BR112018073567B1

BR112018073567B1 - Seção de torre para elevação automática de turbinas eólicas novas ou existentes e método de elevação automática da seção de torre com turbina eólica completa sobre a sua parte superior

Info

Publication number: BR112018073567B1
Application number: BR112018073567-1A
Authority: BR
Inventors: Ana Cristina Garcia Perez; Ion Arocena De La Rúa; Eneko Sanz Pascual; Hely Ricardo Savii Costa
Original assignee: Nabrawind Technologies SL
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2016-05-27
Publication date: 2022-10-11
Also published as: CN109154278B; CN109154278A; BR112018073567A2; US20190093381A1; WO2017203065A1; DK3467304T3; US10577820B2; EP3467304A4; EP3467304A1; EP3467304B1; ES2844124T3

Abstract

A presente invenção refere-se a uma seção de torre e a um método de elevação automática da mencionada seção com turbinas eólicas novas ou existentes sobre a sua parte superior, em que o conjunto é elevado até alturas de mais de 120 metros por meio de um sistema de elevação automática que opera no nível do solo e insere gradualmente módulos através da parte inferior. Os módulos possuem alturas de 10 a 14 metros e são formados por uma treliça com pelo menos três colunas verticais (5) e com elementos diagonais (6) que reagem aos momentos de torção e forças de corte geradas pela ação do vento. Uma parte de transição (7) com uma base (d2) suficiente para elevação com condições de vento de mais de 15 m/s é disposta sobre os módulos. O método de elevação possui diversas etapas, tais como: produção e instalação de fundação (12); montagem da parte de transição (7) sobre um elemento de conexão (15) de uma sapata; montagem da turbina eólica completa com a torre tubular (1), nacele (2) e seu rotor (3); instalação de um sistema de elevação (10) e estruturas de união (14) sobre um elemento de conexão (16) da sapata; elevação de um módulo N; montagem dos diferentes módulos; e, por fim, montagem do módulo (...).

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção é englobada no campo de turbinas eólicas, seu método de elevação automática e, particularmente, a forma em que, por meio de uma seção de torre de treliça, com sua peça de transição superior correspondente e suas sapatas, a elevação é realizada para novas turbinas eólicas ou para as já existentes, utilizando um sistema de elevação automática externo já conhecido.

Antecedentes da Invenção

[002] A pesquisa por locais com maior potencial eólico fez com que os melhores locais eólicos no litoral ficassem atualmente saturados. É cada vez mais difícil encontrar áreas com alta disponibilidade de energia eólica inexplorada.

[003] A indústria eólica tende a explorar outros locais litorâneos com maior disponibilidade de ventos ou aprimorar os locais já existentes. Para maximizar a quantidade de energia produzida em locais litorâneos com menos disponibilidade de recursos eólicos ou aprimorar os locais já existentes, as estratégias adotadas e as que definem as tendências de mercado deverão ser realizadas aumentando a altura das torres. A velocidade do vento aumenta com a altura, devido à fricção contra o solo, o que gera o perfil de cortante do vento. Como a energia produzida se altera pelo cubo da velocidade do vento, pequenos aumentos da altura permitem aumentos consideráveis da produção.

[004] Para fornecer uma solução para o problema de uso de áreas com ventos altos, mas que já estão ocupadas por outras turbinas eólicas, propõe-se a possibilidade de substituir as antigas turbinas por turbinas novas e mais altas.

[005] Ao longo dessa linha de uso dos locais já existentes e utilizando o sistema de elevação automática descrito na Patente WO 2015/150594, é apresentada uma solução de elevação das turbinas eólicas que se encontram em operação em locais já existentes ou elevação de novas turbinas eólicas que necessitam de altura maior, que as torres convencionais não conseguem satisfazer.

[006] Um segundo problema solucionado pela presente invenção é a instalação de torres com 120 a 180 metros. Como este tipo de instalação atualmente causa aumento de custo significativo porque os guindastes a serem utilizados são muito complexos e escassos no mercado, sua disponibilidade é, portanto, muito baixa. Para torres com mais de 120 metros, é muito difícil localizar um sistema de montagem economicamente viável.

