente do que soprou a qualquer outra velocidade, isto é, para um tempo estimado em cerca de duas horas e meia (52 ocorrências multiplicado por intervalos de 3 minutos é igual a 156 minutos). Outra forma de ver isso é que o vento ficou soprando uma média de 30 pés por segundo durante uma média de cerca de 52 das 480 medidas tomadas durante o dia.

O gráfico da Figura 5 também mostra que a velocidade do vento esteve, na média, abaixo de 10 pés por segundo por cerca de 23 ocorrências durante a estação de mais vento, o que significa que ela esteve abaixo daquela velocidade por um periodo estimado em cerca de uma hora e dez minutos (isto é, 23 ocorrências multiplicado por intervalos de 3 minutos é igual a 69 minutos). Da mesma forma, o gráfico mostra que a velocidade do vento esteve acima de 75 pés por segundo para uma média de cerca de 8 ocorrências, o que significa que ela esteve acima daquela velocidade por um periodo estimado em cerca de 24 minutos (isto é, 8 ocorrências multiplicado por intervalos de 3 minutos é igual a 24 minutos).

0 que isso significa é que, dependendo de quais tipos de turbinas eólicas forem selecionadas, os gráficos podem predizer a quantidade de tempo que as turbinas eólicas ficariam operacionais e funcionais, em um dia médio, para produzir energia. Por exemplo, se for presumido que as turbinas eólicas que forem selecionadas são projetadas para operar somente quando a velocidade do vento estiver entre 10 pés por segundo e 75 pés por segundo, devido a razões de eficiência e segurança, pode ser previsto que durante um dado dia da estação com mais vento aquelas turbinas eólicas somente ficariam fora de operação por uma média de cerca de vinte e duas horas e meia.

O quanto as turbinas eólicas seriam operacionais para produzir energia durante as vinte e duas horas e meia acima mencionadas dependerá, então, da velocidade do vento em uma dada hora durante o dia. Em geral, presume-se que a energia eólica a ser captada pela turbina eólica segue a equação:

P = Ci * 0.5 * Rho * A * U3

onde

C1 = Constante (a qual é obtida equilibrando-se a

energia calculada com as dimensões da área da turbina eólica e a performance de Velocidade do vento)

Rho = Densidade do ar

A = Área varrida pelos rotores da turbina eólica

U = Velocidade do vento

Isto significa que ,a quantidade de energia eólica gerada pelo vento é proporcional ao cubo da velocidade do vento. Consequentemente, em uma situação onde as turbinas eólicas estão totalmente operacionais dentro da faixa de velocidade entre 10 pés por segundo e 75 pés por segundo, a quantidade de energia eólica que pode ser gerada durante o dia será uma função direta da velocidade total do vento entre essas faixas.

Por outro lado, várias turbinas eólicas são projetadas de modo que a energia eólica de saida permaneça constante no intervalo de faixas de alta velocidade de vento. Isto pode resultar do fato de que as pás do moinho de vento se tornam encurvadas a velocidades acima de um certo máximo. Por exemplo, certas turbinas eólicas podem funcionar de uma maneira em que, dentro de uma certa faixa de velocidade, isto é entre 50 e 75 pés por segundo, a energia eólica gerada permanece constante apesar das variações de velocidade do vento. Neste caso, a energia eólica produzida pelo moinho de vento permanecerá igual à energia eólica gerada na menor velocidade dentro daquela faixa, isto é, a 50 pés por segundo. Consequentemente, no exemplo acima, durante um periodo em que a velocidade do vento estiver entre 50 pés por segundo é 75 pés por segundo, a quantidade de energia eólica gerada pela turbina eólica é igual à energia gerada quando a velocidade do vento for 50 pés por segundo. Mais ainda, muitas turbinas eólicas são projetadas de forma que quando a velocidade do vento exceder um limite máximo, tal como 75 pés por segundo, as turbinas eólicas cessarão completamente de funcionar para evitar danos devidos a velocidades de vento excessivas. Consequentemente, a quantidade total de energia que pode ser gerada por um moinho de vento específico deverá levar em consideração esses fatores.

A Figura 6 mostra que, durante a estação de menos vento, o número máximo de ocorrências para qualquer medida particular de velocidade do vento, durante um período de 24 horas, foi cerca de 40, que ocorreu quando a velocidade do vento alcançou cerca de 26 pés por segundo. Colocado de forma diferente, durante a estação de menos vento, o vento soprou, com mais freqüência, a cerca de 26 pés por segundo do que quando ele soprou a qualquer outra velocidade, isto é, para um valor estimado de quantidade de tempo total igual a cerca de duas horas (40 ocorrências multiplicado por intervalos de 3 minutos é igual a 120 minutos) . Outra forma de ver isto é que o vento esteve soprando a cerca de 26 pés por segundo durante uma média de cerca de 40 das 480 medidas tomadas durante o dia.

O gráfico da Figura '6 também mostra que a velocidade do vento esteve abaixo de 10 pés por segundo por somente 5 ocorrências em um dia médio, o que significa que ele esteve abaixo daquela velocidade por uma média estimada em cerca de 15 minutos (isto é, 5 ocorrências multiplicado por intervalos de 3 minutos é igual a 15 minutos) . Da mesma forma, o gráfico mostra que a velocidade do vento nunca esteve acima de 75 pés por segundo (isto é, 0 ocorrências multiplicado por intervalos de 3 minutos é igual a 0 minutos).

Neste caso, com relação às mesmas turbinas eólicas que foram descritas acima, pode-se predizer que, durante um dado dia qualquer da estação de menos vento, as turbinas eólicas não estariam em operação por uma média de cerca de 15 minutos por dia, e estariam em operação por uma média de vinte e três horas e 45 minutos a cada dia. Como discutido acima, os gráficos podem predizer a quantidade de tempo em que as turbinas eólicas seriam capazes de funcionar e operar para produzir energia durante um dia médio, bem como o quanto de energia que elas podem gerar.

Em geral, pode-se ver, a partir dos gráficos, que a curva da Figura 6 tem inclinação mais acentuada e é mais estreita mas, no total, mais baixa do que a mostrada na Figura 5. Isto indica que as velocidades do vento durante a estação de menos vento não são tão altas mas são mais previsíveis e constantes, para um local particular, do que aquelas que ocorrem durante a estação de mais vento. Mais ainda, pelo fato desses gráficos mostrarem médias durante um período de tempo, é necessário considerar que as ocorrências reais durante o período de tempo estabelecido podem variar consideravelmente. Com relação a isso, deve ser notado que os histogramas eólicos para as velocidades de vento são característica e estatisticamente descritas pela distribuição de Weibull. Os fabricantes de turbinas eólicas têm usado a Distribuição de Weibull em associação com o "parâmetro de largura" de k=2,0, apesar do fato de que há locais onde o parâmetro de largura chega a atingir um valor tão alto quanto k=2,52. Assim, esses dois valores foram selecionados para esta avaliação de performance técnica hipotética. Também, as Distribuições de Vento de Weibull para as Figuras 5 e 6 são caracterizadas por um Fator de Forma de 2,00 e 2,52, respectivamente, uma Velocidade Característica de 40 e 25 ft/s, respectivamente e uma Velocidade Mínima de 2 e 6 ft/s, respectivamente.

Apesar de ser desejável conhecer o quanto freqüentemente, na média, certas velocidades de vento realmente ocorrem durante o ano, é também importante saber quando várias velocidades de vento ocorrem durante um dado dia, isto é em média, de forma que elas possam ser comparadas com os períodos de demanda máxima que também ocorrem durante um dado dia. Com relação a isso, as Figuras 7 e 8 mostram as distribuições diárias de vento que ocorrem, em média, durante horas específicas do dia, para as estações particulares para as quais elas acompanham o trajeto, isto é, a Figura 7 mostra a média de uma compilação de medidas tomadas durante uma estação hipotética de mais vento e a Figura 8 mostra a média de uma compilação de medidas tomadas durante uma estação hipotética de menos vento. Em uma análise real, como será descrito mais adiante, será mais apropriado fazer as medições diariamente e produzir um gráfico separado para cada dia de cada estação ou período e, então, usar aquela informação para desenvolver um sistema para o ano inteiro.

A Figura 7 mostra que, durante os meses de mais vento, a velocidade do vento máxima ocorreu, em média, cerca das 6:30 A.M., enquanto que a velocidade do vento mínima, caracteristicamente, ocorreu, em média, cerca do meio-dia. Como visto no perfil de velocidade do vento, a velocidade do vento, caracteristicamente, começa a subir durante as horas da manhã, alcançando o máximo cerca das 6:30 A.M., seguido por uma queda quase contínua até uma velocidade do vento mínima cerca do meio-dia. A velocidade do vento, então, caracizeristicamente, subiu até um nível médio aproximadamente "constante" de cerca de 40 pés por segundo, com algumas pequenas flutuações (turbulência) variando entre 25 pés por segundo e 50 pés por segundo. Esta condição se manteve, em média, por cerca de 7 horas, isto é, entre cerca das 2:00 P.M. e 9:00 P.M., seguida por uma queda até cerca de 10 pés por segundo cerca da meia-noite. Apesar desta curva mostrar uma média para a estação de mais vento, um gráfico característico para um único dia durante a estação mostrará uma curva similar.

