BRPI0714341A2 - estrutura de pÁ de rotor retratÍl - Google Patents

Abstract

ESTRUTURA DE PA DE ROTOR RETRÁTIL. A presente invenção refere-se sistema de geração de energia em que uma turbina (5) é montada no topo de uma torre (4) ou amarrada sob a água. A turbina (5) inclui um rotor (6) tendo uma pá principal (7) conectada a um cubo de rotor (9) e uma seção extensora (2). Um dispositivo de ajuste posiciona a pá extensora entre uma posição retraida dentro da pá principal e a uma posição estendida para expor mais ou menos do rotor para o fluxo de fluido. Uma estrutura de pá de rotor extensível fornece suporte para um invólucro de aerofólio estendendo uma viga estrutural de uma parte de pá de base (8) da dita pá de rotor através de um módulo telescópico da dita pá, quando uma parte de pá extensora (2) da dita pá de rotor é retraida e estendida.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ESTRUTURA DE PÁ DE ROTOR RETRÁTIL". ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a dispositivos de geração de e-

nergia elétrica, tais como turbinas de vento e turbinas de correntes maríti- mas, e mais particularmente a um suporte estrutura para uma pá de turbina de vento que tem um módulo aerodinâmico externo destacável com um as- pecto de telescópio que, quando estendida para fora, aumenta o diâmetro do rotor e captura mais energia de vento durante períodos de ventos inferiores, e encaixa (se retrai) para reduzir a exposição de energia de vento em ventos maiores.

Descrição da Técnica Anterior

A Patente 3.606.571 de Wood, intitulada "Stowed Rotor" deposi- tada em 20 de setembro de 1971, descreve um rotor acondicionado montado acima da fuselagem de uma aeronave. O rotor inclui uma unidade de aloja- mento rotativa montada em um eixo vertical e fornecida com um par de uni- dades de pá de rotor que se encaixa na unidade de alojamento. Um meca- nismo é fornecido para estender e retrair as unidades de pá de rotor da uni- dade de alojamento, para o propósito de fornecer elevação vertical durante a decolagem e pouso vertical. As pás de rotor são mecanicamente acopladas juntas de modo que a operação de uma pá de rotor é necessariamente a- companhada pela operação duplicada e idêntica da outra unidade de pá de rotor para desse modo evitar a aplicação desequilibrada de forças de eleva- ção e de inércia. Para opor a reação da montagem de pá de rotor (guinada), um propulsor é fornecido na cauda da aeronave como em helicópteros con- vencionais.

A Patente de Wood se refere a uma disposição de rotor acondi- cionado para produzir elevação vertical para um veículo aeronáutico. A uni- dade de alojamento é montada no veículo em torno um eixo, que está em geral em alinhamento com a direção de elevação, usando um par de pás de rotor montadas de modo telescópico na unidade de alojamento e disposto em geral em relação transversa ao eixo de rotação da unidade de alojamen- to.

Aplicações de correntes de vento e água não se referem a pro- duzir elevação vertical para um veículo aeronáutico. Ao contrário, em siste- mas de correntes de vento e água, os rotores são montados em uma estru- tura estacionária e são rotativos em torno de um eixo, que está em geral em alinhamento com a direção da corrente de vento ou água. Em Wood, a uni- dade de alojamento é montada no veículo e rotativa em torno de um eixo, que está em alinhamento geral com a direção de elevação, não em alinha- mento com a corrente de vento ou água. Em aplicações de corrente de vento e água, os rotores são empregados em uma maneira fundamentalmente di- ferente para obter um resultado fundamentalmente diferente. Isto é, os roto- res estão em alinhamento com o vento ou água com o resultado que os roto- res são movidos pela corrente para produzir eletricidade. Em Wood, os roto- res estão em alinhamento com a direção de elevação com o resultado que os rotores são movidos por um motor para produzir elevação vertical. Wood descreve um mecanismo para um rotor de diâmetro variável para aplicações aeroespaciais em que o rotor é acionado por um motor e se move perpendi- cularmente com respeito ao meio que flui. Wood não trata das exigências de uma aplicação de corrente de vento ou marítima, em que os rotores estão em alinhamento com e são acionados por um meio que flui e não se movem com respeito ao meio que flui.

A Patente 3.814.351 de Bielawa, intitulada "Coaxial Rotor Yaw Control", depositada em 4 de junho de 1974, descreve rotores de contrarota- ção coaxiais tendo parte de ponta de pá em telescópio que são normalmente parcialmente estendidas. As pás dos rotores superior e inferior podem ser estendidas e retraídas diferencialmente para criar um torque final resultante entre os rotores. O propósito é fornecer um controle de guinada fornecendo partes de ponta de pá telescópicas que são diferencialmente operadas por um sistema de cabo operado por piloto que estende as partes de ponta de um rotor enquanto retrai as partes de ponta do outro rotor.

