BR102014029615A2

BR102014029615A2 - volute for vertical axis wind turbines

Info

Publication number: BR102014029615A2
Application number: BR102014029615A
Authority: BR
Inventors: Marcos Noraldino Mendonça
Original assignee: Marcos Noraldino Mendonça
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-05-31
Also published as: BR102014029615B1

Abstract

voluta para turbinas eólicas de eixo vertical é um tipo de voluta desenvolvida para turbina eólica de eixo vertical que apresenta características aerodinâmicas que permitem o seu emprego com ventos moderados.a voluta especial para turbina de eixo vertical, objeto da presente invenção compreende: um rotor (1) envolto por uma voluta formada por tapamentos (3) que possui uma abertura (4) no tapamento superior (3} correspondente a área de projeção do rotor (1) e uma pluralidade de defletores mistos (2) que utiliza uma parte reta e outra curva para direcionar o fluxo de vento para o rotor (1)-:Vertical axis wind turbine volute is a type of vertical axis wind turbine developed with aerodynamic characteristics that allow its use in moderate winds. The special vertical axis turbine volute, object of the present invention comprises: a rotor ( 1) surrounded by a volute formed by seals (3) having an opening (4) in the upper sealing (3} corresponding to the projection area of the rotor (1) and a plurality of mixed deflectors (2) using a straight part and another curve to direct wind flow to the rotor (1) -:

Description

VOLUTA PARA TURBINAS EÓLICAS DE EIXO VERTICAL CAMPO DA INVENÇÃO 1-0 presente pedido de patente de invenção denominado VOLUTA PARA TURBINA EÓLiCA DE EiXO VERTICAL, se refere ao cam do de motores movidos a vento ou turbinas eólicas, mais especificamehte a turbinas eólicas de eixo vertical. Trata-se de um envoltório (ou voUta) composta por múltiplos defletores e se destina a orientar o fluxo de vento para o acionamento do rotor de forma mais eficiente com relaçãp ao que pode ser encontrado no Estado da Técnica.FIELD FOR VERTICAL AXIS WIND TURBINES FIELD OF THE INVENTION 1-0 This patent application known as VERTICAL AXIS WIND TURBINE refers to the cam of wind-powered engines or wind turbines, more specifically vertical axis wind turbines. . It is a multi-deflector wrap (or fly) designed to guide wind flow to the rotor drive more efficiently than can be found in the prior art.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO 2- A presente invenção tem por objetivo melhorar o desempenho das turbinas eólicas de eixo vertical com rotores de múltiplas pás (multipás), melhorando a sua potência e/ou eficiência mesmo com velocidades menores, em torno de 6m/s, podendo assim viabilizar a sua fabricação em série para atender a demanda também em áreas de menorj incidência de ventos fortes. 3~ Não foi detectado nenhum tipo de ruído na voiutd mesmo com ventos acima de lOm/s, isto foi possível devido à conformação aerodinâmica da dita voluta. A ausência de ruído indica que não está havendo turbilhonamento e, consequentemente, melhor aproveitamento da energia do fluxo de ar.BACKGROUND OF THE INVENTION 2- The present invention aims to improve the performance of multi-bladed vertical axis wind turbines by improving their power and / or efficiency even at slower speeds of around 6m / s. This makes it possible to manufacture them in series to meet the demand also in areas with lower incidence of high winds. 3 ~ No noise was detected in the voiutd even with winds above 10m / s, this was possible due to the aerodynamic conformation of said volute. The absence of noise indicates that there is no swirling and, consequently, better utilization of the air flow energy.