Por outro lado, a Figura 8 mostra que, durante os meses de menos vento, a velocidade do vento máxima ocorreu, em média, cerca do meio-dia, e a velocidade do vento mínima ocorreu, em média, cerca da meia-noite. Neste caso, as horas da manhã, caracteristicamente, parece que apresentam velocidades de vento extremamente turbulento com significativas variações de velocidade do vento surgindo a cada três minutos. Ao mesmo tempo, o perfil de velocidade do vento mostra um padrão diferente de um aumento constante na velocidade do vento até cerca do meio-dia, quando a velocidade do vento alcançou um máximo de cerca de 50 pés por segundo. Por outro lado, a velocidade do vento média durante as horas da tarde e da noite pareceu cair de uma maneira constante e relativamente vagarosa, com poucas variações pelo resto do dia. Uma característica significativa que se pode notar acerca do histórico de velocidade do vento é que uma quantidade significante de turbulência ocorre durante as primeiras horas da manhã e a falta de turbulência durante o resto do dia. Novamente, apesar desta curva mostrar uma média para a estação de menos vento, um gráfico típico para um único dia mostrará uma curva similar.

Esses gráficos mostram que há diferenças na disponibilidade de vento durante um tempo de um dia médio, e que eles diferem entre as estações. Em uma análise real, será necessário considerar os dados de todas as estações ou períodos em base diária.

Outro fator a ser considerado é a demanda de energia para uma dada localidade a ser servida pelo presente sistema de geração e armazenamento de energia eólica. Isto pode ser feito por medição da quantidade de energia usada por unidade de tempo em uma área a ser servida e plotagem das medidas como uma média para um dado dia. Isto é o que está representado na Figura 9, a qual mostra a curva de demanda de energia em uma localidade hipotética.

Para os propósitos deste exemplo, e por simplicidade, a curva de demanda será presumida como a mesma através das estações de mais vento e de menos vento, apesar de que na prática real, as curvas são provavelmente diferentes de um período para o outro. Neste exemplo, o período de demanda máxima de energia é ao meio do dia quando, durante o verão, os aparelhos de ar condicionado e, durante o inverno, os aquecedores estão provavelmente ligados.

As Figuras 10 e 11 mostram quão diferente ou quão similar as curvas de disponibilidade do vento e demanda de energia podem ser para uma dada localidade durante um dado período. A Figura 10 representa a estação de mais vento e incorpora a curva do histórico de energia eólica baseada na curva do histórico da velocidade do vento da Figura 7 (pela multiplicação da velocidade do vento pela fórmula de energia eólica acima) e na curva de demanda de energia da Figura 9. Com relação a isso, a curva de energia eólica é similar, na forma, à curva de velocidade do vento porque a energia eólica é proporcional ao cubo da velocidade do vento. Neste caso, presume-se a existência de uma constante hipotética e tamanho de área da turbina eólica, etc e que as duas curvas foram essencialmente sobrepostas ao acaso para indicar as diferenças entre as duas. Neste exemplo, tanto o período de demanda máxima quanto o período de menor disponibilidade de vento ocorrem no intervalo correspondente ao meio do dia, isto é, ao meio-dia. O que isto mostra é que ao meio do dia há uma tremenda diferença entre o fornecimento de energia e a demanda de energia, o que deve ser levado em consideração no projeto de um sistema viável de uso e armazenamento de energia. De fato, ao meio do dia, quando a demanda é maior, a velocidade do vento fica, na verdade, constantemente abaixo de 10 pés por segundo, caso em que nenhuma energia eólica está disponível para uso imediato ou para armazenamento.

A Figura 11 representa a estação de menos vento e inclui uma curva do histórico de energia eólica baseada na curva do histórico de velocidade do vento da Figura 8 (pela multiplicação da velocidade do vento pela fórmula de energia eólica antes descrita) e a curva de demanda de energia da Figura 9. Novamente, com relação a isso, a curva de energia eólica é similar, na forma, à curva de velocidade do vento porque a energia eólica é proporcional ao cubo da velocidade do vento. Neste caso, é presumida a existência de uma constante hipotética e extensão de área de turbina eólica, etc. e que as duas curvas essencialmente se sobrepõem ao acaso para mostrar as diferenças entre as duas. Entretanto, neste exemplo, de modo diferente do anterior, as formas das duas curvas são muito mais semelhantes. 0 período de demanda máxima, que ocorre ao meio do dia, substancialmente coincide com o período de disponibilidade máxima de vento, que ocorre também ao meio do dia. O que isto mostra é que, provavelmente, há mais equilíbrio entre fornecimento e demanda nesta época do ano. Por outro lado, pode ser visto que a curva total é também menor nesta estação, ii.dicando que a disponibilidade total de vento é significativamente menor neste período.

As curvas mostradas nas Figuras 10 e 11 ajudam a ilustrar as diferenças que podem existir entre as curvas de fornecimento e de demanda, as quais podem diferir muito de uma estação do ano para outra. Como será discutido mais adiante, é necessário comparar os dados das várias estações do ano ou períodos para se levar em conta os cenários do pior caso de modo a desenvolver um sistema que funcione eficientemente o ano todo. Na medida em que não é prático instalar e remover moinhos de vento cada vez que há mudança de estação do ano, a presente invenção prevê a seleção de uma solução que é efetiva, sob o ponto de vista de custos, e eficiente, sob o ponto de vista energético, baseado nos cenários do pior caso que pode existir em uma dada localidade e, posteriormente, para que a solução seja organizada e modificada de acordo com as necessidades do ano todo.

E. Procedimento para Desenvolver um Sistema Individualizado

As etapas que, de preferência, são estabelecidas para se ter um sistema individualizado são as seguintes:

Primeiramente, é, de preferência, obtida a informação diária relativa a todas as quatro estações do ano. A reunião da informação pode ser separada por estações do ano, ou por quaisquer outros períodos, tal como mensalmente, a cada dois meses, a cada seis meses, etc., dependendo de como o histórico provavelmente varia. Quando os históricos não são muito variáveis, é possível acompanhar com menos freqüência períodos maiores, tal como períodos de seis meses. Quando os históricos são muito mais variáveis, é mais · desejável acompanhar, mais freqüentemente, períodos curtos, tal como a cada mês.

No início, é desejável coletar a informação para cada dia de cada estação do ano para a localidade em questão. Por exemplo, se o ano é dividido em quatro estações, seria apropriado coletar informação a partir da localidade desejada com relação a cada dia daquela estação do ano, de modo que os cálculos relativos à localidade possam ser repetidos 90 vezes para se obter os dados necessários para aquela estação do ano.

De início, é importante coletar diariamente os históricos de vento na localidade para cada uma das estações do ano escolhida ou períodos. De preferência, o método envolve a plotagem em uma curva de fornecimento diário, em que a curva, de preferência, mostra a média das velocidades mais baixas do vento que ocorrem a intervalos de 0,05 horas (três minutos) durante o dia. Para cada dia, de preferência, há uma plotagem de 24 horas dos históricos de velocidade do vento mínima, em média. A distribuição estatística da função de Weibull é então, de preferência, aplicada a ocorrências regulares de velocidade do vento, como aqui discutido anteriormente. Isto aumenta a velocidade mínima do vento, em um dado momento do dia, para satisfazer a função de Weibull e resulta no histórico "padrão" de · vento médio disponível para o período escolhido. De preferência, a informação é plotada em um histograma de vento diário semelhante àqueles mostrados nas Figuras 7 e 8. A informação obtida dos históricos do vento é então convertida em energia eólica pela multiplicação dos dados de velocidade do vento com a fórmula de energia eólica aplicável, quando, então, a quantidade de energia eólica pode ser plotada em uma curva que cobre o período de 24 horas a cada dia.

A seguir, de preferência são plotados os históricos de energia demandada diariamente pelos usuários para uma localidade a ser servida. Preferencialmente, a plotagem dos históricos de demanda leva em consideração a informação necessária para plotar uma curva de demanda diária, a qual, de preferência, mostra a demanda máxima de energia, em média, a intervalos de 0,05 horas (três minutos) para cada dia. Para cada estação do ano ou período, é criada uma curva do histórico de demanda média diária que, de preferência, fornece a quantidade de energia que seria necessária para servir uma área durante aquele dia. O exemplo da Figura 9 mostra que, durante o período do meio de um dia médio, há uma demanda máxima de cerca de 2.640 quilowatts de energia. A quantidade total de energia necessária durante o dia pode ser, então, determinada usando-se a curva do histórico de demanda de energia que cobre um período de 24 horas, por exemplo, a integral do histórico de energia que cobre o período inteiro de 24 horas é, neste exemplo, de cerca de 33.000 kW-h.

