BRPI0622196A2

BRPI0622196A2 - turbina eàlica com méltiplos geradores

Info

Publication number: BRPI0622196A2
Application number: BRPI0622196-3A
Authority: BR
Inventors: Otto Pabst
Original assignee: High Technology Invest Bv
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2012-01-03
Also published as: NO20092744L; EP2453131A2; AU2006352297A1; AR064522A1; CA2673411A1; EP2102496B1; CN101627208A; US20100026010A1; EP2453130A3; WO2008078342A1; EP2453130A2; EP2102496A1; EP2453131A3

Abstract

TURBINA EàLICA COM MéLTIPLOS GERADORES. Trata-se de uma turbina eólica com múltiplos geradores que emprega uma única estrutura de pás para acionar múltiplos geradores. Os múltiplos geradores são, de preferência, substancialmente tubulares, e podem todos ser montados em um lado da estrutura de suporte da turbina ou podem ser divididos, de preferência de forma simétrica, em lados opostos da estrutura de suporte. De preferência, uma única estrutura de pás de acionamento aciona um rotor de um primeiro gerador e um eixo mecânico conecta o primeiro gerador a um rotor de um segundo gerador. Além disso, um acoplamento pode ser colocado no trem de acionamento entre dois geradores para permitir a operação da turbina a velocidades inferiores. A natureza substancialmente tubular da turbina permite fácil acesso por humanos ao interior da turbina eólica e fornece fluxo de ar imediato através da turbina eólica ao cubo e às pás para resfriamento do equipamento e/ou descongelamento das pás.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "TURBINA EÓLICA COM MÚLTIPLOS GERADORES'.

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção se refere a uma turbina ou gerador de energia eólica. Mais particularmente, as concretizações se referem a máquinas movidas à energia eólica em grande escala incluindo dois ou mais geradores de energia, e que acomodam humanos dentro dos locais de operação para fácil acesso e manutenção, ao mesmo tempo, proporcionando o resfriamento eficiente dos componentes e/ou o descongelamento das pás. As concretizações são particularmente adequadas à geração de energia elétrica via energia eólica.

As máquinas movidas à energia eólica, em especial os gerador elétricos em grande escala, incluem pás montadas em um cubo, ligado a um rotor, que giram quando o vento passa pelas pás. A rotação do rotor é então utilizada para acionar os mecanismos, como bombas ou geradores elétricos. No caso dos geradores elétricos, o rotor geralmente contém enrolamentos/bobinas condutoras ou geradores de campo magnético que se defrontam com geradores de campo magnético ou enrolamentos/bobinas condutoras, respectivamente, em um estator, de modo que haja movimento relativo entre as bobinas e os geradores de campo magnético, produzindo eletricidade. Os geradores de campo magnético são normalmente enrolamentos de campo alimentados pelo gerador elétrico assim que ele começa a produzir eletricidade, mas necessitam de eletricidade de uma bateria ou similar antes de o gerador elétrico produzir eletricidade.

ESTADO DA TÉCNICA

Os geradores elétricos movidos à energia eólica em grande escala estão se tornando mais comuns, especialmente em aplicações de estações eólicas em alto mar e em terra. Em tais geradores em grande escala, uma torre sustenta uma nacele que aloja o estator, o qual sustenta o rotor, que, por sua vez, sustenta o cubo e as pás. Os equipamentos necessários para controlar o gerador, inclusive os controles para as pás e outros mecanismos, podem ser alojados na torre, na nacele e/ou nas cavidades dentro do estator e/ou do rotor. Como sugerido pode esta descrição, tais máquinas eólicas geralmente incluem um único rotor e um único estator. Na indústria de geração de energia, há uma demanda constante por maior produção de energia e/ou maior eficiência na produção de energia. Uma das dificuldades em atender a essas demandas com configurações que utilizam um único gerador é que um gerador de alta potência pode ser bastante pesado, impedindo a montagem da máquina eólica. A medida que são construídos geradores para produzir mais energia, a quantidade de ímãs e bobinas precisa aumentar, o que é possível aumentando o diâmetro do gerador, permitindo a instalação de mais ímãs e bobinas, aumentando o comprimento do gerador, permitindo o uso de ímãs e bobinas maiores, ou ambos. Aumentos no diâmetro e comprimento introduzem problemas relacionados ao transporte e à estrutura de suporte, uma vez que as estradas nas quais os componentes serão transportados não possuem estrutura para um objeto tão grande e as estruturas envolvidas na sustentação de um objeto longo podem ser mais complicadas e caras. Além disso, tais geradores de alta potência tendem a ser mais difíceis de acionar do que os geradores de potência menor, exigindo maior velocidade inicial operacional do vento e/ou pás maiores.

Algumas máquinas eólicas da técnica anterior tentaram superar essas dificuldades pelo emprego de mais de um rotor, mais de um estator, ou mais de um rotor e estator. Por exemplo, os Pedidos U.S. Publicados N- 2006/0066110 e 2006/0071575 revelam turbinas eólicas incluindo pelo menos um estator de dois lados e pelo menos um rotor de dois lados. O estator e o rotor são dispostos concentricamente, de modo que o rotor tenha lados magnéticos interno e externo que giram em relação às respectivas faces do estator. Embora o rotor e o estator dessa configuração sejam dispostos axialmente, a estrutura de suporte dessa configuração requer um rolamento único e um rolamento duplo para suportar o rotor no estator. Essa configuração aumenta a saída de potência para um gerador de energia eólica de um determinado diâmetro, mas não resolve a questão do peso descrita acima, pois o rotor de dois lados e o estator de dois lados ainda são componentes únicos. De fato, essa configuração pode até mesmo agravar a questão do peso, pois há mais material tanto no rotor quanto no estator. A Patente U.S. N- 6,278,197 revela outro gerador de energia eólica que emprega um primeiro rotor disposto horizontal e axialmente e substitui o estator usual por um segundo rotor concêntrico, contra-rotativo, que também é disposto horizontal e axialmente. O primeiro rotor gira na direção contrária ao segundo rotor, dessa forma aumentando a saída de potência pelo aumento efetivo da velocidade de rotação do rotor. Embora essa seja uma solução interessante ao problema de obter mais energia de um gerador de determinado diâmetro, ela introduz complexidades indesejadas nas estruturas de suporte e aproveitamento da energia eólica do dispositivo.

