BR102015027879A2

BR102015027879A2 - wind turbine with generators interconnected by the rotation axis

Info

Publication number: BR102015027879A2
Application number: BR102015027879A
Authority: BR
Inventors: Hansen Arnaldo
Original assignee: Hansen Arnaldo
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2017-05-09
Also published as: BR102015027879B1

Abstract

aerogerador com geradores interligados pelo eixo de rotação contido em um sistema de geração de energia elétrica através da utilização da energia dos ventos que compreende uma torre(14) com pás(11) externas que giram por ação do fluxo eólico, e que possui internamente uma pluralidade de geradores(21) sobrepostos, alinhados vertical e axialmente, acionados por um mesmo eixo(4), e a cadeia cinemática que faz girar o eixo(4) compreende as pás(11) em rotação que fazem um mecanismo de transmissão(13) amplificar a rotação transmitida ao eixo(4), e o eixo(4) aciona os rotores dos geradores(21) simultaneamente com compressor(23), e a extremidade inferior do eixo(4) está acoplado ao eixo de motor(22) elétrico acionado por baterias, e a refrigeração dos geradores(21) é por fluxo de ar ascendente forçado pelo compressor(23) com a entrada(10) de ar na base da torre(14), com a saída(16) de ar no topo da torre(14), e a saída(16) direciona o ar contra as pás(11).wind turbine with generators interconnected by the axis of rotation contained in a system of electric power generation through the use of wind energy comprising a tower (14) with external blades (11) that rotate by the action of wind flow, and which internally has a a plurality of vertically and axially aligned overlapping generators (21) driven by the same shaft (4), and the kinematic chain rotating the shaft (4) comprises the rotating blades (11) which make a transmission mechanism (13) ) amplify the rotation transmitted to the shaft (4), and the shaft (4) drives the generator rotors (21) simultaneously with compressor (23), and the lower end of the shaft (4) is coupled to the motor shaft (22) battery-powered, and the cooling of the generators (21) is by upward air flow forced by the compressor (23) with the air inlet (10) at the base of the tower (14), with the air outlet (16) in the top of tower (14), and outlet (16) directs air against blades (11).

Description

AEROGERADOR COM GERADORES INTERLIGADOS PELO EIXO DEGENERATOR WITH GENERATORS INTERCONNECTED BY THE

ROTAÇÃOROTATION

[001] Descreve um sistema para geração de energia elétrica composta por compressor que amplifica o fluxo de vento e mecanismo de transmissão que transformam a energia eólica, em torque e velocidade de rotação e transfere essa energia até o eixo dos geradores de eletricidade.[001] Describes a compressor-powered power generation system that amplifies wind flow and transmission mechanism that turns wind energy into torque and rotational speed and transfers this energy to the axis of electricity generators.

[002] A geração de energia elétrica através da utilização da energia dos ventos tem avançado substancialmente nas últimas décadas. A característica principal desta forma de energia alternativa é o fato dos ventos, ao longo da superfície terrestre, não apresentarem velocidade constante. Consequentemente a turbina eólica opera com velocidade variável. Isto exige que o gerador acoplado à turbina eólica seja capaz de gerar energia elétrica com frequência constante numa certa faixa de variação de velocidade. Entre os diversos tipos de geradores elétricos atualmente utilizados, um dos que melhor atendem esta condição é o Gerador Assíncrono Trifásico Duplamente Alimentado com Escovas [GATDACE], O gerador [GATDACE], apesar de ser uma solução viável, apresenta a desvantagem da manutenção devido ao desgaste das escovas. Na geração eólica, o baixo índice de manutenção e a confiabilidade são pontos importantes no sentido de torná-la competitiva.[002] Electricity generation through the use of wind energy has advanced substantially in recent decades. The main characteristic of this form of alternative energy is that the winds along the earth's surface do not have constant velocity. Consequently the wind turbine operates at variable speed. This requires that the generator coupled to the wind turbine be able to generate constant frequency electrical energy over a certain range of speed variation. Among the various types of electric generators currently used, one of the best suited to this condition is the GATDACE Three-Phase Brush Asynchronous Generator. The GATDACE generator, despite being a viable solution, has the disadvantage of maintenance due to brush wear. In wind generation, the low maintenance rate and reliability are important points in making it competitive.

