BRPI0506362B1 - captação de energia eólica através de conchas montadas modularmente em torre metálica - Google Patents

Abstract

captação de energia eólica através de conchas montadas modularmente em torre metálica. do ponto de vista de simplicidade, uma turbina eólica é constituída unicamente pelo conjunto rotor - pás e respectiva conexão mecânica a um sistema de conversão de energia cinética contida nas ventos em energia elétrica. no entanto, a denominação em inglês "wind turbines" associa não só este componente básico, mas todo a sistema de conversão, desde as pás até a saída do gerador de eletricidade, incluindo o sistema de conversão de freqüência, quando existe. deste modo, as turbinas eólicas são as unidades fundamentais de uma central eólica e podem ser associadas à noção de"grupo-gerador" convencional. cada unidade (turbina eólica) é composta, basicamente por um gerador eólico ligado ao rotor da turbina, um sistema de transmissão, um multiplicador de velocidade, um sistema de controle, um transformador elevador, um sistema de proteção elétrica e um sistema local de compensação de potência reativa quando necessário.

Description

“Captação de Energia Eólica Através de Conchas Montadas Modularmente em Torre Metálica”. A presente invenção tem como objetivo apresentar um modelo de turbina eólica com eixo móvel vertical com um sistema modular dinâmico de conchas geometricamente projetadas para se obter um alto arrasto, alta velocidade e alto torque de partida na conexão no eixo do sistema mecânico com o gerador de energia adaptado na base do sistema para utilização em geração de energia elétrica, fazendas eólicas, bombeamento de água, refrigeração e posto de carregamento de baterias.

Com o aumento das preocupações ambientais, a geração de eletricidade convencional (geração nuclear, geração termelétrica) vem sendo minimizada e esforços estão voltados para a geração de eletricidade a partir de fontes renováveis de energia. Uma possibilidade promissora é o uso de aerogeradores que convertem a energia cinética do vento em eletricidade. Houve uma grande evolução da capacidade instalada de geração eólica no mundo nos últimos tempos, sendo que existem várias razões para explicar este rápido crescimento, dentre as quais podemos citar: • Tem sido enormemente favorecida por sua repercussão benéfica em relação às questões ambientais, levando alguns países oferecer ajuda à implementação dessa forma de energia. As medidas adotadas variam de acordo com a política energética de cada país. Entre elas se encontram os subsídios à geração eólica, apoio a pesquisas e a obrigação por parte das concessionárias de permitir a conexão de novos parques e comprar a produção. • Os recursos eólicos estão divididos de maneira bastante uniforme por todo o mundo, ao contrário dos combustíveis fósseis. Recentemente, a instalação de parques nos oceanos tem permitido aproveitar um potencial que até pouco tempo permanecia inacessível. • As instalações requerem pouco investimento inicial quando comparado com as centrais elétricas convencionais, o qual favorece a sua instalação, principalmente em países em vias de desenvolvimento.

Usualmente, as turbinas eólicas são classificadas no que diz respeito a duas características: • Quanto à orientação do eixo de rotação - se o plano de rotação está paralelo (eixo vertical) ou perpendicular ao solo (eixo horizontal). • Quanto ao tipo de propulsão - se a força predominante na movimentação do rotor é a força de sustentação ou de arrasto.

Assim as turbinas eólicas podem ser classificadas nos seguintes grupos: • Turbinas eólicas de eixo horizontal com propulsão à sustentação ou típo-sustentação, podendo ser citadas os rotores bi-pás ou os multi-pás característicos de fazendas. • Turbinas eólicas de eixo vertical com propulsão à arrasto, ou tipo-arrasto, podendo ser citada a turbina Savonius. • Turbinas eólicas de eixo vertical com propulsão à sustentação ou tipo-sustentação, podendo ser citada a turbina Darrieus. • Também possuem combinações entre íipo-arrasto e tipo-sustentação onde, entretanto, o módulo tipo-arrasto apenas serve para partir o conjunto que é caracterizado como sendo sustentação.

