BR102013005496A2 - turbina eàlica geradora de energia elÉtrica com tecnologia naval - Google Patents

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Abstract

TURBINA EàLICA GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA COM TECNOLOGIA NAVAL. Turbina Eólica de Geração de Energia Elétrica em questão, que pode ser onshore e offshore, com foco na geral redução estrutural devido à drástica redução de materiais na Nacelle, na torre, na fundação e trazer para base da torre grande parte dos equipamentos proporcionando redução de capex trazendo novas e significativas reduções de custos na operação e manutenção das turbinas reduzindo o valor da potência instalada (MW instalado) em um parque eólico. A transmissão da energia mecânica proveniente do rotor é feita por um sistema de eixo vertical ao longo da torre que utiliza tecnologia naval apoiada por plataformas para neutralizar harmônicas e conectada uma transmissão H/Vst, V/Hmvst acopladas através de junta de contração e expansão. Além disso, o sistem de orientação de rotor (YAW control) interligado ao controle do torque da das transmissões, ao controle dos freios e ao controle de passo de hélice que permite o posicionamento do rotor. A invenção permite comunicação via rádio entre torres e com uma central de controle em uma interface aérea, o que aumenta a confiabilidade geral do sistema, assim como introduz uma malha de segurança inexistente atualmente.

Description

"TURBINA EÓLICA GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA COM TECNOLOGIA NAVAL"
Estado da técnica
A presente patente de invenção trata-se de uma nova turbina eólica de geração de energia elétrica que irá revolucionar o conceito e a indústria de aerogeradores de grande porte. Sendo o objetivo principal deste documento apresentar as disposições técnicas de um modelo inovador de aerogerador de grande porte que possui total viabilidade técnica em sua aplicação industrial.
Energia é infraestrutura básica essencial para a sobrevivência e o desenvolvimento humano e nossa tecnologia possui o diferencial de ser limpa, renovável e de baixíssimo custo. De acordo com a ONU e a comunidade científica internacional precisamos fazer uma rápida mudança para uma economia de baixo carbono, que consuma menos recursos naturais gerando menos gases de efeito estufa em seu desenvolvimento, evitando assim o aquecimento do planeta Terra. Para assegurarmos o futuro das próximas gerações tecnologias de energias limpas e renováveis como a eólica pode desempenhar um papel relevante nessa transição. Por essas e outras razões a energia eólica tem crescido mundialmente nos últimos cinco anos a taxas elevadíssimas, representando a cada dia uma maior participação na matriz energética brasileira e mundial.
O estado da técnica apresenta turbinas, nas quais 90% dos equipamentos se encontram numa nacelle localizado na parte superior de uma torre, o que provoca uma concentração exagerada de massa nesta posição, em alguns casos chegando a centenas de toneladas que devem ser suportadas a uma altura de mais de 120 m e ainda ser capaz de se orientar conforme a direção do vento de modo a aproveitar o máximo da energia aerodinâmica disponível.
Como atualmente se concentra na nacelle o sistema de geração de energia elétrica, existe a geração de campos eletromagnéticos intensos, que impede a operação de sistemas de comunicação de dados via rádio entre as torres eólicas (rádios ponto a ponto e ponto a multipontos entre as torres), de modo que os atuais sistemas de controle podem possuir rádios que se comunicam apenas entre a nacelle e a parte inferior da própria torre e posteriormente a troca de dados ocorrem por longos cabos subterrâneos que estão sujeitos a falhas inerentes a este tipo de comunicação, o que não é desejável especialmente nas situações de emergência em que sistemas de mitigação de falhas devam atuar rápida e eficientemente.
Outra desvantagem de se ter o gerador e diversos componentes localizados a mais de 100 m de altura é a dificuldade de se realizar as manutenções necessárias ao bom funcionamento deste tipo de equipamento, além de representar risco adicional aos trabalhadores envolvidos.
Para tentar resolver este problema, foram feitas tentativas, como descrito em GB2256010 de C.K. Mong, em que uma turbina de geração de energia eólica com transmissão mecânica para um dínamo localizado a base da torre é descrita, porém não contempla o controle balanceado de torque. Além de não prever um sistema de orientação ativo do rotor (YAW control) oque caracteriza uma máquina de baixa potência de geração de energia elétrica e o sistema aerodinâmico identificado na indicação (40) não é suficiente para sobrepor a força para o correto controle de posicionamento do rotor o que resulta em situações nas quais se precisa orientá-lo contra ou a favor ao sentido de rotação do eixo principal, o que levará a uma reduzida eficiência de aproveitamento da energia mecânica do fluxo de vento, pelo fato de o rotor não estar corretamente alinhado o que pode provocar falhas mecânicas e em casos extremos até a ruptura do eixo de transmissão vertical e em vários outros problemas agravados em serias conseqüências.
De modo análogo os documentos EP1240443 (A1) de G. Bauer e G.