A seguir, de preferência, é estimado o volume do tanque de armazenamento antes de se fazer o cálculo final mais tarde, para prover uma base para se fazer certas hipóteses. Um método que se verificou ser de utilidade na estimativa do tamanho do tanque é presumir que o volume necessário corresponde a cerca de 10 porcento da energia total demandada diariamente por aquela localidade. Isso pode ser verificado para a estação do ano ou período de maior demanda ou para a estação do ano ou período de maior desequilíbrio baseado nas ' curvas anteriormente determinadas. No exemplo, anterior, se a energia total demandada diariamente durante a estação do ano ou período de maior demanda for de 33.000 kW-h para um dado dia, a estimativa da capacidade volumétrica do tanque de armazenamento necessária seria baseada em 10% daquela quantidade, que é igual a cerca de 3.300 kW-h. Usando-se esta quantidade e uma pressão preferida no tanque de 600 psig, pode-se estimar que, para fins do projeto inicial, o tanque deve ter mais que 90.000 pés cúbicos de espaço o qual, no exemplo, pode ser alimentado por múltiplos tanques de 10 pés de diâmetro.

Adicionalmente, de preferência, o método busca selecionar a turbina eólica mais eficiente que deve ser usada. De preferência, isso é feito considerando-se as especificações do fabricante com relação às velocidades de partida, constante e de parada, como discutido anteriormente, bem como a capacidade de saída de energia total da turbi na eólica e comparando—se as mesmas com os históricos de disponibilidade de vento. Com relação a isso, um fator que é, de preferência, levado em consideração é o quanto próximo do equilíbrio a turbina eólica está para os históricos de disponibilidade de vento para uma dada localidade, isto é, quão próximo do equilíbrio as velocidades médias do vento estão das faixas de velocidade funcional da turbina eólica em questão.

Exemplificando, se a velocidade média do vento fica constantemente acima de 35 pés por segundo, não seria eficiente selecionar-se uma turbina eólica que opera mais eficientemente a uma velocidade do vento abaixo de 35 pés por segundo e a qual tem uma faixa de energia de saída constante entre 35 pés por segundo e 75 pés por segundo. Uma turbina dessas não produziria um aumento proporcional na energia quando a velocidade do vento excede 35 pés por segundo. Da mesma forma, se a velocidade do vento fica constantemente abaixo de 20 pés por segundo, não seria prudente pagar mais dinheiro para se instalar uma turbina eólica que é capaz de gerar energia mais eficientemente a velocidades do vento que excedam 50 pés por segundo. Para se selecionar a turbina eólica correta, o método prevê que devem ser comparados os diferentes tipos de turbinas eólicas e as especificações de suas performances e, posteriormente fazer-se a verificação baseado nos históricos do vento que devem ser estudados para essa localidade em particular. Apesar do presente método não excluir a possibilidade de que diferentes tipos de turbinas eólicas possam ser instaladas em uma única aplicação para estações do ano diferentes (de modo que um tipo de turbina eólica possa ser operado durante uma estação do ano e um outro tipo possa ser operado em outra estação do ano), com a finalidade de se mostrar como o presente sistema é, de preferência, interligado e instalado, será aqui presumido que somente um tipo de turbina eólica será instalado para todo o sistema.

A seguir, o método prevê que os históricos de disponibilidade diária de energia eólica e de demanda de energia para cada uma das estações do ano ou períodos possam ser comparados e analisados com a finalidade de se verificar a quantidade de energia necessária e quantos moinhos de vento de cada tipo teriam de ser instalados para satisfazer os cenários de pior caso para uma dada época. Como ponto de partida, é significativo notar que no exemplo anterior o pior desequilíbrio entre fornecimento de energia e demanda acontece durante a estação do ano em que mais venta e não na estação do ano em que há menos vento. Por outro lado, o cenário do melhor caso, sob o ponto de vista de um desequilíbrio, acontece na estação do ano em que há menos vento, isto é, as formas de onda das curvas do histórico de fornecimento e demanda estão melhor correlacionadas. De forma consistente com isso, no desenvolvimento do sistema, o maior foco deve ser colocado sobre a estação do ano de maior desequilíbrio, na medida em que o cenário do pior caso é provavelmente o controle do projeto para o sistema inteiro. Apesar das outras estações do ano ou períodos deverem ser considerados, a análise, de preferência, focaliza, inicialmente, a estação do ano ou período de pior caso, antes de se analisar as outras estações do ano ou períodos.

A tarefa inicial é se determinar a área de interceptação de todos os moinhos de vento a serem instalados, com base nas curvas de disponibilidade de energia eólica e de demanda de energia, de modo a se determinar o número total de moinhos de vento que são necessários para instalação. Posteriormente, pode também ser determinado quantas estações de uso imediato e quantas estações de armazenamento d energia devem ser instaladas, isto é, a relação entre elas, com base no mesmo critério.

A área total de interceptação que pode ser usada para se determinar quantos moinhos de vento serão instalados, isto é, com base na área superficial das pás do moinho de vento, pode, em geral, ser estimada baseado na seguinte fórmula: Área = X * P/ (C*0.5* Rho* U3), onde X é um fator que leva em consideração o desequilíbrio das formas de onda em um dado dia, o que ajuda a se determinar o número ótimo de moinhos de vento a serem instalados, P é a demanda máxima de energia para o período em questão, C é 0,5 (para uma turbina eólica de 600.kW), Rho é 0,076 libras-massa/ft3 e U é 50 ft/segundo. A fórmula também presume que 1 ft2 = 144 in2, 1 HP = 550 f t-lbs/segundo, IkW = 0, 746 HP e 1 hora = 3.600 segundos.

No exemplo anterior envolvendo um dia da estação do ano em que mais venta, o valor inicial para o fator X será inicialmente estimado como sendo 3,0. A seleção do valor inicial é, primeiramente, subjetivo, na medida em que uma estimativa inicial precisa ser feita com base no fato de quão bem ou quão mal correlacionadas parecem estar as curvas de fornecimento e de demanda, bem como em quanto vento total deve estar disponível naquela localidade, antes que uma determinação mais acurada da área real de interceptação possa ser feita usando um processo interativo. Esta estimativa pode ser baseada no seguinte:

Se houver um equilíbrio próximo do perfeito entre as curvas de fornecimento e demanda do pior caso, o fator X inicial deve ser cerca de 1,0 a 2,0. 0 quanto próximo o fator está de 1,0 ou próximo de 2,0 depende do modo como as curvas estão perfeitamente equilibradas ou próximas do perfeito equilíbrio. Ele também pode depender de quanto vento está realmente disponível naquela localidade. Em outras palavras, mesmo se as curvas estiverem bem equilibradas, se as velocidades do vento forem constantemente baixas, o " número de moinhos de vento que devem ser instalados pode precisar ser aumentado para gerar suficiente energia eólica para atender à demanda, o que provavelmente faz com que o fator X seja mais alto, isto é, mais próximo de 2,0, para ser usado no cálculo da área de interceptação. A escolha de um fator mais próximo de 1,0 significa, essencialmente, que, com base nas curvas de fornecimento e demanda, o projeto pode ser selecionado usando poucas ou nenhuma estação de armazenamento de energia, na medida em que a maioria, se não toda, a energia necessária poderia ser gerada pelas estações de uso imediato. Como as estações de uso imediato são menos caras, com relação a instalação, e mais eficientes, sob o ponto de vista energético, do que as estações de armazenamento de energia, seria mais eficiente, sob o ponto de vista de custos, fazer desse modo. Apesar disso, uma análise ainda teria que levar em consideração todos os dias de cada estação do ano ou período e os cenários diários do pior caso e médias para aquelas estações do ano ou período, antes que uma solução final possa ser desenvolvida.

Se o desequilíbrio entre as curvas de fornecimento e demanda do pior caso for moderado, o fator X inicial deve estar em cerca de 2,0 a 3,0. De novo, se o valor está próximo de 2,0 ou 3,0 pode depender de diversos fatores, incluindo o quanto de vento está realmente disponível. Por outro lado, se o desequilíbrio for sério, o fator X inicial deve ser cerca de 4,0. Se o desequilíbrio for ainda mais sério, o fator X inicial pode ser tão alto quanto cerca de 6,0, apesar do que, .neste ponto, o fator X é, provavelmente, tão alto que impede o projeto de um sistema de uma maneira eficiente e efetiva, sob o ponto de vista de custos. Consequentemente, é recomendado que o fator X inicial não seja mais do que 4,0, mesmo se o desequilíbrio for sério, de forma que meios mais acurados de projetar o sistema podem ser usados para se fazer os ajustes necessários.