Cada pá é compreendida de uma Iongarina oca, que forma a borda dianteira e é o elemento de reforço principal da pá e uma parte de borda traseira afunilada, que completa o contorno de aerofólio da pá. Cada pá tem uma parte de ponta de corda que tem uma extremidade inserida em uma cavidade na parte externa da Iongarina de pá em que é livremente des- lizável. A parte de ponta é suportada por dois rolos na longarina, montada em pontos espaçados ao longo de seu borda dianteira em pivôs e por rolos montados em pivôs suportados pela longarina em posição para engatar as superfícies afuniladas de topo e fundo da parte de ponto adjacente a sua borda traseira.

A extensão e retração de cada parte de ponta do rotor superior é

controlada por um cabo ou tira flexível que é fixado na extremidade interna da parte de ponta e passa através da longarina oca para uma polia montada no cubo do rotor pelo qual o cabo é direcionado para baixo através do eixo de acionamento oco. Dentro do eixo de acionamento, três cabos das três pás do rotor superior são combinados em um cabo único. As partes de ponta do rotor inferior são similarmente controladas por cabos.

Para obter o controle de guinada, um pedal de borracha é pres- sionado, o que estende um dos cabos, e retrai o outro, fazendo as carreti- Ihas de cabo rodar em direções opostas, uma para enrolar o cabo(s) em um carretei de cabo e a outra para afrouxar seu cabo(s). Os cabos são mantidos esticados todo o tempo pelas partes de ponta rodando que são constante- mente impedidas para fora independente de sua posição axial por forças centrífugas geradas pelas pás rodando que são acionadas pelo motor do helicóptero.

A patente de Bielawa não trata de problemas que surgem com

respeito a um sistema de pá de rotor extensível que é fixado com respeito ao meio que flui, se o meio é ar ou água ou qualquer outro meio de fluxo de fluido.

As referências de técnica anterior acima descrevem mecanismos para aplicações aeroespaciais em que o rotor é acionado por um motor e se move com respeito ao meio que flui. Estas referências não tratam das exi- gências de aplicações de corrente de vento ou marítima, em que o rotor é acionado por meio que flui e não se move com respeito ao meio que flui e onde a durabilidade e a resistência à fadiga são essenciais ao sucesso de tal sistema, e em que as forças que atuam no rotor variam de modo significante durante cada revolução.

O mecanismo sugerido na técnica anterior para controlar rotores

de diâmetro variável para inclinar rotores e aeronave são suscetíveis à fa- lhas de fadiga e exigem manutenção extensiva. Turbinas de vento turbinas de corrente marítima operam em condições ambientais que degradam rapi- damente as propriedades de um mecanismo de extensão. A exigência de alta manutenção translada para custo de energia maior, o que resulta em um sistema de energia renovável menos competitivo.

A Patente U.S. 4.710.101 para Jamieson, intitulada "Wind Turbi- ne" depositada em 1 de dezembro de 1987, descreve uma turbina de vento em que as partes de bico móveis são localizadas em ou adjacentes à borda dianteira da pá e em ou adjacente à ponta da pá. As partes de bico são des- locáveis longitudinalmente da pá, isto é, radialmente para fora da pá, a partir de uma posição retraída normal. Esta parte móvel contribui para a elevação da seção de aerofólio, e é movida para uma posição avançada em que a resistência do ar é produzida, para impedir aumento indesejado na velocida- de da rotação do rotor.

A parte móvel quando na posição retraída, normal, terá pouco efeito prejudicial no formato aerodinâmico da seção de aerofólio, as linhas de fluxo do ar que passam da parte móvel de modo extremamente suave para o restante da seção de aerofólio. A face dianteira do restante da seção de aerofólio tem uma su-

perfície plana ou côncava para aumentar o efeito de resistência do ar quan- do a parte móvel está na posição avançada. Adicionalmente ao aumento do efeito resistência do ar, passagens de sangria podem levar a faces diantei- ras do restante das seções de aerofólio, que são expostas quando as partes móveis são movidas para a posição avançada. Estas passagens de sangria podem se estender para uma superfície maior do restante da seção de aero- fólio respectiva, para fazer o ar fluir da face dianteira para a dita superfície maior para causar a separação de fluxo e aumentar a resistência do ar. A parte exposta pode de fato incluir parte do mecanismo de operação da parte móvel, que ainda aumentaria adicionalmente o efeito da resistência do ar.