H - Ao redor da voluta na parte externa deve ser aplicada uma tela com o tamanho da malha a ser definida (de acordo com as espécies de animais do local) para proteção da fauna. A tela, independente do tamanho da malha não compromete o rendimento do equipamento, pois a velocidade de entrada do vento na voluta é muito baixa. A voluta para turbina eólica de eixo vertical vem para suprir a necessidade de obtenção de energia eólica de qualidade, limpa, eficiente e barata sem afetar o meio ambiente. TÉCNICA RELACIONADA 5- No geral a voluta é uma estrutura fixa que envolvle o rotor da turbina e é composta por dois componentes que são os tapamentos e múltiplos defletores e se destinam em conjunto a obter maior área de captação de ar e, teoricamente, aumentar a eficiência e aproveitamento do fluxo de ar para acionar o rotor. é- Não existe ,no mundo fabricante em série de turbinas de eixo vertical com ou sem voluta, que seja de conhecimento do autor, apesar de várias patentes requeridas há mais de vinte anos, entre elas podemos citar: patente americana US005503530A, Cleland; U.S. Pat. 204,481, Bouteiller; U.S. Pat. 343,000; Evison U.S. Pat. 591,962, Adams; U.S. Pat. 1,441,774; U.S. 4486143^; U.S. 2003209911 Al, entre outras. -7- Foi encontrado o documento NZ 589682 A, publicado em 27/4/2012, sendo que no Brasil está protocolado sod o número 921006895905 (29/9/2010), com o título: Aparelho para 3erar Energia Elétrica usando Energia Eólica. Este pedido, como pode ser visto nos desenhos, mostra os defletores com parte reta e parle em curva, entretanto podemos enumerar as diferenças principais e(n relação ao pedido de patente em questão: 1- A parte reta dos defletores não inicia no perímetro externd da voluta. 2- A parte reta vai em direção ao centro do rotor e a parte em curva termina convexa em relação ao rotor. 3- 0 fluxo de ar externo pode atingir diretamente o rotor. 4- 0 defletor pode iniciar e terminar no mesmo quadrante. ¢- Não há investimento ou fabricantes devido ao fato das perdas de carga serem muito elevadas em todos os modelos apresentados, inviabilizando a sua produção. j <=1- Dentre as irregularidades, deficiências e inconvenientes mais observados nestes documentos estão: - Os defletores são totalmente retos ou totalmente curvo^ o que gera turbulência no fluxo de ar causando elevada perda de carga. - Os defletores são em numero insuficientes, não conseguem! normalizar o fluxo de vento, provocando alta taxa de turbilhonamento e concorrência no fluxo de ar. - O fechamento total das aletas do rotor provoca o eleito caixote, induzindo a frenagem do mesmo. - As turbinas eólicas de eixo vertical com voluta de envolvirhento parcial do rotor, nestes casos, os defletores (retos, curvos ou mistos) não envolvem totalmente o rotor ficando este parcialmente exposto. Nestes casos o fi íxo de ar; não consegue ser regularizado antes de ^tingir o rotor causando excessivas perdas de carga. Ιθ-As turbinas eólicas de eixo vertical tipo SAVONiUS e DERRIEUX também não são fabricadas devido ao seu baixíssimo rendimento sendo que o mo feio DERRIEUX não permite o uso da voluta. li ' Algjns pesquisadores informam que o rendimento dá turbina tipo SAVONIU 5 chega a 12 % máximo com ventos superiores a 13 m/s. Neste caso pari cuiar as duas maiores dificuldades destes modelos (DERRIEUX e SAVONIU >} são; a perda de carga sofrida peto rotor, pois o vento que impulsiona de um lado é o mesmo que trava no sentido diíimetralmente oposto e j velocidade média requerida é muito alta. 12- A maioria das turbinas eólicas fabricadas atualmente ro mundo são do tipo herizontal de três pás instaladas em torres de aproximadamente 80m de a tura e seu rendimento máximo gira em torno de 2 3% em média da potência nominal que é calculada para ventos acima de 12 m/s. Segundo o mapa do potencial eólico do Brasil do Centro Brasileiro de Energia Eálica - CBEE a média de ventos gira em torno de 6m/s, o que reduz efe :ivamente o rendimento para 8% da potência nominal. O nível de ruído é muito alto, provocando desconforto para moradores vizinhos e não existem meios para a proteção da fauna.H - Around the volute on the outside should be applied a screen with the size of the mesh to be defined (according to the local animal species) to protect the fauna. The screen, regardless of the mesh size, does not compromise the performance of the equipment, because the wind input speed in the volute is very low. The vertical axis wind turbine volute comes to meet the need for quality, clean, efficient and inexpensive wind energy without affecting the environment. RELATED TECHNIQUE 5- In general, the volute is a fixed structure that surrounds the turbine rotor and is composed of two components that are the covers and multiple deflectors and are intended together to obtain a larger air intake area and, theoretically, to increase the efficiency and utilization of air flow to drive the rotor. It is not known, in the world series manufacturer of vertical axis turbines with or without volute, that is known to the author, despite several patents required for more than twenty years, among them we can mention: US patent US005503530A, Cleland; U.S. Pat. 204.481, Bouteiller; U.S. Pat. 343,000; Evison U.S. Pat. 591,962, Adams; U.S. Pat. 1,441,774; U.S. 4,486,143; 2003209911 A1, among others. -7- Document NZ 589682 A, published on 4/27/2012, was found, and in Brazil it is filed under number 921006895905 (9/29/2010), with the title: Apparatus for Generating Electric Energy Using Wind Energy. This application, as can be seen in the drawings, shows the deflectors with straight and curved parle, however we can list the main differences and (n in relation to the patent application in question: 1- The straight part of the deflectors does not start at the externd perimeter 2- The straight part goes towards the center of the rotor and the curved part ends convex to the rotor 3- 0 external air flow can directly reach the rotor 4- 0 deflector can start and end in the same quadrant. ¢ - There is no investment or manufacturers due to the fact that the load losses are very high in all models presented, making their production unfeasible. j <= 1- Among the irregularities, deficiencies and drawbacks most noted in these documents are: - deflectors are either completely straight or fully curved which generates turbulence in the air flow causing high pressure drop - deflectors are too few, they cannot normalize wind flow, p leading to high swirling rate and competition in air flow. - The complete closure of the rotor fins causes the elected box, inducing the braking of the rotor. - Vertical axis wind turbines with rotor partial enveloping volute, in these cases the deflectors (straight, curved or mixed) do not fully surround the rotor and it is partially exposed. In these cases the airflow; cannot be adjusted before tinting the rotor causing excessive pressure drop. Ιθ-The SAVONiUS and DERRIEUX vertical axis wind turbines are also not manufactured due to their very low performance and the DERRIEUX ugly model does not allow the use of the volute. Some researchers report that the yield gives SAVONIU 5 turbine reaches 12% maximum with winds exceeding 13 m / s. In this case, the two major difficulties of these models (DERRIEUX and SAVONIU>} are: the pressure loss suffered by the rotor, since the wind that drives on one side is the same as that which brakes in the opposite direction and the average speed required is very high. 12- Most wind turbines currently manufactured in the world are of the three-bladed herizontal type installed in towers of approximately 80m in height and their maximum efficiency is around 23% on average of the rated power that is calculated for winds above. According to the Brazilian wind power map of the Brazilian Center for Wind Power - CBEE, the average wind is around 6m / s, which effectively reduces the yield to 8% of rated power. Noise level is too high, causing discomfort to neighboring residents and there are no means for wildlife protection.