[003] O Aerogerador para geração de energia elétrica é composto pelos seguintes subconjuntos: Torre - é o elemento que sustenta o rotor e a nacele na altura adequada ao funcionamento da turbina eólica; Rotor - é o componente que efetua a transformação da energia cinética dos ventos em energia mecânica de rotação. No rotor são fixadas as pás da turbina. Todo o conjunto é conectado a um eixo que transmite a rotação das pás para o gerador, muitas vezes, através de uma caixa multiplicadora; Nacele - é o compartimento instalado no alto da torre e que abriga todo o mecanismo do gerador, o qual pode incluir a caixa multiplicadora, freios, embreagem, mancais, controle eletrônico, sistema hidráulico; Caixa de multiplicação (transmissão) - é o mecanismo que transmite a energia mecânica do eixo do rotor ao eixo do gerador; Gerador -é o componente que tem função de converter a energia mecânica do eixo em energia elétrica; Mecanismos de controle - as turbinas eólicas são projetadas para fornecerem potência nominal de acordo com a velocidade do vento prevalecente, ou seja, a velocidade média nominal que ocorre com mais frequência durante um determinado período; Anemômetro - Mede a intensidade e a velocidade dos ventos, normalmente, de 10 em 10 minutos; Pás do rotor - Captam o vento e convertem sua potência ao centro do rotor; Biruta (sensor de direção) - São elas que captam a direção do vento, pois ele deve estar perpendicular à torre para se obter um maior rendimento. Para estimar com confiabilidade a energia produzida por uma máquina eólica é necessário conhecer, além das características da máquina que será utilizada (curva potência x velocidade do vento), a distribuição estatística da velocidade do vento no local onde ela será instalada. Tais dados de vento, normalmente, só são obtidos por meio de levantamentos específicos do potencial eólico efetuado no próprio local de interesse. A energia cinética do vento é convertida em trabalho mecânico de rotação no eixo da turbina. O eixo da turbina eólica se caracteriza, no atual estado da técnica, por ser um prolongamento do eixo do gerador elétrico. A velocidade de rotação no gerador é a mesma obtida na turbina.[003] The wind turbine for power generation is composed of the following subsets: Tower - is the element that supports the rotor and the nacelle at the proper height for wind turbine operation; Rotor - is the component that transforms the kinetic energy of winds into mechanical energy of rotation. In the rotor the turbine blades are fixed. The whole assembly is connected to an axis that transmits the rotation of the blades to the generator, often through a multiplier box; Nacele - is the compartment installed at the top of the tower that houses the entire generator mechanism, which may include the multiplier box, brakes, clutch, bearings, electronic control, hydraulic system; Multiply Box (Transmission) - is the mechanism that transmits mechanical energy from the rotor shaft to the generator shaft; Generator - is the component whose function is to convert the mechanical energy of the shaft into electrical energy; Control mechanisms - Wind turbines are designed to provide rated power in accordance with the prevailing wind speed, ie the most frequently occurring nominal average speed over a given period; Anemometer - Measures the intensity and speed of winds, usually every 10 minutes; Rotor Blades - Capture the wind and convert their power to the center of the rotor; Biruta (Direction Sensor) - These are the ones that capture the wind direction, because it must be perpendicular to the tower for a better performance. To reliably estimate the energy produced by a wind machine, it is necessary to know, besides the characteristics of the machine that will be used (power x wind speed curve), the statistical distribution of the wind speed in the place where it will be installed. Such wind data are usually only obtained by specific surveys of the wind potential carried out at the site of interest. The kinetic energy of wind is converted into mechanical work of rotation on the turbine shaft. The wind turbine shaft is, in the current state of the art, characterized by being an extension of the electric generator shaft. The rotational speed in the generator is the same as that obtained in the turbine.

[004] Para maximizar a eficiência, as turbinas eólicas são em geral projetadas especificamente para as condições onde serão instaladas.[004] To maximize efficiency, wind turbines are generally designed specifically for the conditions in which they will be installed.