Descrição Resumida da Invenção

[007] O campo da presente invenção é projetar uma seção de torre e sua peça de transição correspondente que sejam válidas para elevar automaticamente uma torre tubular com sua nacele e o rotor completo montado sobre a parte superior da torre. Esta turbina eólica pode ser a já existente e disponível em local litorâneo, em conjunto com outras turbinas eólicas, constituindo o que é denominado fazenda, ou pode ser uma nova turbina eólica que é desejada para fornecer maior altura, a fim de utilizar melhor o vento existente. Nos dois casos, será seguido o mesmo procedimento ao longo de todo o método de elevação automática.

[008] A seção de treliça modular da torre de acordo com a presente invenção é projetada para que se eleve automaticamente do solo, sem necessidade de guindastes, e é composta de duas partes diferentes:

[009] Uma parte inferior, que consiste de uma estrutura de treliça reta, com ângulo de colapso de 0°, com pelo menos três colunas e composta de seções com 10 a 14 metros de altura, de forma que essas seções sejam modulares e perfeitamente transportáveis em caminhões convencionais.

[0010] A transição entre a seção afilada e a estrutura de treliça deve ser suficientemente larga para permitir estabilidade necessária para possibilitar a autoelevação de turbinas eólicas que suportam o vento incidente, evitando sua queda devido ao vento sobre as seções de rotor, torre ou nacele.

[0011] Este e outros campos da presente invenção são atingidos por meio de uma seção de estrutura de treliça, em que cada módulo que a compõe é composto de dois tipos de elementos longitudinais unidos entre si:

[0012] Colunas verticais, que sustentam as principais tensões de dobra sobre a torre contra o vento sobre o rotor da turbina eólica. Elementos de fixação (diagonal e horizontal) que reagem durante momentos de dobra e tensão de corte gerada pelo vento.

[0013] Os elementos de fixação são unidos às colunas por meio de placas soldadas com juntas aparafusadas de corte. Os elementos de fixação são unidos entre si por meio de juntas aparafusadas de corte. As colunas verticais são unidas entre si por meio de juntas aparafusadas axiais, utilizando flancos circulares soldados a cada extremidade. As colunas diagonais e horizontais terão geometria fechada, preferencialmente cilíndrica.

[0014] Existem duas configurações preferíveis de elementos de fixação:

[0015] Na primeira configuração (junta K), a fixação de cada face de cada módulo é composta de dois elementos de fixação horizontais e dois diagonais, que são unidos em um ponto equidistante sobre as colunas, na altura dos elementos de fixação horizontais.

[0016] Na segunda configuração (junta X), a fixação de cada lado de cada módulo é composta de quatro elementos de fixação diagonais, que são unidos no centro da face. Para aumentar a estabilidade de queda das diagonais, podem ser adicionadas três outras barras horizontais que unem os centros de cada face.

[0017] A fundação do segmento de torre (que sustenta as cargas transferidas pela turbina eólica completa) é composta de três sapatas independentes com geometria quadrada ou retangular, fabricadas no local ou pré-fabricadas. Cada sapata pré-fabricada pode ser subdividida longitudinalmente em uma série de elementos pré- fabricados, que são produzidos na fábrica e posteriormente transportados, montados e pós-tensionados separadamente no local, por meio de cabos pós-tensionados que cruzam os orifícios horizontais nas peças da sapata. As sapatas pré- fabricadas (subdivididas ou não) podem ser pré-tensionadas para aprimorar seu desempenho estrutural.

[0018] A seção de torre é projetada para adaptação a um sistema de elevação automática de turbina eólica completa. Este sistema de elevação automática já está em uso nas turbinas eólicas do estado da técnica (descrito na patente WO 2015/150594).

