BR112014006657B1 - turbina onidirecional de escoamento combinado - Google Patents

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Abstract

turbina onidirecional de escoamento combinado. a presente invenção descreve uma turbina eficaz na maximização da energia que se consegue obter com um rotor em um fluido. esta turbina utiliza um rotor (2) semelhante ao de uma turbina convencional de eixo horizontal, mas colocado em posição vertical, inserido em um difusor estático em forma de asa invertida. a estrutura imóvel (1) é influenciada por dois escoamentos combinados potenciando a energia produzida pelo rotor (2). o rotor (2) está ligado a um elemento de transformação de energia mecânica integrado na estrutura (1) com forma aerodinâmica de asa radial invertida. o sistema não possui mecanismo de orientação com a direção do vento porque é completamente onidirecional e apresenta apenas uma parte móvel, o rotor (2) com pás (3). a turbina pode ainda compreender um defletor aerodinâmico em aba (6) na parte superior da estrutura (1) e é dividida em multielementos (9) com pelo menos dois elementos aerodinâmicos. esta invenção é aplicável na indústria de produção de energia como a microgeração, bem como sistemas de grande potência.

Description

A invenção agora apresentada se insere na produção de energia, referindo-se especificamente a um dispositivo concebido para melhorar os níveis de eficiência associados à produção de energia, especificamente eólica, assim como também em outros fluidos, como as correntes oceânicas e as ondas.
Antecedentes da Invenção
O difusor onidirecional estático dirige o fluido para a turbina central de eixo vertical. O fluido tende a aderir à superfície do difusor por um efeito conhecido como efeito Coanda. O princípio foi descrito pela primeira vez pelo romeno Henri Coanda, que foi o primeiro a reconhecer a aplicação prática do fenômeno no desenvolvimento de aeronaves. A estrutura do difusor em asa invertida apresenta um comportamento semelhante ao de uma aeronave voando a baixa velocidade, ou de uma asa traseira de um carro F1. Em todas estas situações a asa apresenta ângulos de ataque elevados em relação à direção do escoamento de aproximação, pelo que as soluções, como geradores de vórtice, slats, flaps e fendas podem ser adotadas na superfície do perfil aerodinâmico para evitar o fenômeno de perda de sustentação conhecido como Stall. Neste caso a asa não é linear mas o perfil se desenvolve radialmente de modo que apresenta um comportamento igual qualquer que seja a direção do vento.
A velocidade do vento é extremamente importante para a quantidade de energia que uma turbina eólica pode converter em eletricidade. O conteúdo energético do vento varia ao cubo da velocidade média do vento. Se a velocidade do vento é duas vezes mais alta, contém oito vezes mais energia.
O design do difusor promove a aceleração do escoamento devido à sua geometria de asa invertida. Isso permite que a turbina central atinja uma maior rotação e produza mais energia, além de começar a produzir energia mais cedo.
Tendo em conta as desvantagens atuais das turbinas convencionais já divulgadas no documento EP2264309, a invenção agora descrita apresenta um dispositivo de produção de energia que: 1. Apresenta um baixo impacto ambiental e visual; 2. Apresenta uma elevada produção de energia; 3. Apresenta a capacidade para trabalhar com ventos de baixa velocidade, de direção variável e turbulentos; Características típicas em ambientes urbanos; 4. Não apresenta o inconveniente de ter partes móveis visíveis e consequentes efeitos de sombra e brilho; 5. Tem baixas emissões de ruído para que possam ser efetuadas instalações junto de pessoas e povoações.
Sumário da Invenção
A presente invenção descreve uma turbina onidirecional de escoamento combinado que compreende os seguintes elementos: - um rotor (2) ligado a um gerador elétrico ou outro meio de transformação de energia mecânica (4) integrado Em uma estrutura (1) com forma aerodinâmica de asa radial invertida (1;9); - pás de rotor (3); - estrutura mecânica de suporte(12); - elemento de fixação à base ou poste de fixação (7).
