BR102017011227A2

BR102017011227A2 - energy-efficient and torque-inclined brackets for vertical axis wind turbine blades

Info

Publication number: BR102017011227A2
Application number: BR102017011227-6A
Authority: BR
Inventors: Francisco Frederico Dos Santos Matos
Original assignee: Instituto Federal De Educação, Ciência E Tecnologia Do Ceará
Priority date: 2017-05-27
Filing date: 2017-05-27
Publication date: 2018-12-18

Abstract

suportes inclinados com ganho de eficiência energêtica e torque para as pás de turbinas eólicas de eixo vertical. as turbinas eólicas de eixo vertical (teev) se apresentam na literatura com menor eficiência energética e baixo torque de partida em relação às tradicionais turbinas eólicas de eixo horizontal (teeh), apesar de possuíram vantagens como a omnidirecionalidade em relação ao vento, a baixa manutenabilidade e um menor ruído. a presente invenção refere-se à tecnologia aplicada às turbinas eólicas de eixo vertical, onde os rotores eólicos são equipamentos para conversão da energia cinética dos ventos em energia mecânica de rotação. tal conversão se dá através de forças de sustentação induzidas pelo vento nos perfis aerodinâmicos das pás. assim, o produto entre a componente da força de sustentação na direção do giro da pá e o raio do rotor, resulta no torque da turbina. um dos objetivos da presente invenção é aumentar o rendimento e aperfeiçoar o torque de partida da teev. a técnica aqui reivindicada utiliza os suportes das pás não somente como parte estruturante da turbina, mais também como componentes geradores de torque, aumentando assim a eficiência da teev. para tanto, são propostos perfis aerodinâmico para os suportes que funcionam de maneira semelhante às pás.inclined supports with energy efficiency and torque gain for vertical axis wind turbine blades. vertical axis wind turbines (teev) are presented in the literature with lower energy efficiency and low starting torque compared to traditional horizontal axis wind turbines (teeh), although they have advantages such as omnidirectionality in relation to wind, low maintainability and a smaller noise. The present invention relates to technology applied to vertical axis wind turbines, where wind rotors are equipment for converting wind kinetic energy to mechanical rotational energy. Such conversion occurs through wind-induced lift forces on the blade aerodynamic profiles. thus, the product between the lift force component in the direction of blade rotation and the rotor radius results in the turbine torque. One of the objectives of the present invention is to increase the efficiency and improve the starting torque of teev. The technique claimed here utilizes the blade supports not only as a structural part of the turbine, but also as torque generating components, thereby increasing the efficiency of teev. To this end, aerodynamic profiles are proposed for the supports that work similar to the blades.

Description

“SUPORTES INCLINADOS COM GANHO DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA E TORQUE PARA AS PÁS DE TURBINAS EÓLICAS DE EIXO VERTICAL” Campo da Invenção [001]. A presente invenção se situa no campo da Engenharia V, mais especificamente, proporciona um ganho de eficiência energética em turbinas eólicas de eixo vertical. O produto da invenção compreende a área de conhecimento interdisciplinar de Energias Renováveis.“SLOPE SUPPORTS WITH ENERGY EFFICIENCY GAIN AND TORQUE FOR VERTICAL AXIS WIND TURBINES” Campo da Invenção [001]. The present invention is located in the field of Engineering V, more specifically, it provides an energy efficiency gain in vertical axis wind turbines. The product of the invention comprises the area of interdisciplinary knowledge of Renewable Energies.

Antecedentes da Invenção [002]. Em 1931, Darrieus propôs a primeira técnica de criação de uma turbina eólica de eixo vertical (TEEV) na publicação da patente US1835018A, onde a turbina eólica proveniente dessa técnica ficou popularmente conhecida como turbina eólica do tipo Darrieus. T al técnica não foi amplamente utilizada na época devido a dois aspectos: o primeiro aspecto era devido à algumas deficiências no projeto, como o baixo torque de partida e a alta vibração; o segundo foi devido à alta disponibilidade de outros tipos geração de energia, pode-se citar o petróleo como fonte primária. Além disso, a preocupação com os impactos ambientais da utilização do petróleo não era uma premissa de projeto dos sistemas de geração de energia.Background of the Invention [002]. In 1931, Darrieus proposed the first technique for creating a vertical axis wind turbine (TEEV) in the publication of the US1835018A patent, where the wind turbine derived from this technique became popularly known as the Darrieus type wind turbine. This technique was not widely used at the time due to two aspects: the first aspect was due to some deficiencies in the design, such as low starting torque and high vibration; the second was due to the high availability of other types of energy generation, oil can be mentioned as a primary source. In addition, the concern with the environmental impacts of oil use was not a design premise for power generation systems.