As turbinas eólicas ds eixo honzoníaí sao os rotores mais fáceis de serem encontrados, sendo que, os primeiros registros de uso deste tipo de rotor datam de meados de 1800 quando foram construídas as primeiras bombas de água. A principal característica dos rotores multi-pás eixo horizontal é o alto iorque de partida. Por esta razão recomenda-se seu uso em operações que exigem um alto torque já no seu início, como bombeamento de água. Sabe-se porém que um alto torque de partida está associado a baixas razões de velocidade de ponta e implica numa grande área de captação: pás largas e em grande número, ou seja, uma alta solidez. O resultado de uma alta solidez é que as pás ficam muito próximas uma das outras, fazendo com que parte do fluxo de ar que encontra uma determinada pá seja direcionado por esta para a pá adjacente, gerando o “efeito cascata”. Em baixas razões de velocidade de ponta, o fluxo de ar está num ângulo quase que perfeito para cada pá gerar o máximo de sustentação.

Em altas razões de velocidade, este ângulo se afasta muito do “ótimo” e a rotação tende a diminuir. Vê-se portanto que o efeito cascata tende a limitar a razão de velocidade de ponta. Daí por que, mesmo sendo um rotor tipo-sustentação, não consegue desenvolver aftas velocidades, como era de se esperar. É interessante notar que na hipótese de se deixar somente uma pá no rotor, o fluxo de vento determinará um ângulo de ataque tão alto em baixas razões de velocidades de ponta que o aerofólio entrará totalmente em “stall”, como é geralmente conhecido. Seu uso em operações que implicam altas velocidades de rotação (geração de energia elétrica, por exemplo) não é aconselhável, mesmo que possível, pois exige um valor muito alto para a taxa de multiplicação de velocidades, o que implica em maiores cuidados de concepção e também, devido à grande área total, o rotor sofre uma força de arrasto muito grande que se refletirá na tome exigindo, portanto, maiores cuidados para evitar o tombamento.

Os Rotores de Eixo Horizontal de Alta Velocidade indubitavelmente são os mais usados na produção de energia elétrica até o presente momento. 0 fato de poder desenvolver altas velocidades de rotações para determinada velocidade do vento, ou seja, trabalhar em altas razões de velocidade, facilitam seu acoplamento a geradores elétricos que, como se sabe, trabalham com valores ainda mais altos de velocidade de rotação. Portanto, muito raramente e somente em situações muito especiais, como locais extremamente favoráveis, pode se dispensar um multiplicador de velocidades. Máquinas menores chegam a uma eficiência perto de 45%. Já para máquinas maiores, com maior atenção no design, podem alcançar até 50% de eficiência.

Um aspecto importante a ser considerado no design das pás de um rotor de eixo horizontal é que a razão de velocidades ao longo da pá muda, aumentando à medida que se afasta do eixo de rotação. Este fato implica que a pá, ao longo de seu comprimento, “enxerga” de modo diferente o vento inicial, fazendo com que a sustentação não seja uniforme. Assim sendo, a pá tem que ter um aspecto “torcido”, ou seja, tanto o comprimento da corda do aerofólio quanto o ângulo da pá têm que ser diferentes em determinadas porções da pá.

Como maiores problemas para este tipo de rotor podemos citar: baixo torque de partida, muito cuidado no design da pá o que requer alta tecnologia e prováveis problemas de vibração. Outro fator importante a ser mencionado é que a configuração das turbinas de eixo horizontal permite seu funcionamento normal apenas em uma única direção de vento, ao contrário do que acontece com as turbinas eólicas de eixo vertical. Sendo assim, controles de orientação, ou controles de guinada, são necessários para que o rotor sempre se posicione do modo mais favorável possível,diante das mudanças de direção do vento. A emissão de ruídos nos aerogeradores de eixo horizontal de alta velocidade é devido ao funcionamento mecânico e ao efeito aerodinâmico. Para aerogeradores com diâmetro do rotor superior a 20 metros os efeitos aerodinâmicos são os que mais contribuem para a emissão de ruídos. Os ruídos emitidos pelos aerogeradores decresce entre os 50 dB junto ao aerogerador e os 35 dB a uma distância de 450 metros. Os efeitos fisiológicos, sobre o sistema auditivo, e a afetação de diferentes funções orgânicas apenas é sentida a partir dos 65 dB. No entanto, valores mais altos que 30 dB podem provocar efeitos psíquicos sobre o homem sendo o nível de ruído recomendável inferior a 40 dB. O ruído de 40 dB corresponde a uma distância dos aerogeradores de 200 m.

