BR112013030714B1

BR112013030714B1 - rotor de instalação de energia eólica

Info

Publication number: BR112013030714B1
Application number: BR112013030714-5A
Authority: BR
Inventors: David Anthony Whiley; Paul Trevor Hayden
Original assignee: Blade Dynamics Limited
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2021-07-06
Also published as: WO2012164305A1; ES2710477T3; BR112013030714A2; DK2715118T3; EP2715118B1; TR201902216T4; CN103797242A; GB201109412D0; JP2014517197A; EP2715118A1; CN103797242B; US20140086752A1; US10125741B2

Abstract

ROTOR DE INSTALAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA. Um roto de instalação de energia eólica que compreende um cubo (1), a partir do qual uma pluralidade de pás (2) se projeta para um raio de pelo menos 50 metros. Cada pá compreendo uma carenagem oca suportada por uma longarina central, Cada pá tem uma espessura t em um raio r; caracterizado pelo fato de que, quando r = 0,5R, t > 0,3T, onde R é o raio da pá e T é a espessura da pá na extremidade de raiz. Por ser mais espessa por uma maior proporção da pá, o desempenho aerodinâmico desta pare da pá é pior, mas isto é mais do que compensado, uma vez que permite melhor desempenho aerodinâmico onde é mais importante, mais especificamente na parte externa da pá,. Ela também permite que pás maiores sejam providas.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção é dirigida a um rotor de instalação de energia eólica. Em particular, a presente invenção é dirigida a um moderno rotor de instalação de energia eólica, de grande porte. Para as finalidades da descrição, essa será definida como uma instalação de energia eólica que compreende um cubo, a partir do qual uma pluralidade de pás se projeta para um raio de pelo menos 50 metros, cada pá compreendendo uma carenagem oca suportada por uma longarina central.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] O tamanho atual de pás de instalação de energia eólica é na faixa de 35 - 55m (raio medido a partir do centro do cubo para a ponta da pá). Espera-se que este aumente ainda mais nos anos vindouros, pois projetos estão sendo desenvolvidos para construir máquinas muito maiores tanto para aplicação em terra quanto no mar, que exigirão pás de tamanho na faixa de 50 - 100m.

[003] A tecnologia atual de pás, se ampliada de 'como está', ou com menores modificações, levará a um número de desafios de fabricação e adicionalmente levará a um número de desafios de projeto para o projetista da instalação completa. O desafio principal é aquele do tratamento com a massa muito grande das pás, o que conduz a partes muito maciças e, por conseguinte, partes caras, para a instalação e suas fundações a fim de lidar com as cargas e em particular as cargas de fadiga que são colocadas sobre instalação e suas fundações.

[004] A atual metodologia de projeto de pás conduziria a que a massa de pá crescesse aproximadamente pelo comprimento da pá pela potência de 2,95. Isto é mostrado ser verdadeiro no caso de algumas das atuais primeiras tentativas de construir grandes pás, e é mostrado na FIG. 5.

[005] Além disso, as pás tornam-se maiores, a frequência natural da pá cai e torna-se mais perto das frequências de excitação observadas durante operação da instalação.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[006] De acordo com uma primeira realização da presente invenção, é provido um rotor de instalação de energia eólica que compreende um cubo, a partir do qual uma pluralidade de pás se projeta para um raio de pelo menos 50 metros, cada pá compreendendo uma carenagem oca suportada por uma longarina central, cada pá que tem uma espessura t em um raio r; caracterizado pelo fato de que, quando r = 0,5R, t > 0,3T, onde R é o raio da pá e T é a espessura da pá na extremidade de raiz.

[007] Em um projeto convencional de pá, a espessura se adelgaça para fora muito mais rapidamente, de forma que no ponto médio da pá (medido a partir do centro do cubo para a ponta da pá), a espessura t da pá é tipicamente em torno de 20% da espessura de extremidade de raiz T. Na presente invenção, ela mantém mais do que 30% de sua espessura de extremidade de raiz neste ponto.