Quando a velocidade de rotação do rotor atinge um valor, que é o valor máximo, que pode ser tolerado, as partes de bico se movem radial- mente para fora. As partes de bico se movem tanto sob a ação da força cen- trífuga contra a força de retorno de molas, ou junto com o auxílio de atuado- res, e as faces dianteiras são expostas. O movimento para fora das partes de bico causará uma re-formatação efetiva da seção transversal das pás de modo que não se parecem nada com uma seção de aerofólio, na ponta da pá. Isto destrói a elevação em uma seção da pá onde a maior parte de ener- gia é produzida. Criará muito mais resistência do ar na seção exposta, que é a face dianteira, que pode ser contornada ou tornada áspera para produzir resistência do ar máxima. As seções de bico deslocadas criam resistência do ar em um raio além da posição normal da ponta, onde a velocidade é maior e a eficiência é grande.

A presente invenção refere-se ao efeito oposto: aumentar o comprimento da pá do rotor para aperfeiçoar o fluxo de ar eficiente sobre a extremidade externa da pá para aumentar sua eficiência em acionar o rotor sem introduzir resistência do ar ou frenagem.

A Patente 5.630.705 de Eikelenbloom, intitulada "Rotor Cons- truction of Windmill" depositada em 20 de maio de 1997 descreve um dispo- sitivo para converter energia de fluxo de vento em energia mecânica. O dis- positivo tem uma construção de base e um rotor com um eixo horizontal montado na base. O rotor tem um número de pás de rotor alongadas, que são conectadas a um suporte rotativo e se estendem radialmente a partir do mesmo. Cada pá de rotor ou uma parte da mesma é conectada ao suporte de rotor por uma conexão articulada para inclinar o eixo longitudinal da pá do rotor ou parte do mesmo para uma orientação predeterminada com relação ao eixo de rotação do suporte. O eixo de articulação da conexão articulada entre a pá de rotor e o suporte rotativo é direcionado em um ângulo agudo para o eixo longitudinal da pá do rotor e ao eixo de rotação do suporte. A área de frenagem por vento máxima, a ser usada em veloci- dades de vento relativamente baixas, é obtida quando as pás do rotor estão em ângulos retos com a direção do vento, enquanto o pivotamento das pás do rotor afastada na direção do vento e o pivotamento das pás do rotor em torno de seus eixos longitudinais resultam em uma área de frenagem por vento menor a ser usada em velocidades de vento relativamente altas.

A fim de aumentar a capacidade de ajuste da área de frenagem por vento para a velocidade do vento real, as pás de rotor são formadas por um número de partes de pá de rotor alongadas, que são adaptadas para serem colocadas em uma posição se sobrepondo completa ou parcialmente uma com a outra na direção longitudinal, ou essencialmente em linha uma com a outra. Para o comprimento mínimo de tal pá de rotor, as partes com- ponentes da pá de rotor se sobrepõem completamente uma a outra. Um comprimento máximo de tal pá de rotor é obtido se todas as partes de pá de rotor componentes são colocadas em linha uma com a outra.

A figura 5 de Eikelenboom ilustra uma primeira parte de pá de rotor oca, alongada, que é conectada de modo articulado a um braço. A pri- meira parte de pá de rotor contém uma segunda parte de pá de rotor oca, alongada. A segunda parte de pá de rotor pode por sua vez conter uma ter- ceira parte de pá de rotor alongada. As partes de pá de rotor podem ser des- viadas com relação uma a outra na direção longitudinal por mecanismos se- parados que incluem um acionamento de motor, uma haste e um cabo de arame para cada parte móvel encaixada na primeira parte de pá de rotor. O arame é enrolado na haste. Os arames podem ser submetidos a tensão de tração e pressão, e um arame, haste, disposição de motor separados é co- nectado às primeira e segunda partes de pá de rotor, respectivamente, para o propósito de desviar as partes de pá de rotor para dentro e para fora com relação uma a outra.

Uma desvantagem do dispositivo mostrado na figura 5 de Eike- Ienboom é que a primeira pá de rotor dentro da qual a segunda parte de pá de rotor desliza deve ser completamente oca a fim de acomodar o formato da segunda pá. Em turbina moderna de grande escala, as pás são de tal dimensão que suportes de estria de reforço são necessários para obter a resistência em aplicações de corrente de vento e água em grande escala. O mecanismo de cabo propriamente dito não é adequado para turbinas de grande escala porque os arames devem ser capazes de serem submetidos a tensão de tração e pressão e tais cabos não estão disponíveis para mover objetos pesados.

Como pode ser visto a partir das descrições acima, na técnica anterior é conhecido que o comprimento de uma pá pode ser ajustado tal que a área de frenagem por vento é variada. Uma desvantagem dos disposi- tivos da técnica anterior é o número de partes componentes, que torna os dispositivos complexos para construir, para fazer manutenção e reparar.

A Patente US 6.726.439 de Goeffrey F. Deane e Amir S. Mikhail, depositada em 27 de abril de 1007, intitulada "Extendable Rotor Blades for Power Generating Wind and Ocean Current Turbines and Means for Opera- ting below Set Rotor Torque Limits", descreve um controle para pás de rotor extensíveis mas não descreve em detalhe um mecanismo para estender e retrair uma pá de rotor em uma turbina acionada por corrente de água ou de vento.