Os modernos aerogeradores, com alturas das torres de 40 m e comprimento das pás de 20 m, constituem obviamente uma aiíeração visual da paisagem. 0 impacto visual é muito difícil de avaliar. No entanto, existem alguns efeitos incomodativos que podem ser contabilizados tais como: o efeito de sombras em movimento e reflexões intermitentes.

Também existem relatos de que, em alguns casos de parques localizados em zonas de migração de aves, tais como Tarifa, no sul de Espanha, tem-se observado um elevado número de aves mortas pelo movimento de rotação das pás.

Para as turbinas eólicas de eixo vertical com propulsão à arrasto, conhecidas mundialmente, como Savonius, possuem baixo rendimento, em torno de 15%. Um detalhe importante, é que, como todo corpo que experimenta diferença de fluxo de ar entre suas faces, é submetido a uma força de sustentação direcionada perpendicularmente à direção do vento, conhecida como Magnus. Esta força de sustentação, por menor que seja, chega a ser duas ou três vezes maior que a força de arrasto aplicada na tome que sustenta o rotor, e se, não havendo em consideração este fator, haverá provavelmente queda da estrutura com a primeira rajada de vento acima do limite. Outra desvantagem da Savonius é que este tipo de turbina eólica é muito difícil de ser governada, ou seja, ter sua velocidade angular controlada para que não se ultrapasse os limites aceitáveis para a estrutura. É possível a sua utilização em geração de eletricidade, porém apenas para pequenas cargas devido aos seus baixos valores de razão de velocidades de ponta alcançados. O caso mais utilizado deste tipo de rotor eólico é em bombeamento de água. Várias patentes já foram depositadas sobre turbinas eólicas de eixo vertical. A classificação internacional de patentes para invenções deste tipo é F03D3/06. A Patente de Invenção PI9901726-1 registra e relata um rotor eólico de eixo vertical para uso de aproveitamento da energia eólica, e tendo como finalidade o bombeamento de água, geração de energia elétrica e refrigeração, sendo composto por rotor, carcaça, reservatório d’água, estrutura e sistema eletromecânico. Já a patente PI8802698-1, registra e relata uma turbina eólica de eixo vertical com difusores de ar para controlar e aumentar a velocidade do vento. A presente invenção refere-se a um modelo de turbina eólica com eixo móvel vertical composta por um sistema modular dinâmico de conchas geometricamente projetadas para se obter um alto arrasto, alta velocidade e alto torque de partida, acionando através da conexão do eixo eólico de comando com um sistema multiplicador de velocidade também conectado a um gerador de energia elétrica adaptado na base do sistema para utilização em geração de energia elétrica. A descrição que se segue e as figuras associadas farão compreender a invenção. A Figura 01 apresenta uma vista frontal da Turbina Eólica. A Figura 02 apresenta a torre em estrutura modular. A Figura 03 apresenta o mancai suspenso e sua conexão à estrutura metálica estática. A Figura 04 apresenta a fixação das vigas de sustentação treliçadas à coluna estática A Figura 05 apresenta a união do módulo no chão e a união entre os módulos. A Figura 06 apresenta uma vista de frente, superior e espacial da concha de captação de vento com painel móvel interfixo. A Figura 07 apresenta uma vista de frente, superior e uma vista em corte da geometria da concha de captação de vento variante. A Figura 08 apresenta uma vista conjunta da concha de captação de vento variante com o painel de fluxo reverso e sua curvatura. A Figura 09 apresenta a turbina eólica montada com a concha de captação de vento com painel móvel retangular interfixo. A Figura 10 apresenta a turbina eólica montada com a concha de captação de vento com painel de controle de fluxo reverso e curvatura. O modelo proposto constitui em sua estrutura construtiva três sistemas a saber: um sistema de estrutura metálica estática 01, uma estrutura interna dinâmica 02 e uma casa de máquina 03 conforme apresentado na Figura 01. O objetivo da estrutura metálica estática 01 feita de treliça, é dar um suporte à sustentação para a estrutura interna dinâmica 02 por meto de vigas de sustentação treliçadas 11 para evitar torção, flexão e flambagem, bem como, todas as estruturas projetadas de treliças, sendo que esta estrutura estática é projetada para um sistema modular conforme a necessidade de demanda conforme apresentado na Figura 02, ou seja, quanto maior a potência requerida do sistema, maior será o número de módulos a ser instalado na estrutura metálica estática. Nesta estrutura metálica estática 01, cada módulo 04 é composto por mancais suspensos 05 com rolamentos ou com buchas dependendo do tamanho e da potência requerida do sistema conforme apresentado nas Figuras 02 e 03. O mancai suspenso 05 se fixa ao módulo 04 através da viga de sustentação treliçada 11 e por parafusos de fixação 20. As de um pino de encaixe da coluna 27, braçadeiras bipartidas 28, parafusos com cabeças sextavadas 26, arruelas lisas 23 e porcas sextavadas 24, conforme apresentado na Figura 04. Na base da estrutura metálica estática 01 está projetado uma estrutura em alvenaria ou outro tipo de material, sem nenhum esforço estrutural ou mecânico, conhecido como casa de máquina 03 para a geração de energia, onde será instalado um gerador de energia elétrica, com o seu acoplamento mecânico no eixo do sistema dinâmico.