[008] A abordagem adotada pela presente invenção é uma mudança radial muito longe das relações aerodinâmicas e estruturais típicas. Ao invés dessas, a presente invenção contempla uma pá que é atualmente significantemente pior em termos de seu desempenho aerodinâmico para a parte interna da pá. Ao contrário disso, as considerações para o projeto daparte interna da pá são quase que totalmente dominadas pela estrutura. Poroutro lado, para a parte externa do comprimento, as considerações de projetosão quase que totalmente dominadas por aerodinâmicas. A “perdaaerodinâmica” causada por a deficiente aerodinâmica da parte interna é mais do que compensada pela produção de menos componentes aerodinâmicos sobre a parte externa da pá. Isto também permite que pás muito mais longas sejam produzidas, pois a parte interna da pá pode ser feita muito mais leve com a restrição aerodinâmica elevada. Isto permite maior desempenho aerodinâmico sem aumentar dramaticamente as cargas de fadiga.

[009] Preferivelmente, quando r = 0,5R, t > 0,4T, e mais preferivelmente >0,5T. Em outras palavras, na metade ao longo da pá, a pá preferivelmente ainda mantém pelo menos 40%, e mais preferivelmente 50% de sua espessura na extremidade de raiz.

[010] De acordo com uma segunda realização da invenção, é provido um rotor de instalação de energia eólica que compreende um cubo, a partir do qual uma pluralidade de pás se projeta para um raio de pelo menos 50 metros, cada pá compreendendo uma carenagem oca suportada por uma longarina central, cada pá que tem uma espessura t em um raio r; caracterizado pelo fato de que, quando r = 0,25R, t > 0,6T, onde R é o raio da pá e T é a espessura da pá na extremidade de raiz.

[011] Preferivelmente, quando r = 0,25R, t > 0,7T, e mais preferivelmente, > 0,8T. Em outras palavras, um quarto da extensão ao longo da pá (a partir do centro do cubo), a pá mantém pelo menos 60%, preferivelmente pelo menos 70%, e mais preferivelmente pelo menos 80% de sua espessura na extremidade de raiz. Uma pá convencional mantém cerca de 50% de sua espessura neste ponto.

[012] De acordo com uma terceira realização da invenção, é provido um rotor de instalação de energia eólica que compreende um cubo, a partir do qual uma pluralidade de pás se projeta para um raio de pelo menos 50 metros, cada pá compreendendo uma carenagem oca suportada por uma longarina central, cada pá que tem uma espessura t em um raio r; caracterizado pelo fato de que, quando r = 0,4R, t > 0,5T, onde R é o raio da pá e T é a espessura da pá na extremidade de raiz.

[013] Preferivelmente, quando r = 0,4R, t > 0,6T e mais preferivelmente > 0,7T. Em outras palavras, 40% da extensão ao longo da pá (a partir do centro do cubo), a pá mantém pelo menos 50%, preferivelmente pelo menos 60%, e mais preferivelmente pelo menos 70% de sua espessura da extremidade de raiz. Uma pá convencional mantém cerca de 30% de sua espessura neste ponto.

[014] Um outro benefício de uma pá que é mais espessa ao longo de uma maior porção de seu comprimento mais interno se refere ao uso de materiais. Como a porção interna da pá é mais espessa, a rigidez pode ser mantida para uma pá maior sem se ter que recorrer a compósitos de fibra de módulo mais alto para esta porção interna. Preferivelmente, por conseguinte, a longarina compreende pelo menos parcialmente um laminado de resina de epóxi reforçado com fibras de vidro ao longo de uma porção interna de seu comprimento e um laminado de resina de epóxi reforçado com fibras de carbono ao longo de uma porção externa de seu comprimento. Assim, o uso de materiais com desempenho mais alto na região mais externa da pá melhora ainda mais a capacidade de a pá manter sua rigidez, enquanto tem arraste muito baixo porque ela pode ser feita de forma relativamente mais delgada para aumentar ainda mais o desempenho. Isso também aumenta ainda mais a frequência natural da pá, ajudando assim a evitar as frequências de excitação.

[015] O uso de os materiais nas partes internas e externas da longarina pode também ser definido em termos do Módulo de Young. Materiais compósitos de desempenho mais baixo podem ser usados na parte interna da pá quando a espessura aumentada da rigidez de pá deve ser mantida para uma grande pá sem recorrer a compósitos de módulos mais altos.

