BR102012016640B1 - método de fabricação de pás de turbinas eólicas de comprimento otimizado e pá de turbina eólica - Google Patents

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Abstract

MÉTODO DE FABRICAÇÃO DE PÁS DE AEROGERADOR DE COMPRIMENTO VARIÁVEL. Método de fabricação de pás de aerogerador de comprimento variável. O método compreende as etapas de proporcionar e usar moldes alongados de fabricação (41, 43, 45, 47) com uma zona comum (13) de um comprimento predeterminado e, pelo menos, uma zona adaptável (15) disposta com o comprimento necessário para a fabricação de pás com o comprimento desejado e, particularmente, com o comprimento requerido para a otimização da produção anual de energia (AEP) de um modelo de aerogerador predeterminado em uma localização determinada.

Description

[0001] A presente invenção se refere em geral a um método de fabricação de pás de turbina eólica de comprimento variável.
ANTECEDENTES
[0002] Os turbinas eólicas incluem um rotor que suporta várias pás que se estendem radialmente para capturar a energia cinética do vento e causam um movimento rotatório de um trem de potência acoplado a um gerador elétrico para produzir energia elétrica.
[0003] A quantidade de energia produzida pelos turbinas eólicas depende da superfície de varrimento do rotor de pás que recebe a ação do vento e, consequentemente, o incremento do comprimento das pás implica normalmente um aumento da produção de energia do turbina eólica.
[0004] A energia produzida por um turbina eólica depende, entre outros fatores, do diâmetro do rotor e das características do vento no lugar onde está instalado o turbina eólica.
[0005] Para otimizar a energia produzida na localização do turbina eólica, o procedimento habitual de seleção do turbina eólica mais apropriado é o seguinte: Identificar as características do vento na localização (velocidade máxima, velocidade média, turbulência ...). Determinar a classe de localização (I, II ou III), de acordo com os padrões internacionais (IEC-61400-1).
[0006] Selecionar o modelo de turbina eólica apropriado para a localização. Os fabricantes de turbinas eólicas costumam oferecer turbinas eólicas com pás específicas para cada classe. Em localizações de ventos baixos têm pás mais longas que em localizações de ventos altos para que as cargas induzidas no turbina eólica sejam similares.
[0007] Este procedimento conduz a uma classificação muito ampla de localizações (somente três níveis), de modo que se uma localização está a meio caminho entre os limites de duas classes pode ser selecionado um turbina eólica sobre-dimensionado. Neste caso, a escolha do diâmetro ótimo do rotor para a subclasse intermediária significaria uma otimização da produção anual de energia (AEP).
[0008] A adaptação de um turbina eólica a restrições da localização incluindo a seleção de um comprimento de pá adaptável às características da localização é discutida no documento US 2009/0169390. E proposta a provisão de um kit de peças compreendendo vários módulos para a montagem de uma pá de rotor modular, em que os distintos módulos compreendem pelo menos um módulo de tipo raiz e pelo menos um módulo de tipo ponta e pelo menos um módulo adicional de tipo raiz ou tipo ponta, em que o pelo menos módulo adicional tem uma forma diferente em comparação com o outro módulo do mesmo tipo. Por último, é proporcionado um método para a adaptação de um rotor de um turbina eólica a uma restrição da localização.
[0009] Portanto, o ensinamento do documento US 2009/0169390 está limitado a proporcionar uma série de módulos de pás de turbinas eólicas, fabricados de acordo com os procedimentos habituais, para a seleção de um conjunto apropriado para a montagem de uma pá adaptável a uma restrição da localização.
[00010] O problema desta abordagem é que não proporciona pás com o comprimento ótimo para cada localização particular.
[00011] Esta invenção está dirigida à solução deste problema.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[00012] Um objeto desta invenção é proporcionar pás para turbinas eólicas de umas determinadas características (isto é, para modelos específicos de turbinas eólicas) com o comprimento ótimo para uma localização particular.
[00013] Outro objeto desta invenção é proporcionar um método de fabricação de pás de turbinas eólicas de comprimento variável.
