BR112014031624B1

BR112014031624B1 - Turbina eólica para a conversão de vento em energia mecânica e uso de uma turbina eólica

Info

Publication number: BR112014031624B1
Application number: BR112014031624-4A
Authority: BR
Inventors: Wilhelmus Helena Hendrikus Joosten
Original assignee: Wilhelmus Helena Hendrikus Joosten
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2022-03-29
Also published as: WO2014006075A3; KR102045598B1; US20150118050A1; US10145358B2; ES2703756T3; KR20150033719A; JP2015522117A; CN104487703A; WO2014006075A2; BR112014031624A2; EP2870353B1; CN104487703B; EP2870353A2; JP6411337B2

Abstract

TURBINA EÓLICA, SEU USO E PÁ PARA USO NA TURBINA. A presente invenção refere-se a uma turbina eólica para a conversão de vento em energia mecânica, que compreende um suporte e uma pá, conectados de maneira rotativa ao dito suporte, a pá compreendendo um receptáculo de vento que pode adotar uma primeira configuração quando a pá estiver em uma posição de trajetória na direção do vento, e nessa primeira configuração, o receptáculo tem uma primeira capacidade de converter a força do vento em moção de pá e uma segunda configuração quando a pá estiver em uma posição de trajetória contra a direção do vento, e nessa segunda configuração, o receptáculo tem uma segunda capacidade de converter a força do vento em moção de pá, a segunda capacidade sendo mais baixa do que a primeira capacidade, na qual a turbina é provida com um meio que é operável para forçar o receptáculo a adotar pelo menos uma das ditas configurações independentemente da direção do vento. A invenção também se refere ao uso da turbina eólica para a conversão de vento em energia e a uma pá para uso na turbina eólica.

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção refere-se a uma turbina eólica para a conversão de vento em energia mecânica, a qual compreende um suporte e uma pá conectados de maneira rotativa ao dito suporte, a pá compreendendo um receptáculo de vento que pode adotar uma primeira configuração quando a pá estiver em uma posição de trajetória na direção do vento e nessa primeira configuração, o receptáculo tem uma primeira capacidade de converter a força do vento em movimento de pá, e uma segunda configuração quando a pá estiver em uma posição de trajetória contra a direção do vento, e nessa segunda configuração, o receptáculo tem uma segunda capacidade de converter a força do vento em movimento de pá, a segunda capacidade sendo mais baixa do que a primeira capacidade. A invenção também refere-se ao uso da turbina eólica para a conversão de vento em energia e a uma pá para uso na turbina eólica. Antecedentes da Invenção

[002] Turbinas eólicas são comumente usadas há séculos para converter vento em energia. Uma turbina eólica é tipicamente uma turbina de impulso. A turbina muda a direção de fluxo do vento e o impulso resultante gira a turbina e leva o vento com energia cinética diminuída. Se a energia mecânica para usada para produzir eletricidade, o dispositivo pode ser chamado de gerador de vento ou carregador de vento. Se a energia mecânica para usada para acionar um maquinário, tal como para moer grão ou bombear água, o dispositivo é geralmente chamado de moinho ou bomba de vento. Desenvolvidas por um milênio, as turbinas eólicas de hoje são fabricadas em uma série de tipos de eixos verticais e horizontais. As mais comuns e antigas são as turbinas de eixo horizontal, nas quais os eixos estão posicionados em linha com a direção do vento (ou seja, a direção na qual o vento sopra). As turbinas menores são usadas para aplicações tais como carregamento de bateria ou energia auxiliar em barcos à vela, enquanto grandes conjuntos de turbinas conectadas em grade estão se tornando uma crescente fonte de energia elétrica comercial.

[003] Um dos progressos das últimas décadas é a divisão das turbinas eólicas que são adequadas para ventos com baixas velocidades (tipicamente abaixo de 10 m/s, cerca de 5 Beaufort). Em particular, em alturas mais baixas, acima da terra e na presença de edifícios, a velocidade do vento é geralmente baixa demais para extrair energia de forma econômica des turbinas eólicas comuns. Progressos recentes incluem as turbinas eólicas Darrieus (que inclui Giromoinho e Cycloturbine) e Savonius, as quais podem geram energia mecânica mesmo na velocidade do vento abaixo de 5 m/s (cerca de 3 Beaufort). Diferentemente da turbina eólica Savonius, a Darrieus é uma turbina do tipo sustentação. Ao invés de coletar o vento em copos (também chamados de "baldes" na técnica, referidos como receptáculos de vento neste relatório descritivo) arrastando a turbina, a Darrieus usa forças de sustentação, geradas quando o vento atinge os aerofólios para criar rotação. Com essas turbinas, os eixos são posicionados transversais ao vento (ao invés de "alinhado" com o vento), o que apresenta a vantagem adcional de que as pás não precisam ser direcionadas para o vento. Na maioria dos casos, os eixos são posicionados verticalmente (o que explica o acrônimo comumente usado VAWT: turbina eólica com eixo_vertical), mas eles também podem ser posicionados horizontalmente contanto que o eixo fique transversal ao vento (TAWT - turbina eólica com eixo transversal - desse modo, esse seria o acrônimo mais correto), de maneira típica, substancialmente perpendicular à direção na qual o vento sopra. Essas turbinas eólicas, no entanto, apresentam várias desvantagens. Primeiro, a taxa total de conversão de energia cinética em energia mecânica dessas turbinas talvez possa ser melhorada. Segundo, particularmente as turbinas eólicas Darrieus não são autoexecutáveis. Portanto, é necessário um pequeno motor energizado para iniciar a rotação e então quando ele atinge velocidade suficiente, o vento que passing pelos aerofólios começa a gerar torque e o rotor é acionado pelo vento. Uma constituição alternativa é o uso de um ou dois pequenos rotores Savonius, os quais são montados sobre o eixo da turbina Darrieus para iniciar rotação. Esses rotores Savonius, no entanto, desaceleram a turbina Darrieus quando ela começar a funcionar.