As Patentes U.S. N- 6,285,090 e 7,042,109, bem como o pedido PCT N- WO 01/06623 Al, revelam turbinas eólicas, cada uma empregando um rotor de dois lados dentro de um estator de dois lados. Ao contrário das concretizações e dos dispositivos discutidos acima, o rotor e o estator são dispostos radialmente, apresentando faces do tipo disco uma à outra em vez dos anéis e/ou cilindros das concretizações e dispositivos anteriores, apesar de que a patente Ί09 inclui uma concretização anular. A estrutura é similar às descritas acima, uma vez que cada lado do disco interno carrega ímãs, enquanto cada face dos discos externos carrega enrolamentos/bobinas, ou vice versa. É possível empregar múltiplos discos para criar múltiplos geradores dentro da turbina. Por causa da configuração do disco, o aumento de tamanho associado ao aumento de potência observado pela adição de um conjunto de discos é reduzido se comparado à configuração anular. No entanto, embora aumenta possivelmente a saída de potência para um determinado diâmetro de turbina, o peso ainda é um problema. Além disso, uma vez que os componentes de geração de energia se estendem verticalmente nos geradores que empregam rotores e estatores discóides, é necessário um aumento no diâmetro do disco para um aumento na saída de potência.

A Patente U.S. 6,504,260 revela outra turbina eólica configurada como disco, mas em que os rotores contra- rotativos são alimentados por respectivos conjuntos de pás. Essa configuração de contra-rotação difere-se da apresentada pela patente 6,278,197 pelo fato de que cada rotor tem um respectivo estator, em vez de rotores em rotação contrária. Dessa forma, a turbina tem duas estruturas de geração e coleta de energia independentes montadas em lados opostos de uma torre de suporte de forma substancialmente simétrica. Embora isso possibilite o uso de dois geradores menores para criar uma turbina eólica de alta potência, o uso de sistemas de coleta de energia e acionamento completamente independentes introduz custos e complexidades indesejadas no dispositivo. Além disso, uma vez que os componentes de geração de energia se estendem verticalmente nos geradores que empregam rotores e estatores discóides, é necessário um aumento no diâmetro do disco para um aumento na saída de potência.

REVELAÇÃO DA INVENÇÃO

As várias concretizações da presente invenção evitam as desvantagens dos geradores de energia eólica convencionais por meio de uma turbina eólica com múltiplos geradores com uma estrutura mais simples, produzindo maior saída de potência para um dado diâmetro de turbina mantendo, ao mesmo tempo, o diâmetro, peso, tamanho e custo do componente em nível baixo. Além disso, as concretizações empregam uma construção em grande parte oca, em que o máximo de possibilidades de ventilação está disponível para resfriamento e/ou descongelamento. Em adição, as concretizações propiciam um grande grau de acessibilidade aos vários componentes do geradores e ao mesmo tempo um elevado nível de rigidez estrutural. As concretizações também permitem o uso de componentes convencionais, especialmente nas concretizações em que configurações modulares são empregadas, o que pode facilitar a fabricação, montagem e produção. Em virtude da montagem dos geradores em lados opostos da estrutura de suporte, de acordo com as concretizações, efetua-se uma otimização das cargas sobre a turbina eólica.

Em uma concretização preferida, o gerador de energia eólica é um gerador multipolar, sem engrenagens, síncrono, que se estende de forma substancialmente horizontal e é em grande parte oco em virtude do uso de elementos de estator e rotor tubulares, coaxiais e modulares. Para maior simplificação, as concretizações empregam ímãs permanentes em um dentre estator e do rotor, e enrolamentos/bobinas no outro dentre o estator e o rotor. Em uma primeira configuração, um único conjunto de pás é montado em um lado de uma estrutura de suporte. Um primeiro rotor é montado no lado da pá da turbina, enquanto que um segundo rotor é montado no lado oposto da turbina, em uma configuração substancialmente simétrica. Os respectivos estatores são montados concentricamente com os rotores para permitir a geração de energia quando os rotores giram em relação a seus respectivos estatores. Um eixo mecânico conecta os dois rotores, e os dois são acionados pelo único conjunto de pás. Por exemplo, o rotor do lado das pás pode ser acionado pelas pás e conectado ao eixo mecânico, que aciona o rotor oposto. Nas concretizações, o eixo mecânico inclui dois semi-eixos que se estendem a partir dos rotores em direção ao centro da turbina. A extremidade de um semi-eixo é inserida na extremidade do outro e conectada uma à outra para formar o eixo mecânico.