Mecanismos anteriores para mover as pás de extensão de pás de rotor de diâmetro variável usaram correias sem fim, cabos de arame, e mecanismo de parafuso de avanço, fixados na pá extensora.

As correias sem fim têm a desvantagem de ter que estender pa- ra a extremidade distai da pá principal a fim de efetuar o máximo desejado de movimento longitudinal, são complexas para fabricar e adicionam peso adicional indesejado para as extensões externas da pá principal.

Cabos de arame têm a desvantagem de exigir dois cabos, um para mover a pá extensora para fora e um para puxar a pá extensora para dentro. Também os cabos são pesados para a resistência exigida, têm que se estender para a extremidade distai da pá principal a fim de efetuar a ex- tensão desejada de movimento longitudinal, são complexos para fabricar e adicionam peso adicional indesejado para as extensões externas da pá prin- cipal. Mecanismos de parafuso de avanço incorporam uma porca cor- rediça acionada por um parafuso de avanço roscado. Os mecanismos de parafuso de avanço são pesados para a resistência exigida, exigem um mo- tor reversível pesado cujo torque precisa ser suficiente com uma boa mar- gem de segurança para girar o parafuso de avanço sob carga máxima; ter que estender a extremidade distai da pá principal a fim de efetuar o movi- mento longitudinal desejado; são complexos para fabricar; adicional peso adicional indesejado às extensões externas da pá principal e tendem a em- perrar durante a operação, desse modo adicional custos de manutenção. O que é necessário é um mecanismo para turbina de corrente de

vento ou marítima que facilitará a extensão e retração de pás de rotor exten- síveis e que seja leve, de fácil manutenção e durável.

O que é necessário é uma estrutura de pá de rotor extensível, para turbinas de corrente de vento ou de água, que seja modular e destacá- vel para fácil acesso a serviço e manutenção. SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um sistema de geração de e- nergia de fluxo de fluido (vento ou água), que inclui uma pá de rotor capaz de extensão e retração de um raio de amplitude de pá de rotor para aumen- tar e diminuir uma área de seção transversal de fluxo de fluido arrastado pe- la pá de rotor.

De acordo com um aspecto da invenção, uma turbina é montada em uma estrutura (tal como uma torre de vento alta ou uma nacela sob a água amarrada) que é mantido estacionário no eixo horizontal com referên- cia ao fluxo de fluido. A turbina inclui um rotor tendo uma pá principal conec- tada a um cubo de rotor e uma pá extensora. A pá extensora é móvel entre uma posição retraída com relação à pá principal e a uma posição mais ex- posta para expor mais ou menos do rotor ao fluxo de fluido. Um dispositivo de ajuste para a pá extensora inclui um número de carrinhos de mancai Iine- ar conectados à pá extensora que se deslocam ao longo de um trilho dentro da pá principal. Um gerador é conectado na turbina para gerar energia elétri- ca. De acordo com um aspecto adicional da invenção, uma estrutura de pá de rotor extensível que fornece suporte para um invólucro de aerofólio estendendo uma viga estrutural de uma parte de pá de base da dita pá de rotor através de um módulo telescópico da dita pá, quando uma parte de pá extensora da dita pá de rotor é retraída e estendida.

De acordo com um aspecto adicional da invenção, uma estrutura de pá de rotor extensível é fornecida compreendendo:

um módulo de pá de base incluindo uma viga de módulo de pá

de base; e

um módulo de pá extensora incluindo uma viga de módulo de pá extensora, que é conectada à viga de módulo de pá de base;

o dito módulo de pá extensora compreendendo uma pá transpor- tadora, que é conectada ao módulo de pá de base, e uma pá extensora, que se desloca na viga de módulo de pá extensora para extensão e retração.

De acordo com um aspecto adicional da invenção, uma estrutura de pá de rotor extensível é fornecida, que é modular e destacável da pá principal para acesso fácil para serviço e manutenção. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A invenção será descrita em detalhe com referência aos dese- nhos em que:

a figura 1 é uma vista em perspectiva de uma pá de rotor da presente invenção compreendendo uma seção de base, um transportador e extensor formando um módulo extensor, com uma pá de rotor extensível completamente estendida;

a figura 2 é uma vista da viga de módulo extensor dentro da pá de base, mostrando a viga de pá de base com a extremidade de fixação do módulo extensor fixada na mesma;

a figura 3 é uma vista da viga de módulo extensor e a viga de pá de base (Iongarina) da figura 2 com a Iongarina de alumínio aparafusada dentro da Iongarina de pá;

a figura 4 é uma vista mais detalhada do aparelho mostrado na figura 2 mostrando a viga do invólucro de aerofólio transportador, o invólucro de aerofólio transportador propriamente dito, o módulo de base, e a junta de fixação do módulo transportador para o módulo de base;