[003]. Em meados de 1970, a crise do petróleo revitalizou o interesse em diferentes tipos de dispositivos de conversão de energia renovável, incluindo as turbinas eólicas de eixo vertical (TEEV) e de eixo horizontal (TEEH), ambas baseadas em forças de sustentação. Devido à problemas de projeto e a menor eficiência das TEEVs, as turbinas eólicas de eixo horizontal (TEEH) se estabeleceram no mercado como forma padrão de turbina eólica. Portanto, o interesse nas TEEVs sofreu mais uma derrota e teve o seu declino a partir de meados de 1980.[003]. In the mid-1970s, the oil crisis revitalized interest in different types of renewable energy conversion devices, including vertical-axis (TEEV) and horizontal-axis (TEEH) wind turbines, both based on lift forces. Due to design problems and the lower efficiency of TEEVs, horizontal axis wind turbines (TEEH) have established themselves on the market as a standard form of wind turbine. Therefore, interest in TEEVs suffered yet another defeat and declined from the mid 1980s.

[004]. Recentemente, a TEEV do tipo Darrieus está atraindo um número significativo de pesquisadores devido às suas vantagens inerentes da geometria e um diversificado campo de aplicações. Vários estudos com parativos têm[004]. Recently, Darrieus-type TEEV is attracting a significant number of researchers due to its inherent advantages of geometry and a diverse field of applications. Several studies with paratives have

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2/7 mostrado que as TEEVs são vantajosas em relação às TEEHs em muitos aspectos, especialmente se a inabilidade da TEEV em obter torque de partida for revertida.2/7 shown that TEEVs are advantageous over TEEHs in many ways, especially if TEEV's inability to obtain starting torque is reversed.

[005]. Seguindo a invenção de Darrieus, outros modelos de turbinas do mesmo tipo também foram desenvolvidos propondo melhorias, uma dessas invenções é a de Bolie et al. (1980), patente US4204805, que propôs uma turbina eólica que utiliza um conjunto rotativo de pás ligado a um cubo central. Esse conjunto rotativo possuí pelo menos dois suportes posicionados entre ângulos iguais. Nas extremidades desses suportes há um conjunto de conectores geralmente em forma de U para fixar o aerofólio orientado na vertical.[005]. Following Darrieus' invention, other models of turbines of the same type were also developed proposing improvements, one of these inventions being that of Bolie et al. (1980), patent US4204805, which proposed a wind turbine that uses a rotating set of blades connected to a central hub. This rotating assembly has at least two supports positioned between equal angles. At the ends of these supports there is a set of connectors, usually U-shaped, to fix the upright-oriented airfoil.

[006] Mais recentemente, Gelhard (1997), patente EP0801711B1, desenvolveu uma turbina eólica com um rotor do tipo Darrieus-H que utiliza pelo menos duas pás aerodinâmicas acopladas ao rotor e dispostas simetricamente em torno do eixo de rotação, sendo totalmente verticais e paralelas ao eixo de rotação.[006] More recently, Gelhard (1997), patent EP0801711B1, developed a wind turbine with a Darrieus-H type rotor that uses at least two aerodynamic blades coupled to the rotor and arranged symmetrically around the axis of rotation, being totally vertical and parallel to the axis of rotation.

[007]. Ainda podem-se citar com relação às técnicas anteriormente existentes para rotores eólicos de eixo vertical as patentes: PI8207928, PI0610186 e PI0116663.[007]. The following patents can also be mentioned in relation to the previously existing techniques for vertical axis wind rotors: PI8207928, PI0610186 and PI0116663.

[008]. Como visto, várias patentes já foram depositadas visando alguma melhoria de projeto e ganho de eficiência energética. Das técnicas conhecidas, nenhuma, faz uso dos suportes das pás, conforme a presente invenção, como componentes geradores de ganhos de eficiência energética.[008]. As seen, several patents have already been filed with a view to improving the project and gaining energy efficiency. None of the known techniques make use of the paddle supports, according to the present invention, as components that generate energy efficiency gains.

[009]. Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta, aos olhos do inventor, possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.[009]. From what can be inferred from the researched literature, no documents were found anticipating or suggesting the teachings of the present invention, so that the solution proposed here, in the eyes of the inventor, has novelty and inventive activity in view of the state of the art.