Com relação aos perfis aerodinâmicos que podem ser usados com forma aerodinâmica de asa radial invertida (1;9), estes perfis podem variar dentro dos seguintes intervalos: • Espessura: 1-20%; de preferência 2-15%, mais preferencialmente 5-8%; • Curvatura: 5%-25%, de preferência 8-15%, mais preferencialmente 10-12%; • Ponto de curvatura máxima: 1-8; de preferência 2-7, mais preferencialmente 3-4;
Podendo a forma aerodinâmica ser descrita segundo a norma National Advisory Committee for Aeronautics (NACA).
Em uma modalidade da invenção, as pás de rotor (3) da turbina onidirecional de escoamento combinado apresentam um ângulo e/ou passo variável.
Em uma outra modalidade da invenção, o poste de fixação (7) da turbina onidirecional de escoamento combinado compreende perfis adicionais de asa invertidos.
Em ainda uma outra modalidade da invenção, a estrutura (1) da turbina onidirecional de escoamento combinado é dividida em multielementos (9) com pelo menos dois elementos aerodinâmicos.
Em uma modalidade da invenção, a turbina onidirecional de escoamento combinado compreende um defletor aerodinâmico em aba (6) na parte superior da estrutura (1).
Em uma outra modalidade da invenção, a turbina onidirecional de escoamento combinado compreende geradores de vórtice e/ou áreas com textura na superfície da estrutura (1;9).
Em ainda uma outra modalidade da invenção, o rotor (2) da turbina onidirecional de escoamento combinado apresenta um dispositivo eletrônico ou mecânico para controle automático do ângulo das pás (3).
Em uma modalidade da invenção, as pás de rotor (3) da turbina onidirecional de escoamento combinado são fabricadas em material compósito, ligas de magnésio ou polímeros injetados.
Em uma outra modalidade da invenção, a turbina onidirecional de escoamento combinado utiliza escoamentos secundários a partir de sistemas HAVAC.
Em ainda uma outra modalidade da invenção, o gerador elétrico ou outro meio de transformação de energia mecânica (4) da turbina onidirecional de escoamento combinado está localizado no centro da turbina ou ao nível do solo sendo a transmissão assegurada por um eixo.
Em uma modalidade da invenção, a superfície exterior da estrutura (1;9) da turbina onidirecional de escoamento combinado é coberta com células fotovoltaicas.
Em uma outra modalidade da invenção, o poste de fixação (7) da turbina onidirecional de escoamento combinado acomoda difusores adicionais.
Em ainda uma outra modalidade da invenção, a superfície exterior da estrutura (1) da turbina onidirecional de escoamento combinado é revestida graficamente.
Em uma modalidade da invenção, a estrutura (1) da turbina onidirecional de escoamento combinado é fabricada em material metálico, material polimérico, material compósito, concreto ou materiais têxteis.
É ainda objetivo desta invenção descrever a utilização da turbina onidirecional de escoamento combinado em terra, no mar com dispositivos flutuantes e debaixo de água.
Descrição da Invenção
A presente invenção descreve uma turbina eficaz na maximização da energia que se consegue obter com um rotor em um fluido. Esta turbina utiliza um rotor (2) semelhante ao de uma turbina convencional de eixo horizontal, mas colocado em posição vertical, inserido em um difusor estático em forma de asa invertida. A estrutura imóvel (1) é influenciada por 2 escoamentos combinados potenciando a energia produzida pelo rotor (2).
O rotor (2) está ligado a um elemento de transformação de energia mecânica integrado na estrutura (1) com forma aerodinâmica de asa radial invertida. O sistema não possui mecanismo de orientação com a direção do vento porque é completamente onidirecional e apresenta apenas uma parte móvel, o rotor (2) com pás (3). A turbina pode ainda compreender um defletor aerodinâmico em aba (6) na parte superior da estrutura (1).
Esta invenção é aplicável na indústria de produção de energia, especificamente em microgeração, bem como sistemas de grande potência.
A invenção aqui descrita compreende uma estrutura imóvel com um difusor em forma de asa invertida que direciona um fluido, especificamente o vento a partir de qualquer direção, onidirecional, e direciona/acelera o fluido para um rotor de eixo vertical localizado no centro do difusor. Assim, o rotor não tem de se alinhar com a direção do fluido como é o caso das turbinas de eixo horizontal.