Um fator adicional que deve ser levado em consideração, neste ponto, é a contribuição energética que pode ser dada pela energia solar, bem como as outras formas de calor. Como mencionado anteriormente, um dos sistemas de aquecimento usados para elevar a quantidade de energia suprida pelo armazenamento envolve a captação da energia solar, isto é, para aquecer o ar comprimido nos tanques de armazenamento. Consequentemente, com base em um estudo separado da disponibilidade de energia solar durante um dia médio naquela estação do ano ou período, um outro fator que pode ser levado em consideração é a contribuição que pode ser feita pela energia solar para a eficiência e disponibilidade total de energia para armazenamento.

Por exemplo, se o gráfico do histórico solar que permite traçar o perfil da disponibilidade do sol indica que durante a estação do ano em que mais venta a energia solar eficiente está prontamente disponível, no período do meio do dia, para aumentar a energia de saída do tanque de armazenamento, o fator X a ser aplicado pode ser apropriadamente reduzido. Em outras palavras, mesmo que as curvas de fornecimento de energia e demanda não estejam bem correlacionadas naquele período, se houver energia solar disponível suficiente naquele mesmo período, isto é, onde o vento pode estar minimamente disponível, ou pelo menos quando a diferença entre o fornecimento e a demanda pode ser maior, a comparação .a ser feita deve levar isto em consideração. Com base nesses fatores adicionais, a seleção de 3,0 como o fator X inicial leva em consideração a existência de energia solar suficiente no período do meio do dia para compensar no caso da ocorrência de um desequilíbrio maior, simultaneamente. Isto quer dizer que, dado que o cenário do pior caso neste exemplo é a estação do ano em que mais venta, e as curvas de disponibilidade de energia eólica e de demanda de energia mostram o maior desequilíbrio no período do meio do dia, primeiramente, deve ser pensado que o fator X inicial deve ser maior que 4,0, mas dado que o fornecimento de energia solar máxima está, também, provavelmente disponível no período do meio do dia, uma determinação subjetiva pode ser feita de modo que o fator X inicial possa ser reduzido para cerca de 3,0. Assim, baseado nas razões acima, é provável que o fator de 4,0, para um local fracamente correlacionado, possa ser reduzido para um fator de cerca de 3,0, na medida em que o cenário do pior caso para a disponibilidade de vento, provavelmente será o cenário do melhor caso para a disponibilidade de energia solar.

Com base na fórmula anterior, e um fator X inicial de 3,0, com a demanda de energia máxima (P), para o período em questão, sendo de 2.640 kW, a área total de interceptação necessária para o sistema (Área) pode inicialmente ser estimada como sendo de 52,830 pés quadrados. Usando-se este valor e as especificações do fabricante para as turbinas eóli cas que devem ser instaladas, pode ser estimado o número total de moinhos de vento que devem ser necessários para fornecer energia em bases contínua e constante, mesmo durante os dias e estações do ano do pior caso. Quer dizer que, uma vez que a área total de interceptação seja calculada para indicar a energia eólica total que precisa ser gerada para atender a demanda, o valor total pode ser dividido pela capacidade por unidade de cada turbina eólica selecionada para se determinar o número aproximado de turbinas eóli.cas que devem ser instaladas para todo o sistema. Por exemplo, se se presumir que cada turbina eólica tem um pouco mais do que 500 pés quadrados de área de interceptação, o projeto do sistema poderia começar pela suposição de que um total de cerca de 100 turbinas eólicas serão precisas para fornecer a energia eólica necessária para o sistema integral.

Uma vez que seja estimado o número total de estações de moinho de vento a serem instaladas, a próxima etapa é se determinar quantas seriam estações de uso imediato e quantas seriam estações de armazenamento de energia. Com relação a isto, de preferência, o método leva em consideração que a energia captada do armazenamento de energia tem, caracteristicamente, eficiência menor que 40% comparada com a energia gerada para uso imediato. Assim, o cálculo de qualquer razão entre a energia para uso imediato e a energia para armazenamento deve levar em consideração o fato de que a energia oriunda do armazenamento é muito menos eficiente quando comparada com a energia gerada para uso imediato.

Com respeito a isso, a presente invenção faz uma outra hipótese baseado no fato de que as estações de armazenamento de energia estão se tornando menos eficientes do que as estações de uso imediato que na geração de eletricidade. Assim, a presente invenção prevê na maioria dos casos é desejável ter mais estações para uso imediato do que estações de armazenamento de energia, de forma que há uma maior confiança nas estações de energia para uso imediato do que nas estações de armazenamento de energia. No exemplo anterior, a razão que foi usada foi que 65% de estações de moinho de vento disponíveis devem ser destinadas à energia para uso imediato e que cerca de 35% das estações de moinho de vento disponíveis devem ser reservadas para energia para armazenamento. A redução proporcional no número de estações de armazenamento de energia permite que a conversão de energia eólica seja mais eficiente. Todavia, a presente invenção também prevê que outras percentagens além de 65% para uso imediato e 35% para armazenamento de energia possam ser usadas, dependendo dos históricos de demanda e das necessidades do sistema.

No exemplo anterior, baseado na relação de 65% para uso imediato e 35% para armazenamento de energia e uma necessidade estimada de um total de 100 estações de moinho de vento, a estimativa inicial do número de estações de moinho de vento para cada tipo seria de 65 estações para uso imediato e 35 estações para armazenamento de energia.

Entretanto, em virtude do fator X ser somente estimado inicialmente, este é só o começo do processo interativo. 0 processo interativo, de preferência, leva em consideração dados de cada dia de cada estação do ano ou período e usa aqueles dados para fazer os ajustes no fator X, bem como nos outros fatores, se necessário. De preferência, os ajustes estão baseados na estimativa inicial do número total de moinhos de vento a serem instalados e se aquele satisfaz ou não satisfaz as demandas de energia para a localidade durante os dias, estações do ano ou períodos do pior caso. Se a estimativa realmente satisfizer os cenários do pior caso, provavelmente, o fator X não sofrerá ajustes e o número total de moinhos de vento a serem instalados deve permanecer sem mudança. Se, por outro lado, os cálculos mostrarem que a determinação inicial do número total de moinhos de vento não satisfaz os dias, estações do ano ou períodos do pior caso, o fator X pode ser ajustado, tanto para cima como para baixo, dependendo de vários fatores de eficiência, como discutido mais adiante.

Para se fazer os ajustes apropriados no fator X e para se determinar o número ótimo de estações de moinho de vento a serem instaladas, de modo a fazer com que o sistema funcione eficientemente por toda a estação do ano, os seguintes fatores são, de preferência, considerados:

Além da estimativa inicial do número total de estações de moinho de vento a serem instaladas, deve ser calculado um ponto de partida inicial na determinação da relação ótima entre o número de estações para uso imediato a serem instaladas e o número de estações de armazenamento de energia a serem instaladas. Com respeito a isso, a relação de partida sobre a qual o processo interativo deve começar, em uma concretização preferida, é 65% de estações para uso imediato e 35% de estações para armazenamento de energia, a qual, como discutido acima, significa que da determinação inicial de que são necessários 100 moinhos de vento, algo como 65 estações para uso imediato e 35 estações para armazenamento de energia será necessário.

Baseado nas estimativas iniciais do número total de moinhos de vento para cada tipo, então será necessário continuar o processo interativo usando aqueles números para estimar o suprimento total de energia que pode ser gerado por tal sistema e comparar aquela quantidade com os históricos de demanda de energia para cada dia. Assim, baseado na estimativa de 65 estações para uso imediato e 35 estações para armazenamento de energia, e sabendo quanta energia pode ser suprida por cada moinho de vento, pode-se, então, estimar a quantidade total de energia eólica que pode estar disponível em cada período, com base nas condições de disponibilidade real de vento. Quer dizer que, podem ser geradas as curvas similares àquelas mostradas na Figura 7 e 8, que permitem traçar os históricos da disponibilidade de vento para um dado dia, para mostrar quanta energia eólica estaria disponível a partir de tal sistema em um dado período do dia. Por sua vez, esta informação pode ser usada para se determinar quanta energia elétrica pode ser gerada por tal sistema, incluindo a informação de quanta pode ser gerada pelas estações de uso imediato e quanta pode ser gerada pelas estações de armazenamento de energia, em um dado período. As curvas que mostram quanta energia elétrica está disponível em um dado período, em um dado dia podem ser preparadas.