Em uma segunda configuração de acordo com as concretizações, múltiplos geradores são dispostos coaxialmente entre as pás da turbina e a estrutura de suporte da turbina. Dessa forma, as pás da turbina acionam um primeiro rotor que é conectado ao segundo rotor e aciona o mesmo, cada um possuindo um respectivo estator concêntrico. As concretizações, sem dúvidas, permitem o uso de mais de dois rotores. O primeiro rotor serve simultaneamente como um eixo mecânico que pode ser suportado por rolamentos e como uma estrutura para a fixação de elementos de geração de energia. De forma vantajosa, a primeira e segunda configurações podem ser utilizadas juntas de modo que múltiplos geradores possam ser montados em qualquer um dos lados da estrutura de suporte da turbina, os dois agrupamentos de geradores sendo conectados por um eixo mecânico ou outro conector adequado entre os dois geradores. Sendo assim, um primeiro rotor pode acionar um segundo rotor em um primeiro agrupamento no lado das pás da turbina, e um terceiro rotor pode acionar um quarto rotor em um segundo agrupamento no lado oposto da turbina.

Uma terceira configuração emprega um rotor de dois lados dentro de dois estatores concêntricos de maneira similar à configuração anular discutida acima. O rotor de dois lados inclui uma parte anular com superfícies interna e externa estendendo-se de forma substancialmente horizontal. Um conjunto de elementos de rotor está montado na superfície interna e outro conjunto de elementos de rotor está montada na superfície externa, cada conjunto de elementos de rotor defrontando-se com um conjunto correspondente de elementos de estator. Os elementos de estator internos são preferencialmente montados em uma superfície externa de um anel disposto dentro do rotor de dois lados, ao passo que os elementos de estator externos são preferencialmente montados na superfície interna da carcaça da turbina.

Uma quarta configuração emprega múltiplos geradores com rotores de dois lados e, portanto, é efetivamente uma combinação da primeira e segunda configurações descritas acima. Assim como na segunda configuração, o rotor de um primeiro gerador conectado às pás é conectado a um segundo gerador, tal como ao rotor do segundo gerador, para acionar o segundo gerador.

Como seria de se prever, as concretizações podem utilizar um gerador anular da primeira configuração com um gerador concêntrico da terceira concretização. A ordem na qual eles são dispostos irá depender das exigências específicas da turbina eólica na qual eles serão instalados. Sendo assim, em certas situações, o rotor do gerador anular simples poderia ser conectado às pás e acionar o rotor do gerador disposto concentricamente, mas em outras, o rotor de dois lados do gerador disposto concentricamente será conectado às pás e irá acionar o rotor do gerador anular simples.,

Em qualquer configuração, e na combinação, um acoplamento pode ser colocado entre um respectivo par de geradores para permitir a remoção dos geradores a jusante do trem de acionamento. Isso permite que a turbina opere em um modo de potência inferior, na qual é necessária menor velocidade do vento para geração de energia; depois, se a demanda ou a velocidade do vento aumentar, os geradores a jusante são rengatados para aumentar a saída de potência. Inversamente, se a turbina estiver operando com todos os geradores engatados, o(s) acoplamento(es) podem ser desengatados quando o vento cair abaixo da velocidade mínima para operação com todos os geradores, permitindo a geração de energia a velocidades menores do vento. De preferência, o acoplamento é automatizado mecânica ou eletricamente, de modo que a velocidade de rotação provoque o engate. Por exemplo, um acoplamento centrífugo poderia ser utilizado de modo que os geradores a jusante ficassem desconectados até o primeiro rotor alcançar uma velocidade predeterminada, momento este em que o acoplamento engataria 5gradualmente o próximo rotor para trazer o próximo rotor até a velocidade.

O gerador das concretizações é o componente integrante da estrutura de suporte, e as cargas são transferidas diretamente do cubo para o eixo mecânico do rotor do gerador. O elemento de rotor tubular transfere as cargas para corpo do estator tubular por meio de um rolamento em cada gerador da máquina elétrica.

A estrutura em grande parte oca das concretizações oferece várias vantagens sobre as estruturas da técnica anterior. Por exemplo, os subsistemas elétricos e eletrônicos da carcaça dentro da nacele oferecem excelente proteção contra raios, uma vez que a estrutura emprega o princípio da gaiola da Faraday. Além disso, uma vez que a estrutura tubular é configurada para acomodar a passagem de adultos humanos, ela permite fácil acesso à parte frontal da nacele e ao cubo, o que facilita a manutenção e os trabalhos de reparo nos outros subsistemas do gerador de energia eólica. Isso também permite montar o cubo pelo interior.

A estrutura substancialmente oca também facilita o uso do calor liberado pelo equipamento, tais como os componentes eletrônicos de força, alojados na torre, bem como do calor liberado pelo próprio gerador. O calor pode promover o efeito chaminé, guiando o ar quente para o cubo e dele para e através das pás do rotor. O ar quente pode, dessa forma, ser usado como um sistema de descongelamento particularmente eficaz em tempos mais frios do ano, e oferece um efeito de resfriamento para o equipamento no gerador à medida que o ar mais frio é extraído e passa através da estrutura oca. Nenhuma energia externa precisa ser fornecida durante a operação para aquecer as pás do rotor. Sendo assim, o calor liberado pelo gerador e pelos próprios componentes eletrônicos de força é aproveitado de maneira simples.

Os benefícios de resfriamento adicionais se derivam da estrutura oca, uma vez que os componentes que produzem calor são movidos para a periferia do gerador. Mais especificamente, o gerador das concretizações coloca os enrolamentos na periferia interna da carcaça do gerador. O calor produzido pelos enrolamentos durante a geração de energia é facilmente conduzido à superfície externa do gerador. Ao adicionar aletas de resfriamento na superfície externa, de acordo com as concretizações, o calor pode ser transferido do gerador para o fluxo de ar, passando pelo gerador durante a produção de energia. As aletas de resfriamento de preferência se projetam transversalmente a partir da superfície externa e são espaçadas de forma substancialmente igual. Embora as aletas se estendam longitudinalmente ao longo da superfície externa, elas também podem ter uma linha curva ou perfil que leva em conta as perturbações no fluxo de ar introduzidas pelo movimento das pás e/ou das próprias aletas para melhorar a eficácia.