Berger, e W02011081401 de J.M. Yoon, tentam reduzir o peso da nacelle através da transmissão mecânica de movimento para a base da torre, com controle de torque feito por um sistema de caixa de engrenagens diferencial, de larga aplicação em outros campos do saber, como por exemplo, a indústria automobilística. Esta solução apresenta limitações quanto à potência máxima a ser transmitida, já que conforme ocorre à transmissão da energia de rotação o sistema de diferencial gera uma força que se opõe ao movimento, o que resulta em perdas de eficiência.
Além disso, não se mencionam sistemas de controle de passo das hélices (Pitch control) e nem sistemas de freios. Não são apresentados meios apropriados de orientação do rotor e os sistemas de refrigeração das engrenagens. A falta destes componentes leva a concluir que este tipo solução é aplicada para turbinas de baixa potência elétrica.
Outro fato relevante deixado de lado pelas três proposições é a gama de esforços mecânicos que uma estrutura longa e delgada como essa sofre: torções, flexões (Flexo torções), compressão e tração do eixo vertical nos componentes, flambagem, vibrações e dilatações e contrações térmicas. Todas estas distorções mecânicas aero elásticas resultam em desalinhamentos e alterações dimensionais que comprometerão o correto funcionamento do sistema de transmissão de energia mecânica tanto em sua eficiência global, quanto pelo desgaste excessivo de peças e partes, gerando maior necessidade de manutenção, diminuindo a vida útil do sistema e possíveis danos irreparáveis.
Também não há menção à possibilidade de se explorar a ausência de ruído eletromagnético na nacelle de modo a se aprimorar os sistemas de controle, comunicação e segurança das instalações.
Descrição da Invenção
Vislumbrando a utilização de sistemas inovadores de última tecnologia em equipamentos eólicos de geração de energia elétrica foi criada a "TURBINA EÓLICA GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA COM TECNOLOGIA NAVAL", em questão, com o objetivo de reduzir o valor da potência instalada (MW instalado) em um parque eólico em uma máquina suscetível de aplicação industrial bem diferente dos projetos conhecidos que utilizam uma transmissão vertical ao longo da torre e que também tem sua Nacelle no solo. Uma questão central desta tecnologia e de extrema importância é que a mesma permite ganho de escala nos projetos eólicos, permitindo assim, o aumento das potências das turbinas sem o correspondente aumento de toda a estrutura. Portanto com esta tecnologia será possível atingir potências nunca antes alcançadas em turbinas eólicas levando o custo do MW instalado a valores nunca antes imaginados.
A turbina eólica de eixo horizontal objeto da presente patente utiliza a força do vento para acionar um Rotor axial multe pás ativo que alteram o passo destas hélices (Hub com controle ativo de passo das hélices) que se comunica com uma estação meteorológica próxima ao Rotor para o melhor aproveitamento dos ventos e também frenagens, levando o ângulo de ataque a zero graus (embandeiramento das hélices) ou ângulo negativo para frear a turbina (força contrária ao sentido de rotação), este rotor é fixado a um eixo principal (Main shaft) que é apoiado por um Skid reforçado (Main frame) para sustentar todo o Rotor e possui mancais com rolamentos especiais para neutralizar as forças axiais presentes nesta região da máquina e sustentar todo o conjunto do rotor de forma adequada. Estes rolamentos possuem sistemas de bombeamento de óleo de lubrificação. Acoplado ao eixo principal existe um disco de freio (Sistema de freio superior) acionado por pinças hidráulicas cujo sistema de controle hidráulico superior é fixado ao Skid (Main frame). O Skid em questão possui motoredutores (YAW Drive system) responsáveis pelo controle de posicionamento de toda estrutura superior de forma a posicionar o rotor perpendicularmente a incidência dos ventos (nossa máquina tem incidência frontal dos ventos nas hélices (Upwind)). Este Skid é fixado a um rolamento especial (este rolamento possui uma coroa dentada que permite que os motoredutores e seus pinhões dentados rotacionem mecanicamente todo conjunto superior) de grande porte que por sua vez acopla todo este conjunto superior à torre de sustentação da turbina eólica. O nome usual para este conjunto superior entre o Rotor e a torre é chamado de Nacelle como mencionado no inicio deste documento, portando todos os itens citados acima estão dentro ou conectados a nossa Nacelle. Outros itens que também fazem parte de nossa máquina são os sistemas de aterramento (escovas, cordoalhas, cabos, etc), cabos de controle, cabos de alimentação elétrica, sensores gerais, encoders (sensores de posicionamento), carenagem do rotor e carenagem da Nacelle (Housing), baterias, capacitores, sistema anti-incêndio apropriados, "rádio Intercomunicador de tele supervisão Spark" (rádio de comunicação entre as turbinas do parque que será melhor explicado mais a frente), luz de guarda, iluminação geral, central de controle superior e estação anemométrica. Partes dos itens acima já são dominados na indústria atualmente e utilizados nas máquinas atuais, apesar de serem estruturalmente mais leves é importante serem citados, pois cada um destes itens faz parte da turbina eólica da patente em questão e os detalhes diferenciados e de caráter inventivo serão apresentados a seguir.