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Sumário da Invenção [010]. Uma configuração da invenção é uma turbina eólica de eixo vertical, cuja configuração inclui: pelo menos uma pá com formato de aerofólio, no qual dito aerofólio compreende uma superfície superior, uma superfície inferior e uma linha ou curva de centro; e na qual a distância a partir da superfície superior ao longo do seu comprimento até a linha ou curva de centro é a mesma que a distância a partir da linha inferior até a linha ou curva de centro.Summary of the Invention [010]. One embodiment of the invention is a vertical axis wind turbine, the configuration of which includes: at least one airfoil-shaped blade, in which said airfoil comprises an upper surface, a lower surface and a center line or curve; and in which the distance from the upper surface along its length to the center line or curve is the same as the distance from the lower line to the center line or curve.

[011]. Ainda nessa configuração, pode-se dispor de várias pás equidistantes ao eixo de rotação, onde as mesmas ainda podem ter formatos variados ao longo do eixo de rotação: retas, helicoidais ou outros formatos.[011]. Still in this configuration, it is possible to have several blades equidistant to the axis of rotation, where they can still have different shapes along the axis of rotation: straight, helical or other shapes.

[012]. A trajetória percorrida pelas pás das turbinas eólicas de eixo vertical pode ser circular ou oval. Essa última sendo raramente encontrada por dificuldades de fabricação.[012]. The trajectory of the vertical axis wind turbine blades can be circular or oval. The latter being rarely encountered due to manufacturing difficulties.

[013]. A presente invenção compreende a forma de manter as pás da TEEV na sua trajetória circular. Uma das formas utilizadas é a simples fixação de suportes das pás ao eixo de rotação, onde os mesmos possuem formas que geram perdas por arrasto aerodinâmico. Uma outra forma é a fixação de suportes com formatos aerodinâmicos, onde o arrasto é reduzido, no entanto não acrescentam ganhos de desempenho. A forma aqui reivindicada é o uso de formatos aerodinâmicos nos suportes das pás que promovam não somente a redução do arrasto, como também um ganho de eficiência energética e torque de partida.[013]. The present invention comprises how to keep TEEV's blades in their circular path. One of the ways used is the simple fixation of blade supports to the rotation axis, where they have shapes that generate losses due to aerodynamic drag. Another way is the fixation of supports with aerodynamic formats, where the drag is reduced, however they do not add performance gains. The form claimed here is the use of aerodynamic shapes in the paddle supports that promote not only the reduction of drag, but also a gain in energy efficiency and starting torque.

[014]. Dentre os efeitos da técnica da presente invenção, destacam-se:[014]. Among the effects of the technique of the present invention, the following stand out:

a. Aumento da eficiência da turbina eólica;The. Increased efficiency of the wind turbine;

b. Ampliação do torque em rotação nominal;B. Increase of torque at nominal rotation;

c. Ampliação do torque de partida;ç. Increasing the starting torque;

d. Redução do atrito com o vento dos suportes estruturantes;d. Reduced friction with wind from structural supports;

e. Aumento da segurança da TEEV ao proporcionar uma maior possibilidade de freio aerodinâmico em altas rotações.and. Increased safety of TEEV by providing a greater possibility of aerodynamic brake at high speeds.

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4/7 [015]. É, portanto, um dos objetos da presente invenção um suporte que compreende:4/7 [015]. Therefore, one of the objects of the present invention is a support that comprises:

a. pelo menos uma fixação na pá da TEEV;The. at least one fixation on the TEEV blade;

b. pelo menos uma fixação no eixo de rotação da TEEV;B. at least one fixation on the TEEV's axis of rotation;

c. um formato de perfil de aerofólio ao longo de seu comprimento;ç. an airfoil profile shape along its length;

d. uma inclinação em relação ao eixo de rotação maior que 0° e menor que 90°, promovendo torque de partida e ganho de eficiência energética.d. an inclination in relation to the axis of rotation greater than 0 ° and less than 90 °, promoting starting torque and gaining energy efficiency.

[016]. Em uma realização preferencial, o suporte utilizado para a pá emprega o mesmo perfil aerodinâmico que o da pá, podendo possuir o mesmo comprimento de corda ou não.[016]. In a preferred embodiment, the support used for the blade uses the same aerodynamic profile as that of the blade, and may have the same length of rope or not.

[017]. Em uma realização preferencial, o suporte utilizado possui uma inclinação em relação ao eixo de rotação maior que 0° e menor que 90°.[017]. In a preferred embodiment, the support used has an inclination in relation to the axis of rotation greater than 0 ° and less than 90 °.