O dispositivo opera com dois escoamentos combinados. O escoamento inferior e o escoamento superior. No escoamento inferior o fluido é direcionado em uma trajetória ascendente na direção da turbina central independentemente da sua direção. Pela forma do perfil aerodinâmico o escoamento é acelerado em um intervalo compreendido entre 1,4x e 1,8x, constituindo dessa forma a velocidade do escoamento inferior. Nessa altura, o escoamento passa pelo rotor que retira parte da sua energia cinética. O escoamento superior passa pela zona superior do dispositivo e se combina com o escoamento inferior provocando um efeito de aspiração na turbina devido a esta zona de baixa pressão.
Devido a esta combinação de escoamentos superior e inferior, a área que influencia a turbina é maior do que a área do rotor. Esta situação não existe em mais nenhum modelo de turbina conhecido do estado da técnica.
Devido a esta influência da combinação dos dois escoamentos o coeficiente de potência mecânica poderá atingir um valor superior a 0,593, o que leva a que este rotor não partilhe das mesmas condições definidas no limite máximo de potência extraível no escoamento enunciado por BETZ.
Para maximizar o escoamento inferior e prevenir a sua separação da superfície, a estrutura pode ser dividida em multielementos (9) de perfis aerodinâmicos, isto é, em 2, 3 ou 4 elementos (ver figuras 2,3,6). Além disso, a criação de turbulência na superfície interior pode ter um efeito positivo sobre a prevenção de separação do escoamento, de modo que o uso de geradores de vórtice e/ou áreas com textura na superfície pode ser aplicado, semelhante, por exemplo, ao relevo das bolas de golfe.
Devido à sua geometria, o dispositivo agora apresentado promove a aceleração do escoamento, de preferência na zona da ponta da pá da turbina central que devido a este fator registra um torque maior. Isto permite que uma turbina de menor dimensão tenha um desempenho superior ao de uma convencional, aumentando a eficiência.
Pelo fato da turbina ser de menor diâmetro, a dimensão das pás será menor o que diminui o custo de fabricação e abre a possibilidade à utilização de materiais não só de alto desempenho, como compósitos e ligas de magnésio, mas também materiais de alta cadência de produção e baixo custo, como polímeros injetados.
Como a turbina se encontra na posição central horizontal e não tem de se alinhar com a direção do vento, o dispositivo permite a utilização de escoamentos secundários a partir de sistemas HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) como ar forçado-aspiração, ventilação, ar-condicionado, etc. Assim, deste modo, permite a operação em cogeração, recuperando alguma da energia usada para ativar esses dispositivos.
Por não ter um mecanismo de orientação com a direção do vento as partes mecânicas são mais simples e fáceis de manter. O gerador pode ser localizado no centro da turbina ou ao nível do solo para uma manutenção mais fácil. Nesta última situação o rotor estará ligado ao gerador no solo por um eixo.
Como a ponta da pá não passa próximo de qualquer obstáculo, como a torre, e todo o rotor está protegido pelo difusor, o ruído emitido pelo aparelho é muito menor, o que representa tanto a vantagem na diminuição da emissão de ruído como ainda permite ao rotor operar com uma maior rotação. Um gerador de maior rotação precisa de menos ímãs permanentes o que torna o gerador mais barato.
Toda a estrutura é escalável para a área disponível e as necessidades exigidas, podendo a estrutura ser dividida em múltiplas seções para facilitar o transporte e a montagem.
A superfície exterior da estrutura pode ser coberta com células fotovoltaicas de modo que a superfície inerte seja aproveitada ativamente e a energia produzida maximizada.
Esta invenção pode também ser instalada no mar com dispositivos flutuantes de modo a explorar ventos offshore, assim como ser colocada debaixo da água e explorar as correntes oceânicas e as ondas.
O poste de suporte pode acomodar difusores adicionais para equilibrar o sistema face uma determinada situação. Deste modo o sistema pode ser sujeito a correções de caráter aerodinâmico em determinadas condições.
A superfície externa do difusor pode ser decorada graficamente. Deste modo o dispositivo pode ser usado para transmitir uma mensagem e ser usado para publicidade.
