BR112017015726B1

BR112017015726B1 - Turbina eólica

Info

Publication number: BR112017015726B1
Application number: BR112017015726-8A
Authority: BR
Inventors: Keesjan Klant; Woud Vleugel
Original assignee: Mega Windforce Ip Bv I/O
Priority date: 2015-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2023-01-17
Also published as: WO2016116598A1; JP6755501B2; EP3247900B8; CH710643A2; BR112017015726A2; AU2016208472B2; US20180010581A1; JP2018505348A; KR20170107507A; EP3247900A1; NZ733964A; CA2974586A1; IL253574A0; DK3247900T3; EP3247900B1; US11035344B2; CN107208602A; AU2016208472A1; CN107208602B; ES2820319T3

Abstract

A invenção refere-se a uma turbina eólica (11) que inclui uma estrutura de suporte (17), um rotor (13) que inclui uma ou várias lâminas de rotor (21) e que está situado sobre a estrutura de suporte (17), de modo que o rotor é de forma rotativa livre sobre um eixo de rotação, e um gerador que está conectado ao rotor (13) e que converte a energia eólica em energia elétrica quando o rotor (13) está girando. A estrutura de suporte (17) inclui um anel estacionário (15), no qual o rotor (13) é guiado de forma rotativa e sobre o qual o estator do gerador está situado.

Description

Campo da Invenção

[001]A presente invenção refere-se a uma turbina eólica de acordo com a definição das espécies na reivindicação 1.

Informação Anterior

[002]As turbinas eólicas de acordo com a técnica relacionada incluem uma torre, na extremidade livre da qual está situada uma nacela que acomoda um gerador. Um rotor em forma de estrela que, na maioria dos casos, inclui três lâminas de rotor e que é rotativo em torno de um eixo horizontal central é montado sobre a nacela. O torque do rotor é transmitido direta ou indiretamente ao gerador por uma engrenagem, com o auxílio de um eixo do rotor. Uma vez que as lâminas de rotor têm comprimentos de até 85 metros, enormes forças mecânicas atuam, as quais empurram os mancais e o eixo do rotor para os seus limites mecânicos. Para uma boa eficiência, o diâmetro dos geradores direcionados diretamente deve ser adaptado ao diâmetro do rotor. As turbinas eólicas que possuem esse conceito de mancal central atingiram seus limites físicos.

Objeto da Invenção

[003]Com base nas desvantagens da técnica relacionada descrita, o objeto da presente invenção é o de refinar uma turbina eólica genérica com uma saída aperfeiçoada. Em particular, o objetivo é reduzir o estresse mecânico nas turbinas eólicas, para as dimensões que são comuns hoje em dia, resultando em esforço reduzido para reparo e manutenção.

Descrição

[004]O objeto indicado é alcançado com uma turbina eólica, em que a estrutura de suporte inclui um anel estacionário sobre o qual o rotor é guiado de forma rotativa, e em que o estator do gerador está situado. Como o resultado do fornecimento do anel estacionário, a carga mecânica sobre o rotor não é concentrada em um eixo de rotação central, mas, em vez disso, pode ser distribuída sobre a circunferência do anel estacionário. A carga mecânica sobre a turbina eólica, de acordo com a presente invenção, pode assim ser reduzida, resultando em economias para reparo e manutenção. Além disso, com o projeto fornecido, as turbinas eólicas que possuem lâminas de rotor mais longas podem ser implementadas. Isso não é possível com o projeto, de acordo com a técnica relacionada, uma vez que este projeto é empurrado para os limites de sua capacidade de carga mecânica. Utilizando o anel estacionário como o estator do gerador, permite que o gerador pode ser integrado diretamente no sistema de anel rotor-estacionário existente. Além disso, a transmissão mecânica complicada do movimento do rotor para o gerador não é, portanto, necessária. Por esta razão, o gerador é, de preferência, fornecido entre o anel estacionário e o rotor.

[005] Provou ser vantajoso quando o rotor está livre de uma conexão a um dos elementos da máquina de um eixo ou de um veio. O rotor também está livre desses elementos da máquina. Dentro do escopo do presente pedido de patente, entende-se por "eixo" um elemento de máquina em forma de haste que é utilizado para transmitir movimentos rotativos e torques do rotor e para o mancal do rotor. Um veio significa um elemento de máquina em forma de haste que não transmite torque. Uma vez que o rotor é guiado sobre o anel estacionário, um eixo do rotor ou um veio do rotor na forma de uma haste pode ser dispensado. A carga mecânica sobre o rotor não é, portanto, transmitida centralmente para um eixo ou veio e, em vez disso, pode ser distribuída sobre o anel estacionário, que tem um diâmetro maior.