Conforme mencionado anteriormente o Rotor é conectado a um eixo principal (Main shaft), este eixo está conectado a um sistema de transmissão superior H/Vst com sensor de torque (Horizontal/Vertical com sensor de torque acoplado), esta transmissão permite elevados torques de rotação do sentido horizontal para o sentido Vertical. Este sistema de transmissão H/Vst está posicionado no Skid da Nacelle (Main frame) exatamente no centro superior da torre (no centro de conexão entre a Nacelle e a torre). Esta transmissão H/Vst transmite o torque do rotor em ventos a partir de 3m/s para o eixo vertical (torque tube ou Shaft line) e este transmite mecanicamente a energia do rotor para a parte inferior da torre para o sistema de transmissão inferior V/Hmvst (Vertical / Horizontal com multiplicação de velocidade e sensor de torque) que por sua vez eleva o rpm da transmissão para as condições ideais de geração de energia elétrica e é acoplado a um ou mais geradores de modelos adequados a curva de torque da máquina instalado(os) na parte inferior da torre ou dentro de um Bunker underground (sobre o solo) que está conectado a uma fundação de concreto ou "monopile" que será melhor explicado mais adiante. O eixo vertical também pode ser conectado a um sistema direct drive que se conectar a um gerador multipolos na base da torre. O eixo vertical possui tecnologia naval conhecido como "Motor Shaft Line". Na indústria naval tal eixo pode transmitir a mais de 120m de distância uma potência de mais de 100MW. O estado da técnica utiliza a engenharia naval para o desenvolvimento deste eixo vertical na torre da turbina eólica fato este ainda não presenciado nesta indústria. São utilizadas plataformas de apoio ao longo da torre, pois como todo dispositivo dinâmico este eixo vertical (shaft line) causa vibrações e como conseqüência existem harmônicas que precisam ser neutralizadas para o perfeito funcionamento de uma estrutura deste porte. Estas plataformas de apoio ao longo da torre estão estrategicamente posicionadas em pontos de harmônica do eixo principal (shaft line), pois a torre não é estática, como em um navio de grande porte a torre está sujeito a diversas forças como, aero elásticas, flambagem, flexotorcionamentos entre outras. Isto se deve às cargas do vento na própria torre e no rotor, portanto estas plataformas são indispensáveis para neutralizar as vibrações e ruídos no eixo vertical que são fenômenos que inviabilizariam o projeto. As plataformas em questão não necessariamente serão instaladas simetricamente distantes, pois irão variar de acordo com os pontos de harmônica, rpm e de acordo com a potência da turbina. Entre a plataforma e o eixo vertical existem acoplamentos de baixo atrito para reduzir as perdas destes apoios que são do tipo dobradiça de rápida e fácil manutenção.
Com a variação da temperatura o metal tende a dilatar ou contrair, a dilatação e a contração da torre não são as mesmas do eixo vertical (shaft line), para resolver tal questão desenvolvemos uma "junta de contração e expansão" que acopla o sistema de transmissão superior H/Vst ao eixo vertical (shaft line) que ajusta as questões de dilatação térmica da estrutura eliminando os danos causados por este fenômeno natural. Esta junta também auxilia nas variações estruturais ocasionadas pelos esforços aero elásticos na estrutura. O eixo vertical (shaft line) é autoportante, pois todo o peso desta estrutura é sustentado por um rolamento axial na base da torre, podendo também ser um acoplamento de repulsão eletromagnética, neutralizando assim o carregamento de peso na Nacelle e nos demais pontos da estrutura da torre. Este ponto será isolado acusticamente na base da torre. Deve ser entendido o proposto para esta transmissão um conjunto como todo, que é composto por um eixo principal (Main shaft), um sistema de transmissão superior H/Vst (horizontal / Vertical com sensor de torque) que possui um disco de freio hidráulico entre estes componentes, esta transmissão se conecta ao sistema de acoplamento ajustável "junta de contração e expansão" que trabalha em função das dilatações, contrações térmicas e possíveis movimentações estruturais (devido aos esforços aero elásticos), que se conecta ao eixo vertical (Shaft Line), que possui plataformas de apoio para neutralizar as vibrações harmônicas e é autoportante para eliminar carregamento na estrutura e suportado por um rolamento axial em um local isolado acusticamente, acoplado a um sistema de transmissão inferior V/Hmvst (Vertical / horizontal com multiplicação de velocidade e sensor de torque) que aumenta a velocidade de rotação do sistema para manter o gerador na melhor condição possível. Um segundo conjunto de freios a disco (Sistema de freio inferior) são acoplados na transmissão na base da torre, acionados por pinças hidráulicas cujo sistema de controle hidráulico encontra- se próximo a este sistema. Esta transmissão foi desenvolvida para suportar todas as condições de uma turbina eólica como ventos de rajada (impacto repentino na transmissão), tempestades (ventos muito fortes, chuva e raios), ventos constantes e de direção variável. A central de controle eletrônico de freio desta transmissão envia informações para os sistemas hidráulicos de controle das pinças de freio sinais informando as condições de intensidade da frenagem controlando com perfeição a rampa de desaceleração de toda transmissão de forma segura para qualquer condição que exija a frenagem da turbina eólica em questão. Os sensores de posição e de torque acoplados na transmissão superior e inferior (transmissão superior H/Vst e transmissão inferior V/Hmvst) enviam sinais para os controles de freio que controlam com segurança a frenagem de toda transmissão evitando um impacto excessivo no eixo vertical (shaft line) e nas transmissões superior e inferior. O controle de passo das hélices também se comunica com este sistema para o equilíbrio perfeito de todo este sistema.