Exemplo de uma instalação típica de pequeno porte: • Turbina: 1,70 m de diâmetro • Potência nominal (Vento): 1,08 kW a 11,0 m/s (60% de eficiência) • Potência pico (Vento): 2,00 kW a 15,0 m/s • Produção eólica anual (estimada): 2.190 kW /ano + Células Solares fotovoltaicas de Produção Anual: 2.890 kW / ano (vento+solar) • Redução de 70% da despesa energética de uma casa média, ou 100% de uma casa eficiente e moderna.
Breve descrição das Figuras
Para uma mais fácil compreensão da invenção juntam-se em anexo as figuras, as quais, representam realizações preferenciais da invenção que, contudo, não pretendem limitar o objeto da presente invenção. A Fig. 1 é uma representação esquemática em vista isométrica do dispositivo da invenção - Opção de estrutura com um único elemento aerodinâmico em forma de asa invertida. Nesta figura estão compreendidos os seguintes elementos: 1 - estrutura; 2 - rotor central; 3 - pá de rotor; 6 - aba. A Fig. 2 é uma representação esquemática em vista isométrica do dispositivo da invenção - Opção de estrutura com dois elementos aerodinâmicos em forma de asa invertida. Nesta figura estão compreendidos os seguintes elementos: 7 - estrutura; 8 - rotor central; 9 - pá de rotor; 10 - aba; multielementos aerodinâmicos. A Fig. 3 é uma representação esquemática de vista lateral do dispositivo com dois multielementos. Nesta figura estão compreendidos os seguintes elementos: 1 - estrutura; 2 - rotor central; 4 - elemento de transformação de energia mecânica, isto é, o gerador elétrico; 5 - escoamento inferior; 6 - aba; 7 - poste de fixação; 9 - multielemento aerodinâmico; 12 - estrutura de suporte. A Fig. 4 é uma representação esquemática de vista lateral do escoamento através do dispositivo. Nesta figura estão compreendidos os seguintes elementos: 1 - estrutura; 5 - escoamento inferior; 6 - aba; 10 - vorticidade; 11 - escoamento superior. A Fig. 5 é uma representação esquemática de vista lateral de uma modalidade preferencial de um dispositivo de 3 metros, onde : • o ângulo da 1a asa pode variar de 54°±15°, dimensões 0,7 m ± 0,5 m; • o ângulo da 2a asa pode variar entre 21°±5°, dimensões 0,7 m ± 0,5 m; • a dimensão do rotor pode variar entre 0,55 m ± 0,2 m; • a dimensão do defletor 0,15 m +(0,3 m; -0,15 m). A Fig. 6 é uma representação esquemática de vista lateral de possíveis arranjos para os multielementos aerodinâmicos de asa invertida, por exemplo, com 1, 2, 3 elementos que por sua vez poderão variar o seu ângulo.
Exemplo de Implementação da Invenção
Com referência às figuras, será agora descrita uma modalidade preferida da invenção. O dispositivo da invenção consiste em uma estrutura imóvel em forma de asa invertida (1), com uma grande área de exposição ao escoamento. Esta estrutura imóvel pode ser também dividida em pelo menos dois ou mais elementos aerodinâmicos, isto é, multielementos (9) para melhorar o seu desempenho. Os elementos aerodinâmicos podem também ter “Slots” e “Slats” para garantir uma melhor adesão do escoamento e evitar o fenômeno de Stall na asa. O presente dispositivo opera com dois escoamentos combinados conforme indicado na Figura 4, o escoamento inferior (5) e o escoamento superior (11).
No escoamento superior (11), o fluido adere às superfícies da estrutura do perfil aerodinâmico (1; 9) e é dirigido para cima até às pás (3) do rotor central (2), independentemente do ângulo de incidência do vento na estrutura. O ar é acelerado pela forma de asa invertida à medida que se aproxima do rotor central (2). O rotor (2) está localizado no centro do difusor que é suportado por uma estrutura de suporte (12) e fixo ao solo por um poste de fixação (7). O escoamento combinado é causado pela combinação do escoamento superior e inferior. Na parte superior da estrutura existe um defletor aerodinâmico em aba (6) que gera vorticidade (10) que por sua vez gera uma zona de baixa pressão sobre o rotor central (2), o que aumenta a velocidade de escoamento de saída (11).