[006] Em uma modalidade particularmente preferida da presente invenção, o rotor inclui um anel de rotor que é suportado sobre o anel estacionário através de uma pluralidade de mancais de rolete ou elementos de rolamento. Os elementos de rolamento podem ser projetados como rodas ou rolete. A alta carga mecânica que inevitavelmente ocorre com as turbinas eólicas pode ser distribuída sobre a circunferência do anel estacionário na turbina eólica de acordo com a presente invenção. Portanto, a carga não precisa ser absorvida por apenas alguns mancais de rolete e, em vez disso, pode ser distribuída em vários mancais de rolete menores. Os elementos de rolamento dos mancais de rolete podem ser cilindros, de rolete, tambores, de esferas, de cones, etc.

[007] Em uma modalidade da presente invenção, o rotor inclui um anel de rotor que é suportado de forma flutuante sobre o anel estacionário por forças magnéticas. Um mancal magnético flutuante é vantajoso, em particular, para altas cargas mecânicas, uma vez que este conceito de mancal não está sujeito a desgaste mecânico. Os custos de capital mais altos podem assim ser amortizados rapidamente.

[008]A presente invenção é, de preferência, caracterizada pelo fato de que os geradores são integrados nos mancais de rolete, ou os mancais de rolete estão ligados mecanicamente a geradores. Portanto, é possível não usar apenas um único gerador para a conversão em energia elétrica, mas, em vez disso, para que muitos geradores menores sejam conectados aos mancais de rolete. Isto tem a vantagem de que o acoplamento ao anel do rotor pode ser estabelecido muito facilmente, já que os mancais de rolete estão presentes de qualquer maneira. Outra vantagem é que os geradores podem ser facilmente conectados e desconectados, dependendo das condições do vento.

[009] Provou ser vantajoso quando, pelo menos, uma trilha circunferencial que transmite o movimento rotativo do rotor aos mancais de rolete é fixa ao rotor na direção circunferencial. Por este motivo, o anel do rotor não requer uma superfície de execução de máquina com precisão, na qual os elementos rolantes possam rolar. Os trilhos, que são circulares, são fáceis e economicamente fáceis de fabricar, e podem ser rapidamente integrados no anel do rotor.

[010]Em outra modalidade preferida, a relação do diâmetro do rotor para o comprimento da lâmina de rotor é de 1:2, de preferência 1:1,5, e particularmente de preferência 1: 1. Apesar do diâmetro relativamente grande do anel do rotor que resulta a partir dessas relações, a superfície para a utilização do vento é apenas 10% menor que com as turbinas eólicas convencionais com o mesmo diâmetro do rotor. O grande anel de rotor é capaz de absorver particularmente as altas cargas mecânicas. Um dimensionamento preferido do anel do rotor, por exemplo, é de 50 m para o comprimento de uma lâmina de rotor igualmente igual a 50 m.

[011]Uma vez que devido ao grande anel de rotor, a turbina eólica de acordo com a presente invenção com três lâminas de rotor não é empurrada para os seus limites mecânicos, mais de três lâminas de rotor podem ser utilizadas, e/ou o comprimento da lâmina de rotor pode ser aumentado. É assim concebível para a turbina eólica, de acordo com a presente invenção, poder fornecer até 20 megawatts de potência.

[012] Pelo menos dois trilhos circulares de mancais de rolete são vantajosamente situados sobre o anel estacionário, a fim de poder distribuir melhor a carga mecânica causada pelo grande rotor.

[013] Em outra modalidade preferida da presente invenção, as bobinas do gerador estão situadas no anel estacionário. A retirada da corrente elétrica gerada é, portanto, particularmente fácil, e os coletores deslizantes podem ser dispensados.

[014] Por outro lado, é vantajoso quando os ímãs do gerador estão situados no rotor. Em particular, quando os ímãs são ímãs permanentes, o rotor não requer conexão de linha com à porção estática da turbina eólica, simplificando assim o projeto.

[015] É vantajoso quando a energia elétrica gerada pelo gerador é retirável no anel estacionário. A remoção atual em partes não-móveis é mais fácil do que em partes móveis, em particular, quando as partes móveis, tal como o anel do rotor, são muito grandes.

[016]Como um resultado da estrutura de suporte vantajosamente, incluindo um retângulo em forma de T com uma torre e uma barra transversal, o anel estacionário sendo fixo às extremidades da barra transversal, o anel estacionário pode ser mantido de forma confiável sobre a estrutura de suporte, e a resistência do vento da estrutura de suporte é, no entanto, baixa.

[017]A barra transversal é vantajosamente rotativa em torno do eixo longitudinal da torre, de modo que a turbina eólica pode ser girada de acordo com o vento.

[018] Foi provado ser vantajoso quando o anel do rotor está situado sobre o anel estacionário, fora do mesmo. O anel do rotor pode ser montado sobre o anel estacionário, e pode ser removido do mesmo, por exemplo, durante operações de manutenção sobre o mancal.