Nas concretizações, cada gerador tem ímãs permanentes em um corpo externo e tem enrolamentos/bobinas em um corpo interno. Isso produz uma máquina com uma unidade de estator no interior e um rotor no lado externo. Os ímãs são, de preferência, conectados à superfície interna do rotor nesta configuração, e os enrolamentos, à superfície externa do eixo mecânico do rotor. As vantagens dessa solução são: maior saída específica, possibilidade de aproveitar o calor total liberado pelo gerador para o sistema de descongelamento, e simplificação do posicionamento dos cabos de força necessários para conduzir a corrente elétrica do gerador para a torre.

De preferência, cada rotor é suportado via um único rolamento, de preferência do tipo roletes cônicos. A configuração de único rolamento possibilita simplificar a estrutura de montagem do gerador, uma vez que apenas um lado precisa acomodar um rolamento. A configuração de rolamento único também elimina correntes parasitas perigosas no gerador, que formam circuitos temporários entre a parede do estator, a parede do rotor e os corpos dos roletes dos rolamentos dispostos nas extremidades da parte ativa (enrolamentos/bobinas) da configuração de dois rolamentos. Além disso, a configuração de único rolamento simplifica os processos de ajuste do rolamento, uma vez que os roletes cônicos devem ser pré-tensionados; as concretizações com dois rolamentos, um em cada extremidade do gerador, apresentam problemas de projeto em relação às tolerâncias de construção e à deformação térmica. A configuração de único rolamento exige apenas um sistema de vedações e lubrificação concentrado na região frontal do gerador. Além disso, a tipologia do rolamento usada na configuração de único rolamento oferece alto grau de precisão de rolamento, uma vez que o pré-tensionamento dos roletes elimina substancialmente as folgas no rolamento, além de oferecer baixa resistência ao rolamento, o que aumenta a produtividade e eficiência do gerador.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Aspectos e detalhes adicionais estão contidos nas reivindicações e na descrição de um gerador de energia movido por energia eólica, em suas concretizações preferidas conforme ilustradas nos desenhos em anexo, nos quais:

A FIG. 1 mostra uma vista em corte ao longo de um plano axial vertical de uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia, em que os geradores estão em lados opostos de uma estrutura de suporte de turbina eólica de acordo com as concretizações;

A FIG. 2 mostra uma vista em corte ao longo de um plano axial vertical de uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia, em que os geradores estão em série em um lado de uma estrutura de suporte de turbina eólica de acordo com as concretizações;

A FIG. 3 mostra uma vista em corte ao longo de um plano axial vertical de uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia, em que os geradores são concêntricos de acordo com as concretizações;

A FIG. 4 mostra uma vista em corte ao longo de um plano vertical de uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia, de acordo com as concretizações, que é similar à da FIG. 1, mas usando múltiplos geradores em cada lado da estrutura de suporte similar à turbina eólica apresentada na FIG. 2;

A FIG. 5 mostra uma vista em corte ao longo de um plano vertical de uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia, de acordo com as concretizações, que é similar à das FIGS. 2 e 3, empregando um gerador concêntrico múltiplo da FIG. 3 em cada lado da estrutura de suporte similar à turbina eólica apresentada na FIG. 2;

A FIG. 6 mostra uma vista em corte ao longo de um plano vertical de uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia, de acordo com as concretizações, que é similar à das FIGS. 2 e 3, empregando os múltiplos geradores concêntricos da FIG. 3 em série em cada lado da estrutura de suporte similar à turbina eólica apresentada na FIG. 2;

A FIG. 7 mostra uma vista em corte ao longo de um plano vertical de uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia, de acordo com as concretizações, que é similar à das FIGS. 1 e 3, empregando os múltiplos geradores concêntricos da FIG. 3 em série em um dos lados da estrutura de suporte similar à turbina eólica apresentada na FIG. 1; A FIG. 8 mostra uma vista em corte ao longo de um plano vertical de uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia, de acordo com as concretizações, que é similar à da FIG. 7, mas empregando uma forma mais modular;

A FIG. 9 mostra uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia como na FIG. 1, mas incluindo também pelo menos um acoplamento de acordo com as concretizações;

A FIG. 10 mostra uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia como na FIG. 2, mas incluindo também pelo menos um acoplamento de acordo com as concretizações;

A FIG. 11 mostra uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia como na FIG. 4, mas incluindo também pelo menos um acoplamento de acordo com as concretizações;

A FIG. 12 mostra uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia como na FIG. 5, mas incluindo também pelo menos um acoplamento de acordo com as concretizações;

A FIG. 13 mostra uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia como na FIG. 6, mas incluindo também pelo menos um acoplamento de acordo com as concretizações;

A FIG. 14 mostra uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia como na FIG. 7, mas incluindo também pelo menos um acoplamento de acordo com as concretizações;

A FIG. 15 mostra uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia como na FIG. 8, mas incluindo também pelo menos um acoplamento de acordo com as concretizações;

A FIG. 16 mostra uma vista em corte ao longo de um plano vertical de uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia, de acordo com as concretizações, que combina diferentes tipos de geradores.

A FIG. 17 mostra uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia como na FIG. 16, mas incluindo também pelo menos um acoplamento de acordo com as concretizações.