A seguir, as curvas que mostram quanta energia elétrica real pode ser gerada pelo projeto inicial do sistema, em um dado período, podem ser comparadas e analisadas com os históricos da demanda para os mesmos dias. Fazendo isto, em conexão com o conhecimento da relação entre as estações para uso imediato e para armazenamento de energia, pode-se determinar quanto da energia total será destinada ao uso imediato e quanta será reservada para armazenamento, bem como quanta energia no armazenamento terá de ser usada para compor qualquer deficiência no suprimento de uso imediato. Assim, para um dado intervalo de tempo, o qual na concretização preferida é a cada três minutos, pode-se determinar se e em que quantidade a energia elétrica gerada pelas estações de uso imediato é suficiente para atender as demandas de energia no sistema e, se não atender, quanta energia do armazenamento seria necessária para suprir a parte relativa à deficiência de energia suprida pelas estações de uso imediato. Isso pode ajudar na determinação e plotagem de uma curva o delta de energia que está sendo adicionado ao armazenamento em um dado período, menos a quantidade de energia que está sendo subtraída pelo uso, para cobrir e até exceder aquela que é suprida pelas estações de uso imediato.

Tal curva hipotética, que efetivamente mostra a quantidade de energia de apoio armazenada no tanque de armazenamento, como é mostrado na Figura 12. Esta curva particular plota a quantidade de energia disponível no armazenamento em um dado período do dia, baseado no fator X de partida de cerca de 3,0. Neste caso particular, pode ser visto que o projeto parece ser relativamente restrito àquele que pode ser abrangido por um projeto otimizado, mas é ligeiramente sub-dimensionado porque a curva cai abaixo de zero em cerca de 1500 horas. Assim, pode ser visto que durante este dia particular, a curva permanece positiva até cerca de 1500 horas, quando se esgota o fornecimento de ar comprimido no tanque hipotético. Apesar de haver uma rápida recuperação da quantidade, isto é, a cerca de 1800 horas, haverá um período de cerca de três horas em que a energia não está disponível.

Por outro lado, a Figura 13 mostra como a curva na Figura 12 pode ser ajustada para cima em cerca de 10 porcento, isto é, pela multiplicação do fator X por 1,1, o que resulta em um fator X total de cerca de 3,3. Pode ser visto nesta figura que a curva nunca cai abaixo de zero, indicando que o sistema foi eficiente para quase todo o ar comprimido no tanque que foi usado no mesmo curto intervalo de tempo. Adicionalmente, outros ajustes, tais como aumento do tamanho do tanque de armazenamento, e outros a serem discutidos, podem evitar que a curva do gráfico caia para a região negativa naquele período.

Outro fator que torna esta curva relativamente restrita em termos do que seria desejado é o fato de que, no início e no fim deste período de 24 horas, a quantidade de energia no armazenamento é substancialmente a mesma. Assim, a 0 hora, a quantidade total de energia no armazenamento é cerca de 2.200 kW-h e, a 24:00 horas, que é o final do mesmo dia, após a adição e subtração de energia do armazenamento é cerca de 2.200 kW-h. Isso significa que se existirem, repetidamente, as mesmas ou semelhantes curvas de demanda e fornecimento diário de energia, durante a estação do ano ou período, poder-se-ia esperar que o delta de energia entre entrada e saída pode permanecer substancialmente constante durante a maior parte da estação do ano ou período.

A informação anterior mostra que um bom projeto para a estação do ano em que mais venta pode estar baseado em um fator X de cerca de 3,3, ou 10% maior que a área de interceptação originalmente estimada, como mostrado na Figura 13. Consequentemente, dado que o número total estimado de moinhos de vento a serem instalados foi 100, com 65 sendo para estações de uso imediato e 35 estações de armazenamento de energia, pode-se ver que um projeto melhor para esta aplicação, com base nos ajustes acima mencionados, pode ser mais provável um total de 110 moinhos de vento, incluindo 71 de estações para uso imediato e 39 estações para armazenamento de energia.

As Figuras 14 e 15 mostram' a curva à medida em que o fator X vai sendo ajustado para um valor ainda maior. A Figura 14 mostra o fator X aumentado de 20% para cerca de 3, 6 e a Figura 15 mostra o fator X aumentado de 30% para cerca de 3,0. Esses exemplos mostram que um aumento no fator X, o que significa um aumento na área de interceptação, e, portanto, uma aumento do número total de moinhos de vento a serem instalados, aumentaria a curva no ponto onde a quantidade total de energia no tanque de armazenamento seria cada vez maior à medida em que o dia fosse passando. Pode-se ver que para este dia particular, o delta de energia excede a energia de saída e, portanto, estes projetos seriam ineficientes para aquele período pois se as mesmas condições existirem o tempo todo, a quantidade de energia no tanque aumentaria constantemente e, dessa forma, haveria a necessidade do provimento de suspiro no tanque.

Outros meios de ajuste do sistema para levar em consideração a queda da curva para a região negativa estão também dentro das previsões da presente invenção. Por exemplo, a capacidade do queimador de propano que alimenta, suplementarmente, a energia de baixo nivel cobrindo o período completo de 24 horas, pode ser aumentada de forma que maiores quantidades de energia suplementar possam ser providas em um dado período.

As out ras fontes de aquecimento podem também ser potencializadas ou tornadas mais eficientes para permitir que a energia adicional aumente na forma de energia calorífica adicional armazenada no tanque. Com respeito a isso, uma outra consideração que deve ser levada em conta se relaciona com as contribuições relativas que podem ser realizadas pelos sistemas de aquecimento cujo uso é previsto. Assim, não somente deve ser considerado o coletor solar mas também o impacto de outros mecanismos de aquecimento, incluindo o uso de calor de desperdício oriundo do compressor e a energia provida por um aquecedor separado, tal como o queimador de combustível fóssil.

Nas Figuras 16 e 17, as quais são dirigidas para a estação do ano em que mais venta, são mostrados os exemplos hipotéticos da quantidade de energia que pode estar disponível na modalidade de energia de apoio no interior do tanque de armazenamento. 0 que está em comparação é um sistema tendo um aquecedor solar versus um que não o tem (ambos têm aquecedores auxiliares) .

Na Figura 16, por exemplo, é mostrada pela curva a disponibilidade de energia no tanque de armazenamento, quando se usa um tanque de tamanho apropriado, em conjunto com um aquecedor solar e um queimador auxiliar de combustível fóssil. A curva, em geral, mostra que o fornecimento de energia no tanque nunca é exaurido no curso de um dia médio completo. Isto também mostra, especificamente, o seguinte: da meia noite até cerca das 2:00 A.M., a energia está sendo vagarosamente gasta (como mostrado no trecho descendente da curva); de cerca das 2:00 A.M. até cerca das 7:30 A.M. a energia está sendo alimentada ao tanque (como mostrado no trecho ascendente da curva); de cerca das 4:00 A.M. até cerca das 12:00 P.M., a energia gerada para armazenamento excede a capacidade máxima do tanque (como mostrado pelo trecho reto da curva) em que a energia em excesso teria de ser eliminada pelo suspiro; de cerca das 12:00 P.M. até cerca das 4:00 P.M., a energia que está sendo usada excede substancialmente o fornecimento (como mostrado pelo trecho da curva com elevada inclinação ascendente); de cerca das 4:00 P.M. até cerca das 6:00 P.M., o nivel de energia armazenada flutua entre energia que está sendo gasta e a que está sendo suprida; de cerca das 6:00 P.M. até cerca das 9:00 P.M., a energia que está sendo restaurada no tanque (como mostrado no trecho da curva fortemente inclinado para cima) e de cerca das 9:00 P.M. até a meia noite, a energia que está sendo vagarosamente gasta. Em comparação com a Figura 16, a Figura 17 mostra a disponibilidade de energia no tanque de armazenamento quando não é usado aquecedor solar, mas quando é usado um queimador de combustível fóssil. A curva mostra que há uma queda significativa de energia no tanque de armazenamento durante o final da tarde e as horas da noite o que poderia causar a falha do sistema, isto é, que ele seja incapaz de prover energia em uma base contínua. Assim, a energia armazenada no tanque seria perdida, ou seja, a demanda de energia excederia a energia disponível oriunda tanto das estações para uso imediato quanto do tanque de armazenamento. Em particular, a curva mostra que uma quantidade significativa de energia suplementar oriunda de um suprimento de energia em separado, tal como um aquecedor de propano, teria de ser usado para completar a perda da energia armazenada. 0 sistema gerador elétrico auxiliar também poderia ser usado. Isso mostra a necessidade de uma combinação do aquecedor solar com o queimador de combustível fóssil auxiliar para prover o calor necessário ao tanque, permitindo que o sistema funcione em uma base contínua e/ou a necessidade de um sistema gerador elétrico auxiliar.

Esta análise, assim, vai além da abordagem de se levar em conta um único dia que deve ser considerado durante os dias de pior caso, isto é, durante a estação do ano de pior caso. No entanto, o processo interativo não fica completo até que a mesma análise discutida acima seja repetida para cada dia de cada estação do ano ou período. Assim, em razão dos históricos da disponibilidade do vento e da demanda de energia tenderem a ser diferentes em diferentes períodos do ano, bem como de um dia para o outro, será necessário repetir o método acima para chegar a uma aproximação do projeto em que a curva de suprimento de energia para a curva do tanque de armazenamento nunca fica abaixo de zero em qualquer dia no curso do ano inteiro. Assim, apesar dos cálculos serem inicialmente feitos para os dias do pior caso, é usualmente necessário fazer a mesma análise para cada dia do ano, de forma que possa ser observado e levado em consideração o efeito coletivo das curvas de suprimento e demanda que está sendo repetido dia após dia.