[00014] Estes e outros objetos são alcançados por meio de um método de fabricação de pás de turbinas eólicas de comprimento variável com meios de conexão com o cubo do rotor que compreende as etapas de proporcionar e usar moldes alongados de fabricação com uma zona comum de um comprimento predeterminado e, pelo menos, uma zona adaptável disposta com o comprimento necessário para a fabricação de pás com o comprimento desejado,
[00015] Em modalidades da invenção, o dito comprimento desejado é o comprimento requerido para a otimização da produção anual de energia (AEP) de um modelo de turbina eólica predeterminado em uma localização determinada. Desta maneira é conseguido um método de fabricação que permite a fabricação de pás de turbinas eólicas com o comprimento ótimo para uma determinada localização melhorando, portanto a situação atual em que somente há uma oferta de um conjunto limitado de pás de diferente comprimento para um dado modelo de turbina eólica.
[00016] Em modalidades da invenção, os ditos moldes alongados de fabricação são proporcionados e usados para pás inteiras ou, em pás divididas em, pelo menos um módulo interior e um módulo exterior, para o módulo interior; estando localizada a dita zona adaptável no lado correspondente à raiz da pá. Desta maneira é conseguido um método de fabricação de pás de turbinas eólicas de comprimento variável em que o dito comprimento variável se concentra na zona da raiz, onde há pequenas variações na geometria das pás.
[00017] Em modalidades da invenção para pás divididas em um módulo interior e um módulo exterior os moldes alongados de fabricação são proporcionados e usados para o módulo interior e/ou o módulo exterior; estando localizada a dita zona adaptável ou as ditas zonas adaptáveis no lado em contato com o outro módulo. Desta maneira são conseguidos métodos de fabricação de pás de turbinas eólicas de comprimento variável em que o dito comprimento variável se concentra na extremidade distai do módulo interior e/ou na extremidade frontal do módulo exterior em que um aumento do comprimento pode ter um efeito significativo na AEP.
[00018] Em modalidades da invenção para pás divididas em um módulo interior, um módulo exterior e um módulo intermediário entre os mesmos, os ditos moldes alongados de fabricação são proporcionados e usados para o módulo intermediário; estando localizada a dita zona adaptável ou as ditas zonas adaptáveis em qualquer dos lados em contato com os módulos interior e exterior ou em ambos lados. Desta maneira são conseguidos métodos de fabricação de pás de turbinas eólicas de comprimento variável em que o dito comprimento variável se concentra em um módulo intermediário.
[00019] Em modalidades da invenção, cada zona adaptável em uma seção central da pá está configurada com a mesma seção transversal que a seção transversal da zona comum contígua em todo o seu comprimento. Desta maneira é conseguido um método de fabricação de pás de turbinas eólicas de comprimento variável que permite uma adaptação do comprimento da pá às características da localização previsto para a mesma a um custo baixo.
[00020] Em modalidades da invenção, cada zona adaptável em uma seção central da pá está configurada com uma seção transversal variável correspondente à seção de pá de forma ótima na dita zona (utilizando, por exemplo, moldes flexíveis). Desta maneira é conseguido um método de fabricação de pás de turbinas eólicas de comprimento variável que permite uma adaptação completa do comprimento da pá às características da localização previsto para a mesma para a otimização da AEP.
[00021] Em modalidades da invenção, o comprimento de cada zona adaptável em cada um dos ditos moldes alongados de fabricação está compreendido entre 1 % - 15 % do comprimento da zona comum. Por sua parte o comprimento do módulo intermediário está compreendido entre 10 % - 30 % do comprimento da pá. Estas proporções evitam possíveis efeitos prejudiciais devido ao uso dos moldes alongados de fabricação mencionados.
[00022] Outras características e vantagens da presente invenção ficaram aparentes a partir da seguinte descrição detalhada em relação com as figuras anexas.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[00023] A Figura 1a mostra vistas esquemáticas em perspectiva dos principais componentes do módulo interior de uma pá de turbina eólica.
[00024] A Figura 1b mostra vistas esquemáticas em perspectiva dos principais componentes do módulo exterior de uma pá de turbina eólica.