[0019] O método de elevação é composto das fases a seguir: - Fase 1: preparação da fundação. - Fase 2: montagem da transição e fixação à fundação. - Fase 3: montagem da torre tubular, nacele e rotor completo da turbina eólica sobre a transição. - Fase 4: instalação do sistema de elevação automática. - Fase 5: fixação do sistema de elevação automática à parte inferior da transição, remoção da fundação e elevação do conjunto superior. - Fase 6: montagem do módulo N sob o conjunto. - Fase 7: liberação da elevação automática e fixação da parte inferior do módulo N. - Fase 8: elevação do módulo N com o conjunto superior. - Fase 9: repetição das etapas 5 a 8 com cada módulo. - Fase 10: montagem do último módulo e remoção do conjunto de ferramentas.

[0020] Todo o descrito acima fornece as vantagens a seguir.

[0021] Com o novo sistema de elevação automática, a montagem é realizada erguendo-se, em primeiro lugar, a parte superior da torre de estrutura de treliça por meio de acionadores hidráulicos para inserir a seção seguinte através da parte inferior, ou seja, o trabalho é realizado sobre o solo. A montagem inicia-se com a elevação do segmento de estrutura de treliça fixada à torre de aço e termina com a instalação do segmento de torre mais próximo ao solo. Além disso, o solo não necessita ser condicionado, pois a instalação do sistema de elevação com suas estruturas conjuntas é realizada sobre as sapatas de fundação da torre. A principal virtude dessa tecnologia é que o seu projeto foi especificamente criado de forma que todos os componentes da turbina eólica funcionem durante a montagem e quando em operação. Desta forma, por não necessitar de reforços adicionais, o custo recorrente da turbina eólica não aumenta e a solução resulta ser extremamente eficiente. Todas as seções são transportáveis em caminhões convencionais, que é a razão pela qual o comprimento máximo esperado é de 14 metros.

Breve Descrição das Figuras

[0022] Encontra-se abaixo uma descrição muito breve de uma série de desenhos que ajuda a melhor compreender a presente invenção. Estes desenhos servem de mero exemplo e são expressamente relacionados, embora não restritos, à elaboração da presente invenção.

[0023] A Figura 1a é uma vista de uma turbina eólica existente do estado da técnica e a Figura 1b é uma turbina eólica com a seção de torre de estrutura de treliça de acordo com a presente invenção.

[0024] As Figuras 2a e 2b exibem o desempenho devido ao vento incidente de uma turbina eólica convencional e sobre a turbina eólica de acordo com a presente invenção durante o processo de elevação automática.

[0025] A Figura 3 exibe um detalhe da peça de transição, sua âncora com o sistema de elevação, suas estruturas conjuntas e as colunas verticais.

[0026] As Figuras 4a, 4b e 4c exibem a geometria preferencial de uma das sapatas de fundação.

[0027] A Figura 5a é uma vista da fundação, 5b exibe o módulo de transição e 5c-5d-5e-5f exibem a montagem da turbina eólica utilizando um guindaste.

[0028] As Figuras 6a, 6b, 6c e 6d exibem o sistema de elevação automática e a elevação completa do módulo N. As Figuras 6e e 6f exibem a elevação e montagem do módulo N+1.

[0029] A Figura 7 exibe o processo de montagem do restante dos módulos até completar-se a seção de torre de acordo com a presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

[0030] Conforme exibido na Figura 1a, a turbina eólica de 3000 kW existente é composta de três ou quatro seções de torre cilíndrica (1), uma nacele (2) e um rotor completo (3), ou seja, com as pás já montadas. Esta turbina eólica é erguida acima do solo (4) em distância de 70 a 80 m, o diâmetro do seu rotor (3) é de cerca de 120 metros e sua torre (1) possui largura máxima de 4,5 na base.

[0031] Na Figura 1b, outra turbina eólica mais alta é exibida montada com seção de torre composta de duas partes: uma inferior, composta de módulos de treliça de pelo menos três colunas verticais (5), com diagonais (6) e horizontais (6) entre colunas verticais (5).

[0032] A fixação dos módulos de estrutura de treliça é composta de: a. dois horizontais (6') e dois diagonais (6), que são unidos em um ponto equidistante das colunas verticais (5), na altura dos horizontais (Figura 1b); e b. quatro diagonais (6) e mais para aumentar a estabilidade de queda dos diagonais (6) e são adicionadas três outras barras horizontais que unem os centros de cada face (Figura 7d).

