BRPI0808474A2 - Rotor de instalação de energia eólica. - Google Patents
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Description
“ROTOR DE INSTALAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA” r
Area da invenção
A invenção geralmente refere-se uma exploração de energia baseada em energia eólica. Mais especificamente a invenção refere-se um rotor de instalação de energia eólica. Concretamente, a invenção refere-se a um rotor reforçado de instalação de energia eólica onde cada lâmina de rotor é giratoriamente disposta em tomo de seu próprio eixo geométrico de comprimento em relação aos elementos de reforço de rotor.
Técnica anterior
Energia do vento está correntemente competindo com o
r
crescente número de diferentes tipos de fontes de energia. E crucial que turbinas eólicas sejam construídas em uma maneira simples e boa, e que elas sejam eficientes na operação. A tendência dos anos recentes é a de construir turbinas maiores. Essas exploram muito melhor as áreas ventiladas, e são parcialmente mais eficientes em termos de custo que os menores modelos, quando são levadas para a fabricação, instalação e operação.
A energia é produzida pelas lâminas de rotor transferindo momentos de torsão para o eixo de rotor. Momentos consideravelmente maiores sobre as lâminas de rotor, todavia, defletem as lâminas de rotor para fora do plano do rotor na direção do vento. As conexões com o eixo de rotor tomam-se assim grandes quando três grandes lâminas de rotor devem ser fixadas.
A solicitação por unidades maiores implica que as lâminas de rotor têm que ser tomadas mais longas e mais fortes porque elas proporcionam acesso à energia eólica a partir de uma maior área de centro circular. A velocidade relativa U entre lâmina de rotor e ar é a máxima entre a ponta mais extema. As forças correspondentes são também elevadas. Energia disponível sobre a área circular aumenta com o diâmetro D x D, enquanto o peso dos materiais e o custo de partes congruentes são proporcionais ao D x D x D. Com respeito ao dimensionamento de fadiga causada pela gravidade, pode ser mostrado que o peso dos materiais deve ser elevado com D até a potência de quatro para manter a mesma resistência. A partir disto, pode ser entendido que as lâminas de rotor tomam-se relativamente mais espessas, 5 mais largas, mais pesadas e mais caras. Isto estorva o desenvolvimento em direção a instalações maiores.
Com respeito à técnica anterior, ela é geralmente referida com "Manual de Energia Eólica", de Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin Bossanyi. ISBN 0471489972, John Wiley & Sons Ltd, 2001, West 10 Sussex, Inglaterra, ou "Priorizando Pesquisa de Energia Eólica — Agenda de Pesquisa Estratégia do Setor de Energia Eólica" — Associação de Energia Eólica Européia, julho de 2005, www.ewea.org.
A exploração moderna de energia eólica implica quase que exclusivamente no uso de rotores com 3 lâminas de rotor com raio atualmente 15 sendo de até 63 metros. Esses são produzidos e transportados em comprimentos inteiros, o que evidentemente constitui um desafio crescente quando a linha de negócios fala sobre lâminas de rotor de 100 metros em alguns anos. Grandes recursos foram despendidos em vários países a fim de tomar as lâminas de rotor eficientes e, em adição, suficientemente fortes, 20 particularmente quando ocorre fadiga. Elas também têm que ser suficientemente rígidas para não tocar a estrutura de torre. Uma visão comum na área hoje em dia é que um rotor com 3 lâminas de rotor é ótimo (ref. "Manual de Energia Eólica").
Quando o diâmetro de rotor aumenta, a mesma frequência de rotação causará com que a velocidade mais longe ou afastada ultrapasse 60- 70 m/s, e problemas de ruído irão aparecer, tomando as estruturas desfavoráveis para a instalação na paisagem.
Maiores rotores de instalação de energia eólica, baseados em terra, por conseguinte, terão menor velocidade de rotação que atualmente, o que toma provável que a eficiência de rotores de três lâminas se reduza um pouco em comparação com modelos menores; as lâminas de rotor passarão sua área em um ciclo mais lento.
As modernas grandes turbinas são virtualmente, todas, 5 construídas com três lâminas de rotor não reforçadas de tamanhos crescentes. Contra-estais, todavia, não são desconhecidos na área. Os assim chamados contra-estais de anel foram usados em 1957 na bem conhecida turbina Gedser construída por Johannes Juul 1956-57, www/windpower.org/da/pictures/juul.htm. Nem é um eixo de rotor prolongado para frente e provido com contra-estais 10 radiais de “eixo de rotor” para trás em direção a cada lâmina de rotor desconhecida, por exemplo a mesma turbina de Gedser, ou o tradicional moinho de 4 lâminas a partir do 18° século. As lâminas de rotor não eram, todavia, giráveis até qualquer extensão significante.