Com o propósito de eliminar danos ambientais, como por exemplo, a morte de aves em seu processo migratório normal, é instalado telas de proteção 19 envolvendo cada módulo metálico. No propósito de instalação desta turbina eólica em regiões de difícil acesso, como matas densas e dotados de uma grande fauna, é instalado na base da estrutura metálica, telas com pequenas aberturas para barrar a entrada de pequenos animais e grades de proteção contra roubos ou vandalismos. Também existe na base da estrutura metálica, uma porta de acesso 06 restrito para a entrada de pessoas quando da manutenção do sistema. O primeiro módulo da referida estrutura metálica é fixada no chão através das quatro colunas estáticas 07 em blocos de concreto 21 com parafusos chumbados 18 e através de flanges nervuradas 22, arruelas lisas 23 e porcas sextavadas 24. Os demais módulos são fixados uns aos outros através de flanges com oito nervuras 25 localizadas na extremidade da coluna, parafusos com cabeças sextavadas 26, arruelas lisas 23 e porcas sextavadas 24 conforme apresentado na Figura 05. A estrutura interna dinâmica 02 é constituída pela base em mancai vertical 08, eixo de comando 09, conchas de captação de vento 10, sendo geometricamente projetadas e ligadas por vigas treiiçadas superiores 12 e vigas treiiçadas inferiores 13 fixadas ao eixo eólico principal através de braçadeiras e parafusos.

Dependendo da montagem da tufòina eólica, o seu movimento rotacional pode ser no sentido horário caso ela tenha sido montada com a frente da concha voltada para a esquerda do eixo de comando e terá seu movimento rotacional no sentido anti-horário caso ela tenha sido montada com a frente da concha voltada para a direita do eixo de comando.