Com respeito a isso, pode ser visto que, em qualquer análise, o quanto que as curvas de suprimento e demanda possam variar depende de· quanta energia no armazenamento está sendo adicionada e subtraída durante o período. Assim, como discutido anteriormente, na medida em que as curvas de suprimento e demanda realmente mostram eventos que se prolongam de uma forma contínua e que nunca chegam ao fim, é necessário considerar o efeito cumulativo das curvas de suprimento e demanda diários, com a energia sendo adicionada e subtraída durante o curso do ano inteiro, para determinar se qualquer ajuste posterior tem de ser feito para assegurar que a energia no armazenamento nunca se esgote. Isto pode incluir, por exemplo, fazer-se ajustes posteriores no fator X e na área de interceptação de vento (o número total de moinhos de vento a serem instalados), no tamanho do tanque de armazenamento, no tamanho dos coletores solares, na relação entre as estações para uso imediato e as estações para armazenamento de energia, no tamanho do queimador de propano, no tamanho do aquecedor a combustível fóssil, na capacidade e especificações das turbinas eólicas, etc.

Os ajustes que devem ser feitos devem também levar em consideração as mudanças que podem ser necessariamente feitas sob o ponto de vista tanto de acréscimo quanto de decréscimo da quantidade de energia que está sendo suprida pelo sistema para o armazenamento. Assim, em virtude de que, provavelmente, há flutuações nas curvas de suprimento e demanda entre um dia e outro, durante diferentes períodos do ano, pode ser necessário adicionar mais energia no armazenamento durante um período, enquanto que durante um outro período pode ser gerada muito mais energia a partir do armazenamento, o que poderia requerer uma redução na energia que está sendo suprida ao armazenamento. De preferência, a presente invenção leva em consideração os ajustes para ambas as condições.

Esta informação também pode ser utilizada para permitir ajustes adicionais para levar em conta a ineficiência que pode resultar de um projeto de sistema no entorno do cenário do pior caso. Assim, pelo projeto do cenário do pior caso, o sistema pode terminar ficando super-dimensionado para os períodos remanescentes do ano, incluindo as estações do ano ou períodos do melhor caso, os quais podem ocorrer por um período de tempo durante o ano proporcionalmente mais longo do que as estações do ano ou períodos do pior caso. Durante as outras estações do ano ou períodos melhor equilibrados, se for usado o mesmo sistema que está sendo projetado para o cenário do pior caso, provavelmente haverá energia extra produzida pelo sistema que não será usada e, portanto, deverá ser eliminada pelo suspiro ou armazenada em baterias.

Exemplificando, em qualquer época que o suprimento de energia oriunda das estações para uso imediato exceder a demanda de energia, tal excesso de energia será desperdiçado. Isto pode ser vantajoso em algumas situações para instalar baterias ou para permitir a parada de um número apropriado de estações de moinho de vento durante aqueles períodos. Da mesma forma, no caso da energia gerada pelas estações de armazenamento de energia exceder o máximo da capacidade de armazenamento do tanque, deveriam ser usados meios de purga para liberar o excesso de ar do tanque. Alternativamente, um número apropriado de estações de armazenamento de energia poderia ser parado durante aqueles períodos.

Em razão dessas ineficiências, a presente invenção é, de preferência, projetada para incluir um certo número de estações híbridas que podem ser usadas para ajuste posterior da relação entre as estações para uso imediato e para armazenamento de energia, como discutido a seguir.

F. Organizando o Uso de Estações Híbridas

A presente invenção prevê o uso de um número de estações híbridas para tornar possível o cálculo e uso mais eficiente do sistema. Como discutido anteriormente, as estações híbridas são capazes de se intercambiar entre energia gerada para uso imediato e energia gerada para armazenamento e de se repartir entre elas simultaneamente. As estações híbridas são de grande ajuda na medida em que elas podem ser usadas para compensar condições extremas, ou seja, cenários do pior caso que podem ocorrer somente durante uns poucos meses do ano, baseado nos quais é requerido o cálculo do sistema como um todo. Durante o resto do ano, as curvas de disponibilidade de vento e de demanda de energia pode seguir um padrão muito mais correlacionado, caso em que o sistema total pode necessitar de ajuste durante aqueles períodos para permitir, durante o ano todo, a operação em uma base mais efetiva sob o ponto de vista de custos e mais eficiente sob o ponto de vista de energia.

No exemplo anterior, com base nas curvas de suprimento de vento e de demanda de energia, durante a estação do ano em que mais venta, foi verificado ser apropriado instalar 71 estações para uso imediato e 39 estações para armazenamento de energia. Por outro lado, durante a estação do ano em que menos venta, em que as curvas estão bem correlacionadas, os seguintes cálculos podem ser feitos: Com base no fato de que as curvas de suprimento e demanda estejam bem correlacionadas, o método descrito anteriormente pode ter indicado que o fator X de partida poderia ter sido mais próximo de 2,2. Consequentemente, se for presumido que a demanda de energia seja a mesma durante a estação do ano em que manos venta, sendo a demanda máxima de energia de cerca de 2.640 kW, o número total estimado de moinhos de vento que seriam necessários para estarem disponíveis durante a estação do ano em que menos venta pode ser cerca de um-terço daquele necessária durante a estação do ano em que mais venta, ou seja, um total de cerca de 73 moinhos de vento, sendo 48 estações para uso imediato e 25 estações para armazenamento de energia.

Claramente, durante a estação do ano em que menos venta, nem todas as estações de moinho de vento deveriam estar em operação para atender as demandas de energia. De fato, se há suficientes estações para uso imediato instaladas, pode haver poucas ou nenhuma necessidade de estações de armazenamento de energia para serem operadas durante a estação do ano em que menos venta. Quer dizer, se o número de estações para. uso imediato, baseado na estação do ano de pior caso, for 71 estações para uso imediato, aquelas mesmas estações para uso imediato podem prover suficiente energia em uma base continua e constante durante a -estação do ano em que menos venta de forma que pouca ou nenhuma energia para armazenamento seria necessária. Como as estações para uso imediato são mais eficientes, esse pode ser o arranjo mais desejável durante a estação do ano que menos venta.

Mais que isso, mesmo se as 71 estações para uso imediato não forem suficientes o bastante para suprir a energia necessária à região sem qualquer estação para armazenamento de energia, algumas das estações de armazenamento de energia, em principio, poderiam ser instaladas como estações . híbridas de modo que durante a estação do ano em que menos venta, tais estações híbridas podem ser convertidas em estações para uso imediato, a fim de prover a energia necessária. Exemplificando, com base no grau de correlação entre as curvas de suprimento e de demanda e na quantidade dé demanda durante a estação do ano em que menos venta, é verificado se um total de 71 estações para uso imediato forneceriam a energia elétrica necessária em bases continua e constante, se o sistema, inicialmente, seria projetado com 71 estações para uso imediato, 33 estações para armazenamento de energia e 6 estações híbridas, totalizando 110 estações de moinho de vento. Dessa maneira, durante as estações do ano em que mais venta, as estações híbridas podem ser operadas como estações de armazenamento de energia para se chegar à relação de 71 estações para uso imediato e 39 estações para armazenamento de energia, como calculado acima, enquanto que durante as estações do ano em que menos venta, as estações híbridas podem ser operadas como estações para uso imediato para se chegar à relação de 77 estações para uso imediato e 33 estações para armazenamento de energia. Neste caso, a maioria, se não toda, a energia poderia ser provida pelas estações para uso imediato. Todavia, algumas estações de armazenamento de energia devem permanecer em operação para levar em conta circunstâncias em que pode haver uma queda brusca imprevisível no suprimento de vento ou elevação brusca da demanda.

Com respeito a isso, uma outra situação em que as estações híbridas podem ser usadas é quando, após se fazer as interações mencionadas acima, é verificado que a relação entre as estações para uso imediato e as de armazenamento de energia difere de uma estação do ano para outra. De novo, devido ao fato de que as estações para uso imediato são menos caras, em relação aos custos de instalação, e de operação mais eficiente, sob o ponto o ponto de vista de custos, é possível, quando as curvas de suprimento e demanda estão bem correlacionadas, contar com uma porcentagem maior de suprimento de energia total nas estações para uso imediato do que a das estações de armazenamento de energia.