a figura 5 é uma vista mais detalhada do aparelho mostrado na figura 4 mostrando a viga do invólucro de aerofólio transportador com os car- rinhos lineares fixados na viga transportadora, os trilhos de guia para os mancais lineares, o invólucro de aerofólio transportador propriamente dito, a placa de face de módulo transportador, e a junta de fixação do módulo transportador no módulo de base;

a figura 6 é um diagrama recortado do aparelho mostrado na

figura 5;

a figura 7 é um diagrama em seção transversal do aparelho mostrado na figura 5 mostrando o invólucro extensor a jusante, o invólucro extensor a montante e o espaço entre os mesmos, o invólucro de aerofólio transportador propriamente dito, a viga transportadora, e os mancais fixados nas vigas de suspensão extensoras de cada invólucro extensor;

a figura 8 é um diagrama em seção transversal similar à figura 7 mostrando uma modalidade alternativa;

a figura 9 é um diagrama da fenda no topo da pá extensora que é preenchida com uma fita metálica, zíper, ou fechamento de borracha; a figura 10 é um diagrama de uma torre de turbina de vento ilus-

trando como o módulo de pá estendida é levantado por um guindaste na na- cela; e

a figura 11 é um diagrama de um mecanismo de fixação de libe- ração rápida para o módulo de pá extensora. Nestas figuras, numerais similares se referem a elementos simi-

lares nos desenhos. Deve ser entendido que os tamanhos de componentes diferentes nas figuras podem não estar em escala, ou em proporção exata, e são mostrados para clareza visual e para o propósito de explanação. DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES PREFERIDAS Referindo-se à figura 10, que é um diagrama de uma torre de

turbina de vento 1 ilustrando como o módulo de pá estendida 2 é elevado por um guindaste na nacela 3. Um dispositivo de geração de energia de ven- to inclui um gerador elétrico alojado em uma nacela de turbina 3, que é mon- tada acima de uma estrutura de torre alta 4 presa ao solo. A turbina 5 está livre para rodar no plano horizontal de modo que tende a permanecer na tra- jetória da corrente de vento predominante. A turbina tem um rotor 6 com pás de passo variável 7, que rodam em resposta à corrente de vento. Cada uma das pás tem uma seção de base de pá 8 referida como uma pá raiz fixada a um cubo de rotor 9 e uma extensão de pá referida como uma pá extensora 2 que é variável em comprimento para fornecer um rotor de diâmetro variável. O diâmetro do rotor é controlado para estender completamente o rotor 6 em uma velocidade de fluxo baixo e retrair o rotor quando a velocidade do fluxo aumenta tal que as cargas distribuídas por ou exercidas no rotor não exce- dem limites determinados. O dispositivo de geração de energia de vento é mantido pela estrutura de torre 4 na trajetória da corrente de vento tal que o dispositivo de geração de energia é mantido no lugar horizontalmente em alinhamento com a corrente de vento. Um gerador elétrico é acionado pela turbina para produzir eletricidade e é conectado a cabos de transporte de energia interconectando o gerador com outras unidades e/ou a uma grade de força.

A captura de energia a partir de turbinas de corrente de vento ou marítima é diretamente proporcional à área de seção transversal varrida pe- las pás de rotor da turbina. Rotores convencionais utilizam pás de compri- mento fixo, unidas a um cubo rotativo. Estas pás podem ser de passo variá- vel (seletivamente rotativas em torno de seus eixos longitudinais) a fim de alterar o ângulo de ataque relativo ao fluxo de fluido que entra, principalmen- te para reduzir energia em velocidades de fluxo altas. Alternativamente, es- tas pás podem ser de passo fixo ou reguladas em estol, em que a elevação da pá e portanto a captura de energia cai dramaticamente quando as veloci- dades do vento excedem algum valor nominal. As pás de rotor de passo va- riável e reguladas em estol com diâmetros fixos são bem conhecidas na téc- nica. A Patente U.S. 6.726.439 B2 acima identificada, descreve um conver- sor de energia de fluxo de vento ou água compreendendo uma montagem de rotor atuado por fluxo de vento ou água. O rotor compreende uma plurali- dade de pás, em que as pás são variáveis em comprimento para fornecer um rotor de diâmetro variável. O diâmetro do rotor é controlado para esten- der completamente em velocidade de fluxo baixo e para retrair o rotor quan- do a velocidade de fluxo aumenta tal que as cargas distribuídas por ou exer- cidas no rotor não excedem limites determinados.