Em uma turbina eólica de eixo vertical (axial shaft Iine transmission) existe uma questão crítica que é a força de torsão transmitida a Nacelle quando o rotor está girando a transmissão superior H/Vst que por sua vez rotaciona o eixo vertical (shaft line), esta força de rotação tende a rotacionar toda Nacelle no sentido contrário ao movimento do eixo vertical. Como mencionado anteriormente a Nacelle em questão possui motoredutores fixados ao Skid (Main frame) responsáveis pelo controle de posicionamento de toda estrutura superior (YAW Drive) de forma a posicionar o rotor perpendicularmente a incidência dos ventos, lembrando que este movimento pode ocorrer enquanto o rotor está girando. Para solucionar esta questão foi desenvolvido o "Sistema YAW Drive de Auto Travamento Servoposicionador Spark". Este sistema possibilita o controle de azimute (posicionamento da Nacelle para o rotor incidir de forma perpendicular ao vento (YAW Drive system)) enquanto o eixo vertical aplica uma força contrária ou a favor ao movimento da Nacelle para que o rotor esteja posicionado corretamente a incidência do vento. É uma força contrária ou a favor do movimento, pois depende para qual lado o vento alterou de direção, se o eixo vertical estiver virando no sentido horário e a Nacele precisar virar para direita o "Sistema YAW Drive de Auto Travamento Servoposicionador Spark" vai posicionar a Nacelle a favor do movimento do eixo vertical e se a Nacele precisar virar para a esquerda o "Sistema YAW Drive de Auto Travamento Servoposicionador Spark" vai posicionar a Naeelle no sentido oposto ao movimento do eixo vertical. Um ou mais encoders (sensores de posicionamento angular) irão auxiliar com exatidão esta tarefa. A atividade inventiva neste sistema está na trava eletromecânica ou hidráulica do controle do YAW e na lógica de funcionamento deste componente como pode ser visto na Figura 4 e 5.
O estado da técnica traz a Nacelle para o solo (em caso de máquinas onshore, mas as turbinas também podem ser offshore e a casa de máquinas poderá estar localizada próximo do nível da água) com a construção de uma casa de máquinas que contém todos os equipamentos necessários para geração de energia elétrica, berço de acomodação do eixo vertical (mancai do shaft line) onde existe um rolamento axial de grande porte isolado acusticamente, o sistema de transmissão V/Hmvst que multiplica a rotação a um rpm correto para geração de energia elétrica em geradores de indução eletromagnética, os sistemas de bombeamento de óleo de lubrificação dos rolamentos, acoplamentos elásticos ou rígidos, sistemas de freio hidráulico e seu sistema de controle hidráulico, um ou mais geradores de indução (pode também ser um gerador direct drive (conectado diretamente no eixo vertical) de multipolos), skids de fixação dos componentes (bases), gabinete do sistema de controle do gerador (que pode ativar e desativar os polos para melhorar a geração de energia em função da intensidade de vento), Gabinete do sistema de controle geral da máquina (controles mecatrônicos, CLP's,
20
25
30 controles da estação anemométrica (data logger, interface de análise remota) e todos os controles e receptores dos sensores da máquina), central de controle do "rádio Intercomunicador de tele supervisão Spark", banco de baterias (no break), grupo diesel gerador (entra em atividade caso haja queda de energia), sistema anti incêndio apropriado a este tipo de casa de máquinas com todos os sensores necessários (muitas turbinas eólicas incendeiam por uma séria de motivos e não tem como controlar estes acidentes no alto da torre) este sistema será inserido para preservar os componentes na casa de máquinas em caso de acidentes que causam incêndio, sistema de gerenciamento remoto (Integrate wind farm management, CMS (Content Management System) basicamente um unidade de programação), sistemas de aterramento, botão de emergência eletrodutos, alarmes, iluminação, câmeras de vigilância, uma ou mais torres de resfriamento de fluido de arrefecimento (cooler para resfriamento de qualquer componente que tenha aquecimento, o gerador e as transmissões por exemplo), transformador ou transformadores, cabos elétricos e de dados, QDF (quadro de distribuição de força), QDG (quadro de distribuição geral), entre outros.
Toda esta estrutura da casa de máquinas apresentada acima pode estar localizada ao lado da base da torre ou em um "Bunker underground" que está conectado a uma fundação de concreto ou "monopile", este Bunker de concreto fica abaixo do nível do solo e todos os equipamentos estão dispostos de forma convenientemente espaçados, distribuídos (divisão correta entre os componentes) em ambientes termicamente controlados (divisões das salas podem ser contempladas), acusticamente isolados. Este Bunker terá um sistema de drenagem que não permitirá a entrada de água, sistema de ventilação, pintura anti mofo e condições muito mais convenientes para os trabalhadores. Outra vantagem deste Bunker é que não irá causar turbilhonamento atmosférico no parque preservando as características aerodinâmicas da turbina eólica em questão que é semelhante às turbinas existentes atualmente, o que permite a utilização dos softwares de análises que definem o posicionamento das turbinas no parque eólico, oque é uma grande vantagem econômica, pois poderemos utilizar softwares tradicionais existentes.