[005] AEROGERADOR COM GERADORES INTERLIGADOS PELO EIXO DE ROTAÇÃO, descrito neste relatório, compreende um meio de maximizar a eficiência da turbina eólica e se caracteriza por conter um mecanismo de transmissão mecânica que recebe a rotação do eixo da turbina eólica, amplifica a velocidade de rotação e transfere essa velocidade de rotação amplificada para o eixo do gerador elétrico. O mecanismo de transmissão mecânica é constituído por um conjunto de engrenagens. Além de conter compressor ou duplo hélice de sucção disposto ao longo da torre posicionado axialmente e que é acionado no momento em que as pás se deslocam em virtude da ação da força dos ventos nas pás.[005] ROTATING SHAFT GENERATORS, described in this report, comprise a means of maximizing wind turbine efficiency and featuring a mechanical transmission mechanism that receives the rotation of the wind turbine shaft, amplifies the speed of rotation and transfers this amplified rotation speed to the electric generator shaft. The mechanical transmission mechanism consists of a set of gears. In addition to containing compressor or double suction propeller disposed along the axially positioned tower that is driven at the moment the blades move due to the action of the force of the winds on the blades.

[006] Os desenhos em anexo e a descrição detalhada que segue são meramente apresentadas a título de exemplo, pois o dito objeto pode ser concebido por outras soluções de engenharia conhecidas. Portanto, detalhes estruturais e funcionais específicos aqui divulgados não devem ser interpretados como uma limitação, mas apenas como uma base para as reivindicações; atua como uma base representativa para o ensino de um perito na arte de empregar e colocar em prática o desenvolvimento do objeto descrito neste relatório, com base na disposição construtiva doravante detalhada.The accompanying drawings and the detailed description that follows are merely given by way of example, as said object may be designed by other known engineering solutions. Therefore, specific structural and functional details disclosed herein should not be construed as a limitation, but only as a basis for the claims; It acts as a representative basis for teaching an expert in the art of employing and putting into practice the development of the object described in this report, based on the detailed constructive provision hereafter.

[007] A figura 1 mostra uma perspectiva do Aerogerador(l).[007] Figure 1 shows a perspective view of Wind Generator (1).

[008] A figura 2 mostra uma vista frontal do Aerogerador(1) [009] A figura 3 mostra uma vista superior do Aerogerador(1) [0010] Afigura 4 é um corte axial, em perspectiva do Aerogerador(l).[008] Figure 2 shows a front view of Wind Generator (1) [009] Figure 3 shows a top view of Wind Generator (1) Figure 4 is an axial perspective view of Wind Generator (1).

[0011] A figura 5 é um corte axial reto do Aerogerador(1).[0011] Figure 5 is a straight axial section of the Wind Generator (1).

[0012] O fluxo eólico atua nas pás(11) da torre(14) e faz o mecanismo de transmissão(13) girar; O mecanismo de transmissão(13) amplifica a rotação transmitida para os geradores(21) elétricos. O eixo(4) transmite igual rotação a todos os geradores(21) elétricos alinhados e interligados em série. O eixo(4) também aciona o compressor(23) que gera ainda mais força através do princípio de Bernoulli. A torre(14) possui uma estrutura(15) rígida em forma de mancai circular que possui pás(11) do Aerogerador(l) fixas na superfície cilíndrica externa. As pás(11) possuem geometria própria e sua extensão(12) permite um melhor aproveitamento cinético das forças geradas pelo vento. Na parte interna(2) da torre(14) há estruturas de base circulares(25) fixas na torre(14), não giratória, que apoiam os geradores(21). Todo o ambiente contido na parte interna(2) da torre(14) é refrigerado com o aproveitamento dos ventos amplificados pelo compressor(23) ou duplo hélice de sucção que puxam o ar pela entrada(10).Wind flow acts on the blades (11) of the tower (14) and causes the transmission mechanism (13) to rotate; The transmission mechanism (13) amplifies the rotation transmitted to the electric generators (21). The shaft (4) transmits equal rotation to all series aligned and interconnected electrical generators (21). The shaft (4) also drives the compressor (23) which generates even more force through the Bernoulli principle. The tower (14) has a rigid circular housed frame (15) having windmill blades (11) attached to the outer cylindrical surface. The blades (11) have their own geometry and their extension (12) allows a better kinetic utilization of wind forces. In the inner part (2) of the tower (14) there are circular base structures (25) attached to the non-rotating tower (14) which support the generators (21). The entire environment contained in the inner part (2) of the tower (14) is cooled by harnessing the wind amplified by the compressor (23) or double suction propeller that pulls air through the inlet (10).