[00025] A Figura 2 mostra esquematicamente os moldes alongados de fabricação com uma zona de adaptável na raiz que se usam para a fabricação de um módulo interior de comprimento variável de acordo com a presente invenção e a Figura 3 mostra esquematicamente os moldes alongados de fabricação desta zona.
[00026] A Figura 4 mostra esquematicamente os moldes alongados de fabricação com uma zona adaptável ao final que se usam para a fabricação de um módulo interior de comprimento variável de acordo com a presente invenção.
[00027] A Figura 5 mostra esquematicamente os moldes alongados de fabricação com uma zona adaptável ao princípio que se usam para a fabricação de um módulo exterior de comprimento variável de acordo com a presente invenção.
[00028] A Figura 6 mostra uma pá de turbina eólica dividida em um módulo interior e um módulo exterior com um comprimento ótimo para uma determinada localização fabricada com moldes alongados de fabricação com três zonas adaptáveis.
[00029] A Figura 7 mostra uma pá de turbina eólica dividida em um módulo interior, um módulo intermediário e um módulo exterior.
[00030] A Figura 8 mostra esquematicamente os moldes alongados de fabricação com duas zonas adaptáveis que se usam para a fabricação de um módulo intermediário de comprimento variável de acordo com a presente invenção.
[00031] A Figura 9 mostra esquematicamente um exemplo de um molde alongado de fabricação que pode ser utilizado nos métodos de fabricação ilustrados nas Figuras 4, 5 e 8.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS
[00032] Esta invenção se refere a pás de turbina eólica adaptáveis em comprimento compreendendo pás de turbinas eólicas fabricadas como peças inteiras únicas e pás de turbinas eólicas fabricadas por módulos, particularmente um módulo interior e um módulo exterior. Para resolver os problemas apresentados particularmente pelo transporte de pás longas, a divisão da pá em duas ou mais seções longitudinais provistas com meios de união é uma solução bem conhecida na técnica.
[00033] Como se ilustra nas Figuras 1a e 1b o módulo interior 23 de uma pá de comprimento L1 está formado por uma viga 25 (que pode estar dividida em vários painéis) e umas conchas superior e inferior 27, 29 e o módulo exterior 33 de uma pá de um comprimento L2 está formada por uma viga 35 e umas conchas superior e inferior 37, 39. Muitas outras configurações da pá são possíveis.
[00034] Em qualquer caso, todos os componentes básicos dos ditos módulos interior e exterior 23, 33 estão fabricados com moldes de fabricação apropriados (preferivelmente moldes fêmea) para cada componente individual do módulo tendo, respectivamente, a mesmo comprimento que o comprimento L1 ou L2 do módulo correspondente. A seguir, todos os componentes se unem. Durante o processo de fabricação são proporcionados aos módulos interior e exterior os meios de união entre os mesmos e com o cubo do rotor, tais como os descritos por exemplo no documento WO 2005/100781, documento WO 2006/103307, documento WO 2007/051879 a nome do requerente.
[00035] Em uma primeira modalidade, o método de fabricação de acordo com a presente invenção para a fabricação de um módulo interior 23 de um comprimento L1 {ou uma pá inteira fabricada como uma peça única), com meios de união 18, 20 com, respectivamente, o cubo do rotor e o módulo exterior 33, é levado a cabo, como se ilustra na Figura 2, utilizando moldes alongados de fabricação 41 (que compreendem todos os moldes necessários para a fabricação de todos os seus componentes) tendo uma zona comum 13 de um comprimento L0i e uma zona adaptável 15 na raiz de um comprimento AL0i compreendido preferentemente entre 1-15 % de LO.
[00036] Se o módulo interior 23 (ou a pá inteira) a ser fabricado tiver que ter, por exemplo, um comprimento de L1 = L01+0,05*L01, os moldes alongados 41 devem estar dispostos para esse comprimento durante o processo de fabricação colocando na posição 17' determinada pelo dito comprimento L0i+0,05*L01 o gabarito dos meios de união 18 (preferentemente insertos metálicos) com o cubo do rotor.