[0033] Sobre a parte superior, a peça de transição é disponível (7) entre a seção afilada da torre tubular e a seção de treliça. Tudo isso repousa sobre uma fundação independente (12).

[0034] Para elevação sem guindastes externos da turbina eólica já pré-montada com sua torre (1), sua nacele (2) e seu rotor (3) na Figura 1a, em altura de 120 a 180 metros com relação ao solo (4), deve ser resolvido um problema técnico que surge com o vento incidente (8). Em alturas de mais de 100 m, o vento incidente sobre a nacele (2) e o rotor (3) cria forças opostas (9) que não serão capazes de sustentar um sistema de elevação (10) utilizando uma turbina eólica convencional (Figura 2a) que sustentará o campo de turbina eólica de acordo com a presente invenção (Figura 2b). Isso ocorre porque a largura da base do sistema de elevação (10) trabalha em distância de 5 m para a turbina eólica tubular (Fig. 2a) e em distância de 14 a 18 metros para a turbina eólica com seção de estrutura de treliça (Fig. 2b). Apenas um sistema de elevação (10) com distância suficiente entre seus acionadores pode sustentar o vento incidente (8) quando ocorrer.

[0035] Para obter distância suficiente entre as colunas verticais (5) da seção de estrutura de treliça, é necessário ter uma peça de transição (7) conforme exibido na Figura 3. Esta peça afilada oca vai de diâmetro superior (d1) de 3 a 4,5 m até uma base inferior com diâmetro de 14 a 18 m (d2) que confina a base. A forma da base dependerá se a torre de estrutura de treliça possui três, quatro ou mais colunas verticais (5). A peça de transição (7) possui interfaces inferiores (11) que se conectam ao sistema de elevação (10). Essas interfaces inferiores (11) são responsáveis pela conexão às colunas verticais (5) da estrutura de treliça. Com esta peça de transição (7), é possível atingir elevação com condições de vento de mais de 15 m/s.

[0036] A fundação (12) do segmento de torre é composta de pelo menos três sapatas independentes, que incluem os elementos de conexão (15) com a torre e segunda área de conexão (16) do sistema de elevação automática. Devido à configuração do segmento, o volume total da fundação é muito menor que o de uma fundação de turbina eólica convencional. Isso pode permitir sua pré-fabricação na visão geral e seu transporte para o campo, em uma ou mais peças que são conectadas entre si no local. As sapatas podem ter seção quadrada ou retangular e podem ser pré-tensionadas.

[0037] A Figura 4b exibe a sapata após a construção (no local, na visão geral ou após o tensionamento das peças no local na visão geral), composta de uma parede central (17), que armazena o sistema de conexão (15) com a coluna vertical (5) ou com a peça de transição (7), uma laje inferior (18) que distribui a carga sobre o terreno e pelo menos um nervo (19) sobre cada lado da parede, no qual a conexão (16) é integrada ao sistema de elevação automática.

[0038] As Figuras 4c e 4d exibem a subdivisão preferível para a fundação pré-fabricada alternativa em peças diferentes (antes e depois da montagem), bem como os orifícios transversais (20) para posicionar os cabos de tensão para o processo de pós-tensionamento final.

[0039] O método de elevação é exibido entre as Figuras 5, 6 e 7 e consiste das fases a seguir:

[0040] Fase 1: preparação da fundação (12).

[0041] Fase 2: montagem da transição (7) e fixação à fundação (12).

[0042] Fase 3: montagem da torre tubular, (1) nacele (2) e rotor (2) da turbina eólica sobre a transição (7).

[0043] Fase 4: instalação do sistema de elevação automática com seu sistema de elevação (10) e estruturas de junção (14).

[0044] Fase 5: fixação do sistema de elevação automática à parte inferior da transição, remoção da fundação e elevação do conjunto superior.