[004] A partir da CN 101737252A, uma turbina eólica de acordo com o preâmbulo é conhecida. Essa turbina eólica também é usada para iniciar um tipo Darrieus da turbina. A desvantagem, no entanto, é que como a outra turbina VAWT, a taxa total de conversão de energia é relativamente baixa.

[005] A partir da US2012/0045333, uma turbina eólica é conhecida, na qual o receptáculo de vento é formado pela asa de moinho que é balançada contra um suporte, o suporte tendo uma configuração ajustável. Desse modo, quando o vento está soprando a asa de moinho contra o suporte com muita força, o receptáculo pode ser reconfigurado para ter uma capacidade menor de conversão da força do vento em movimento de pá simplesmente permitindo que mais vento sopre através das várias asas de moinho adjacentes. Quando a pá se desloca contra a direção do vento, a asa de moinho é soprada para longe do suporte, de modo a prover o mínimo de força contrária contra o revolvente movimento da turbina. Sendo assim, a reconfiguração do suporte não é aplicada, simplesmente porque ela não apresenta nenhum efeito sobre a capacidade do receptáculo de vento (ou seja, a asa de moinho). A US 5.570.997 descreve uma turbina eólica que possui uma pá provida com um receptáculo de vento que se abre quando a pá está se deslocando na direção do vento e se fecha quando a pá está se deslocando contra a direção do vento. Desse modo, a capacidade máxima do receptáculo de vento é usada quando a força do vento tem que ser convertida em movimento de pá, enquanto o receptáculo pouco resiste a essa conversão quando a pá se desloca contra a direção do vento. O receptáculo se abre pela ação do vento que sopra sobre a pá e se fecha sob a gravidade quando essa ação do vento diminui.

Objetivo da Invenção

[006] É um objetivo da invenção conceber uma turbina eólica que mitiga pelo menos parte das desvantagens da técnica anterior.

Sumário da Invenção

[007] De modo a alcançar o objetivo da invenção, uma turbina eólica de acordo com o preâmbulo foi concebida, na qual turbina é provida com um meio que é operável para forçar o receptáculo a adotar pelo menos uma das ditas configurações independentemente da direção do vento (ou seja, os meios podem ser operados para forçar o receptáculo a adotar uma dessas configurações, não dependente da força dos ventos que atua a turbina). Isso não exclui, no entanto, o fato de que as configurações seraão adaptadas à direção do vento, por exemplo, de modo a maximizar a conversão de energia ou desacelerar a turbina.

[008] Na técnica anterior, na turbina conforme conhecida a partir do pedido de patente chinesa mencionado acima (bem como da patente US 5.570.997), a configuração o receptáculo depende em essência de forças externas, tal como da gravidade e da força dos ventos. Como pode ser visto na figura 3a do pedido de patente chinesa, o receptáculo que tem a segunda configuração (ou seja, o receptáculo do lado direito da figura), em particular, com vento em baixa velocidade, ainda tem uma dimensão frontal consideravelmente grande (ou seja, a tampa articulada ainda se estende sobre um comprimento considerável na direção perpendicular ao vento). Isso significa que esse receptáculo converte negativativamente a energia eólica em movimento da turbina. Embora esse efeito negativo seja consideravelmente menor do que a conversão positiva provida pelo receptáculo do lado esquerdo, o presente depositante reconehceu a existência dessa desvantagem e do seu efeito sobre conversão de energia. Embora em ventos com velocidades mais altas, tal como descrito nas figuras 3b e 3c, essa desvantagem seja menos pronounciada ou até mesmo completamente inexistente, o depositante percebeu que a conhecida turbina eólica poderia ser aprimorada substancialmente através da adição de meios que induzem a segunda configuração em sua regulagem (ou seja, quando o receptáculo compreende uma tampa pendurada na pá), usando desse modo, forças internas criadas pela própria constitução da turbina eólica. Desse modo, a segunda configuração pode ser forçada para que a conversão negativa de energia eólica em movimento seja substancialmente menor do que na situação em que a segunda configuração depende unicamente de forças externas tais como gravidade e vento. Quando aplicado à turbina conforme descrito nas figuras de 3a a 3c do pedido de patente chinesa, usando-se a presente invenção, o receptáculo do lado direito na figura 3a poderia ter a configuração de receptáculo do lado direito conforme descrito na figura 3b ou até mesmo na figura 3c. Caso o receptáculo fosse colocado em cima da pá para que ele pudesse, por exemplo, assumir a segunda configuração sob a influência da gravidade e do vento, os meios poderiam ser operáveis para forçar o receptáculo a se abrir, ou seja, a assumir a primeira configuração quando a pá estivesse em uma posição de trajetória na direção do vento.

[009] As vantagens da presente turbina eólica são no sentido de que a conversão de energia é considerável mais alta do que com as turbinas eólicas conhecidas, em particular, em baixas velocidades do vento. Além disso, devido ao fato de que o receptáculo pode ser forçado a assumir ativamente a configuração (contra as forças da gravidade e/ou vento) faz com que a turbina exija apenas uma velocidade de vento bem baixa para iniciar a rotação. Desse modo, sendo independentemente da direção do vento para adotar uma das suas configurações, a presente invenção permite não apenas atingir a máxima conversão de força do vento em movimento, mas também permite adotar a configuração que desacelera a turbina, caso necessário. Para isso, a saber, o receptáculo tem que ser tipicamente forçado a assumir a configuração necessária contra a direção das forças do vento e gravidade.