Por exemplo, presumindo que uma situação em que é verificado que a relação ótima para uma estação do ano é meio a meio entre uso imediato e armazenamento de energia, ou seja, 50 estações para uso imediato e 50 estações para armazenamento de energia, enquanto que, durante uma outra estação do ano, a relação ótima pode ser de 30% de uso imediato e 70% de armazenamento de energia, ou seja, 30 estações para uso imediato e 70 estações para armazenamento de energia. Neste caso, sem contar com qualquer estação híbrida, o sistema, provavelmente, teria de ser projetado com 120 estações de moinho de vento, incluindo 50 estação e para uso imediato (para cobrir a relação meio a meio durante a estação de verão) e 70 estações de armazenamento de energia (para cobrir a relação trinta-setenta na estação do inverno). Isto significa que, para projetar o sistema para esta aplicação, devem ser instaladas 120 estações de moinho de vento, mesmo que somente 100 estações ou menos sejam necessárias para um dado período.

Por outro lado, usando uma quantidade de estações híbridas, o número total -de estações que seria necessário instalar pode ser minimizado. No exemplo anterior, o sistema pode ser projetado com um total de 100 estações de moinho de vento e não com 120, ou seja, seria instaladas 30 estações para uso imediato, 50 estações para armazenamento de energia e 20 estações híbridas. Desta forma, durante uma dada estação do ano, o número total de estações que devem ser instaladas não excederá o número total de estações que são requeridas para operar em uma dada época.

Por exemplo, para suprir energia durante a estação do verão, as 20 estações híbridas podem ser convertidas em estações para uso imediato de forma que, efetivamente, há 50 estações para uso imediato, incluindo as 30 estações realmente para uso imediato e 20 estações híbridas (intercambiadas para uso imediato) e 50 estações para armazenamento de energia. Do mesmo modo, durante a estação do inverno, as 20 estações híbridas podem ser convertidas em estações de armazenamento de energia, de forma que, efetivamente, há 70 estações para armazenamento de energia, incluindo as estações realmente para armazenamento de energia e 20 estações híbridas (intercambiadas para armazenamento de energia) e 30 estações para uso imediato. O uso das estações híbridas desta maneira permite que o sistema seja mais eficientemente projetado e usado.

Em qualquer caso, a presente invenção prevê que o sistema seja configurado de modo a maximizar a quantidade de energia que pode ser oriunda da energia eólica, levando- se em consideração quando e quanto vento pode estar disponível numa dada época, e quando e quanta energia é demandada em uma dada época, de modo que o sistema possa ser interligado e operado eficientemente e confiavelmente para prover energia contínua e constante a localidades distantes da rede de distribuição de energia. Apesar de ser, freqüentemente, difícil predizer quando e quanto vento soprará e a extensão dos períodos de demanda, a presente invenção busca usar dados confiáveis como meio de cálculo de certa médias, isto é, com relação ao suprimento de vento e demanda de energia, e usando essas médias como meio de criar um sistema otimizado que pode ser utilizado em praticamente qualquer aplicação.

Claims

1. Sistema de geração e armazenamento de energia eólica, caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade de estações de moinho de vento localizada em uma área predeterminada, em que a dita pluralidade de estações de moinho de vento é dividida em pelo menos dois tipos: um número predeterminado de estações de moinho de vento primárias tendo uma primeira turbina eólica e um gerador elétrico, adaptados e dedicados exclusivamente para converter energia eólica em energia elétrica para uso imediato; e um número predeterminado de estações de moinho de vento secundárias tendo uma segunda turbina eólica, adaptada e dedicada exclusivamente para armazenar a energia produzida pelo vento em pelo menos um tanque de armazenamento, , em que pelo menos um compressor é proporcionado para comprimir ar no dito tanque, pelo menos um dispositivo de expansão é proporcionado para liberar o ar comprimido do dito tanque, e um segundo gerador é proporcionado para converter a energia do ar comprimido em energia elétrica.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma característica selecionada do grupo consistindo de: a. pelo menos um dispositivo de aquecimento para aquecer o ar comprimido, que é liberado e expandido; b. pelo menos um dispositivo de aquecimento que gera calor de energia solar; c. pelo menos um dispositivo ou massa de aquecimento que gera calor do dito pelo menos um compressor; d. pelo menos um dispositivo de aquecimento, que usa a sua própria fonte energética; e. pelo menos um trocador de calor tendo tubos se estendendo pelo dito tanque, em que um fluido aquecido pode ser passado pelos ditos tubos para aumentar a temperatura do ar no interior do dito tanque; e f. pelo menos um dispositivo de refrigeração operativamente conectado ao dito sistema para propiciar que as temperaturas baixas, geradas pelo dito ar comprimido liberado e expandido, sejam usadas para fins de refrigeração.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um número predeterminado de estações híbridas, que podem ser intercambiadas simultaneamente, entre proporcionar energia para uso imediato e proporcionar energia para armazenamento, em que cada uma das ditas estações híbridas compreende uma turbina eólica para gerar energia mecânica, um distribuidor para distribuir a energia mecânica, gerada pelas ditas estações híbridas, em que o dito distribuidor é capaz de repartir e ajustar simultaneamente a quantidade de energia mecânica entre um primeiro conversor, para gerar eletricidade para uso imediato, e um segundo conversor, para gerar energia de ar comprimido em pelo menos um tanque.

4. Método de geração e armazenamento de energia, caracterizado pelo fato de que compreende: prover um número predeterminado de estações de moinho de vento primárias, cada uma delas tendo uma turbina eólica e um gerador elétrico, adaptados e dedicados para converter energia eólica em energia elétrica para uso imediato; prover um número predeterminado de estações de moinho de vento secundárias tendo uma segunda turbina eólica, adaptada e dedicada para armazenar a energia produzida pelo vento em pelo menos um tanque de armazenamento, em que pelo menos um compressor é proporcionado para comprimir ar no dito tanque, pelo menos um dispositivo de expansão é proporcionado para liberar o ar comprimido do dito tanque, e pelo menos um segundo gerador é proporcionado para converter a energia do ar comprimido em energia elétrica; e prover um número predeterminado de estações de moinho de vento híbridas, tendo uma terceira turbina eólica, adaptada e dedicada para converter energia eólica em energia elétrica para uso imediato, e/ou armazenar a energia produzida pelo vento, em que as ditas estações de moinho de vento híbridas podem ser intercambiadas entre prover energia para uso imediato e prover energia para armazenamento.

5. Método de acordo com a reivindicação 4, Caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma etapa selecionada do grupo consistindo de: a. determinar um número predeterminado das ditas primeiras, segundas estações e estações híbridas de moinho de vento, com base nos históricos de vento da área, na qual as estações de vento vão ser localizadas, e nas características de demanda da área na qual a energia das estações vai ser usada; b. determinar o número predeterminado das ditas primeiras, segundas estações e estações híbridas de moinho de vento, com base em uma relação de cerca de 65 por cento de estações de moinho de vento de uso imediato e 35 por cento de estações de moinho de vento de armazenamento de energia; c. considerar outras ponderações de projeto, incluindo o tamanho do dito pelo menos um tanque, a capacidade do compressor, a capacidade do dispositivo de expansão, o número total de estações de moinho de vento a ser instalado, a disponibilidade de um queimador auxiliar, como um suprimento de energia de apoio, e a disponibilidade de um ou mais dispositivos de aquecimento para aquecer o ar comprimido a ser liberado e expandido; d. considerar os históricos de demandas de vento e energia diárias para um determinado local, que são obtidos para períodos predeterminados do ano; e. estimar o número total das ditas primeira e segunda estações de moinho de vento a instalar, com base nos períodos predeterminados do ano de pior desequilíbrio; e f. usar as estações como os períodos predeterminados do ano.

6. Fazenda eólica para gerar e armazenar energia, caracterizada pelo fato de que compreende: uma pluralidade de estações de moinho de vento localizada em uma área predeterminada, em que a dita pluralidade de estações de moinho de vento é dividida em pelo menos três tipos: um número predeterminado de estações de moinho de vento primárias tendo uma primeira turbina eólica e um gerador elétrico, adaptados e dedicados para converter energia eólica em energia elétrica para uso imediato; um número predeterminado de estações de moinho de vento secundárias tendo uma segunda turbina eólica, adaptada e dedicada para armazenar a energia produzida pelo vento em pelo menos um tanque de armazenamento, em que o dito pelo menos um tanque de armazenamento tem associado com ele pelo menos um compressor, para comprimir ar no dito pelo menos um tanque, pelo menos um dispositivo de expansão para liberar o ar comprimido do dito pelo menos um tanque, e um segundo gerador para converter a energia do ar comprimido em energia elétrica; e um número predeterminado de estações de moinho de vento híbridas tendo uma terceira turbina eólica, adaptada e dedicada para converter energia eólica em energia elétrica para uso imediato, e/ou armazenar a energia produzida pelo vento.