Referindo-se à figura 1, que é uma vista em perspectiva de uma pá de rotor 7 da presente invenção, compreendendo uma seção de base 8, um transportador 10 e um extensor 11 formando um módulo extensor 2, com uma pá de rotor extensível 7 completamente estendida. Um rotor tem uma pá de raiz (seção de base 8 da pá) e uma pá extensora 11. Um freio de fric- ção opcional é suprido para travar a viga de módulo extensor quando a pá extensora 11 está em uma posição desejada. Por segurança, o freio é apli- cado quando não ativado, e é liberado quando ativado por um sistema hi- dráulico ou outro sistema de ativação. Portanto, o freio está sempre em uma condição segura contra falha.

Esta invenção se refere a um método e aparelho de fornecer suporte estrutural para uma pá de turbina de vento 7 que tem um módulo aerodinâmico externo destacável 2 com um aspecto telescópico que, quando estendido para fora, aumenta o diâmetro do rotor e captura mais energia de vento durante períodos de ventos menores, e encaixa (retrai) para reduzir a exposição de energia de vento em ventos mais altos.

Referindo-se à figura 11, que é um diagrama de um mecanismo de fixação de liberação rápida 13 para o módulo de pá extensora 2. A parte de pá telescópica 2 é designada como um módulo (figura 1) que pode ser fixado ou destacado da pá de base 8 para manutenção, como mostrado na figura 11. Este é um aspecto importante desde que um sistema de pá teles- cópica 2, que não se destaca da pá de base 8 seria problemático em manu- tenção e substituição.

As bases para desenvolver o sistema estrutural da presente in- venção é que o invólucro de aerofólio tem um formato de seção transversal, que não é adequado para adaptação estrutural a uma ação telescópica co- mo seria um formato perfeitamente tubular, particularmente fornecido pelas forças que atuam na pá a partir de impulso do vento, força da gravidade e centrífuga. O sistema estrutural portanto é pretendido para fornecer suporte para o invólucro de aerofólio estendendo a viga estrutural (ou longarina) da pá de base 8 através do módulo telescópico 2 da pá, quando está retraída e estendida.

Referindo-se às figuras 2-4, que ilustram a viga de módulo ex- tensor 12 dentro da pá de base, mostrando a viga de pá de base 14 com a extremidade de fixação do módulo extensor fixada na mesma, a viga do in- vólucro de aerofólio transportador 10, o invólucro de aerofólio transportador propriamente dito, o módulo de base 8, 14, e a junta de fixação 13 do módu- lo transportador 10, 12 no módulo de base. Os elementos estruturais podem ser de modalidades a, b ou c descritas abaixo:

a. Uma viga de módulo de pá extensora 12 (figura 2) que se es- tende da extremidade de fixação do módulo, monta na placa de face de fixa-

ção 15 (figura 3), e se estende através do invólucro de aerofólio transporta- dor 10 (figura 4). Este desenho não tem a viga 12 fixada tanto no interior de topo quanto no interior de fundo do invólucro de aerofólio transportador 10.

Referindo-se à figura 5, que uma vista mais detalhada do apare- lho mostrado na figura 4, que mostra a viga 12 do invólucro de aerofólio transportador 10 com os carrinhos lineares 16 fixados na viga transportadora 12, os trilhos de guia 17 para os mancais lineares 16, o invólucro de aerofó- lio transportador 10 propriamente dito, a placa de face de módulo transpor- tador 19, e a junta de fixação 13 do módulo transportador 10, 12 no módulo de base 8, 14, e à figura 6, que é um diagrama recortado do aparelho mos- trado na figura 5.

O único suporte estrutural que o aerofólio transportador 10 tem é a placa de face de extremidade de fiação de módulo 19 (figura 5) e na ex- tremidade onde o módulo transportador 10, 12 se sobrepõe com a pá exten- sora 11, e se deslocando no invólucro de aerofólio de pá extensora, que con- tém a viga extensora que se sobrepõe com a viga transportadora de módulo deslizando sobre cada uma em operações de extensão ou extração.

b. Uma estrutura alternativa (figura 8) é uma viga transportadora 12 fixada somente no interior inferior do invólucro de aerofólio transportador do módulo, e vigas duplas ou "de suspensão" do aerofólio de invólucro extensor 11 se deslocando na viga transportadora 12 e fixadas no interior superior do aerofólio extensor. Isto resulta em uma fenda 20 se deslocando longitudinalmente na superfície de fundo do aerofólio extensor para acomo- dar a viga da seção transportadora do módulo.

c. Referindo-se à figura 7, que um diagrama de seção transver- sal do aparelho mostrado na figura 5 que mostra o invólucro extensor a ju- sante 11', o invólucro extensor a montante 11" e o espaço entre os mesmos, o invólucro de aerofólio transportador 10, a viga transportadora 12, e os mancais 17 fixados nas vigas de suspensão extensoras 21 de cada invólucro extensor. A viga transportadora 12 é fixada no interior do invólucro de aero- fólio superior e inferior 10 da seção "transportadora" com o aerofólio exten- sor 11 na forma de um aerofólio de corda dividida resultando em um aerofó- lio de duas peças com seções dianteira (invólucro extensor a montante 11"), e traseira (invólucro extensor a jusante 11') e cada uma contendo uma viga "de suspensão" 21, que desliza na viga transportadora vertical 12. Isto tam- bém resulta em uma fenda longitudinal ou espaço no topo e no fundo do ae- rofólio extensor 11 entre a seção dianteira 11" do aerofólio e a seção traseira 111 do aerofólio dividido do extensor.