[018]. Em uma realização preferencial, as extremidades dos suportes se conectam às pás e ao eixo de rotação por intermédio de parafusos de fixação.[018]. In a preferred embodiment, the ends of the supports are connected to the blades and the axis of rotation by means of fixing screws.

[019]. Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e serão descritos em detalhes suficientes para sua reprodução na descrição a seguir.[019]. These and other objects of the invention will be immediately valued by those skilled in the art and by companies with interests in the segment, and will be described in sufficient detail for their reproduction in the description below.

Breve Descrição das Figuras [020]. A Figura 1 ilustra uma configuração de uma turbina eólica de eixo vertical de três pás acopladas ao eixo de rotação. São indicados em 101 as pás da TEEV, em 102 os suportes das pás e em 103 o eixo de rotação.Brief Description of the Figures [020]. Figure 1 illustrates a configuration of a three-bladed vertical axis wind turbine coupled to the axis of rotation. The TEEV blades are indicated in 101, the blade supports in 102 and 103 in the rotation axis.

[021]. A Figura 2 ilustra uma vista de topo, esquemática, da turbina eólica de eixo vertical, configuração preferencial.[021]. Figure 2 shows a schematic top view of the vertical axis wind turbine, preferred configuration.

[022]. A Figura 3 ilustra uma vista de lado, esquemática, onde também pode ser visualizado o corte na seção transversal da TEEV.[022]. Figure 3 illustrates a schematic side view, where the cross section of the TEEV can also be seen.

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5/7 [023]. A Figura 4 ilustra uma vista de topo, esquemática, do corte na seção transversal da turbina, referenciado na Fig. 3. São indicados em 201 o perfil da pá e em 202 o perfil do suporte.5/7 [023]. Figure 4 shows a schematic top view of the cross section of the turbine, referenced in Fig. 3. The profile of the blade is shown in 201 and the profile of the support in 202.

Descrição Detalhada da Invenção [024]. As turbinas eólicas de eixo vertical (TEEV) se apresentam na literatura com menor eficiência energética e baixo torque de partida em relação às tradicionais turbinas eólicas de eixo horizontal (TEEH), apesar de possuíram vantagens como a omnidirecionalidade em relação ao vento, a baixa manutenabilidade e um menor ruído. A presente invenção refere-se à tecnologia aplicada às turbinas eólicas de eixo vertical, onde os rotores eólicos são equipamentos para conversão da energia cinética dos ventos em energia mecânica de rotação. Tal conversão se dá através de forças de sustentação induzidas pelo vento nos perfis aerodinâmicos das pás. Assim, o produto entre a componente da força de sustentação na direção do giro da pá e o raio do rotor, resulta no torque da turbina. Um dos objetivos da presente invenção é aumentar o rendimento e aperfeiçoar o torque de partida da TEEV. A técnica aqui reivindicada utiliza os suportes das pás não somente como parte estruturante da turbina, mais também como componentes geradores de torque, aumentando assim a eficiência da TEEV. Para tanto, são propostos perfis aerodinâmico para os suportes que funcionam de maneira semelhante às pás.Detailed Description of the Invention [024]. Vertical-axis wind turbines (TEEV) are presented in the literature with lower energy efficiency and low starting torque compared to traditional horizontal-axis wind turbines (TEEH), despite having advantages such as omnidirectionality in relation to the wind, low maintenance and less noise. The present invention relates to the technology applied to vertical axis wind turbines, where the wind rotors are equipment for converting the kinetic energy of the winds into mechanical energy of rotation. Such conversion occurs through wind-induced lift forces on the aerodynamic profiles of the blades. Thus, the product between the component of the lift force in the direction of the blade rotation and the rotor radius, results in the turbine torque. One of the objectives of the present invention is to increase the performance and improve the starting torque of TEEV. The technique claimed here uses the paddle supports not only as a structuring part of the turbine, but also as torque generating components, thus increasing the efficiency of TEEV. For this, aerodynamic profiles are proposed for supports that work in a similar way to blades.

[025]. Os exemplos aqui mostrados têm o intuito somente de exemplificar uma das inúmeras maneiras de se realizar a invenção, contudo, sem limitar o escopo da mesma.[025]. The examples shown here are intended only to exemplify one of the countless ways of carrying out the invention, however, without limiting its scope.