7. Fazenda eólica de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que compreende pelo menos uma característica selecionada do grupo consistindo de: a. pelo menos um dispositivo de aquecimento para áquecer o ar comprimido, que é liberado e expandido; b. pelo menos um dispositivo de aquecimento que gera calor de energia solar; c. pelo menos um dispositivo ou massa de aquecimento que gera calor do dito pelo menos um compressor; d. pelo menos um dispositivo de aquecimento, que usa a sua própria fonte energética; e. pelo menos um trocador de calor tendo tubos se estendendo pelo dito tanque, em que um fluido aquecido pode ser passado pelos ditos tubos para aumentar a temperatura do ar no interior do dito tanque; e f. pelo menos um dispositivo de refrigeração para propiciar que as temperaturas baixas, geradas pelo dito ar comprimido liberado e expandido, sejam usadas para fins de refrigeração.

8. Fazenda eólica de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a terceira turbina eólica é adaptada para gerar energia mecânica, e um distribuidor é proporcionado para dividir a energia mecânica gerada pelas ditas estações híbridas, em que o dito distribuidor é capaz de repartir e ajustar simultaneamente a quantidade de energia mecânica entre um primeiro conversor, para gerar eletricidade para uso imediato, e um segundo conversor, para gerar energia de ar comprimido em pelo menos um tanque.

9. Sistema de geração e armazenamento de energia êólica, caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade de estações de moinho de vento localizada em uma área predeterminada, em que a dita pluralidade de estações de moinho de vento é dividida em pelo menos dois tipos: um número predeterminado de estações de moinho de vento primárias tendo uma turbina eólica e um gerador elétrico, adaptados e dedicados exclusivamente para converter energia eólica em energia elétrica para uso imediato; e um número predeterminado de estações de moinho de vento secundárias tendo uma turbina eólica, adaptada para armazenar a energia produzida pelo vento em pelo menos um tanque de armazenamento, em que pelo menos um compressor é proporcionado para comprimir ar no dito tanque, pelo menos um dispositivo de expansão é proporcionado para liberar o ar comprimido do dito tanque, e um segundo gerador é proporcionado para converter a energia do ar comprimido em energia elétrica.

10. Sistema de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma característica selecionada do grupo consistindo de: a. pelo menos um dispositivo de aquecimento para aquecer o ar comprimido, que é liberado e expandido; b. pelo menos um dispositivo de aquecimento que gera calor de energia solar; c. pelo menos um dispositivo ou massa de aquecimento que gera calor do dito pelo menos um compressor; d. pelo menos um dispositivo de aquecimento, que usa a sua própria fonte energética; e. pelo menos um trocador de calor tendo tubos se estendendo pelo dito tanque, em que um fluido aquecido pode ser passado pelos ditos tubos para aumentar a temperatura do ar no interior do dito tanque; e f. pelo menos um dispositivo de refrigeração operativamente conectado ao dito sistema para propiciar que as temperaturas baixas, geradas pelo dito ar comprimido liberado e expandido, sejam usadas para fins de refrigeração.

11. Sistema de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um número predeterminado de estações híbridas, que podem ser intercambiadas simultaneamente, entre proporcionar energia para uso imediato e proporcionar energia para armazenamento, em que cada uma das ditas estações híbridas compreende uma turbina eólica para gerar energia mecânica, um distribuidor para distribuir a energia mecânica, gerada pelas ditas estações híbridas, em que o dito distribuidor é capaz de repartir e ajustar simultaneamente a quantidade de energia mecânica entre um primeiro conversor, para gerar eletricidade para uso imediato, e um segundo conversor, para gerar energia de ar comprimido em pelo menos um tanque.

12. Sistema de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma característica selecionada do grupo consistindo de: a. um número predeterminado das ditas primeiras e segundas estações de moinho de vento, com base nos históricos de vento da área, na qual as estações de vento vão ser localizadas, e nas características de demanda da área na qual a energia das estações vai ser usada; b. um número predeterminado das ditas primeiras e segundas estações de moinho de vento, com base em uma relação de cerca de 65 por cento de estações de moinho de vento de uso imediato e 35 por cento de estações de moinho de vento de armazenamento de energia; c. em que o número predeterminado das ditas primeiras e segundas estações de moinho de vento considera outras considerações de projeto, incluindo o tamanho do dito pelo menos um tanque, a capacidade do compressor, a capacidade do dispositivo de expansão, o número total de estações de moinho de vento a ser instalado, a disponibilidade de um queimador auxiliar, como um suprimento de energia de apoio, e a disponibilidade de um ou mais dispositivos de aquecimento para aquecer o ar comprimido a ser liberado e expandido; d. em que o número predeterminado das ditas primeiras e segundas estações de moinho de vento considera os históricos de demandas de vento e energia diárias para um determinado local, que são obtidos para períodos predeterminados do ano; e. em que o número predeterminado das ditas primeiras e segundas estações de moinho de vento é estimado, com base nos períodos predeterminados do ano de pior desequilíbrio; f. em que os períodos predeterminados do ano são as estações; e g. em que as ditas segundas estações de moinho de vento são dedicadas exclusivamente a prover energia para armazenamento.

13. Método de operação de uma fazenda eólica, tendo uma pluralidade de estações de turbina eólica, capaz de prover energia para um local predeterminado, caracterizado pelo fato de que compreende: a. obter o histórico da disponibilidade dos ventos para o local da fazenda eólica, durante intervalos de tempo predeterminados; b. determinar os históricos de demanda de energia para o local predeterminado, durante os ditos intervalos de tempo predeterminados; c. comparar os históricos de disponibilidade de vento com os históricos de demanda de energia, para os ditos intervalos de tempo predeterminados, e determinar, durante tal período ou períodos do ano os históricos de disponibilidade de vento que estão mais estritamente relacionados com os históricos de demanda de energia; d. determinar o número total de turbinas eólicas a ser instalado e/ou usado, com base na área de interceptação de cada turbina eólica a ser usada, e considerando os históricos e as comparações de disponibilidade de vento e demanda de energia, durante o dito período ou períodos do ano menos estritamente relacionados; e. determinar a relação entre o número total de turbinas eólicas, a ser dedicado a prover energia para uso imediato, e o número total de turbinas eólicas, a ser dedicado a prover energia para armazenamento de energia, considerando os históricos e as comparações de disponibilidade de vento e demanda de energia, durante o dito período ou períodos do ano menos estritamente relacionados; e f. prover um número predeterminado de estações de turbina eólica dedicado a prover energia para uso imediato e prover um número predeterminado de estações de turbina eólica dedicado a prover energia para armazenamento de energia, com base na dita relação.

14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende a etapa adicional de prover um número predeterminado de estações de turbina eólica híbridas, que pode ser intercambiado entre prover energia para uso imediato e prover energia para armazenamento.

15. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos uma etapa tirada do grupo consistindo de: a. determinar os ditos intervalos de tempo predeterminados como sendo de 24 horas; b. determinar os ditos períodos do ano como sendo estações do ano; c. determinar o número total de turbinas eólicas com base na fórmula: área de interceptação = (X * P) / (C * 0,5 * Rho * U3) , em que X é um fator que considera a comparação entre as curvas dos histórico de energia eólica e histórico de demanda de energia, P é a demanda de energia de pico para o intervalo de tempo predeterminado, C é baseado no tamanho da turbina eólica selecionada, "Rho" é 1,22 kg/m3 (0,076 Ib massa / ft3) e U é 15,25 m/s (50 ft/s); d. determinar o fator X de partida, baseado se há iam desequilíbrio significativo entre os históricos de disponibilidade de vento e demanda de energia, durante os intervalos de tempo predeterminados, e/ou considera a disponibilidade de outras fontes energéticas, tal como energia solar, durante os intervalos de tempo predeterminados; e e. determinar a dita relação para que seja mantida inicialmente a 65% de uso imediato e 35% de armazenamento de energia, e o fator X seja ajustado com base nos históricos e comparações de disponibilidade de vento e demanda de energia, para projetar um sistema no qual a quantidade de energia disponível armazenada é calculada para não se esgotar.

16. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que compreende ainda comparar os históricos de disponibilidade de vento com os históricos de demanda de energia para os ditos intervalos de tempo predeterminados, e determinar durante que período ou períodos os históricos de disponibilidade de vento estão mais estritamente relacionados com os históricos de demanda de energia, em que o método compreende pelo menos uma etapa tirada do grupo consistindo de: a. determinar o número total de estações de turbina a gás, dedicadas para uso imediato e armazenamento de energia, que vão ser necessárias para proporcionar energia para o local predeterminado, de modo ininterrupto, contínuo, durante o período ou períodos mais estritamente relacionados; b. determinar as diferenças entre os números totais de éstações de turbina eólica para uso imediato e armazenamento de energia, que vão ser necessários durante o período ou períodos menos relacionados estritamente e mais relacionados estritamente; e c. determinar uma segunda relação entre o número total de turbinas eólicas a serem dedicadas para prover energia para uso imediato e o número total de turbinas eólicas a serem dedicadas para prover energia para armazenamento de energia, considerando os históricos e comparações de disponibilidade de vento e demanda de energia, durante o período ou períodos do ano mais estritamente relacionados.