20
25
30 Caso seja necessária à substituição de algum componente da casa de máquinas ele estará no chão e será desnecessário o uso de grandes guindastes. Com esta solução também se permite trabalhos noturnos com mais segurança. Como já mencionado temos grandes vantagens na O&M.
Outro beneficio de trazer a Nacelle para o solo é que também podemos
utilizar a tecnologia de direct drive (gerador multipolos que dispenda a caixa de multiplicação) e posiciona-lo com uma condição semelhante à de algumas hidroelétricas.
Quando os geradores são instalados na Nacelle no topo da torre (como em turbinas eólicas atuais) estes por sua vez geram um grande campo eletromagnético que impede a passagem de sistemas de rádio comunicação (com nossa turbina traremos uma vantagem para operadores de telecomunicações que queiram transmitir seus sinais através dos parques eólicos), graças a este benefício (free Magnetic field) a turbina eólica objeto da presente patente poderá possuir um "sistema de rádio Intercomunicador de tele supervisão Spark". Este é um rádio de comunicação que pode estar presente em cada uma das turbinas do parque ou em alguma central de controle distante do parque. Este sistema de rádio permite que todas as turbinas se comuniquem entre si através de sinais de RF em uma interface aérea conforme mencionado no início desta patente e tomem decisões independentes da ação do homem, por exemplo, se uma turbina alterar seu YAW (alterar o azimute) e todas as outras não o fizerem, esta turbina será questionada pelo motivo de tal ação, se esta não responder com um motivo plausível ela será alarmada e um comunicado ao operador será enviado instantaneamente. Dependendo da ação que uma turbina tomar ela também poderá até ser desativada com o acionamento dos freios de segurança e suas hélices embandeiradas sem a presença do homem (no caso de ultrapassar o rpm de segurança, exceder a velocidade de ponta de pá por exemplo ou qualquer ação que venha a comprometer a máquina (as outras máquinas irão consultar uma base de dados para tomar esta ação)) este sistema é chamado de "sistema ovelha desgarrada". As turbinas também poderão questionar os operadores sobre as melhores decisões a serem tomadas, verificar se deverão ser acessados os bancos de dados de ação ativa ou preditiva, por exemplo, (ação ativa, por exemplo, ocorre quando a máquina responde imediatamente ou com um delay a ação indicada pela estação anemométrica instalada em cada máquina, ação preditiva é quando as ações da máquina estão vinculadas a uma base de dados pré-determinadas basicamente).
Todos estes sistemas também estão presentes no sistema físico de comunicação de dados. O "sistema de rádio Intercomunicador de tele supervisão Spark" também pode servir como redundância caso haja alguma falha no sistema de dados. Este sistema possui infinitas aplicações, o objetivo do estado da técnica é a defesa da propriedade intelectual deste sistema que interliga através de rádio freqüências as turbinas do parque e que transforma as turbinas eólicas em verdadeiros Drones de inteligência artificial.
Outra vantagem de não existir um gerador no topo da torre é que não existirão descargas elétricas que danificam os rolamentos (soldam por arco voltaico), atualmente são utilizados os dispendiosos rolamentos cerâmicos (Si3N4) (2-5 vezes mais caros), que isolam eletricamente o núcleo destes rolamentos para evitar um arco voltaico que os danificam. Como não temos mais este problema podemos utilizar os tradicionais bem mais econômicos.
Detalhamento do Sistema de transmissão H/Vst, conforme mencionado anteriormente, este sistema sofisticado tem a função de transmitir uma elevada força do rotor para o eixo vertical (shaft line), este sistema foi projetado para ter uma vida útil longa e para isso foi desenvolvido com precisão e futuramente será apresentada a patente de desenho industrial para o detalhamento deste componente, até o momento pode ser apresentado como um sistema de engrenagens de precisão alinhadas em uma caixa de transmissão fechada, imersas em óleo que está constantemente em movimento através de uma bomba de circulação e filtragem. Um radiador com fluido arrefecedor ventilado também pode ser instalado caso esta turbina esteja em uma região de muito calor. A mesma condição se aplica ao Sistema de transmissão V/Hmvst. Lembrando também que estas transmissões possuem importantes sensores de posição, de torque e de temperatura que troca informações com as centrais de controle, como a dos sistemas de freios e com o controle de passo das hélices.