Turbina eólica de eixo vertical com pás retas e suportes inclinados [026]. A turbina eólica de eixo vertical com pás retas e suportes inclinados compreende:Vertical axis wind turbine with straight blades and inclined supports [026]. The vertical axis wind turbine with straight blades and inclined supports comprises:

a. pás equidistantes ao eixo de rotação ao longo de todo o seu comprimento;The. blades equidistant to the axis of rotation along its entire length;

b. meios para fixação das pás aos suportes;B. means for fixing the blades to the supports;

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c. meios para fixação dos suportes ao eixo de rotação;ç. means for fixing the supports to the axis of rotation;

d. suportes inclinados com perfil de aerofólio ao longo de seu comprimento, promovendo torque de partida e ganho de eficiência energética.d. inclined supports with an airfoil profile along its length, promoting starting torque and gaining energy efficiency.

[027]. O suporte 102 com perfil de aerofólio só promove torque caso ele também esteja inclinado em relação ao eixo de rotação, como mostrado na Fig. 3 (ângulo α). Caso ele seja montado de forma perpendicular ao eixo de rotação e ainda possuir perfil de aerofólio, o mesmo só promoverá redução do arrasto aerodinâmico.[027]. Support 102 with an airfoil profile only promotes torque if it is also inclined in relation to the axis of rotation, as shown in Fig. 3 (angle α). If it is mounted perpendicular to the axis of rotation and still has an airfoil profile, it will only promote the reduction of aerodynamic drag.

[028]. As seguintes vantagens são obtidas quando se utiliza tais suportes com perfil de aerofólio: aumento da eficiência da turbina eólica, ampliação do torque em rotação nominal, ampliação do torque de partida, redução do atrito com o vento, aumento da segurança da TEEV ao proporcionar uma maior possibilidade de freio aerodinâmico em altas rotações, pois em altas rotações acontece a perda de sustentação aerodinâmica devido à formação de vórtices em cima do perfil do aerofólio.[028]. The following advantages are obtained when using such supports with an airfoil profile: increasing the efficiency of the wind turbine, increasing the torque at nominal rotation, increasing the starting torque, reducing the friction with the wind, increasing the safety of the TEEV by providing a greater possibility of aerodynamic brake at high speeds, because at high speeds the loss of aerodynamic lift occurs due to the formation of vortices over the profile of the airfoil.

Turbina eólica de eixo vertical com pás helicoidais e suportes inclinados [029]. A turbina eólica de eixo vertical com pás helicoidais e suportes inclinados compreende:Vertical axis wind turbine with helical blades and inclined supports [029]. The vertical axis wind turbine with helical blades and inclined supports comprises:

a. pás não necessariamente equidistantes ao eixo de rotação ao longo de todo o seu comprimento;The. blades not necessarily equidistant from the axis of rotation along their entire length;

[030]. Assim como nas turbinas eólicas de eixo vertical e pás retas, os suportes com perfil de aerofólio só promovem torque caso eles também estejam inclinados em relação ao eixo de rotação, como mostrado na Fig.3 (ângulo α). Caso eles[030]. As with vertical-axis and straight-bladed wind turbines, the supports with an airfoil profile only promote torque if they are also inclined in relation to the axis of rotation, as shown in Fig.3 (angle α). If they

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7/7 sejam montados de forma perpendicular ao eixo de rotação e ainda possuir perfil de aerofólio, o mesmo só promoverá redução do arrasto aerodinâmico.7/7 are mounted perpendicular to the axis of rotation and still have an airfoil profile, it will only promote reduction of aerodynamic drag.

Claims

CLAIMS [001] Vertical axis wind turbine, characterized by the fact that it comprises:

a) at least one airfoil-shaped blade, in which said airfoil comprises an upper surface, a lower surface and a center line or curve; and

b) in which the distance from the upper surface to the center line is the same as the distance from the lower surface to the center line or curve, along the length of the airfoil;

c) airfoil-shaped blades equidistant from the axis of rotation along its entire length;

d) means for fixing the blades to the supports;

e) means for fixing the supports to the axis of rotation.

[002] Wind turbine according to claim 1, characterized by the fact that it has supports inclined in relation to the axis of rotation, according to figure 1.

[003] Wind turbine according to claims 1 and 2, characterized by the fact that it has supports with an airfoil profile, according to figures 1,2, 3 and 4 (202).

[004] Wind turbine according to claim 1, 2 and 3, characterized by the fact that they comprise:

The. means for converting the kinetic energy of the winds and the consequent rotation torque coming from the structuring supports, seen in 202;

B. means to reduce the speed of the turbine at speeds above the safety limit from the structuring supports, seen in 202.