Outras re erências: -Instituto Superior Técnico - Universidade Técnica de Lisboa. -Departamento de Engenieria Elétrica y energética - Unijversidade de Cantabria. -Centro de Referencia para Energia Solar e Eólica Sérgio de|Salvo Brito — CRESESB. -ENERSUD - industria e Soluções energé|ticas —RJ-http://wv/w.eólica rio, com.br/sul.swf - CEMIG - publicação Estado de Minas (15-12-2010) SUr/ÍÁRIO DA INVENÇÃO J5- Refere-se a presente invenção a uma voluta para turbinas eólicas de eixo vertical para serem usadas/adaptadas exclusivamente em turbinas eólicas de eixo vertical utilizando múltiplos defletores mistos e uma abertura :ircuiar no tapamento superior da voiuta correspondente a área externa d d rotor. 1H- Estas duas características aerodinâmicas possíbiiitam e garantem um alto desempenho em relação aos modelos convencjionais e aos similares Dossibilitando inclusive a total supressão de ruídos. 15- A voiuta tem duas características que não foram encontradas em nenhum documento selecionado na busca de anteri<pridade. Tais características são: Primeira, o tapamento da parte superior da voiuta deve ser aberto na área sobre o rotor para permitir a saída de parte do fluxo de ar. (6- Es1a abertura na parte superior da voiuta cria uma pressão negativa constante no interior do rotor pela tiragem natural da corrente de ar externo cue passa pela parte superior da voiuta (efeito chaminé) o que possibilita: tecnicamente a retirada de parte do ar admitido e pressurizado no interic r do mesmo. |T- O ar retido no interior do rotor amortece e prejudica a entrada de ar novo, provocando o refluxo (efeito caixote) e consequente amortecimento na velocic ade do mesmo.Other references: -Technical Superior Institute - Technical University of Lisbon. -Electrical and Energy Engineering Department - Cantabria University. - Reference Center for Solar and Wind Energy Sérgio de | Salvo Brito - CRESESB. -ENERSUD - Energy Industry and Solutions —RJ-http: //wv/w.eólica rio, com/sul.swf - CEMIG - Minas Gerais Publication (15-12-2010) JR INVENTORY SUITARY The present invention relates to a volute for vertical axis wind turbines for use / retrofitting exclusively on vertical axis wind turbines using multiple mixed baffles and an aperture: in the upper voider cover corresponding to the outer area of the rotor. 1H- These two aerodynamic characteristics enable and guarantee a high performance in relation to conventional and similar models. They also make possible the complete suppression of noise. 15- Voiuta has two characteristics that were not found in any document selected in the previous search. These characteristics are: First, the upper part of the voiuta must be opened in the area above the rotor to allow part of the airflow to escape. (6- Es1The opening in the upper part of the voiuta creates a constant negative pressure inside the rotor by the natural draft of the external air stream that passes through the upper part of the voiuta (chimney effect) which allows: technically the removal of part of the admitted air The air trapped inside the rotor dampens and impairs fresh air, causing backflow (crate effect) and consequent damping at the speed of the rotor.