[00037] Como se ilustra na Figura 3, a dita zona adaptável 15 é uma zona sem variações significativas na sua seção transversal entre as posições de extremidade 17, 17" dos ditos meios de união 18.
[00038] Em uma segunda modalidade, o método de fabricação de acordo com a presente invenção para a fabricação de um módulo interior 23 de um comprimento L1 com meios de união 18, 20 com, respectivamente, o cubo do rotor e o módulo exterior 33, é levado a cabo, como se ilustra na Figura 4, utilizando moldes alongados de fabricação 43 tendo uma zona comum 13 de um comprimento LO, e uma zona adaptável 15 ao final de um comprimento ALO, compreendido preferentemente entre 1-15 % de L0i.
[00039] Se o módulo interior 23 a ser fabricado tiver que ter, por exemplo, um comprimento de L1 = L01+(),05*LOi, os moldes alongados de fabricação 43 devem estar dispostos para esse comprimento durante o processo de fabricação. Portanto devem ser proporcionados moldes de fabricação adicionais para a dita zona adaptável 15 com a mesma seção transversal que a seção transversal final da zona comum 13 ou com uma seção transversal de forma variável,
[00040] Em uma terceira modalidade, o método de fabricação de acordo com a presente invenção para a fabricação de um módulo exterior 33 de um comprimento L2 com meios de união 30 com o módulo interior 23, é levado a cabo, como se ilustra na Figura 5, utilizando moldes alongados de fabricação 45 tendo uma zona comum 13 de um comprimento L02 e uma zona adaptável 15 ao final de um comprimento AL02 compreendido preferentemente entre 1-15 % de L02.
[00041] Se o módulo exterior 33 a ser fabricado tiver que ter, por exemplo, um comprimento de L2 = L02+0,05*L02l os moldes alongados de fabricação 45 devem estar dispostos para esse comprimento durante o processo de fabricação. Portanto devem ser proporcionados moldes de fabricação adicionais para a dita zona adaptável 15 com a mesma seção transversal que a seção transversal final da zona comum 13 ou com uma seção transversal de forma variável.
[00042] As modalidades mencionadas podem ser combinadas, de maneira que o comprimento das zonas adaptáveis 15 possam alcançar um comprimento, como se ilustra na Figura 6, compreendido entre 1-30 % de L0i no módulo interior 23 mais um comprimento compreendido entre 1-15 % de L02 no módulo exterior 33.
[00043] Em uma quarta modalidade, o processo de fabricação de acordo com a presente invenção é disposto, como se ilustra nas Figuras 7 e 8, para a fabricação de um módulo intermediário extra 29, com meios de união 32, 34, respectivamente, com o módulo interior 23 e o módulo exterior 33, utilizando moldes alongados de fabricação 47 tendo uma zona comum 13 de um comprimento L03 e uma zona adaptável 15 ao início e/ou ao final de um comprimento AL03 compreendido preferentemente entre 1-15 % de L03, estando compreendido o comprimento máximo do módulo intermediário 29 entre 10-30 % do comprimento total da pá,
[00044] Se o módulo interior 29 a ser fabricado tiver que ter, por exemplo, um comprimento L3, os moldes alongados de fabricação 47 devem estar dispostos para esse comprimento durante o processo de fabricação. Portanto devem ser proporcionados moldes de fabricação adicionais para as ditas zonas adaptáveis 15 com a mesma seção transversal que a seção transversal final da zona comum 13 ou com uma seção transversal de forma variável.
[00045] A configuração da seção transversal das ditas zonas adaptáveis 15 ao finai do módulo interior 23, ao início do módulo exterior 33 ou ao princípio ou ao final do módulo intermediário 29 com uma forma constante facilita a fabricação de pás de comprimento variável, mas a forma final da pá não é uma forma ótima aerodinamicamente. A Figura 9 mostra esquematicamente um exemplo de um molde 50 para uma concha nas ditas zonas adaptáveis 15 com um gabarito móvel 51.