[0010] Os meios, que são operáveis para forçar o receptáculo a adotar a configuração, podem ter várias modalidades conforme será compreendido por qualquer pessoa versada na técnica de mecânica. Os meios poderiam ser constituídos usando-se simples peças mecânicas tais como alavancas, barras e rodas dentadas, eixos de comando, trilhos e rodas acionadas, usando-se de maneira opcional hidráulica, ou eles poderiam ser constituídos usando-se peças eletromecânicas tais como (eletro-)ímãs, indutores, bobinas etc. Várias outras constituções em algum ponto do espectro (ou até mesmo fora dele) entre pura mecânica e pura elétrica são obviamente utilizáveis.

[0011] A presente invenção também se refere ao uso de uma turbina eólica, como definido acima para a conversão de vento em energia. A invenção também se refere à combinação da presente turbina com um moinho Darrieus, a turbina eólica sendo conectada de modo operativo ao moinho Darrieus, na qual a conexão operativa usa uma embreagem que permite que a turbina eólica gire em várias revoluções por minuto por um número predeterminado de revoluções por minuto para o moinho Darrieus. Nesta combinação, a turbina eólica pode ser usada para iniciar o moinho Darrieus. Visto que a presente turbina começará a girar em uma velocidade de vento bem baixa, ela pode acelerar facilmente e, por exemplo, ao atingir um determinado torque ou revoluções por minuto, a embreagem pode ser usada para transferir pelo menos parte da energia cinética da turbina para iniciar o moinho Darrieus. Além disso, em revoluções bem altas do moinho Darrieus, forçando-se a primeira configuração quando o receptáculo de vento se deslocar contra a direção do vento, o moinho Darrieus pode ser desacelerado usando-se a presente turbina. A presente invenção também se refere a uma pá provida com um receptáculo como definido acima e com meios para uso na adoção das primeira e segunda configurações.

[0012] Nota-se que uma turbina eólica de acordo com a presente invenção pode ser conectada de modo operativo a uma placa de massa, que possui tipicamente um suporte (tal como um eixo rotativo ou estacionário) que se estende em uma direção vertical, mas também pode ser colocada com o seu suporte que se estende em uma direção horizontal (contanto que o eixo geométrico de rotação da pá se estenda transversal ao vento), por exemplo, montando-se o suporte contra uma parede estendida verticalmente. Além disso, a turbina pode ser, por exemplo, colocada em uma balsa flutuante ou pode ser colocada em um mastro que se estende acima do nível da água.

Definições

[0013] Uma pá: um elemento, em geral, relativamente fino, rígido e plano que quando montado ao longo de um eixo geométrico, é girado por um gás ou fluido que flui ao longo da pá. Típicos exemplos são uma lâmina em uma turbina ou uma asa de moinho em um moinho.

[0014] A capacidade de um receptáculo para converter a força do vento em movimento é a conversão que um receptáculo pode prover quando esse receptáculo é posicionado de forma ideal em relação à direção do vento (ou seja, quando o receptáculo é posicionado de modo que o vento é "capturado" ao máximo).

[0015] Configuração de um objeto: a forma determinada de arranjo das partes do objeto, uma em relação à outra e no espaço.

[0016] Direção do vento: a principal direção na qual o vento sopra.

[0017] Receptáculo de vento: um elemento que se estende na direção perpendicular à direção do vento de modo a conversor a força do vento em movimento na direção do vento. De maneira típica, um receptáculo de vento tem a forma de um copo ou balde, mas ele pode ser tão simples quanto um objeto em forma de telha plana e retangular.

[0018] Um primeiro elemento que se estende perpendicular a um segundo elemento: o primeiro elemento pelo menos se estende parcialmente transversal ao segundo elemento. Por exemplo, se duas linhas retas se cruzarem em um ângulo de 40°, a primeira linnha se estenderá na direção perpendicular à segunda linha no sentido do presente relatório descritivo.

[0019] Uma pá que se desloca em essência na direção do vento significa que a pá está positivamente convertendo a força do vento em movimento (deslocamente para frente).

[0020] Uma pá que se desloca em essência contra a direção do vento significa que energia é necessária para forçar a pá a se deslocar novamente através do vento (deslocamente para trás) Modalidades da Invenção

[0021] Em uma modalidade da turbina eólica de acordo com a invenção, o receptáculo adota uma das duas ditas configurações em essência sob a influência da gravidade e do vento, e a outra configuração é adotada em essência pela operação dos ditos meios. Esta modalidade não exige operação ativa de nenhum meio para fazer o receptáculo assumir uma das duas configurações, o que torna a construção relativamente simples. Por exemplo, se o receptáculo for formado para que ele possa assumir a segunda configuração em essência através da ação da gravidade e do vento sobre (partes) do receptáculo, não é necessário que a operação dos meios assuma essa configuração. Em tal caso, é tipicamente necessário que a operação dos meios mude a configuração na direção oposta para prover a primeira configuração.

[0022] Em uma modalidade alternativa, os meios são operáveis de modo que o receptáculo adote a segunda configuração em essência pela operação dos ditos meios, em particular, quando a pá estiver em uma posição de trajetória contra a direção do vento. Esta modalidade apresenta a vantagem de que a configuração padrão do receptáculo é a primeira configuração, ou seja, a configuração na qual o receptáculo tem uma maior capacidade de converter a força do vento em movimento. Desse modo, quando o vento começa a soprar a turbina, ela facilmente começará a girar. De maneira preferida, nesta modalidade, a pá é alinhada ao vento automaticamente (por exemplo, com meios comumente conhecidos na técnica) de modo que a pá assuma uma posição na qual o receptáculo pode capturar o vento. A vantagem de assumir a segunda configuração quando a pá estiver em uma posição de trajetória contra a direção do vento é que o efeito negativo que o receptáculo causa então sobre a conversão total de força do vento em movimento pode ser ativamente minimizado, e desse modo, ele não depende (passivamente) de forças externas tais como vento e gravidade.