MELHOR MODO PARA REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO

Na FIG. 1, uma turbina eólica com múltiplos geradores de energia é em geral indicada pelo número de referência 1. Uma estrutura de suporte 2 da turbina eólica 1 inclui uma estrutura de conexão 3 que se apóia sobre uma torre de suporte 4, de preferência com uma conexão rotativa 5 que permite que uma única estrutura de pás de acionamento 6 fique voltada para a direção da qual o vento sopra. A estrutura de pás 6 inclui uma multiplicidade de pás e aciona dois geradores 110, 120. Como mostra a FIG. 1, os geradores 110, 120 podem ser dispostos com um gerador 110 no lado das pás da estrutura de suporte 2 e outro gerador 120 no lado oposto da estrutura de suporte. Cada uma das carcaças 111, 121 dos geradores 110, 120 possui, de preferência, uma multiplicidade de aletas de resfriamento distribuídas circunferencialmente 112, 122, que dissipam o calor dos geradores 110, 120, liberando o calor para a corrente de ar à medida que o ar passa pelas aletas 112, 122. O gerador do lado das pás 110 inclui um rotor 113 conectado à estrutura de pás de acionamento 6, que gira o rotor 113 dentro de sua carcaça Ille dentro de um estator 114 conectado à estrutura de conexão 3. De preferência, as carcaças 111, 121 são as superfícies externas dos estatores 114, 124, estatores estes que são a principal fonte de calor dentro dos geradores 110, 120. O rotor 113 do primeiro gerador 110 nas concretizações é mecanicamente conectado ao rotor 121 do segundo gerador, desse modo proporcionando acionamento ao segundo gerador 120. Cada rotor 113, 123 é suportado por um rolamento 7 que pode ser montado em um respectivo estator 114, 124 para permitir a rotação do rotor 113, 123. De preferência, o rotor 113 do primeiro gerador 110 é conectado mecanicamente de forma seletiva ao rotor 123 do segundo gerador via um acoplamento, permitindo assim a operação da turbina 1 com apenas um gerador produzindo energia quando a velocidade do vento for muito baixa para acionar ambos os geradores.

Em uma concretização alternativa, vista na FIG. 2, a turbina eólica com múltiplos geradores de energia 1 novamente inclui dois geradores 110, 120, mas ambos estão em um lado da estrutura de suporte 2. Dessa forma, a estrutura de pás de acionamento 6 é conectada ao rotor 113 do primeiro gerador 110, que é conectado ao segundo rotor 123 via um conector relativamente curto 230, tal como um tubo curto. Nesta configuração, as duas carcaças 111, 121 podem ser combinadas formando uma única carcaça 200, e as aletas 112, 122 podem ser combinadas formando várias aletas de resfriamento maiores distribuídas circunferencialmente 210 estendendo-se a partir da carcaça 200.

Como visto na FIG. 3, em outra concretização alternativa, o primeiro e segundo geradores 110, 120, podem ser dispostos concentricamente usando um rotor de dois lados 310, um dos quais, tal como o lado interno 311, carrega o primeiro rotor 113, e o outro, tal como o lado externo 312, carrega o segundo rotor 123. O rotor de dois lados 310 gira dentro de um estator duplo 320 com o primeiro rotor 113 voltado para o primeiro estator 114 na superfície externa de uma parte interna 321 do estator duplo 320 e o segundo rotor 123 voltado para o segundo estator 124 na superfície interna de uma parte externa 322 do estator duplo 320. Dessa forma, a estrutura de pás 6 aciona o rotor de dois lados 310 dentro do estator duplo 320 para produzir energia.

A concretização alternativa adicional de uma turbina eólica 1 ilustrada na FIG. 4 emprega dois geradores 110, 120 dispostos em lados opostos da estrutura de suporte 2, como na FIG. 1, mas cada gerador 110, 120 em si inclui múltiplos geradores, todos acionados pela única estrutura de pás 6. Por conveniência, o primeiro e segundo geradores 110, 120 serão chamados de primeiro e segundo agrupamentos de geradores em relação às FIGS. 4 a 7. No lado das pás, da estrutura de suporte 2, o primeiro agrupamento de geradores 110 inclui pelo menos dois geradores 410, 420 dispostos em série, como na FIG. 2, enquanto que o segundo agrupamento de geradores 120 no lado oposto da estrutura de suporte 2 inclui pelo menos dois geradores 430, 440 dispostos de maneira similar. O primeiro rotor 413 é acionado pelas pás 6 para girar dentro de seu estator 414, o primeiro rotor sendo conectado ao segundo rotor via um eixo mecânico relativamente curto 415. O segundo rotor 423 do primeiro agrupamento 110 é conectado ao eixo mecânico principal 130, que é conectado mecanicamente ao primeiro rotor 433 do segundo agrupamento de geradores 120, proporcionando acionamento ao segundo agrupamento 120. O primeiro rotor 433 do segundo agrupamento 120 gira dentro de seu respectivo estator 434 e é conectado ao segundo rotor 443 do segundo agrupamento 120 via um eixo mecânico relativamente curto 435. As carcaças dos geradores 410, 420 do primeiro agrupamento IlOe dos geradores 430, 440 do segundo agrupamento podem ser combinadas em uma única carcaça 450 em cada lado da estrutura de suporte 2, como na turbina ilustrada na FIG. 2. De modo similar, as aletas podem ser combinadas em um único conjunto de aletas mais longas, distribuídas circunferencialmente 460 em cada carcaça 450. A turbina eólica 1, como mostra a FIG. 5, em outra concretização novamente emprega dois agrupamentos de geradores 110, 120 dispostos em lados opostos da estrutura de suporte 2 e conectados por um eixo mecânico principal 130, como nas FIGS. 1 e 4, mas os geradores de cada agrupamento são concêntricos, como na FIG. 3. No lado das pás, da estrutura de suporte 2, o primeiro agrupamento 110 inclui pelo menos dois geradores 510, 520 dispostos concentricamente, como na FIG. 3, enquanto que o segundo agrupamento 120 no lado oposto da estrutura de suporte 2 inclui pelo menos dois geradores 530, 540 dispostos de maneira similar. O primeiro rotor de dois lados 550, um dos quais, tal como o lado interno 551, carrega o primeiro rotor 513, e o outro lado, tal como o lado externo 552, carrega o segundo rotor 523. O rotor de dois lados 550 gira dentro de um estator duplo 560 com o primeiro rotor 513 voltado para o primeiro estator 514 na superfície externa de uma parte interna 561 do estator duplo 560 e o segundo rotor 523 voltado para o segundo estator 524 na superfície interna de uma parte externa 562 do estator duplo 560. O primeiro rotor 513 é acionado pelas pás 6 para girar dentro de seu estator 514, o primeiro rotor 513 sendo conectado ao primeiro rotor 533 do segundo agrupamento 120 via o eixo mecânico principal 130.