Segundo, o defletor misto que é caracterizado por apresentar uma parte retc e uma curva. |g- Os Refletores mistos iniciam retos na borda externa dá voiuta e vão em direção aproximada da tangente/borda do rotor aonde terminarr/chegam obrigatoriamente em curva (côncava etm relação à posição d a rotor). ]q- Os defietores mistos são projetados de tal forma que se dividida a voiuta em quatro quadrantes iguais, o defletor misto que nicia reto na borda externa da voiuta em um quadrante deverá obrigatoriamente terminar em curva no quadrante seguinte, nunca no mesmo quadrante onde iniciou. Isto porque é necessária uma distância mínima para a regularização do fluxo do ar. ^<9- As proporções em relação ao diâmetro da voiuta são: O diâmetro do rotor 30%, o comprimento do defletor misto desenvolvido 47%, sendo que a parte re:a tem 2/3 deste comprimento e a parte em curva 3/3.Second, the mixed deflector which is characterized by having a rectc part and a curve. | g- The mixed reflectors start straight at the outer edge of the voiuta and move in the approximate direction of the tangent / rotor edge where they must end / must bend (concave with respect to the rotor position). ] q- The mixed deflectors are designed in such a way that if the voiuta is divided into four equal quadrants, the mixed deflector that stands straight on the outer edge of the voiuta in one quadrant must end in a curve in the next quadrant, never in the same quadrant where it started. . This is because a minimum distance is required to regulate air flow. ^ <9- The proportions in relation to the diameter of the voiuta are: The rotor diameter 30%, the length of the developed mixed deflector 47%, and the part re: a is 2/3 of this length and the curved part 3 / 3

Estiidos indi.cam estas proporções como sendo ideais, jporém outras relações próximas podem ser admitidas.If they indicate these proportions as ideal, other close relationships can be admitted.

Os defletores mistos têm a função de direcionar o fluxo de ar proveniente de qualquer direção para área de pressão (área de impacto nas palhetas) do rotor, normalizando o fluxo, evitando turbilhonamento e diminuindo ao mínimo possível a perda de carga. - Os defletores mistos da voluta para turbinas eólicas de eixo vertical não podem deixar o rotor exposto nem parcialmente. O rojtor deve estar sempre tptalmente enclausurado pelos defletores mistos. IH- Atualmente estas duas características não estão presentes, descrita ou indicada em nenhum documento do Estado da Técnica.The mixed deflectors have the function of directing the air flow from any direction to the rotor pressure area (impact area on the vanes), normalizing the flow, avoiding swirling and reducing the pressure drop as much as possible. - Mixed volute deflectors for vertical axis wind turbines cannot leave the rotor exposed even partially. The rotor should always be completely enclosed by the mixed deflectors. IH- Currently these two characteristics are not present, described or indicated in any document of the State of the Art.