[0023] Em mais uma modalidade, os meios são operáveis de modo que o receptáculo adote as primeira e segunda configurações em essência pela operação dos ditos meios. Embora esta modalidade seja mais complexa do que a mencionada acima e também possa diminuir levemente a taxa total de conversão de energia (visto que o fechamento e a abertura ativa do receptáculo podem gastar energia), esta modalidade apresenta a vantagem pelo fato de que a configuração do receptáculo pode ser ajustada para qualquer configuração no espectro entre as primeira e segunda configurações, independentemente da posição que a pá assuma em relação à direção do vento. Isso melhor a liberdade de operação para uso da turbina eólica.

[0024] Em uma modalidade, a pá é um corpo em forma de aerofólio, no qual o receptáculo é em essência formado por uma tampa e pelo corpo do tipo aerofólio, a tampa estando conectada ao corpo em uma posição adjacente a uma extremidade a jusante do dito corpo (a extremidade a jusante do corpo sendo a extremidade do corpo que está virada para longe do vento quando a pá se move na direção do vento). Esta modalidade apresenta a vantagem de ter uma construção mais simples do que quando se usa, por exemplo, copos deformáveis tais como esferoides deformáveis ou outros formatos são mais eficazes do que, por exemplo, uma pá na forma de um mastro longitudinal que possui tampas ou outras constituções.

[0025] Em uma modalidade, a pá compreende múltiplos receptáculos. O depositante percebeu que ao usar múltiplos receptáculos, a liberdade para operar a turbina e aumentar a conversão de energia pode ser melhorada ainda mais. Mais importante do que isso, no entanto, é que o depositante percebeu que ter múltiplos receptáculos permite o uso de pás com um comprimento significativamente maior do que quando é usado um receptáculo (grande) que se estende por um comprimento de pá correspondente. Em altas velocidades rotacionais, a saber, as forças geradas na pá, perto da ponta da pá são significativamente maiores do que as forças geradas na pá perto do suporte. Ao ter múltiplos receptáculos independentes, uma pessoa pode, por exemplo, permitir que receptáculos "externos" assumam a configuração que tem uma capacidade mais baixa de conversor a força do vento em movimento, de modo a reduzir o impacto mecânico na pá. Isso por sua vez, permite o uso de pás maiores, sem precisar necessariamente de construções mecânicas robustas. Em mais uma modalidade, a pá compreende um primeiro receptáculo em um lado superior da pá e um segundo receptáculo em um lado inferior da pá. Nesta modalidade, um uso quase ótimo pode ser feito dos receptáculos e de sua capacidade de conversor energia eólica em movimento.

[0026] Em uma modalidade alternativa, a pá compreende múltiplos receptáculos separados posicionados ao longo do comprimento da pá. O depositante percebeu que a hidrodinâmica (o fluxo de ar) ao longo do comprimento da pá muda de modo considerável durante uma trajetória a partir de uma posição perto do suporte (adjacente ao núcleo da turbina) até a ponta da pá. Usando-se receptáculos separados ao longo do comprimento da pá, os receptáculos podem ter configurações diferentes ao longo do comprimento da pá, acomodadas para as diferenças na hidrodinâmica. Em mais uma modalidade, um receptáculo posicionado perto do suporte tem uma seção transversal maior do que um receptáculo posicionado mais distante do suporte. Desse modo, a mudança na velocidade absoluta de percursso das diferentes porções ao longo do comprimento da pá também pode ser acomodada. De maneira típica, adjacente à ponta, a velocidade é tão alta que uma pequena seção transversal do receptáculo pode ser necessária para impedir que a construção tenha que ser muito pesada para manter a rigidez da pá. Esse conceito pode ser aplicado a uma turbina que tenha um meio diferente ou até mesmo nenhum meio de forçar um receptáculo a adotar pelo menos uma das ditas configurações independentemente da direção do vento. Em particular, mesmo quando os receptáculos se abrem e se fecham meramente sob a influência das forças do vento e da gravidade, a característica de ter múltiplos receptáculos que possuem uma capacidade máxima decrescente de conversor a força do vento em movimento ao longo do comprimento da pá pode ser vantajosamente usada em uma turbina eólica para permitir maiores comprimentos de pá. Em outras palavras, a invenção também é incorporada em uma turbina eólica, na qual as ditas primeira e segunda configurações são induzidas simplesmente pelo vento e/ou forças gravitacionais (ao invés do uso de meios para forçar os receptáculos a assumir as primeira e segunda configurações), na qual a pá compreende múltiplos receptáculos separados posicionados ao longo do comprimento da pá e na qual um receptáculo posicionado perto do suporte tem uma maior capacidade máxima de conversor a força do vento em movimento do que um receptáculo posicionado mais distante do suporte.

[0027] Em uma modalidade, os receptáculos são conectados de modo operativo para que, quando um receptáculo adotar a segunda posição, um receptáculo próximo ao receptáculo que adota a segunda posição, visualizado na direção longe do suporte, adote automaticamente a segunda posição. Nesta modalidade, os receptáculos vizinhos simplesmente se agarram uns aos outros para que quando um receptáculo for forçado a assumir a segunda configuração, o receptáculo próximo ao mesmo visualizado na direção em direção à ponta da pá também assuma a segunda configuração. Nesta modalidade, os meios são operáveis para forçar os receptáculos a assumir a segunda configuração apenas tendo que forçar ativamente um único receptáculo (tipicamente o mais próximo ao centro da turbina). Os outros receptáculos seguem o movimento do primeiro. Isso evita a necessidade de um meio precisar ser construído para atuar diretamente sobre todos os receptáculos de uma pá. A desvantagem é que para assumir a segunda configuração, os múltiplos receptáculos em uma pá não podem ser operados de forma independente.