A FIG. 6 mostra uma turbina eólica de acordo com outra concretização que combina a configuração de múltiplos agrupamentos concêntricos da FIG. 5 com a configuração em série da FIG. 2. A estrutura de pás 6 aciona o primeiro rotor, que aciona o segundo rotor, que é mecanicamente conectado ao segundo agrupamento via o eixo mecânico principal 130. No segundo agrupamento 120, um primeiro rotor é conectado ao eixo mecânico principal 130 e ao segundo rotor.

A FIG. 7 mostra uma turbina eólica que combina a configuração de múltiplas agrupamentos em série da FIG. 2 com o gerador múltiplo concêntrico da FIG. 3. sendo assim, as pás de acionamento 6 acionam um primeiro rotor duplo 71 dentro de um primeiro estator duplo 72, o primeiro rotor duplo sendo mecanicamente conectado a um segundo rotor duplo 73 dentro de um respectivo estator duplo 74.

A FIG. 8 mostra uma turbina eólica muito similar à ilustrada na FIG. 2, mas que emprega flanges 86 entre os geradores para criar uma configuração modular. Como na configuração apresentada na FIG. 2, os dois geradores 81, 82 estão em um lado da estrutura de suporte 2. Dessa forma, a estrutura de pás de acionamento 6 é conectada ao rotor 813 do primeiro gerador 81, que inclui um conector relativamente curto 815, tal como um tubo curto, que termina em um flange 816. O flange 816 é conectado a um flange correspondente 826 em um segundo conector 825 do segundo gerador 82. Dessa forma, o primeiro rotor 813 é conectado ao segundo rotor 823 via os conectores 815, 825 e os flanges 816, 826. Nesta configuração, as duas carcaças 811, 821 de preferência também incluem flanges correspondentes 817, 827. Como apresentado, os dois geradores 81, 82 efetivamente são módulos. Os módulos podem ser apoiar no único rolamento 8 do primeiro gerador 81, embora rolamentos adicionais possam ser empregados, caso sejam necessários. As aletas 112, 122 da FIG. 2 podem ser combinadas para formar uma multiplicidade de aletas de resfriamento distribuídas circunferencialmente 83 mais longas se estendendo a partir da carcaça 80, ou simplesmente ser deixadas separadas e alinhadas quando os módulos forem montados. Como deve estar claro, a configuração modular apresentada na FIG. 8 pode ser empregada em outras configurações, tais como as apresentadas nas FIGS. 1 a 7, para permitir a construção modular de turbinas eólicas incluindo múltiplos geradores e/ou agrupamentos de geradores.

Como ficará evidente, embora um ou dois geradores são ilustrados em cada agrupamento nas FIGS. 1 a 7, seria possível combinar mais geradores em cada concretização conforme desejado dentro de cada agrupamento ou como agrupamentos adicionais. Em todas as concretizações, um ou mais acoplamentos podem ser incluídos entre vários dos geradores para permitir a saída de potência variável da turbina eólica e a operação da turbina eólica a velocidades menores do que seria necessário se todos os geradores estivessem operando ao mesmo tempo. Alguns exemplos de configurações que poderiam ser empregadas são apresentados nas FIGS. 9 a 16. A FIG. 9 mostra a configuração da FIG. 1, mas com um acoplamento 910 ilustrado de forma esquemática no caminho entre o primeiro e segundo rotores. Embora o acoplamento seja ilustrado no eixo mecânico principal, deve-se compreender que ele poderia estar em um dos rotores, entre um dos rotores e o eixo mecânico, ou embutido dentro da junta dos dois semi-eixos do eixo mecânico principal. Qualquer tipo compatível de acoplamento pode ser utilizado. Para um acoplamento entre os semi-eixos, um acoplamento centrífugo pode ser particularmente vantajoso. Em operação, o primeiro gerador operaria, em todas as velocidades do vento, na velocidade mínima necessária para acionar apenas o primeiro gerador. Quando a velocidade do vento estiver abaixo de um valor mínimo para uso dos dois geradores, o acoplamento não é engatado e apenas o primeiro gerador é usado. Quando a velocidade do vento atinge um valor mínimo para uso dos dois geradores, o acoplamento é engatado para colocar o segundo gerador em linha. As FIGS. 12, 14 e 15 mostram versões com acoplamento das FIGS. 5, 7 e 9 que operam de maneira similar à versão com acoplamento da FIG. 1 apresentada na FIG. 9.