20
25
30 O equipamento desenvolvido conta com as seguintes características:
a) - Uma turbina eólica inovadora de eixo vertical que pode ser onshore e offshore, com foco na geral redução estrutural devido à drástica
redução de materiais da Nacelle, na torre e na fundação proporcionando redução de capex trazendo novas e significativas reduções de custos na operação e manutenção das turbinas reduzindo o valor da potência instalada (MW instalado) em um parque eólico. Apresentando muitas melhorias de atividade inventiva e uma concepção totalmente operável na indústria em comparação aos pedidos de patentes anteriores (Exemplo: GB2256010 ; EP1240443 (A1) W02011081401) que também utilizam uma transmissão mecânica de eixo vertical para trazer a Nacelle para o solo. Como temos uma Nacele bem mais leve inserimos nossa máquina em um espectro de freqüências mais baixo devido a menor força de compressão, este fenômeno beneficia nas condições de impedância estrutural. Uma questão central desta tecnologia e de extrema importância é que a mesma permite ganho de escala nos projetos eólicos, permitindo assim, o aumento das potências das turbinas sem o correspondente aumento de toda a estrutura. Portanto com esta tecnologia será possível atingir potências nunca antes alcançadas em turbinas eólicas levando o custo do MW instalado a valores nunca antes imaginados.
b) - O eixo vertical possui tecnologia naval capaz de transmitir a mais de 120m de distância uma potência de mais de 100MW. Para o projeto da
Turbina eólica foram contempladas plataformas de apoio ao longo da torre sobre os pontos de harmônicas para neutralizar as vibrações e ruídos. Internamente da Nacelle existe um sofisticado sistema de transmissão superior H/Vst com sensor de torque acoplado a "junta de contração e expansão" que ajusta as questões de deformação mecânica aero elásticas e de dilatação e contração térmica da estrutura que permite a transmissão da potência do rotor da condição horizontal para vertical. Este eixo vertical é sustentado por um rolamento axial na base da torre para neutralizar o carregamento da Nacelle e da torre. O mesmo eixo vertical se conecta a um sofisticado sistema de transmissão inferior V/Hmvst (Vertical / Horizontal com multiplicação de velocidade e sensor de torque) que transmite a potência do rotor para um ou mais geradores de indução no solo (ou em um bunker) e também poderá ser um gerador conectado diretamente no eixo vertical conhecido como direct drive (gerador multipolos que dispenda a caixa de multiplicação) posicionado com uma condição semelhante à de algumas hidroelétricas. Esta transmissão como um todo possui um sofisticado sistema de freios, sendo um dentro da Nacelle e outros próximo ao solo. As centrais de controle destes freios recebem sinais de diversos pontos (sensores de torque, rpm, posição, sensores de passo das hélices, entre outros) para controlar a intensidade da frenagem com perfeição em uma rampa de desaceleração de forma segura para qualquer condição que exija a frenagem da turbina eólica evitando um impacto excessivo no eixo vertical (shaft line) e nas transmissões superior e inferior.
c) - Próximo à torre anemométrica sobre a Nacelle temos a antena do "Rádio Intercomunicador de tele supervisão Spark" que permite que todas as turbinas se comuniquem entre si através de rádio freqüência em uma interface aérea, funcionam como em sistemas de inteligência artificial, servem
como redundância do sistema de controle e que possui sistemas de segurança e um deles é chamado de "sistema ovelha desgarrada". Como não existirão campos eletromagnéticos na Nacelle é possível que sinais de rádio atravessem o parque. Também não utilizaremos rolamentos cerâmicos, pois não existirão descargas elétricas, portanto podemos utilizar os rolamentos tradicionais. Um sistema anti-incêndio é instalado sobre a torre e na casa de máquinas próximo ao solo.
Entre a Nacelle e a torre existe o "Sistema YAW Drive de Auto Travamento Servoposicionador Spark" que soluciona a questão crítica que o eixo vertical causa no posicionamento do YAW control que poderá ser melhor entendido nas Figuras 4 e 5.
d) - A casa de máquinas pode estar na base da torre ou em um "Bunker underground", este Bunker de concreto fica abaixo do nível do solo e todos os equipamentos estão dispostos de forma mais favoráveis. Outra vantagem deste Bunker é que não irá causar turbilhonamento atmosférico no parque, o que permite a utilização dos softwares atuais de análises que definem o posicionamento das turbinas no parque eólico. Como temos mais espaço nesta nova condição podemos ter um aerogerador mais equipado com banco de baterias maior (no break), grupo diesel gerador, sistema anti- incêndio, alarmes, iluminação, câmeras de vigilância, torres de resfriamento de fluido de arrefecimento entre outros.
Os desenhos anexos mostram a disposição da "TURBINA EÓLICA GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA COM TECNOLOGIA NAVAL", objeto da presente patente, nos quais:
Figura 1 - "DETALHAMENTO DA TRANSMISSÃO COM TECNOLOGIA NAVAL DA TURBINA EÓLICA".
Figura 2 - "TURBINA EÓLICA" vista geral em corte.
Figura 3 - Interface aérea do "Rádio Intercomunicador de tele
supervisão Spark" vista do parque eólico.
Figura 4 - "Sistema YAW Drive de Auto Travamento Servoposicionador Spark" vista inferior do sistema.
Figura 5 - Fluxograma básico de funcionamento do "Sistema YAW Drive de Auto Travamento Servoposicionador Spark".