[0028] Em uma modalidade na qual a pá faz parte de um rotor que está conectado de maneira rotativa ao suporte, o rotor compreende múltiplas pás. Havendo múltiplas pás, uma distribuição bem regular das pás pode ser provida, de modo que exista sempre pelo menos uma pá assumindo uma posição, de modo que ela possa converter positivamente vento em movimento. Quando distribuída de forma exatamente regular, cada pá pode cobrir, por exemplo, um segmento entre 30° (12 pás) e 180° (2 pás) de rotação. Descobriu-se que desse modo, não apenas uma boa conversão de energia pode ser obtida, mas também que a conversão pode ser relativamente tranquila, com pouca cinética sobre o suporte. Em mais uma modalidade, a turbina compreende múltiplos rotores.

[0029] A presente invenção será adicionalmente explicada com base nos exemplos a seguir.

Exemplos

[0030] A figura 1 é uma representação esquemática de uma turbina eólica de acordo com a invenção.

[0031] A figura 2 é uma representação esquemática de uma pá de acordo com a invenção.

[0032] A figura 3 é uma representação esquemática de uma turbina eólica de acordo com a invenção, que compreende duas pás e que descreve meios operáveis para forçar o receptáculo a adotar a segunda configuração.

[0033] A figura 4 é uma representação esquemática de uma modalidade alternativa de uma turbina de acordo com a invenção.

[0034] A figura 5 descreve de maneira esquemática vários receptáculos para uso na presente invenção.

[0035] A figura 6 descreve de maneira esquemática a combinação de duas turbinas eólicas de acordo com a invenção com um moinho Darrieus.

[0036] A figura 7 ilustra a capacidade de um receptáculo para converter a força do vento em movimento.

[0037] A figura 8 representa de maneira esquemática um sistema para prover as configurações de receptáculos de vento.

Figura 1

[0038] A figura 1 é uma representação esquemática de uma turbina eólica de acordo com a invenção. Uma turbina 1 descrita é, a qual é montada para se estender a partir da superfície do chão 2 usando um mastro de suporte 5. A turbina nesta modalidade compreende duas pás (6, 16), cada pá compreendendo múltiplos receptáculos (7,17) para capturar o vento e auxiliar na conversão de energia eólica (a direção do vento é indicada como V) em um movimento rotativo das pás (na direção indicada A). A pá 6 e os seus receptáculos são descritos em maiores detalhes na figura 2.

Figura 2

[0039] A figura 2 é uma representação esquemática de uma pá de acordo com a invenção. A pá 6 nesta modalidade particular é direcionada ao vento V de modo que a sua extremidade a montante 600 fique virada para o vento e a sua extremidade a jusante 60 fique virada para longe do vento. A pá 6 nesta modalidade é um corpo em forma de aerofólio para que o vento que passa por cima e por baixo da pá provê uma força de acionamento à pá na direção do vento. A pá 6 está no fundo bem como o seu lado superior provido com múltiplos receptáculos 7 e 7’, respectivamente. Os receptáculos 7 no lado inferior são em cada caso compostos por uma tampa e o lado inferior da pá. Cinco tampas 10, 11, 12, 13 e 14 são descritas na figura 2. A tampa 10 está posicionada no local mais próximo do suporte (w=não mostrado na figura 2), a tampa 14 está posicionada perto da ponta da pá 6. Cada tampa, juntamente com o lado inferior da pá forma mais ou menos um balde para capturar o vento. As tampas 10, 11, 12, 13 e 14 estão articuladas em torno da linha 21 e estão no interior da pá provida com contrapesos de 101 a 115 respectivamente. Esses pesos nesta modalidade são escolhidos de modo que as tampas se abram em essência sob a influência da gravidade. Variando-se o contrapeso, o movimento das tampas em relação à gravidade e a velocidade do vento (em relação à pá) podem ser precisamente escolhidos para prover um torque ideal mediante as circunstâncias escolhidas. As tampas 10, 11, 12, 13 e 14 são conectadas de modo operativo para quando um receptáculo adotat a segunda posição, um receptáculo próximo ao receptáculo que adota a segunda posição, visualizado na direção longe do suporte, automaticamente adote a segunda posição. Neste caso, a tampa 11 é provida com uma subtampa 121 que repousa ao longo do espaço de movimento de tampa 10. Quando a tampa 10 é movida em direção a pá para adotar a segunda configuração, ela encontra a subtampa 121 e desse modo, leva a tampa 11 com ela na direção do fundo da pá. Por sua vez, a tampa 12 é provida com a subtampa 122, a qual repousa ao longo do espaço de movimento de tampa 11. Desse modo, quando a tampa 11 se move na direção da pá, ela encontra a subtampa 122 e desse modo, leva a tampa 12 com ela na direção do fundo da pá para assumir a segunda configuração. Do mesmo modo, a tampa 13 é provida com a subtampa 123 e a tampa 14 é provida com a subtampa 124. De maneira correspondente, as tampas 10’, 11’, 12’, 13’ e 14’ são providas com as subtampas 120’, 121’, 122’, 123’ e 124’. Essas tampas são articuladas em torno da linha 20 e providas com contrapesos, no interior da pá, de 101’ a 105’. Esses contrapesos são escolhidos de modo que as tampas se abram sob a influência da gravidade para assumir a primeira configuração.