[016] Preferivelmente, a longarina pelo menos parcialmente compreende uma porção interna tendo coroas de longarina com fibras que se estendem longitudinalmente em uma direção de flexão de princípio, em que pelo menos parte das coroas de longarina na porção interna compreendem um Módulo de Young na direção de princípio < 50 GPa e uma razão de Módulo de Young/densidade de < 0,027 GPa/kgm-3, e uma porção externa tendo coroas de longarina com fibras que se estendem longitudinalmente na direção de flexão de princípio, em que pelo menos parte das coroas de longarina na porção externa compreendem um Módulo de Young na direção de flexão de princípio de > 100 GPa e uma razão de Módulo de Young/densidade de > 0,059GPa/kgm-3.

[017] A presente invenção também se estende para uma pá para um rotor de acordo com qualquer uma das realizações da invenção definida acima.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[018] Um exemplo de um rotor e pá de acordo com a presente invenção será agora descrito com referência aos desenhos anexos, nos quais:- a FIG. 1 é uma seção transversal encurtada e esquemática em um plano paralelo ao eixo de rotação através de um rotor de acordo com a presente invenção a partir do eixo de rotação para a ponta da pá com uma seção transversal de uma pá convencional mostrada em linhas tracejadas, para comparação;- a FIG. 1A é uma seção transversal de uma pá através de linha A-A na FIG. 1 com uma pá convencional em linhas tracejadas, para comparação;- a FIG. 2 é uma vista similar à FIG. 1, mas mostrando uma vista plana da pá;- as FIGS. 3A-3D são vistas similares à FIG. 1A mostrando uma diferente configuração de pá;- a FIG. 4 é um gráfico mostrando razão de espessura contra razão de raio para uma pá convencional, uma pá de comprimento comparável de acordo com a presente invenção e uma pá mais longa de acordo com a presente invenção;- a FIG. 5 é um gráfico de massa contra comprimento de pá que provê uma comparação entre a presente invenção e o estado da técnica;- a FIG. 6 é um gráfico de torque contra raio mostrando o desempenho da presente invenção contra o estado da técnica; e- as FIGS. 7A e 7B são seções transversais similares à FIG. 1A mostrando o estado da técnica e a presente invenção, respectivamente, ilustrando a vantagem provida pela presente invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENCÃO

[019] As técnicas usadas para construir a pá e montá-la no cubo de rotor poderiam ser técnicas de fabricação de pá convencionais, mas preferivelmente são como expostas em outros pedidos anteriores WO 2009/034291, WO 2009/034292, WO 2009/130467, WO 2010/041008, WO 2010/04012, PCT/GB2010/002189 e PCT/GB2011/000661.

[020] Esses documentos expõem técnicas para produzir pás de instalação de energia eólica que podem ser feitas em qualquer geometria desejada.

[021] Como a presente invenção se refere somente a uma alteração na geometria externa, e alteração consequencial de materiais, somente a geometria e materiais serão descritos abaixo.

[022] O rotor compreende um cubo central 1, ao qual uma pluralidade de pás 2 é afixada (somente uma pá 2 é mostrada nas FIGS. 1 e 2) na interface 3, como exposto nos pedidos acima. O cubo gira em torno de um eixo 4. Três de tais pás 2 são afixadas a cada cubo 1. O raio R da pá é a distância a partir do eixo de rotação 4 até uma ponta distal 5 da pá. Tipicamente, os primeiros 1 a 3 metros do raio R são ocupados pelo cubo 1, e o restante do raio é provido pela pá propriamente dita. A pá tem uma longarina central que se estende ao longo de seu comprimento total para prover rigidez estrutural e uma carenagem aerodinâmica para prover a superfície externa da pá, como é bem conhecido no estado da técnica.

[023] A espessura de extremidade de raiz T representa a dimensão externa da pá em uma direção paralela ao eixo de rotação onde ela encontra o cubo. Neste ponto, a pá pode ter uma porção de projeção que é inserida no cubo para permitir que ele seja afixado ao cubo. Isto não é considerado quando se determina a espessura T para as finalidades desta invenção, pois T é uma medida de espessura externa. Ainda, a extremidade de raiz da coroa pode ser provida com um flange que se projeta para fora como parte da estrutura para fixá-la ao cubo 1. Qualquer de tal flange deve ser desconsiderado para as finalidades de determinação da espessura T para as finalidades da presente invenção.