Figura 6 - "DETALHAMENTO DO BUNKER COM GERADOR DIRECT DRIVE" em corte.
Figura 7 - "SHAFT LINE" de um navio de grande porte.
Figura 8 - "MOTOR SHAFT LINE" vista geral da transmissão de navio container de grande ponte.
Conforme apresenta a Figura 1 a "DETALHAMENTO DA TRANSMISSÃO TURBINA EÓLICA" é constituída por: Plataformas de apoio do eixo vertical (shaft line) ao longo da torre sobre os pontos de harmônicas para neutralizar as vibrações e ruídos (1), "junta de contração e expansão" que acopla o sistema de transmissão superior H/Vst ao eixo vertical (shaft line) que ajusta as questões de dilatação e contração térmica e as distorções estruturais devido as forças aero elásticas (2), sistema de transmissão superior H/Vst com sensor de torque (Horizontal/Vertical com sensor de torque acoplado) (3), sistema de transmissão inferior V/Hmvst (Vertical / Horizontal com multiplicação de velocidade e sensor de torque) (4), disco de freio superior ao lado de seu controle hidráulico (5), transmissão mecânica de eixo vertical (Shaft line) que utiliza tecnologia naval (6), segundo conjunto de freios a disco (Sistema de freio inferior) são acoplados na transmissão na base da torre, acionados por pinças hidráulicas cujo sistema de controle hidráulico encontra-se próximo a este sistema (7), Controle de passo das hélices (8), eixo principal (Main shaft) (9), Gerador (10).
Conforme apresenta a Figura 2: compreendido por um Bunker underground (sobre o solo) que está conectado a uma fundação de concreto ou "monopile" (11), rolamento axial de sustentação do eixo vertical (12), grupo diesel gerador (13), Sistema anti-incêndio (14), acoplamentos de baixo atrito do eixo vertical (15), rotor (16), nacelle com YAW control (17), torre anemométrica (18), antena do "Rádio Intercomunicador de tele supervisão Spark" (19), torre de resfriamento de fluido de arrefecimento (20), gabinete de controles (21).
Conforme apresenta a Figura 3: compreendido pela Interface aérea do "Rádio Intercomunicador de tele supervisão Spark" consistido por antenas de rádio instaladas em cada uma das turbinas que se comunicam entre as demais torres (22), estas torres se comunicam com uma torre concentradora das informações que troca informações com a central de controle que tem uma conexão direta com a central (rádio ponto a ponto) e também com mais uma redundância a torre da central se conecta com os rádios existentes nas turbinas utilizando um rádio igual aos das turbinas (23), as turbinas eólicas em questão permitem a passagem de sinal de operadores de telecomunicações (telefonia, TV, rádio AM e FM) (24), que permitem a passagem do sinal de rádio entre o parque eólico (25), o meio físico de troca de dados (cabos de dados) é consistido pelas conexões (26), que concentram este meio físico de troca de dados até a central em (27), central de controle (28). A disposição das turbinas é apenas ilustrativa para explicar o sistema de rádio e não as condições ideais de posicionamento ideal das máquinas em um parque eólico.
Conforme apresenta a Figura 4: "Sistema YAW Drive de Auto
Travamento Servoposicionador Spark" consistido por um sistema de YAW drive control (29), sistemas eletromecânicos e/ou hidráulicos de travamento (30), sistemas de freios hidráulicos (31), "junta de contração e expansão" (2).
Conforme apresenta a Figura 5: Fluxograma do "Sistema YAW Drive de Auto Travamento Servoposicionador Spark" compreendido por uma lógica básica de funcionamento do sistema.
Conforme apresenta a Figura 6: "DETALHAMENTO DO BUNKER COM GERADOR DIRECT DRIVE" consistido por um o gerador conectado diretamente ao eixo vertical (32).
Conforme apresenta a Figura 7: Exemplo de um "SHAFT LINE" de um
navio de grande porte.
Conforme apresenta a Figura 8: "MOTOR SHAFT LINE" compreendido pela vista da transmissão de navio container de grande porte (33). Este navio possui em eixo (shaft line) de mais de 120 metros e 98 MW de potência consistido por um motor diesel de 80 MW e dois motores elétricos de 9 MW conectados em série ao shaft line.
As atuais turbinas eólicas de grande porte são desenvolvidas com os conceitos multidisciplinares de diversas engenharias, a presente patente tem em uma de suas inovações adicionar a engenharia naval no projeto da turbina em questão que para melhor compreensão foram apresentadas as Figuras 7 e 8 que apresentam como transmitir elevadas potências através de um eixo naval "motor shaft line" (33).