Figura 3

[0040] A figura 3 é uma representação esquemática de uma turbina eólica de acordo com a invenção, que compreende duas pás 6 e 16 que fazem parte de um rotor 166. A figura 3 descreve meios (200, 200’) operáveis para forçar os receptáculos 7 (que compreendem as tampas 10-14, 10’-14’, 110-114 e 110’-114’ respectivamente) a adotar a segunda configuração. Nesta figura, uma turbina eólica 1 é descrita, a qual compreende duas pás 6 e 16 que possuem substancialmente a mesma constitução que a pá 6 descrita na figura 2. Cada pá compreende 10 receptáculos (pá 6: receptáculos 7 formados pelas tampas 10-14 e as partes inferiores correspondentes da pá, bem como os receptáculos formados pelas tampas 10’-14’ e as partes correspondentes do lado superior da pá 6; pá 16: receptáculos formados pelas tampas 110-114 e as partes inferiores correspondentes da pá, bem como os receptáculos formados pelas tampas 110’-114’ e as partes correspondentes do lado superior da pá 16). A turbina 1 é composta por um primeiro meio 200 operável de modo que os receptáculos que compreendem as tampas 110-114 adotem a segunda configuração em essência pela operação dos ditos meios. Esses meios 200 compreendem uma primeira alavanca 201, a qual é empurrada para baixo por uma força de compressão da subtampa 120 (vide também a figura 3) que se moveu para baixo devido à gravidade e ao vento forçam a tampa 10 para baixo. A força descendente aplicada sobre a alavanca 201 é usada para empurrar a alavanca 202 para cima. Desse modo, a tampa 110 (atrás da pá 16; como tal não mostrado), em virtude da ação da alavanca 202 sobre a sua subtampa correspondente 1120 (não mostrada), é empurrada para cima de modo que o receptáculo que compreende a tampa 110 assuma a segunda configuração (virtualmente "fechada" nesta modalidade,). De modo a converter corretamente o movimento da alavanca 201 para a alavanca 202, os meios 200 compreendem um conversor 204. Os meios 200 podem girar em torno do suporte 5 usando rolamento 203 para se moverem em conjunção com as pás. O conversor 204 atua sobre as alavancas para garantir que os receptáculos adotem a primeira configuração quando uma pá se move na direção do vento V, e a segunda configuração quando a pá se move contra o vento V. Por isso, o conversor está alinhado com a direção do vento eletronicamente (os dispositivos eletrônicos não são mostrados). Em uma modalidade alternativa, o conversor é alinhado ao vento usando-se uma pá comumente conhecida que é automaticamente alinhada ao vento, pá essa que por sua vez, está conectada de modo operativo ao conversor.

[0041] Do mesmo modo, conforme descrito acima em conjunção com os meios 200, meios correspondentes 200’ que compreendem as alavancas 201’ e 202’, bem como conversor 204’ e o rolamento 203’, são providos para forçar os receptáculos em cima das pás que compreendem as tampas 10’-14’ e as tampas 110’-114’ (tampas essas que 10’ e 110’ são providas com as subtampas 120’ e 1120’ respectivamente) para adotar a primeira configuração quando a pá se desloca na direção do vento. De maneira correspondente, a energia que é liberada quando as tampas 110’ a 1 14’ se abrem durante a ação da gravidade e do vento, é transferrida através do conversor 204’ para fazer a alavanca 201’ ser acionada para forçar as tampas 10’-14’ a se moverem para cima, de modo que os receptáculos correspondentes assumam a primeira configuração.

Figura 4

[0042] A figura 4 é uma representação esquemática de uma modalidade alternativa de uma turbina de acordo com a invenção. Nesta modalidade, a pá 6 é provida com múltiplos receptáculos, de modo que um receptáculo posicionado perto do suporte tem uma seção transversal maior do que um receptáculo posicionado mais distante do suporte. Nesta modalidade, cada receptáculo 7 é formado entre uma tampa e o lado inferior da pá (cf. a figura 2). Tendo tampas de diferentes tamanhos, de modo que uma tampa tem uma superfície maior quando está mais próxima do suporte 5, um receptáculo posicionado perto do suporte tem uma seção transversal maior do que um receptáculo posicionado mais distante do suporte.

Figura 5

[0043] A figura 5 descreve de maneira esquemática vários receptáculos para uso na presente invenção. A direção do vento V é descrita e a mesma se aplica às figuras 5A, 5B e 5C.

[0044] Na figura 5A, um receptáculo 7 é mostrado, o qual corresponde em forma com o receptáculo conforme descrito nas figuras 2 e 3. Na situação do lado esquerdo da figura 5A, o receptáculo que compreende uma tampa 10 e o lado inferior 70 da pá 6, a tampa sendo articulada usando-se a dobradiça 80 na extremidade a jusante da pá, adotou a primeira configuração, ou seja, a configuração na qual o vento deve ser capturado pelo receptáculo para coverter a energia eólica em movimento de pá. A direção na qual a pá se desloca está indicada como P1. Na situação do lado direito da figura 5A, o mesmo receptáculo adotou a segunda configuração, configuração essa na qual menos vento precisa ser capturado para a realização do percurso na direção P2, contra a direção do vento V sem consumir muita energia.

[0045] Na figura 5B, uma modalidade alternativa de um receptáculo 7 é mostrada de maneira esquemática. Neste caso, a pá 6 que consiste em um simples tubo, é provida com dois elementos que se estendem verticalmente 7 e 7’, os quais atuam para capturar o vento de modo a mover a pá na direção P1. Cada elemento é provido com uma mola 90 e 90’ respectivamente, a qual é mostrada na configuração estendida da figura 5B. Quando a pá tem se deslocar contra o vento V na direção indicada com P2, as molas 90 e 90’ são liberadas e as mesmas forçam os elementos 7 e 7’ a assumir uma configuração mais curta (a segunda configuração no sentido da presente invenção), de modo que eles capturem consideravelmente menos vento.

[0046] Na figura 5C, mais uma modalidade de um receptáculo no sentido da presente invenção é descrita de maneira esquemática. Neste caso, o receptáculo 7 é um meio copo, montado através de uma dobradiça 80 no fundo de pá 6. Quando essa pá se desloca na direção do vento, indicada como P1, o copo é posicionado conforme mostrado no desenho do lado esquerdo da figura 5C. A dobradiça impede que o copo assuma outra posição, e o copo é perfeitamente posicionado para capturar a máximo o vento V. Quando a pá deve se deslocar contra o vento V na direção indicada com P2, o copo é forçado a se articular em direção ao fundo da pá e a assumir a posição conforme indicado no desenho do lado direito da figura 5C. Nesta configuração, o receptáculo adotou a configuração que captura muito menos vento e por isso, a pá facilmente se desloca contra a direção do vento.