[019]Outras vantagens e características resultam a partir da seguinte descrição de uma modalidade exemplar da presente invenção, com referência às ilustrações esquemáticas, que não são verdadeiras à escala.

[020]A Figura 1 mostra uma visão geral axonométrica de uma turbina eólica;

[021]A Figura 2 mostra uma vista axonométrica de uma estrutura de suporte junto com um anel estacionário;

[022]A Figura 3 mostra uma vista axonométrica de um rotor junto com uma pluralidade de lâminas de rotor que rodam sobre o anel estacionário; e

[023]A Figura 4 mostra a turbina eólica em uma vista de corte parcial para explicar o mancal do rotor.

[024]As Figuras 1 e 4 mostram uma modalidade da turbina eólica, de acordo com a presente invenção, que é projetada globalmente pelo número de referência 11. A turbina eólica 11 inclui um rotor 13 que é suportado, de modo que é rotativo em torno de um anel estacionário 15. O anel estacionário 15 é suportado ou mantido por um retângulo em forma de T 17.

[025]O rotor 13 inclui um anel de rotor 19 e uma pluralidade de lâminas de rotor 21. O anel de rotor 19 tem, de preferência, um diâmetro que corresponde essencialmente ao comprimento das lâminas de rotor. Por exemplo, o diâmetro do anel do rotor 19 e o comprimento das lâminas de rotor é de 50 metros em cada caso. Apesar do diâmetro considerável do anel de rotor em relação ao comprimento das lâminas de rotor 21, a área de superfície do anel de rotor 19 é apenas 10% da área circular definida pelas extremidades livres das lâminas de rotor 21. A superfície do vento utilizável é, portanto, apenas um pouco reduzida devido ao anel de rotor 19. O comprimento das lâminas de rotor 21 pode, portanto, ser reduzido em aproximadamente 1/3, em comparação com o comprimento da lâmina de rotor para turbinas eólicas da técnica relacionada, sem reduzir significativamente a superfície do vento utilizável. Os custos de material da turbina eólica 11, de acordo com a presente invenção, podem assim ser significativamente reduzidos, uma vez que os custos de material das lâminas de rotor são mais baixos.

[026]O anel de rotor 19 é guiado de forma rotativa sobre o lado exterior do anel estacionário 15. O mancal pode ser assumido por uma pluralidade de elementos de rolamento 23, como mostrado na Figura 4. Os elementos de rolamento 23 podem ser acomodados de forma rotativa em depresões sobre o lado externo do anel estacionário 15, e situados em dois ou mais trilhos concêntricos sobre o anel estacionário 15. Os elementos de rolamento 23 podem deslizar diretamente sobre uma superfície de rolamento sobre o lado interno do anel de rotor 19, ou podem deslizar indiretamente sobre os trilhos de guia 25. Os elementos de rolamento 23 podem ser cilindros, de roletes, tambores, de pinos, e outros corpos simetricamente rotativos. Os trilhos de guia 25 estão ligados de forma fixa ao anel de rotor 19, e deslocam o movimento rotativo do anel de rotor 19 para os elementos de rolamento 23. A alta carga mecânica resultante a partir do peso das lâminas de rotor não precisa ser acomodada por um mancal central, como é o caso com turbinas eólicas convencionais e, em vez disso, pode ser distribuído sobre a pluralidade de elementos de rolamento 23. Os custos de reparo para a turbina eólica 11 podem assim ser reduzidos. Também é concebível aumentar o comprimento da lâmina de rotor para a turbina eólica 11, uma vez que, para as dimensões indicadas, a capacidade de carga dos elementos de rolamento 23 não atinge o seu máximo.

[027]Também é concebível que o mancal do anel de rotor 19 sobre o anel estacionário 15 ocorra devido a forças magnéticas que mantêm o anel de rotor 19 suspenso sobre o anel estacionário 15.

[028]O gerador da turbina eólica 11, que converte a energia eólica em energia elétrica, está de preferência, situado entre o anel de rotor 19 e o anel estacionário 15. Uma vez que apenas um movimento de um campo magnético em relação a uma bobina de indução é importante para um gerador, é preferido quando o estator do gerador está situado no anel estacionário 15, que é estacionário de qualquer maneira. O rotor do gerador está vantajosamente situado no anel de rotor 19. Para simplificar a retirada da corrente elétrica gerada, é preferível, quando a retirada de corrente ocorre no anel estacionário 15, mesmo que a retirada usando elementos de deslizamento também possa ocorrer no anel de rotor 19. Para a retirada de corrente simplificada, os ímãs do gerador estão assim situados no anel de rotor 19, e as bobinas de indução estão situadas no anel estacionário 15.