[024] Como mostrado na FIG. 1A, a pá tem um formato de aerofólio com borda dianteira 6 e borda traseira 7 definindo a largura da pá. A espessura t é determinada em um plano que é perpendicular ao raio da pá, tal como o plano mostrado na FIG. 1A. Neste plano, a espessura t é a dimensão que é perpendicular à linha de curvatura C, como mostrado na FIG. 1. A linha de curvatura é uma linha desenhada a partir da borda dianteira 6 para a borda traseira 7 e que é equidistante entre as superfícies superior e inferior da pá em todos os pontos.

[025] Na interface 3, a pá tem uma seção transversal geralmente circular e torna-se crescentemente plana em seção transversal ao longo do comprimento da pá quando a espessura t se reduz.

[026] A extensão desta redução em espessura de uma pá convencional é mostrada na linha tracejada 8 na FIG. 1, enquanto um perfil de espessura da presente invenção é mostrado pela linha 9.

[027] As FIGS. 3A-3B são vistas similares à FIG. 1A tendo diferentes configurações de coroa de longarina. A FIG. 3A é essencialmente a mesma que a FIG. 1A, para comparação. A FIG. 3B mostra uma longarina 10 tendo uma seção transversal de viga em I com uma alma de cisalhamento 11 ligada em qualquer lado por um par de coroas de longarina 12. Na FIG. 3C, a longarina 10 é uma viga oca e tem um par de almas de cisalhamento 11 ligadas por um par de coroas de longarina 12. A longarina pode ter todos os formatos de configurações, como expostas nos documentos do estado da técnica, acima referidos.

[028] A FIG. 3D mostra uma pá que tem uma estrutura de asa dupla. Neste caso, a linha de curvatura é desenhada como uma linha no centro entre a superfície superior 13 da asa superior 14 e a superfície inferior 15 da asa inferior 16. A espessura t é determinada consequentemente. As asas superior 14 e inferior 16 são conectadas por escoras de cisalhamento 17.

[029] Outros detalhes desta redução em espessura são dados na FIG. 4. Esta mostra a relação entre a espessura t e a espessura T na extremidade de raiz no eixo Y contra a relação entre o raio r, no ponto em que t é medida, e o raio R do rotor. O valor de t usado é o ‘t’ máximo que pode ser medido usando o método acima para cada seção transversal. Em outras palavras, esse representa a espessura na parte mais grossa da pá. A linha 18 mostra uma pá convencional, enquanto a linha 19 mostra uma pá do mesmo comprimento, fabricada de acordo com a presente invenção. A presente invenção permite que pás mais longas sejam fabricadas. Neste caso, a linha 20 mostra um perfil de espessura para a pá que é 15% mais longa do que as pás representadas pelas linhas 18 e 19. Os dados para o gráfico são dados na tabela acima do gráfico.

[030] Como pode ser visto a partir de a FIG. 4, uma pá convencional rapidamente torna-se muito mais delgada, até a extensão em que ela tem metade da espessura de extremidade de raiz T somente em 25% da extensão ao longo da pá, a pá de acordo com a presente invenção mantém uma proporção muito maior de sua espessura por um comprimento maior. Assim, em um quarto da extensão ao longo da pá, ela ainda mantém 80% de sua espessura de extremidade de raiz. Na linha de 45%, uma pá convencional tem menos do que 30% de sua espessura original, enquanto a presente invenção tem mais do que 50%.

[031] Isso tem dois efeitos sobre o desempenho da pá.

[032] Em primeiro lugar, como será aparente a partir de uma consideração da FIG. 1A, a seção transversal mais plana resulta em seção transversal menos aerodinâmica de forma que a eficiência da pá da presente invenção neste ponto é reduzida. Isto está ilustrado na FIG. 6, a qual mostra a saída de potência provida ao longo do comprimento da pá. A saída de potência provida pela presente invenção é indicada pela linha 21, enquanto a saída de potência provida por uma pá convencional é ilustrada pela linha 22. Pode ser visto que a saída de potência que contribuiu pelos primeiros 30 metros da pá é significantemente mais baixa na presente invenção do que para o estado da técnica.