[0045] Fase 6: montagem do módulo N sob o conjunto.

[0046] Fase 7: liberação da elevação automática e fixação à parte inferior do módulo N.

[0047] Fase 8: elevação do módulo N com o conjunto superior.

[0048] Fase 9: repetição das etapas 5 a 8 com cada módulo.

[0049] Fase 10: montagem do último módulo e remoção do conjunto de ferramentas.

[0050] Conforme exibido na Figura 5a, a fase 1 é a preparação da fundação (12). A primeira etapa é o estabelecimento da fundação (12) abaixo do nível do solo (4) e seu dimensionamento de acordo com os pesos a serem sustentados. O processo inicia-se com a escavação de fundações independentes (12) na mesma quantidade das colunas verticais (5) sobre a torre de estrutura de treliça. As fundações pré-fabricadas (12) são posicionadas em seguida para este processo alternativo. Por fim, a fundação (12) é coberta com carga e o terreno é reconstruído.

[0051] A Figura 5b exibe a montagem da peça de transição (7) que compõe a parte superior da torre de estrutura de treliça. Em primeiro lugar, as interfaces inferiores (11) serão instaladas sobre o elemento de conexão (15). Em seguida, a peça de transição (7) é montada sobre a base de trabalho composta pelas interfaces (11) mencionadas acima (vide a Figura 3).

[0052] Nas Figuras 5c, 5d e 5e, é descrito o processo de montagem da torre tubular (1), nacele (2) e rotor (3) da turbina eólica, de acordo com a fase 3. Nesta fase, o processo de montagem da torre tubular (1) é realizado sobre a peça de transição (7). Após a torre tubular (1), a nacele (2) da turbina eólica é montada sobre o flanco superior da torre tubular (1). Por fim, o rotor da turbina eólica (3) é instalado com suas pás de montagem correspondentes. Todo oconjunto é realizado utilizando um guindaste (13) convencional.

[0053] Conforme exibido na Figura 6, após a montagem da turbina eólica, inicia-se seu método de elevação automática. Nas Figuras 6a e 6b, as fases 4 a 8 são exibidas com a instalação do sistema de elevação (10) e a elevação do conjunto. Após a montagem da torre (1), da nacele (2) e do rotor completo (3), o conjunto de ferramentas de elevação automática é instalado sobre o elemento de conexão (16) da sapata. Isso significa que, sobre cada fundação (12), será instalada a mesma quantidade de sistemas de elevação (10) e de colunas verticais (5) que possuem a torre de estrutura de treliça com uma estrutura de junção (14) que se estende ao longo de todos os sistemas de elevação (10). A elevação do conjunto instalado ocorre quando cada uma das plataformas de elevação vai do ponto inferior até o ponto superior do sistema de elevação automática correspondente (conforme descrito em WO 2015/150594).

[0054] Entre as Figuras 6c e 6f, é exibida a fase 9, correspondente à montagem do novo módulo. Após a elevação do conjunto, é inserido um novo módulo de torre e os módulos que o tocam são fixados. Os flancos de conexão são liberados e, em seguida, as plataformas de elevação que compõem a estrutura de junção (14) entre os sistemas de elevação (10) são rebaixadas. A operação de inserção de um novo módulo é repetida em seguida para a parte inferior.

[0055] Por fim, na Figura 7, a fase 10 é exibida com a montagem do último módulo e a desinstalação do sistema de elevação automática.