[0013] A transmissão do movimento de rotação se dá pelas pás(11) fixas ao sistema de transmissão(13), que transmite rotação para o compressor(23) e para uma pluralidade de geradores(21).Transmission of the rotational motion is by the blades (11) attached to the transmission system (13), which transmits rotation to the compressor (23) and to a plurality of generators (21).

[0014] O Aerogerador(l) é formado pela parte estrutural constituída pela carcaça da torre(14), a entrada(10) de ar na base da torre(14), a saída(16) de ar da torre(14), a estrutura(15) circular, geradores(21), compressor(23) ou duplo hélice de sucção e estruturas de base(25) para sustentação dos geradores(21).The wind generator (1) is formed by the structural part consisting of the tower housing (14), the air inlet (10) at the base of the tower (14), the air outlet (16) of the tower (14), the circular structure (15), generators (21), compressor (23) or double suction propeller and base structures (25) for supporting the generators (21).

[0015] O mecanismo de transmissão(13) faz maximizar a eficiência do Aerogerador(l) para as mesmas condições de vento onde serão instaladas, se comparadas com as torres eólicas contidas no atual estado da técnica. Além disto a geometria e forma construtiva da torre(14) foi concebida para possibilitar o aproveitamento do ar que é utilizado na movimentação das pás(11) e para refrigerar os geradores(21) elétricos. Estes geradores(21) estão dispostos alinhados axialmente dentro da torre; apoiados em bases(25) sobre treliças. Estas bases permitem, quando o Aerogerador não esteja operando, que sejam feitos atividades como manutenção e inspeção. A quantidade de geradores(21) dispostos dentro da torre(14) vai depender da demanda de potência e especificações de projeto. Um motor(22) elétrico é colocado como último elemento na base da torre(14), logo após o último gerador(21), para fechar a malha de controle de rotação das pás(11). Desta maneira caso os ventos da região em que a torre esteja instalada não sejam suficientes, o motor(22) entra em regime para compensar esta falta de torque. Durante a geração de energia quando os ventos estão em sua velocidade nominal ou pelo menos com força mínima para mover as pás(11), o motor(22) fica fora de funcionamento e são carregados um banco de baterias para quando o motor for necessário tenha autonomia de algumas horas para funcionar. Assim a torre(14) fica funcionando durante determinado tempo, mesmo quando os ventos estejam muito fracos.[0015] The transmission mechanism (13) maximizes the efficiency of Wind Generator (l) for the same wind conditions where it will be installed compared to the wind towers contained in the current state of the art. In addition, the tower geometry and design (14) are designed to make use of the air used to move the blades (11) and to cool the electric generators (21). These generators (21) are arranged axially aligned within the tower; supported on trusses (25). These bases allow, when the Wind Generator is not operating, activities such as maintenance and inspection. The number of generators (21) disposed within the tower (14) will depend on power demand and design specifications. An electric motor (22) is placed as the last element in the tower base (14), just after the last generator (21), to close the blade rotation control loop (11). In this way, if the winds of the region where the tower is installed are not sufficient, the motor (22) will start to compensate for this lack of torque. During power generation when the winds are at their rated speed or at least with minimal force to move the blades (11), the engine (22) is out of service and a battery bank is charged so that when the engine is needed autonomy of a few hours to operate. Thus tower 14 is operating for a certain time, even when the winds are very light.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. GENERATOR WITH GENERATORS CONNECTED BY THE ROTATION SHAFT contained in a system of electric power generation through the use of wind energy that comprises a tower (14) with external blades (11) that rotate by the action of wind flow, characterized by having internally a plurality of vertically and axially aligned superimposed generators (21) driven by the same axis (4), and the kinematic chain that rotates the axis (4) comprises the rotating blades (11) which make a transmission mechanism (13) amplify the rotation transmitted to the shaft (4), and the shaft (4) drive the generator rotors (21) simultaneously with compressor (23), and the lower end of the shaft (4) be coupled to the motor shaft ( 22) battery operated electric;

ROTATING SHAFT GENERATORS according to claim 1, characterized in that the cooling of the generators (21) is by upward air flow forced by the compressor (23) with the air inlet (10) at the base of the tower. (14), with the air outlet (16) at the top of the tower (14), and the outlet (16) directing the air against the blades (11);

AERGENERATOR WITH GENERATORS CONNECTED BY THE ROTATION SHAFT according to claim 1, characterized in that the generators (21) are supported on latticed bases (25) within the tower (14).