Figura 6

[0047] A figura 6 descreve de maneira esquemática a combinação de duas turbinas eólicas (1, 1’) de acordo com a invenção, com um moinho Darrieus (400). Esse moinho Darrieus 400 corresponde ao moinho conforme mostrado na referência acima feita ao pedido de patente chinesa CN 101737252A. A direção do vento é indicada com um V, a qual corresponde à rotação do moinho na direção A. Esse moinho é suportado pelo eixo 5 e compreende as barras 401 e 402 que conduzem as pás 410, 412 e 411, 413, respectivamente. Ao mesmo suporte 5, duas turbinas eólicas 1 e 1’ de acordo com a presente invenção são conectadas de modo operativo usando-se embreagens que permitem a cada uma dessas turbinas eólicas girar em várias revoluções por minuto por um número predeterminado de revoluções por minuto para o moinho Darrieus 400. Essas embreagens são indicadas na figura 6 pelos números de referência 300 e 300" e nesta modalidade, são embreagens hidráulicas.

[0048] O moinho combinado pode funcionar como se segue. Quando a velocidade do vento é zero, todas as pás permanecem na posição em que estão. Todos os receptáculos assumem a segunda configuração, fazendo as tampas, forçadas pelos contrapesos (vide a figura 2) assumirem uma posição perto do fundo das pás correspondentes em forma de aerofólio. Quando o vento começa a soprar na direção V, os receptáculos das pás 6 e 6’ (que compreendem as tampas 10-14 e 10’-14’ respectivamente) se abrem (ou seja, eles adotam a primeira configuração no sentido da presente invenção) sob a influência do vento e da gravidade. Como um resultado, ambas as turbinas 1 e 1’ começam a girar em torno do suporte 5. Assim que as pás 6 e 6’ assumem uma posição na qual elas precisam se deslocar contra a direção do vento, os receptáculos que usam os meios operáveis para forçar os receptáculos a adotar a segunda configuração (meios esses que não são mostrados na figura 6), são forçados a se fecharem. Os receptáculos das pás 16 e 16’, por outro lado, se abrem para assumir a primeira configuração e para capturar o vento, convertendo o mesmo em movimento de pás. Em baixa revoluções, as embreagens 300 e 300’ não passam nenhum movimento para o eixo 5. Assim que um valor limite de rpm é atingido, as embreagens são ativadas para passar parte do movimento das turbinas 1 e 1’ para o eixo 5 e depois diss, o moinho Darrieus começará a girar na direção indicada A. Desse modo, o moinho Darrieus não precisa de nenhum motor auxiliar para iniciar (como conhecido a partir da técnica anterior).

[0049] Quando o moinho Darrieus, em ventos com altíssimas velocidades, por exemplo, corre o risco de girar rápido demais, as turbinas 1 e 1’ podem ser usadas para desacelerar o moinho, forçando os receptáculos a assumir a primeira configuração (ou pelo menos a configuração na qual as tampas são abertas pelo menos parcialmente) tipicamente quando uma pá estiver em uma posição para se deslocar contra a direção do vento. Desse modo, as pás das turbinas serão desaceleradas, desaceleração essa que pode ser passada através das embreagens 300 e 300’ para o eixo 5 desacelerar o moinho Darrieus 400.

Figura 7

[0050] Esta figura, que consiste nas figuras 7A e 7B, ilustra a capacidade de um receptáculo de converter a força do vento em movimento. Como definido acima, a capacidade de um receptáculo para converter a força do vento em movimento é a conversão que um receptáculo pode prover quando esse receptáculo está posicionado de forma ideal em relação à direção do vento, ou seja, quando o receptáculo está posicionado de modo que o vento seja "capturado" ao máximo. Conforme ilustrado nas figuras 7A e 7B, embora o vento sopre em ambas as subfiguras na direção indicada V, a capacidade dos receptáculos (formados pelas tampas 10, 10’ e pela pá 6) de converter a força do vento em movimento está em ambas as figuras é a mesma. Isso ocorre porque os ângulos α nas figuras 7A e 7B são iguais, bem como as dimensões das pás e tampas. Em cada um dos dois casos mostrados, quando os receptáculos forem posicionados de modo ideal em relação à direção do vento (o que é o caso na situação 7B deste exemplo), a capacidade será exatamente a mesma para os receptáculos da figura 7A e para os receptáculos da figura 7B.

Figura 8

[0051] A figura 8 representa de maneira esquemática um sistema para prover as configurações dos receptáculos de vento. Particularmente em uma situação onde uma pá tem um primeiro receptáculo em seu lado superior e um receptáculo correspondente no seu lado mais inferior, é importante não apenas que as partes constituintes dos receptáculos tenham as mesmas dimensões, mas que também essas partes garantam que os receptáculos tenham a mesma capacidade de converter a força do vento em movimento. Isso é importante para impedir ou pelo menos minimizar, a torção na pá. Quando o receptáculo superior (formado pela tampa 10’ e a pá 6) se abrisse, por exemplo, mais do que o receptáculo inferior (formado pela tampa 10 e pá 6), uma torção surgiria quando a pá se deslocasse na direção do vento e mesmo quando a pá se deslocasse contra a direção do vento (embora o efeito sobre o receptáculo mostrado fosse um pouco menor). De modo a prover um movimento exatamente concorrente das tampas 10 e 10’, essas tampas são conectadas de modo operativo por meios pinhões 500 e 500’, pinhões esses que giram em torno dos eixos 501 e 501’, respectivamente. O pinhão inferior está conectado a uma barra para empurra/puxar 510, a qual está conectada à alavanca 511 através da dobradiça 512. A alavanca 511 pode girar em torno de eixo geométrico 520. Girando a alavanca 511 em torno de eixo geométrico 520, as tampas 10 e 10’ irão se mover de modo que os respectivos ângulos β e β’ tenham em essência a mesma magnitude em todas as circunstâncias (dependendo principalmente das tolerâncias do pinhão e da conexão dos pinhões e tampas com o eixo geométrico 501 e 501’). Nota-se que em uma modalidade, a rotação da alavanca 511 em torno do eixo geométrico 520 é controlada através de um trilho que é formado em torno do suporte central da turbina (não mostrado na figura 8), o trilho constituindo um guia para uma roda acionada que está conectada de modo operativo à alavanca 511.