[033] Além disso, a parte interna da pá pode ser feita muito leve, como será agora explicado com referência às FIGS. 7A e 7B.

[034] A FIG. 7A é uma seção transversal da técnica anterior, enquanto a FIG. 7B é uma seção transversal da presente invenção, para comparação. Como a presente invenção não é otimizada com respeito à aerodinâmica, ela é significantemente mais espessa, como mostrado na FIG. 7B. Em ambos os casos, a largura da pá e a largura das coroas de longarina são iguais. Todavia, porque na presente invenção as coroas de longarina estão mais longe a partir de a linha de curvatura C (e, em termos estruturais, ainda mais longe a partir do eixo neutro), elas são muito mais capazes de resistir aos momentos de flexão em torno da linha de curvatura C. como um resultado disto, as coroas de longarina 12 da presente invenção podem ser feitas com uma espessura b que é significantemente mais delgada do que a correspondente espessura a requerida para as coroas de longarina do estado da técnica.

[035] Ainda, a melhor integridade estrutural provida por a porção interna menos aerodinâmica significa que a porção interna pode efetivamente suportar uma porção externa muito mais longa de forma que, bem como melhorando a eficiência da pá, ela também aumenta o comprimento máximo da pá que pode ser produzida.

[036] A FIG. 5 mostra a relação entre a massa e comprimento de pá. A partir disto, é claro que esta invenção rompeu a relação da técnica anterior pás, que a massa da pá aumenta aproximadamente pelo comprimento da pá pela potência de 2,95. Como mostrado na FIG. 5, a relação é mais perto da massa da pá aumentando aproximadamente pelo comprimento da pá pela potência de 2,55.

Claims

1. ROTOR DE INSTALAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA, quecompreende um cubo (1), a partir do qual uma pluralidade de pás (2) se projeta para um raio de pelo menos 50 metros, cada pá (2) compreendendo uma carenagem oca suportada por uma longarina central (10), cada pá (2) possui uma espessura t medida perpendicular a uma linha de curvatura em um raio (r);caracterizado, por quando o raio r = 0,25R, t > 0,7T, quando o raio r = 0,5R, t > 0,5T, quando o raio r = 0,4R, t > 0,7T, onde R é o raio da pá (2) medido do eixo de rotação (4) até a ponta distal (5) da pá (2) e T é a espessura da pá (2) na extremidade de raiz representando uma dimensão externa da pá (2) em uma direção paralela ao eixo de rotação onde se encontra com o cubo (1), a pá (2) compreendendo uma seção transversal circular na interface (3) com o cubo (1).

2. ROTOR de acordo com reivindicação 1, caracterizado por, quando o raio r = 0,25R, t > 0,8T.

3. ROTOR de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pela longarina (10) compreender pelo menos parcialmente um laminado de resina de epóxi reforçado com fibras de vidro ao longo de uma porção interna de seu comprimento e um laminado de resina de epóxi reforçado com fibras de carbono ao longo de uma porção externa de seu comprimento.

4. ROTOR de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pela longarina (10) compreender uma porção interna tendo coroas de longarina (12) com fibras que se estendem longitudinalmente em uma direção de flexão de princípio, em que pelo menos parte das coroas de longarina (12) na porção interna compreende um Módulo de Young na direção de princípio < 50 GPa e uma razão de Módulo de Young/densidade de < 0,027 GPa/kgm-3, e uma porção externa tendo coroas de longarina (12) com fibras que se estendem longitudinalmente na direção de flexão de princípio, em que pelo menos parte das coroas de longarina (12) na porção externa compreende um Módulo de Young na direção de flexão de princípio de > 100GPa e uma razão de Módulo de Young/densidade de > 0,059GPa/kgm-3.

5. ROTOR de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pela longarina (10) compreender pelo menos uma alma de cisalhamento (11) que corre através da espessura da pá (2) e pelo menos uma coroa de longarina (12) em cada extremidade da alma de cisalhamento (11).