[00046] A configuração da seção transversal das ditas zonas adaptáveis 15 ao final do módulo interior 23, ao início do módulo exterior 33 ou ao princípio ou ao final do módulo intermediário 29 com uma forma variável de maneira que a forma final da pá seja o mais próximo possível a uma forma ótima aerodinamicamente requer moldes adequados que podem ser proporcionados como moldes rígidos ad-hoc ou moldes flexíveis adaptados.
[00047] A instalação de pás de diferente comprimento em um mesmo tipo de turbina eólica em sítios de características diferentes para a otimização da AEP pode produzir efeitos em várias características das turbinas eólicas tais como o ruído da ponta de pá, a deflexão da pá e as frequências próprias da pá que devem ser levadas em conta durante a preparação do sistema de controle da turbina eólica.
[00048] Em qualquer caso, as margens mencionadas anteriormente para as zonas adaptáveis 15 foram fixadas para minimizar qualquer efeito prejudicial.
[00049] Embora a presente invenção tenha sido descrita inteiramente em conexão com modalidades preferidas, é evidente que podem ser introduzidas aquelas modificações dentro do seu escopo, não considerando este como limitado pelas modalidades anteriores, mas pelas seguintes reivindicações.

Claims (10)

1. Método de fabricação de pás de turbinas eólicas de comprimento otimizado com meios de conexão com o cubo do rotor e/ou com um molde proximal, compreendendo as etapas de proporcionar e usar moldes alongados de fabricação, que compreendem todos os moldes necessários para fabricação de seus componentes (41, 43, 45, 47), caracterizado por os moldes de fabricação alongados compreender, uma zona comum (13) de um comprimento predeterminado requerido para a otimização da produção anual de energia (AEP) de um modelo de turbina eólica predeterminado em uma localização determinada e, pelo menos, uma zona adaptável (15) disposta na raiz de um comprimento disposta com o comprimento e/ou a seção transversal necessário para a fabricação de pás com o comprimento total desejado, e os ditos moldes alongados de fabricação (41) serem proporcionados e usados para pás inteiras ou, em pás divididas em pelo menos um módulo interior (23) e um módulo exterior (33), para o módulo interior (23); a dita zona adaptável (15) estar localizada no lado correspondente à raiz da pá.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os meios de conexão (18) com o cubo do rotor estarem colocados dentro da dita zona adaptável (15) na posição (17') prevista para a extremidade frontal do módulo interior correspondente à raiz da pá.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, - as pás estarem divididas em um módulo interior (23) e um módulo exterior (33); - os ditos moldes alongados de fabricação (43, 45) serem proporcionados e usados para o módulo interior (23) e/ou para o módulo exterior (33); - a dita zona adaptável ou as ditas zonas adaptáveis (15) estarem localizadas no lado em contato com o outro módulo.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, - as pás estarem divididas em um módulo interior (23), um módulo exterior (33) e um módulo intermediário (29) entre eles; - os ditos moldes alongados de fabricação (47) serem proporcionados e usados para o módulo intermediário (29); - a dita zona adaptável ou as ditas zonas adaptáveis (15) estarem localizadas em qualquer dos lados em contato com os módulos interior e exterior (23, 33) ou em ambos lados.
5. Método de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado por cada zona adaptável (15) em uma seção central da pá estar configurada com a mesma seção transversal que a seção transversal da zona comum (13) contígua em todo o seu comprimento.
6. Método de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado por cada zona adaptável (15) está configurada com uma seção transversal variável correspondente à seção de pá de forma ótima na dita zona adaptável (15).
7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por na dita zona adaptável (15) os moldes alongados de fabricação (43, 45, 47) serem moldes flexíveis.
8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por o comprimento de cada zona adaptável (15) em cada um dos ditos moldes alongados de fabricação (41, 43, 45, 47) estar compreendido entre 1 % - 15 % do comprimento da zona comum (13).
9. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o comprimento do módulo intermediário (29) estar compreendido entre 10 % - 30 % do comprimento da pá.
10. Pá de turbina eólica, caracterizada por ser fabricada com um método de fabricação como definido em qualquer das reivindicações 1 a 9.
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