[029]Também é concebível que os geradores individuais sejam integrados aos elementos de rolamento 23, ou que os geradores individuais estejam mecanicamente conectados aos elementos de rolamento 23. Dependendo da energia eólica, geradores individuais podem ser conectados, ou são desconectados pela transmissão de rotação por elementos de rolamento 23.

[030]As turbinas eólicas da técnica relacionada geralmente incluem três lâminas de rotor. Este número pode ser aumentado na turbina eólica, de acordo com a presente invenção, uma vez que devido à sua estrutura de anel, as lâminas de rotor são capazes de suportar cargas mecânicas mais elevadas.

[031]A estrututa de suporte em forma de T inclui uma torre 27 e uma barra transversal 29. O anel estacionário 15 está situado sobre as extremidades da barra transversal 29. Uma montagem suficientemente estável e, ao mesmo tempo, de preferência, de baixa resistência ao vento, pode ser alcançada desta maneira.

[032] Devido ao fornecimento de um anel estacionário 15 e um anel de rotor 19, as forças mecânicas podem ser descentralizadas, e não atuam em um ponto central do eixo de rotação, como é o caso das turbinas eólicas da técnica relacionada. As forças mecânicas podem ser distribuídas sobre uma pluralidade de elementos de rolamento. Lista dos Números de Referência 11 turbina eólica 13 rotor 15 anel estacionário 17 estrutura de suporte vertical 19 anel de rotor 21 lâminas de rotor 23 elementos de rolamento, mancais de rolete 25 trilhos de guia 27 torre 29 barra transversal

Claims

1. Turbina eólica (11), incluindo: - uma estrutura de suporte (17), - um rotor (13) que inclui uma ou várias lâminas de rotor (21) e que está situado sobre a estrutura de suporte (17), de modo que o rotor é de forma rotativa livre sobre um eixo de rotação, e - um gerador que está ligado ao rotor (13) e que converte a energia eólica em energia elétrica quando o rotor (13) está girando, CARACTERIZADA pelo fato de que a estrutura de suporte (17) inclui um anel estacionário (15) no qual o rotor (13) é guiado de forma rotativa e em que o estator do gerador está situado, e em que o rotor (13) possui um anel de rotor (19) cujo diametro possui uma proporção para o comprimento da lâmina de rotor de 1:2, ou de 1:1,5, ou de 1:1.

2. Turbina eólica, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que o diametro do anel de rotor (19) é 25 m, preferivelmente 33 m, e mais preferivelmente, 50 m.

3. Turbina eólica, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADA pelo fato de que o rotor (13) está livre de uma ligação a um dos elementos da máquina de um eixo ou de um veio.

4. Turbina eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADA pelo fato de que o gerador é proporcionado entre o anel estacionário (15) e o rotor (13).

5. Turbina eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADA pelo fato de que o anel de rotor (19) é suportado sobre o anel estacionário (15) através de uma pluralidade de mancais de rolete ou elementos de rolamento (23).

6. Turbina eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADA pelo fato de que o anel de rotor (19) é suportado em uma forma flutuante sobre o anel estacionário (15) por forças magnéticas.

7. Turbina eólica, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADA pelo fato de que os geradores são integrados nos mancais de rolete (23), ou os mancais de rolete (23) estão mecanicamente conectados a geradores.

8. Turbina eólica, de acordo com a reivindicação 5 ou 7, CARACTERIZADA pelo fato de que, pelo menos, um trilho circunferencial (25), que transmite o movimento rotativo do rotor (15) aos mancais de rolete (23), é fixo ao rotor (13) na direção circunferencial.

9. Turbina eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, CARACTERIZADA pelo fato de que o número de lâminas de rotor (21) é, pelo menos, três.

10. Turbina eólica, de acordo com a reivindicação 5 ou reivindicações 7 a 9, CARACTERIZADA pelo fato de que, pelo menos, dois trilhos circulares de mancais de rolete (23) estão situados sobre o anel estacionário (15).

11. Turbina eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, CARACTERIZADA pelo fato de que as bobinas do gerador estão situadas no anel estacionário (15).

12. Turbina eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, CARACTERIZADA pelo fato de que os ímãs do gerador estão situados no rotor (13).

13. Turbina eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, CARACTERIZADA pelo fato de que a energia elétrica gerada pelo gerador é retirável no anel estacionário (15).

14. Turbina eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, CARACTERIZADA pelo fato de que a estrutura de suporte inclui um suporte em forma de T (17) com uma torre (27) e uma barra transversal (29), em que o anel estacionário (15) é preso às extremidades da barra transversal (29).

15. Turbina eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 14, CARACTERIZADA pelo fato de que o anel de rotor (19) está situado sobre o anel estacionário (15), fora do mesmo.