Conforme apresenta a Figura 09, com a incidência do vento nas conchas de captação de vento 10 será produzido um momento torçor em relação ao eixo de comando 09 e o mesmo entrará em movimento, sendo que, o momento torçor será diferente nas diferentes vigas, pois a viga treliçada superior 12 tem um braço de alavanca que é o dobro do tamanho das vigas treliçadas inferiores 13, fazendo um arrasto em todo a estrutura interna dinâmica. O conjunto formado pela viga treliçada superior e a cancha de captação de vento é responsável no auxílio da partida da turbina eólica. A concha de captação de vento 10 é um sólido oco em desvio, geometricamente projetado para facilitar a captação do ar e também constituído por um painel móvel retangular interfixo 14 preso por um sistema de dobradiças 15, conforme apresentado na Figura 06. Dependendo do tamanho da concha, o painel móvel retangular interfixo 14 pode ser subdivido em várias janelas, diminuindo o seu peso e consequente aumento a eficiência da concha. As conchas de captação de vento 10 dos módulos inferiores são em número de três unidades por módulo e estão defasadas de 120° entre si. As conchas de captação de vento superior são em número de cinco unidades, afastadas verticalmente e defasadas de 72° entre si. Este afastamento vertical auxilia na captação de vento, com isso consegue-se uma maior facilidade na partida de todo o sistema. Por causa da viga treliçada superior 12 ser o dobro do tamanho da viga treliçada inferior 13, têm-se como conseqüência, um número maior de conchas de captação. O painel móvel retangular interfixo 14, de acordo com a posição em que a concha de captação se encontra em relação ao vento recebe força máxima ou mínima. Quando a concha recebe o vento pela frente, o painel móvel retangular permanece fechado fazendo com que a concha receba força máxima, dando maior impulsão na estrutura interna dinâmica. Já quando a concha recebe o vento por trás, o painel móvel retangular se abre devido à pressão do vento, controlado pelo limitador de abertura e terá como conseqüência a diminuição da força e o aumento da velocidade do conjunto rotacional, evitando assim, que a mesma funcione com efeito contrário ao do movimento desejado e venha a diminuir o rendimento da turbina eólica.

Existe outra variante para a concha de captação de vento 10 que possui uma construção geométrica com desvio em trapézio e em triângulo conforme apresentado na Figura 07, onde é concebido um painel de controle de fluxo reverso 16 de ar e uma curvatura 17, permitindo um desvio de ar para dentro da concha de captação de vento auxiliando no movimento desejado e aumentando a eficiência da turbina eólica, conforme apresentado na Figura 08, cujo princípio de funcionamento é o mesmo descrito anteriormente e apresentado na Figura 10.

Claims (8)

1) “CAPTAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA”, composto por turbina eólica com eixo móvel vertical, caracterizado por um sistema modular dinâmico de conchas para obtenção de alto arrasto, alta velocidade e alto torque de partida para acionamento de um gerador de energia elétrica,

2) "CAPTAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela composição da montagem da estrutura metálica estática (1) de suporte a estrutura vertical dinâmica (2), composta por módulos superpostos (4) a serem instalados em quantidade necessária para o atendimento da potência requerida para o sistema,

3) "CAPTAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela estrutura interna dinâmica (2) constituída por conchas de captação de vento (10) que acionam eixo de comando (9) responsável pelo acionamento do gerador de energia elétrica,

4) “CAPTAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA”, de acordo com as reivindicações 1 e 3, caracterizado por conchas de captação de vento (10) constituídas por formas de trapézio e triângulo das quais se controla o fluxo de ar reverso (16) e uma curvatura (17) desviando o ar para dentro das conchas,

5) "CAPTAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA”, de acordo com as reivindicações 1, 3 e 4, caracterizado por conchas de captação de vento (10), sólidos ocos em desvio constituídos por painéis móveis retangulares interfixos (14) projetados para a máxima captação do vento,

6) “CAPTAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA", de acordo com as reivindicações de 1 a 4, caracterizado por painéis móveis retangulares interfixos (14) dispostos na parte interna da concha (10) promovendo alto torque e rotação continua do eixo de comando (9) de acordo com o movimento das rajadas de vento,

7) “CAPTAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA", de acordo com as reivindicações 1, 3, 4 e 5, caracterizado por conter cinco unidades de conchas de captação de vento (10) no módulo superior do sistema defasadas de 72° entre si, a titulo de retirar o complexo modular da inércia,

8) “CAPTAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA", de acordo com as reivindicações 1, 3, 4 e 5, caracterizado por conter três unidades de conchas de captação de vento (10) no módulo padrão defasadas de 120° entre si, a titulo de manter o regime permanente de geração de energia elétrica.