Claims (15)

1. - TURBINA EÓLICA GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA COM TECNOLOGIA NAVAL Caracterizada pelo fato de contemplar: • Ufn rotor acoplados uma transmissão superior H/V st (Horizontal - Vertical com sensor de torque), localizado em uma nacelle^oo alto de "uma torre; • Um acoplamento que se conecta ao um eixo vertical por: uma junta de expansão e contração; • -Um eixo vertical íübular de tecnologia navál ájSóíado por platafprmas em seus ponto^-de Harmonicosl e sobre um rolamento axial; i • -Que se conecta avUiiratransmissão ,inferior V/Hinvst (Vertical - Honzontal multiplicador de velocidade e sçnsor de tojque), _ • Que por suá vez' se acopla a urn ou mais-geradores elétricos locàlizados·' na base da torre ou em um bunker/abaixo do solo e acima da, fundação; Sensores de torque nas transmissões superior e inferior que permitem o acionamento escalonado dos respectivos freios para que executem uima; rampa controlada de desaceleração; • ' Sistema de orientação do rotor (YAW control) que atua de modo diferente cohforme necessite corrigir a posição a favor ou conta ao sentido de rotação do eixo vertical;: • Sistema de comunicação de dados via rádio localizado na parte superior da torre."
2. - TURBINA EÓLICA GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA COM TEtNOLOpIA NAVAL de acordo com feivíndicação 1,' na qual o emo principal se acopla em lua extremidade inferior diretamente a um gerador* elétrico do tipo "diréct drive"
3. TURBINA EÓLICA GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA TECNOLQGIA NAVAL de acordo, com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a transmissao superior H/Vst preferencialmente contemplar mediao de torque, temperature e posicionamento e ser fechada e refrigerada
4. TURBINA EÓLICA GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA TECNOLQGIA NAVAL de acordo, com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a refrigeração é por fluido, preferncialmente a oleo e ou a oleo e fluido de arrefecimento.
5. - EÓLICA GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA TECNOLOGIA NAVAL de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pêlo fato de a trânsmissão inferior V/Hmvst preferencialmente contemplar mediação de torque! temperatura e posicionamento e transmitir o movimento vertical para a horizontal com multiplicação da velocidade.
6. - TURBINA "EÓLICA" GERADORA DE" ENERGIA ELÉTRICA- COM TECNOLOGIA NAVAL de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de que a refrigeração é por fluido, preferencialmente a óleo e ou a óleo ^e fluido de arrefecimento.
7. - TURBINA EÓLICA GERADORA DE ENERGIA ELETRICA COM TECNOLOGIA, NAVAL de acordo çom a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de qye o sistema de controle de frenagçmdoeixo vertical resulta das informações de torque das transmissões superior H/Vst e inferior V/Hmvst e de passo das hélices.
8., TURBINA EÓLICA GE^ADÓRA, DE ENjERGIA ELÉTRICA COM TECNOLOGIA NAVAL de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que lo Siste1IiiaMe orientação'/do, roto; (YAW drive coijtrol) tem atuação, diferente conforme o sentido decretação do eixo vertical" e daOrientação pretendida parà o rotor.
9. TURBINA EÓLICA ' GERADORA DE ENERGÍA ELÉTRICA, COM TECNÓLOGIÀ NAvXL 'de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fàto de que sç a orientação' preténdida para o rotor fôr a favor ào sentido de .rotaçãoxdo ei*o vertical, o movimento angular do rotor seguirá as etapas de desacoplar-se uma 'trava, mecânica' acionar motores dò VAW, soltar freio hidráulico da nacelle até travai" na- posição pretendida.
10. - TURBINA EÓLICA GERADORA DE ENERGIAv ELÉTRICA COM TECNOLOGIA NAVAL de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que se a'orientação preténdida para o rotor for contrária ao sentido de rotação do eixo vertical, o movimento angular do rotor seguirá as etapas de embandeirar às" hélices, acionar os freios,inferior e superior do eixo vertical até que se atinja o forque adequado e somente então, dçsaçoplar uma trava mecânica, acionar motores do YAW, soltar freio hidráulico da nacelle até travar na posição pretendida.
11.- TURBINA EÓLICA GERADORA f DE.; ENERGIA' ELÉTRICA COM TECNOLOGIA NAVAL de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que o posicionamento angular dá nacelle é registrado por pelo menos dois sensores de .posição;
12.- TUFÍBINA EÓLICA' GERADORA'DE EMERGIA JSLÉTRICA^ COM, TÊÇNÕLOGIÁ JvfAyAL de acordo., com, à reivindicação 1, caracterizada pelo fato de cJueVeixè vertical é apoiado nos sfeus pontos de harmônicos potplatafofmas-ao longo da3ofre;Í
13. - TURBINA EÓLICA GERADORA DE ' ENERGIA ELÉTRICA COM TECNOLOGIA NAVAL de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o sistema de rádio transmissor e receptor de dados localizado na nacelle. troca informações com outrâs TURBINA EÓLICA GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA COM TECNOLOGIA NAVAL e com uma central de controle em uma interface aérea por radio freqüência, i
14. - TURBINA EÓLICA GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA GOM TECNOLOGIA NAVAL de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato "de que o sistema de tele supervisão via rádio localizado na nacelle troca infdrmações entre as torres eólicas através de rádio freqüência com uma central de controle ou entre as ptóprias máquinas.
15. - TURBINA EÓLICA GERADORA; DE ENERGIA ELÉTRICA COM TECNOLOGIA NAVAL Ale acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato dé que o eixo vertical é acoplado à transmissão superior H/Vst por uma junta de expansão e contração.
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