BREVE DESCRIÇÃO DO DESENHO £5- A Ivoiuta poderá ser mais bem compreendida através do desenho em perspectiva da figura 1, onde as seguintes partes podem ser identificpdas: 1- j Rotor 2- Defletor misto 3- 1 Tapamento da voluta 4- j Abertura no tapamento superior DESCRIÇÃO DETALHADA DA CONCRETIZAÇÃO PREFERÍ DA X6" A Figura 1 representa uma concretização preferida da voluta para turbina eólica de eixo vertical, a qual compreende o corpo principal da voluta. 1 3LT- C rotor (1) é a parte central, móvel que vai trahsmitir energia mecânt :a/motriz através do eixo para acionar o gerador ou outro disposit ivo. 4 voluta é a estrutura fixa que envolve o rotorf (1) com uma piuralic ade de defletores mistos (2) e o tapamento (3) dos mesmos. JA- Os defletores mistos (2) compõem a estrutura fixa q je inicia reta na parte externa da voluta e vai em direção à borda externa do rotor (1) fazendo uma transição em curva para atingir a borda das palhetas (área de pressão) do rotor (1). Os defletores (2), em sua parte reta, não acomp jnham a orientação do raio da voluta, sendo inclinados em relação a este. Isto faz com que cada defletor (2) inicie, em sua parte reta, na borda externa da.voluta em um de seus quadrantes e terjmine, em sua parte curva, em outro quadrante da voiuta. 2o- O T~pamento (3) da voiuta é o fechamento hermético superior e inferior cos defletores mistos (2) em ângulo de 90°. A altura dos defietores é limitada pela altura do rotor (1). 3/- A abertura (4) circular no tapamento (3) superi|or da voiuta correspoidente à área externa do rotor (1). 3L-Os defletores mistos (2), assim como o rotor (1), podem ser montados para trabalhar no sentido horário ou anti-horário, devem ser montados com no mínimo de 8 (oito) e no máximo de 36 (trinta e seis) defletores, dependendo do diâmetro da voiuta. 93- Pode ser usado qualquer material para a construção dos defletores mistos (2) e tapamentos (4), desde alvenaria, concreto, fibras, placas de aço, alumínio ou qualquer outro material que tenha a devjda resistência mecânicE. 3H- Usar materiais, de preferencia, que suportem intempéries climáticas e condiçoes agressivas como a composição do ar na orla (narítima para aumenta - a durabilidade do equipamento. 35- Os defletores mistos (2) e tapamentos (4) devem ser rfevestidos com materiais polidos, com baixo grau de rugosidade ou pintados para minimizar ao máximo a perda de carga.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING £ 5- Ivoiuta can be better understood through the perspective drawing of figure 1, where the following parts can be identified: 1- j Rotor 2- Mixed Deflector 3- 1 Volute Plug 4- j Opening on upper cover DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENT X6 "Figure 1 is a preferred embodiment of the vertical axis wind turbine volute which comprises the main body of the volute. 1 3LT-C rotor (1) is the central movable part which will transmit mechanical energy: the drive through the shaft to drive the generator or other device.4 volute is the fixed structure that surrounds the rotorf (1) with a mixed deflector bore (2) and the cap (3) of the JA- The mixed deflectors (2) make up the fixed structure that starts straight at the outside of the volute and goes towards the outer edge of the rotor (1) making a curved transition to reach the edge of the vanes (pressure area). ) of the rotor ( 1) The deflectors (2), in their straight part, do not follow the orientation of the volute radius, being inclined in relation to it. This causes each deflector (2) to start, in its straight part, on the outer edge of the volute in one of its quadrants and end in its curved part in another quadrant of the voiuta. 2 - The voiute's cap (3) is the upper and lower airtight closure with the mixed deflectors (2) at an angle of 90 °. The height of the deflectors is limited by the height of the rotor (1). 3 / - The circular opening (4) in the covering (3) above the voiuta corresponding to the external area of the rotor (1). 3L-The mixed deflectors (2) as well as the rotor (1) may be mounted to work clockwise or counterclockwise and shall be mounted with a minimum of 8 (eight) and a maximum of 36 (thirty-six). ) baffles, depending on the diameter of the voiuta. 93- Any material for the construction of mixed deflectors (2) and coverings (4) may be used, from masonry, concrete, fibers, steel plates, aluminum or any other material having the due mechanical strength. 3H- Use preferably weather-resistant materials and harsh conditions such as the air composition at the edge (increase for - equipment durability. 35- Mixed deflectors (2) and coverings (4) should be covered with materials. polished, low-roughness or painted to minimize pressure drop.

REIVINDICAÇÃOCLAIM

Claims

1 - VOLTAGE FOR VERTICAL WIND TURBINES belonging to a vertical axis wind turbine consisting of a rotor (1) enclosed by said volute, which is formed by deflectors (2) consisting of a straight part and a curved part and (3), characterized by the fact that such deflectors (2) start, with their straight part, on the outer edge of said volute and in one of its quadrants, and end, with their curved part, in another quadrant of the inner edge of the volute. said vok ta, and also by the fact that the upper cover (3) has an opening (4) located over the rotor (1) and corresponding to its projection area.

2 VOLTAGE FOR VERTICAL AXIS WIND TURBINES according to claim 1, characterized in that 2/3 (two thirds) of the length of each deflector (2) is formed by its straight part, whereas 1/3 ( one third) of its length is formed by its curved part.

VOLTAGE FOR VERTICAL AXIS WIND TURBINES according to claim 1, characterized in that the rotor (1) is completely enclosed by the deflectors (2) so that the wind flow does not reach it directly.