Claims

1. SEÇÃO DE TORRE PARA ELEVAÇÃO AUTOMÁTICA DE TURBINAS EÓLICAS NOVAS OU EXISTENTES, projetada para fornecimento sob sua própria turbina eólica e que utiliza um sistema de elevação automática sustentado sobre fundações (12) independentes, que eleva todo o conjunto sem necessidade de guindastes externos, caracterizada por: - a seção de torre é treliça modular, com seções modulares com 10 a 14 metros de altura, colunas verticais (5) e sistema de fixação entre as colunas (5), todos os quais são transportáveis em veículos convencionais; - ela possui pelo menos três colunas verticais (5) sobre a seção de lacuna fechada, em colapso a 0°, separadas entre si por 14 a 18 metros, unidas entre si por elementos diagonais (6) e, opcionalmente, por elementos horizontais (6'), ambos da lacuna de seção fechada circular; - ela possui uma peça de transição (7) que sustenta uma turbina eólica convencional sobre a sua parte superior, com diâmetro superior (d1) de 3 a 4,5 m e diâmetro inferior (d2) de 14 a 18 m, bem como uma interface (11) na sua base com sistemas de âncora para fixar-se à coluna (5) e temporariamente ao elemento de conexão (15) da sapata; - cada um dos módulos que compõem a seção de torre e a peça de transição (7) possui elementos externos para ancoramento ao sistema de autoelevação; e - o conjunto completo, com a seção de torre e a turbina eólica completa, pode elevar-se automaticamente com um sistema de elevação automática composto de sistema de elevação (10) e uma estrutura de junção (14) que são fixados a um elemento de conexão (16) da sapata.

2. SEÇÃO DE TORRE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pela fundação (12) ser composta da mesma quantidade de sapatas quadradas ou retangulares na forma de colunas verticais (5) da torre e possuir dimensões que permitem sua fabricação prévia e transporte em veículos convencionais.

3. SEÇÃO DE TORRE, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pela sapata ser subdividida longitudinalmente em uma série de elementos pré-fabricados, que são produzidos na fábrica e transportados separadamente, montados e pós-tensionados no local em seguida, por meio de cabos pós-tensionados que cruzam os orifícios horizontais nas peças da sapata.

4. SEÇÃO DE TORRE, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 3, caracterizada pelas peças pré- fabricadas serem pré-tensionadas para aumentar o seu desempenho estrutural.

5. SEÇÃO DE TORRE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo sistema de fixação de cada face de cada módulo ser composto de dois elementos de fixação horizontais (6’) e dois diagonais (6), que são unidos em um ponto equidistante das colunas verticais (5), na altura dos elementos de fixação horizontais.

6. SEÇÃO DE TORRE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo sistema de fixação de cada face de cada módulo ser composto de quatro elementos de fixação diagonais (6), que são unidos no centro da face.

7. SEÇÃO DE TORRE, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por, para aumentar a estabilidade de queda dos diagonais (6), serem adicionadas outras três barras horizontais que unem os centros de cada face.

8. SEÇÃO DE TORRE, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por todos os elementos serem unidos por junções aparafusadas através dos elementos soldados às lacunas de perfil tubular.

9. MÉTODO DE ELEVAÇÃO AUTOMÁTICA DA SEÇÃO DE TORRE COM TURBINA EÓLICA COMPLETA SOBRE A SUA PARTE SUPERIOR, caracterizado pelo método compreender as etapas a seguir: - Fase 1: preparação da fundação (12) abaixo do nível do solo (4), fornecimento da mesma quantidade de fundações independentes (12) de colunas verticais (5), colocação das fundações pré-fabricadas (12), carga e recondicionamento do terreno; - Fase 2: montagem e fixação da peça de transição (7) à fundação (12) por meio das interfaces (11) existentes sobre sua base e dos elementos de conexão (15) da sapata; - Fase 3: montagem de nacele (2) e rotor (3) de turbinas eólicas utilizando um guindaste (13) sobre a transição (7) da torre tubular (1); - Fase 4: instalação do sistema de elevação automática sobre a fundação (12), que inclui a montagem do sistema de elevação (10) e da estrutura de junção (14) sobre o elemento de junção (16) da sapata; - Fase 5: fixação do sistema de elevação automática à parte inferior da transição (7), remoção das pernas (11) da fundação (12) e elevação do conjunto superior; - Fase 6: montagem do módulo N sob o conjunto; - Fase 7: liberação da elevação automática e fixação da parte inferior do módulo N; - Fase 8: elevação do módulo N com o conjunto superior; - Fase 9: repetição das etapas 5 a 8 em cada módulo; e - Fase 10: montagem do último módulo e remoção do conjunto de ferramentas.