Em uma modalidade preferencial da invenção, o dispositivo pode fazer uso de elementos aerodinâmicos para melhorar o desempenho e minimizar as perdas resultantes do direcionamento do escoamento para a turbina central (2, 3) podendo ser usados geradores de vórtice na superfície da estrutura (1;9) e/ou nas superfícies de textura para maximizar a adesão do fluido, assim como perfis aerodinâmicos adicionais no poste de montagem central.
O rotor central (2) pode fazer uso de pás (3) de passo variável. Com esta utilização, o sistema otimiza automaticamente a potência produzida para uma determinada velocidade de vento e rotação do rotor central (2).
Como é bastante evidente, o rotor central (2) utilizado no dispositivo da invenção pode assumir diferentes perfis aerodinâmicos, assim como o número de pás (3) pode variar de modo a obter melhores resultados para uma utilização específica, ou seja, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 pás, assim como duplo rotor.
A estrutura (1) pode ser realizada com diversas geometrias de perfis aerodinâmicos, variando assim a sua forma e ângulos de ataque em relação ao escoamento de aproximação. Do mesmo modo, pode-se conceber a mesma invenção em que a entrada de ar pode, alternativamente, dirigir o escoamento em uma trajetória descendente.
A estrutura pode ser fabricada em versão sólida em metal como aço, alumínio ou compósito de fibra de vidro. A estrutura também pode ser realizada em materiais de construção reforçados, como concreto, que podem ser usados para as escalas maiores ou em ambientes como a água. A estrutura também pode ser fabricada de materiais flexíveis como uma vela, ou asa onde a forma é feita a partir de 5 seções e coberta por uma película resistente. Este método tem como vantagem ter um peso muito baixo e pode ser mais economicamente viável para algumas escalas do produto.
As modalidades preferenciais acima descritas são, obviamente, combináveis entre si. As seguintes 10 reivindicações definem, adicionalmente, modalidades preferenciais da presente invenção.

Claims (12)

1. Turbina onidirecional para escoamento combinado compreendendo os seguintes elementos: pelo menos um rotor (2) com pás (3) ligado a um elemento transformador de energia mecânica em energia elétrica (4); o referido rotor disposto em uma posição do eixo vertical (2) caracterizada pelo fato de ainda compreender: uma estrutura imóvel (1) compreendendo um único elemento com a forma aerodinâmica de asa radial invertida cercando lateralmente o pelo menos um rotor (2) no mesmo e incluindo uma parede lateral interna que se projeta para dentro estendendo-se em uma direção em direção ao pelo menos um rotor (2) do fluxo de entrada inferior ao fluxo de escape superior; e um defletor aerodinâmico em aba (6) em uma parte superior imóvel da estrutura (1).
2. Turbina, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a referida estrutura imóvel (1) ser dividida em pelo menos dois multielementos (9) com uma forma aerodinâmica de uma asa radial invertida, de preferência com 3 ou 4 elementos.
3. Turbina de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que o elemento transformador de energia mecânica em uma energia elétrica (4) ser um gerador elétrico.
4. Turbina de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que as pás de rotor (3) apresentarem um ângulo e/ou passo variável.
5. Turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, ou 4, caracterizada pelo fato de compreender geradores de vórtice e/ou áreas com uma textura na superfície interna da estrutura imóvel (1;9).
6. Turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, ou 5, caracterizada pelo fato de o rotor (2) compreender um dispositivo, eletrônico ou mecânico, para o controle automático do ângulo das pás (3).
7. Turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, ou 6, caracterizada pelo fato de as pás de rotor (3) compreenderem materiais compósitos, ligas de magnésio ou polímeros injetados.
8. Turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, ou 7, caracterizada pelo fato de utilizar escoamentos secundários a partir de sistemas HVAC.
9. Turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, ou 8, caracterizada pelo fato de o elemento de transformação de energia (4) estar localizado no centro da turbina ou ao nível do solo.
10. Turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, ou 9, caracterizada pelo fato de a superfície exterior da estrutura (1;9) ser revestida com células fotovoltaicas.
11. Turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, ou 10, caracterizada pelo fato de a superfície exterior da estrutura (1) ser revestida graficamente.
12. Turbina de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, ou 11, caracterizada pelo fato de a estrutura (1) compreender materiais metálicos, materiais compósitos, concreto ou materiais têxteis.
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