Isto resulta em uma estrutura em que a viga de módulo de pá extensora 12 está na forma de uma parede, uma borda superior e/ou inferior da parede sendo conectada na pá transportadora 10, a pá extensora 1 sen- do dividida pela parede em um invólucro extensor a montante 11' e um invó- lucro extensor a jusante 11".

A viga transportadora 12 (figura 2) e as vigas de suspensão ad- jacentes 21 têm carrinhos de mancai lineares 16 (figura 7) como uma inter- face. Os carrinhos de mancai linear 16 são fixados na viga interna 12 da pá principal 10 e os trilhos de carrinho 17 nos quais os carrinhos se deslocam são fixados na vida de suspensão 21 das pás de ponta retrátil 11', 11". Exis- te uma sobreposição de 1,5M entre as duas pás. As pás de ponta consistem em uma seção de borda dianteira 11" e uma seção de borda traseira 11' que são conectadas pela ponta da pá, resultando em um extensor de aerofólio dividido 11.

O extensor de aerofólio dividido 11 pode ter um mecanismo para interligar mecanicamente a seção de aerofólio dianteira 11" e a seção de aerofólio traseira 11' quando o elemento externo da pá é estendido,e para desligar mecanicamente quando a pá é retraída.

Tanto no caso b quanto c, a pá extensora 11 (figuras 7 e 8) tem fendas longitudinais 20 que deteriorariam a eficiência do aerofólio. Referin- do-se à figura 9, que é um diagrama da fenda 20 no topo da pá extensora 11 que é preenchido com uma fita metálica, zíper, ou fechamento de borracha 22. Um aspecto chave deste desenho é o uso de uma tira de aço ou plástico fina (similar a uma fita de medição) que preenche as fendas do aerofólio 11 na medida em que é estendido, e retrai ou enrola quando a pá externa é re- traída. Um método alternativo de manter a eficiência aerodinâmica do aero- fólio é com um zíper que fecha para preencher a fenda longitudinal quando a pá externa 11 é estendida, e também para abrir o zíper quando a pá externa se retrai. O zíper pode ser de um material de tela tal como tecido com dentes de zíper ou sobrepondo tiras de borracha que são movidas para fora do ca- minho pela ação da pá extensora 11. Em ambos os casos, as vigas externas 21 deslizam na viga in-

terna 12 e quando completamente estendida as vigas interna e externa se sobrepõem suficientemente para transferir o suporte estrutural para a pá ex- terna estendida 11 enquanto mantém um formato aerodinamicamente efici- ente.

Como mostrado na figura 11, o módulo pode fixar na pá de base

através de um sistema correspondente de liberação rápida 13 que transfere o suporte estrutural da viga da pá de base para a viga do módulo. A pá de base também tem energia elétrica e fiação de controle que conecta ao mó- dulo para acionar o mecanismo e realizar as funções de controle. Como mostrado na figura 10, acesso à área de fixação de módu-

lo da pá de base é através de um orifício 23 e passagem de dobra 24 na tor- re de turbina de vento 4 que, quando abertas, estende uma rampa para ma- nutenção e substituição de módulo. A remoção ou fixação do módulo 2 é auxiliada por um guindaste a bordo na nacela 3 da turbina 5, alimentando um cabo de guindaste 25 através do cubo de rotor de turbina 9 para baixo através da pá principal 8 para pontos de fixação de liberação rápida 13 no módulo (figura 11).

Unidade de Controle de Turbina

A Patente U.S. 6.726.439 para Mikhail e outros, depositado em 27 de abril de 2004 para "Retractable rotor blades for power generating wind and ocean current turbines and means for operating below set rotor torque limits" descreve uma turbina de vento em que o rotor compreende uma plu- ralidade de pás, em que as pás são variáveis em comprimento para fornecer um rotor de diâmetro variável.