[0052] Nota-se que o sistema mostrado dos meios pinhões pode ser vantajosamente usado em qualquer turbina da técnica anterior que use tampas superiores e inferiores para constituir receptáculos com capacidade variável. Em outras palavras, a invenção também está incorporada em uma pá que compreende dois receptáculos posicionados em locais correspondentes acima e abaixo da pá, os receptáculos sendo formados pelas tampas que podem se abrir e fechar em relação à pá, na qual cada uma das tampas dos dois ditos receptáculos é posicionada de maneira rotativa na pá pela conexão a um pinhão, os dois pinhões cooperando através de uma conexão de agarramento.

Claims

1. Turbina eólica (1) para a conversão de vento em energia mecânica, que compreende um suporte (5) e uma pá (6, 16) conectados de maneira rotativa ao dito suporte (5), a pá (6, 16) compreendendo um receptáculo de vento (7) que pode adotar uma primeira configuração quando a pá (6, 16) está em uma posição de trajetória na direção do vento, e nessa primeira configuração, o receptáculo (7) tem uma primeira capacidade de converter força do vento em movimento da pá (6, 16), e uma segunda configuração quando a pá (6, 16) está em uma posição de trajetória contra a direção do vento, e nessa segunda configuração, o receptáculo (7) tem uma segunda capacidade de converter força do vento em movimento da pá (6, 16), a segunda capacidade sendo mais baixa do que a primeira capacidade, sendo que a turbina (1) é provida de um meio (200, 200’) que é operável para forçar o receptáculo (7) a adotar pelo menos uma das ditas configurações independentemente da direção do vento, caracterizada pelo fato de que a pá (6, 16) compreende múltiplos receptáculos (7) posicionados ao longo do comprimento da pá (6, 16), sendo que um receptáculo (7; 6, 10) posicionado perto do suporte (5) tem uma seção transversal maior do que um receptáculo (7, 6, 11) posicionado mais distante do suporte (5).

2. Turbina eólica (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o receptáculo (7) adota uma das ditas duas configurações em essência sob a influência da gravidade e do vento, e a outra configuração em essência por operação dos ditos meios (200, 200’).

3. Turbina eólica (1) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que os meios (200, 200’) são operáveis de modo que o receptáculo (7) adote a segunda configuração em essência por operação dos ditos meios (200, 200’) quando a pá estiver em uma posição de trajetória contra a direção do vento.

4. Turbina eólica (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que a pá (6, 16) é um corpo em forma de aerofólio, sendo que o receptáculo (7) é em essência formado por uma tampa (10, 11, 12, 13, 14) e pelo corpo do tipo aerofólio, a tampa (10, 11, 12, 13, 14) estando articulada ao corpo em uma posição adjacente a uma extremidade a jusante (60) do dito corpo.

5. Turbina eólica (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a pá (6, 16) compreende um primeiro receptáculo (7’) em um lado superior da pá (6, 16) e um segundo receptáculo (7) em um lado inferior da pá (6, 16).

6. Turbina eólica (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que os receptáculos (7) estão conectados de modo operativo, de modo que, quando um receptáculo adotar a segunda posição, um receptáculo próximo ao receptáculo que adota a segunda posição, visto na direção distante do suporte, adote automaticamente a segunda posição.

7. Uso de uma turbina eólica (1), como definida em qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de ser para a conversão de vento em trabalho.

8. Turbina eólica (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, em combinação com um moinho Darrieus (400), sendo que a turbina eólica (1) está conectada de modo operativo ao moinho Darrieus (400), caracterizada pelo fato de que a conexão operativa usa uma embreagem (300) que permite que a turbina eólica (1) gire em várias revoluções por minuto por um número predeterminado de revoluções por minuto para o moinho Darrieus (400).

9. Turbina eólica (1), de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que a embreagem (300) é selecionada do grupo que consiste em uma embreagem centrífuga, uma embreagem hidráulica, uma embreagem deslizante, uma embreagem eletromagnética e uma embreagem com correia em V.

10. Turbina eólica (1) de acordo com a reivindicação 1, sendo que as ditas primeira e segunda configurações são induzidas por meras forças de vento e/ou gravitacionais e/ou pelos meios (200, 200’), como definido na reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a pá (6, 16) compreende múltiplos receptáculos separados (7) posicionados ao longo do comprimento da pá (6, 16), sendo que um receptáculo (7; 6, 10) posicionado perto do suporte (5) tem uma maior capacidade máxima de converter força do vento em movimento do que um receptáculo (7, 6, 11) posicionado mais distante do suporte (5).

11. Turbina eólica (1) de acordo com a reivindicação 1, sendo que a pá (6, 6) compreende dois receptáculos (7) posicionados em locais correspondentes acima e abaixo da pá (6, 16), os receptáculos (7) sendo formados por tampas (10, 11, 12, 13, 14) que podem abrir e fechar em relação à pá (6, 16), caracterizada pelo fato de que cada uma das tampas (10, 11, 12, 13, 14) dos ditos dois receptáculos (7) está posicionada de modo rotativo na pá (6, 16) mediante conexão a um pinhão, os dois pinhões cooperam através de uma conexão de agarramento.