A FIG. 10 mostra a configuração da FIG. 2, mas com um acoplamento 1010 ilustrado de forma esquemática entre o primeiro e segundo rotores. Ficará evidente que o acoplamento poderia estar em qualquer localização adequada entre os dois rotores, e que qualquer tipo compatível de acoplamento pode ser utilizado. Em operação, o primeiro gerador operaria, em todas as velocidades do vento, na velocidade mínima necessária para acionar apenas o primeiro gerador. Quando a velocidade do vento estiver abaixo de um valor mínimo para uso dos dois geradores, o acoplamento não é engatado e apenas o primeiro gerador é usado. Quando a velocidade do vento atinge um valor mínimo para uso dos dois geradores, o acoplamento é engatado para colocar o segundo gerador em linha.

A FIG. 11 ilustra a configuração da FIG. 4, mas com os acoplamentos 1110, 1120, 1130 ilustrados esquematicamente entre o primeiro e segundo rotores 1110, na trajetória entre o primeiro e segundo agrupamentos de geradores 1120, e entre o terceiro e quarto rotores 1130. Três acoplamentos são ilustrados, mas nem todos são necessariamente obrigatórios. Eles são incluídos para fins de exemplo. Poderia ser utilizada um, ou dois, ou todos os três acoplamentos, e acoplamentos adicionais também, caso seja adequado. Ficará evidente que cada acoplamento poderia estar em qualquer localização adequada intermediária, e que qualquer tipo compatível de acoplamento pode ser utilizado. Para um acoplamento entre os semi-eixos, um acoplamento centrífugo pode ser particularmente vantajoso. Em operação com os três acoplamentos apresentados, o primeiro gerador operaria, em todas as velocidades do vento, na velocidade mínima necessária para acionar apenas o primeiro gerador. Quando a velocidade do vento estiver abaixo de um valor mínimo para uso dos dois geradores no primeiro agrupamento, o acoplamento 1110 não é engatado e apenas o primeiro gerador é usado. Quando a velocidade do vento atingir um valor mínimo para uso dos dois geradores no primeiro agrupamento, o acoplamento 1110 entre o primeiro e segundo rotores é engatado para colocar o segundo gerador em linha. Quando a velocidade do vento atinge uma velocidade maior necessária para acionar o primeiro agrupamento e um dos geradores do segundo agrupamento, o acoplamento 1120 entre os agrupamentos pode ser engatado. Além disso, quando uma velocidade de vento ainda maior necessitar o acionamento de todos os geradores, o terceiro acoplamento 1130 pode ser engatado. A FIG. 13, mostrando uma versão da FIG. 6 com acoplamento, pode operar de maneira muito similar.

A FIG. 16 ilustra a possibilidade de misturar diferentes tipos de geradores na turbina com múltiplos geradores das concretizações. O exemplo específico ilustrado combina o gerador anular simples da FIG. 1 à esquerda com o gerador concêntrico de dois lados da FIG. 3 à direita. A FIG. 17 ilustra que os acoplamentos podem ser usados das turbinas com geradores mistos das concretizações. A combinação apresentada nas FIGS. 16 e 17 é um exemplo de combinação que poderia ser feita. Fica claro que outras combinações de tipos de geradores, mesmo dentro de agrupamentos, estão dentro do âmbito da invenção.

Será apreciado que vários dos aspectos e funções reveladas acima, e outros, ou alternativas dos mesmos, podem ser combinados conforme desejado em muitos outros sistemas ou aplicações diferentes. Além disso, deve-se observar que diversas alternativas, modificações, variações ou aperfeiçoamentos atualmente imprevistos ou impremeditados podem ser posteriormente efetuados pelos versados na técnica, sendo também abrangidas pelas reivindicações a seguir.

Claims

1. Turbina eólica com múltiplos geradores, caracterizada por compreender pelo menos dois geradores montados em uma estrutura de suporte, sendo um primeiro deles conectado a uma estrutura de pás de acionamento para ser acionado por ela, e pelo menos um acoplamento disposto entre o primeiro e segundo geradores, o primeiro gerador sendo conectado mecanicamente de forma seletiva a um segundo gerador via o acoplamento para acionar o segundo gerador.

2. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que cada um dentre o primeiro e segundo geradores compreende pelo menos um rotor e pelo menos um estator, um rotor do primeiro gerador sendo conectado mecanicamente à estrutura de pás e conectado mecanicamente de forma seletiva a um rotor do segundo gerador.

3. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o primeiro gerador é montado em um lado das pás, da estrutura de suporte, e o segundo gerador é montado em um lado da estrutura de suporte oposto ao lado das pás, e um eixo mecânico principal é conectado mecanicamente de forma seletiva a pelo menos um dentre o primeiro e segundo geradores para transferir o acionamento do primeiro gerador ao segundo gerador.

4. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que o eixo mecânico principal compreende um primeiro semi-eixo conectado ao, e estendendo-se a partir do primeiro gerador em direção ao segundo gerador, e um segundo semi-eixo conectado ao, e estendendo-se a partir do segundo gerador em direção ao primeiro gerador, um dentre o primeiro e segundo semi-eixos tendo uma primeira parte de extremidade de diâmetro externo menor do que o diâmetro interno de uma segunda parte de extremidade do outro dentre o primeiro e segundo semi-eixos, de modo que a primeira parte de extremidade se estenda para a segunda parte de extremidade, as partes de extremidade sendo conectadas para formar o eixo mecânico principal.

5. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que o pelo menos um acoplamento é configurado para conectar a primeira e segunda partes de extremidade.

6. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o primeiro e segundo geradores são dispostos em um lado das pás da estrutura de suporte.

7. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que cada um dentre o primeiro e segundo geradores compreende pelo menos um rotor e pelo menos um estator, um rotor do primeiro gerador sendo mecanicamente conectado à estrutura de pás de acionamento para ser acionado por ela, um rotor do segundo gerador sendo conectado mecanicamente de forma seletiva ao primeiro gerador via o eixo mecânico principal, o eixo mecânico principal estendendo-se através de uma estrutura de conexão entre o primeiro e segundo geradores.

8. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o primeiro e segundo geradores são o primeiro e segundo agrupamentos de geradores, o primeiro agrupamento de geradores compreendendo pelo menos um primeiro e segundo geradores e o segundo agrupamento compreendendo pelo menos um terceiro e quarto geradores.

9. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que o primeiro e segundo geradores são dispostos concentricamente e o terceiro e quarto geradores são dispostos concentricamente, os rotores do primeiro e segundo geradores sendo montados em lados opostos de um primeiro rotor duplo, os rotores do terceiro e quarto geradores sendo montados em lados opostos de um segundo rotor duplo, os estatores do primeiro e segundo geradores sendo montados em superfícies opostas de um primeiro estator duplo, os estatores do terceiro e quarto geradores sendo montados em superfícies opostas de um segundo estator duplo.

10. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de que um dentre o primeiro e segundo geradores inclui um gerador anular e um dentre o primeiro e segundo geradores inclui um gerador duplo disposto concentricamente, o gerador anular compreendendo um rotor com elementos em uma superfície externa de um anel interno e defrontando-se com elementos do estator em uma superfície interna de um anel externo, o gerador duplo disposto concentricamente compreendendo um rotor anular de dois lados com elementos de rotor em suas superfícies anulares interna e externa e defrontando-se com respectivos elementos do estator montados nas superfícies anulares externa e interna do estator.

11. Turbina eólica modular, caracterizada por compreender uma estrutura de suporte, um primeiro gerador conectado a uma estrutura de pás de acionamento para ser acionado por ela, um conector estendendo-se a partir de um rotor do primeiro gerador e terminando em um flange do rotor, e um flange do estator em uma extremidade do estator oposta à estrutura de pás.

12. Turbina eólica modular, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o flange do estator é conectado à estrutura de suporte.

13. Turbina eólica modular, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada por adicionalmente compreender um segundo gerador incluindo um conector do rotor correspondente e flanges do rotor e estator correspondentes, o flange do rotor do primeiro gerador sendo conectado ao flange do rotor do segundo gerador e o flange do estator do primeiro gerador sendo conectado ao flange do estator do segundo gerador.

14. Turbina eólica modular, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de que o segundo gerador é disposto entre o primeiro gerador e a estrutura de suporte, o segundo gerador sendo conectado à estrutura de suporte na extremidade oposta à estrutura de pás.

15. Turbina eólica modular, de acordo com a reivindicação 13, caracterizada pelo fato de que o primeiro e segundo flanges do rotor são conectados via um acoplamento, de modo que o segundo rotor seja acionado pelo primeiro rotor quando o acoplamento estiver engatado, mas não seja acionado pelo primeiro rotor quando o acoplamento estiver desengatado.

16. Turbina eólica modular, de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pelo fato de que o flange do estator pode ser removido da estrutura de suporte para permitir a instalação de um segundo gerador entre o primeiro gerador e a estrutura de suporte, o segundo gerador incluindo um conector do rotor correspondente e flanges do rotor e estator correspondentes, o flange do rotor do primeiro gerador sendo conectado ao flange do rotor do segundo gerador e o flange do estator do primeiro gerador sendo conectado ao flange do estator do segundo gerador.

17. Turbina eólica com múltiplos geradores, caracterizada por compreender: pelo menos dois geradores, cada um dos pelo menos dois geradores incluindo pelo menos um rotor substancialmente tubular e pelo menos um estator substancialmente tubular, o pelo menos um estator podendo ser suportado por uma torre de suporte; cada um dentre o pelo menos um rotor e o pelo menos um estator carregando um dos geradores de campo magnético e enrolamentos mutuamente opostos; o pelo menos um estator e o pelo menos um rotor sendo substancialmente concêntricos, de modo que um dentre o estator e o rotor fique pelo menos parcialmente dentro do outro e de modo que os geradores de campo magnético e enrolamentos mutuamente opostos se defrontem; uma estrutura de pás em um lado de um dos pelo menos dois geradores opostos à estrutura de suporte, a estrutura de pás incluindo um cubo conectado a um rotor de um dos pelo menos dois geradores, a estrutura de pás adicionalmente incluindo pelo menos duas pás estendendo-se radialmente a partir do cubo e suportadas por ele; e um único rolamento montado diametralmente entre o estator e o rotor de um dos pelo menos dois geradores.

18. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que uma pista interna do rolamento é suportada em uma extremidade do cubo do interior do estator e do rotor, e uma pista externa do rolamento é suportada em uma extremidade do cubo do exterior do estator e do rotor, o rolamento único suportando tanto cargas axiais quanto radiais.

19. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que pelo menos um gerador é montado entre a estrutura de suporte e a estrutura de pás em um lado da estrutura de suporte.

20. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 19, caracterizada pelo fato de que pelo menos um gerador é montado em um lado da estrutura de suporte oposto à estrutura de pás.

21. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que pelo menos dois geradores são modulares.

22. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de que a estrutura de suporte também é substancialmente tubular, a natureza substancialmente tubular do pelo menos um rotor e pelo menos um estator de cada um dos pelo menos dois geradores e a natureza substancialmente tubular da estrutura de suporte conferindo uma natureza substancialmente tubular à turbina eólica e fornecendo uma passagem através da turbina eólica que possibilita acesso imediato por humanos ao interior da turbina eólica.

23. Turbina eólica com múltiplos geradores, de acordo com a reivindicação 22, caracterizada pelo fato de que a natureza substancialmente tubular da turbina eólica permite o fluxo de ar através da turbina eólica para o cubo e para as pás.