Na patente 6.726.439, o diâmetro de rotor é controlado para es- tender completamente o rotor em velocidade de fluxo baixo e para retrair o rotor quando a velocidade de fluxo aumenta tal que as cargas distribuídas por ou exercidas no rotor não excedem limites determinados. O torque me- cânico (ou impulso) distribuído pelo rotor é controlado tal que o torque (ou impulso) é limitado para abaixo de um valor limite. Isto tem a vantagem de permitir uma configuração de pá de rotor estendida para operar dentro dos limites de carga de impulso e torque ajustáveis. Isto permite a adaptação de um grande número de desenhos de fabricantes de jogo de energia de turbi- na de vento ou a uma variedade de condições de operação através do uso de determinados pontos de controle diferentes, e similarmente permite o rea- juste de turbinas de vento instaladas existentes. O sistema de controle governa o raio de rotor variável, o passo

das pás de rotor, e a taxa rotacional do rotor, usando uma ou mais das en- tradas de sensor seguintes:

- medição de saída de energia;

- medição de velocidade rotacional de rotor; - medição de torque de rotor;

- medição de posição de pá de rotor extensível;

- medição de ângulo de passo de pá de rotor; - medição de carga de curvatura de pá de rotor; e

- medição de cargas de curvatura em uma estrutura de suporte.

A Unidade de Controle de Turbina realiza funções de controle de

acordo com os métodos descritos na Patente U.S. 6.726.439. Isto é, um mé- todo de controle controla o sistema de rotor para operar dentro de quatro regiões. Uma primeira das regiões sendo em velocidades abaixo de ligação, uma segunda das regiões sendo sobre uma faixa de velocidades intermediá- rias que rendem produção de energia variada, e uma terceira das regiões estando em velocidades maiores em que as turbinas produzem energia constante ou diminuindo ligeiramente a fim de limitar cargas, e uma quarta das regiões estando em velocidades extremamente altas em que as turbinas desligam.

Em adição, o método de controle controla o sistema de rotor pa- ra operar dentro de uma quinta região em que o diâmetro do rotor é variado enviando sinais sobre um barramento para carrinhos lineares manter a ope- ração dentro de um regime de cargas especificado. O regime de carga es- pecificado pode ser tal que, em todas as velocidades de fluxo de vento ou água abaixo de uma velocidade de fluxo exigida para atingir energia nomi- nal, o diâmetro do rotor é estendido a um diâmetro máximo permissível para permanecer dentro dos limites de carga de rotor especificados. Os limites de carga de rotor podem ser, por exemplo, limitações no impulso de rotor e/ou torque de eixo. Para permitir o movimento axial da pá de rotor extensível, os dois freios devem ser desativados por sinais.

Enquanto a invenção foi particularmente mostrada e descrita com referência a modalidades preferidas da mesma, será entendido por a- queles versados na técnica que o precedente e outras mudanças na forma e detalhe podem ser feitas na mesma sem se afastar do escopo da invenção.

Claims (7)

1. Estrutura de pá de rotor extensível, compreendendo: um módulo de pá de base (8) incluindo uma viga de módulo de pá de base (14); e um módulo de pá extensora (2) incluindo uma viga de módulo de pá extensora (12), que é conectada à viga de módulo de pá de base (14); o dito módulo de pá extensora (2) compreendendo uma pá transportadora (10), que é conectada ao módulo de pá de base (8), e uma pá extensora (11), que se desloca na viga de módulo de pá extensora (12) para extensão e retração; caracterizada pelo fato de que: a pá extensora (11) é conectada à viga de módulo de pá exten- sora (12) por carrinhos de mancai linear (16) e trilhos de guia respectivos (17), e o módulo de pá extensora (2) é conectado de modo destacável no módulo de pá de base (8) para fácil acesso para serviço e manutenção, fornecendo uma estrutura de pá de rotor extensível modular.

2. Estrutura, de acordo com a reivindicação 1, em que os carri- nhos de mancai linear (16) são transportados pela viga de módulo de pá ex- tensora (12).

3. Estrutura, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que a viga de módulo de pá extensora (12) está livre de contato com a pá transpor- tadora (10).

4. Estrutura, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que a viga de módulo de pá extensora (12) está na forma de uma parede, uma borda superior ou uma inferior da dita parede sendo conectada à pa trans- portadora (10).

5. Estrutura, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que a viga de módulo de pá extensora (12) está na forma de uma parede, uma borda superior ou uma inferior da dita parede sendo conectada à pa trans- portadora (10), a pá extensora (11) sendo dividida pela dita parede em um invólucro extensor a montante (11') e um invólucro extensor a jusante (11").

6. Estrutura, de acordo com a reivindicação 4 ou 5, compreen- dendo meio (22) para fechar o espaço (20) ou os espaços da pá extensora (11) na posição estendida.

7. Sistema de geração de energia de fluxo de fluido, compreen- dendo: uma turbina montada em uma estrutura que é mantida estacio- nário no eixo horizontal com referência ao fluxo de fluido; a dita turbina compreendendo um rotor e sendo posicionada na dita estrutura tal que o dito rotor está em alinhamento com a direção de fluxo de fluido; e o dito rotor compreende pelo menos uma estrutura de pá de ro- tor extensível, de acordo com a reivindicação 1 a 6.