A patente Alemã DE-19606359-A1 “Rotorhalterung für
Windkraftmaschinen unter Verwendung von Stangen oder ahnlichen Haltelementen” por Helmut Maas, 14th August 1997, apresenta também uma forma de contra-estais que reforça cada lâmina de rotor, como um mastro, com chifres das árvores cruzadas, e contra-estais simétricos. Esta solução reduz as forças de deflexão na lâmina de rotor, mas não é prática porque os 20 contra-estais mais próximos à torre estão no caminho, tomando muito difícil montar o rotor sem que ele toque a torre. Uma vantagem da solução Alemã de acordo com a DE-196063 59-A1 é que as lâminas de rotor podem ser giradas. Forças de deflexão e fadiga próximas à raiz de lâmina de rotor são, todavia, provavelmente até mesmo maiores que para lâminas de rotor não reforçadas. 25 Os contra-estais proporcionam vantagens demasiadamente pequenas também para esta solução para as extras desvantagens a serem aceitáveis.
Existem mais textos de patente que apresentam diferentes variantes do tipo de contra-estais, por exemplo, a US 4,822,247 "Rotor for a wind-driven generator" de Alberto K. Heinz, US 5,531,567 "Vertical axis wind turbine with blade tension" de John R. Hulls, DE-3628626-C2 “Windkraftmachinen-Regelung” de Peter Frieden, DE-33328 IO-Al “Vorrichtung zur Ausnutzung von in Land- und Seewind enthaltener Energie” de Günter Wagner, DE-3413191-A1 “Rotor ftir Windkraftwerke” de Rolf 5 Maderthoner e DE-3000839-A1 “Windkraftanlage mit einstufiger Übersetzung” de Bemd Krieg. Nenhuma das invenções acima mencionadas apresenta as características marcantes da presente invenção.
A lista abaixo apresenta problemas com soluções de acordo com a técnica anterior:
- Forças de flexão e deflexão das lâminas de rotor durante uso
causam fadiga e podem adicionalmente resultar em ausência de distância até a estrutura de torre.
- Por conseguinte, a estrutura de torre normalmente é projetada como um grande tubo cônico. O custo de material e o conceito são, todavia,
inapropriados para grandes tamanhos.
- A falta de reforço causa tensão de fadiga sobre os materiais, que limita a vida útil das lâminas e da torre, e outros componentes.
- O comprimento das lâminas tem que ser limitado porque as lâminas de rotor se tomam pesadas se elas tiverem que ser suficientemente
rígidas. Isto, por sua vez, causa fadiga prematura devida às forças gravitacionais. Tudo isso toma os grandes raios de rotor muito caros e inapropriados em comparação com os ganhos que podem ser atingidos.
- O giro das lâminas de rotor em tomo do eixo geométrico longitudinal é necessário para o controle ótimo do ângulo das lâminas de rotor
sob operação normal, e para "posição de repouso", por exemplo pelo vento intenso. Eventuais elementos de reforço de rotor tomam isso difícil e esses não estão virtualmente em uso atualmente.
- Longas lâminas de rotor são difíceis de serem transportadas.
- Os elementos de reforço causam elevado mído a partir do rotor da instalação de energia eólica e restringe a rotação por causa do arraste de ar.
Sumário da invenção
A invenção refere-se a um rotor de instalação de energia eólica compreendendo duas ou mais lâminas de rotor e elementos de reforço de rotor adaptados para reforçar o rotor, onde as lâminas de rotor são dispostas de modo que elas são giráveis em tomo de seus eixos geométricos longitudinais em relação aos correspondentes elementos de reforço de rotor. Cada lâmina de rotor pode compreender pelo menos duas partes de lâmina de rotor onde a parte de lâmina de rotor externa pode ser giratoriamente disposta em relação à parte de lâmina de rotor interna. Usualmente cada lâmina será provida com elementos de reforço de lâmina, os quais substancialmente reduzem deflexões e forças de flexão nas lâminas. A solução facilita o uso de lâminas de rotor mais longas e mais delgadas ao mesmo tempo em que a resistência e rigidez aumentam. Assim, forças de fadiga são reduzidas, enquanto a correspondente estrutura de torre pode ser feita mais rígida e mais leve. Os custos de fabricação e transporte são reduzidos, e a parte de lâmina externa pode ser feita em duas partes separadas para facilitar o transporte e manuseio fáceis.
O giro das lâminas de rotor é uma exigência importante que é 20 relevante pelo "controle de passo" comum do ângulo de lâmina de rotor quando o vento varia em força. O giro das lâminas de rotor é também importante quando da parada do rotor, e para redução das forças quando o vento ultrapassa aproximadamente 25 m/s. Tal paralisação normalmente tem lugar sem girar em afastamento a partir da direção de vento. Será também de 25 interesse deixar o eixo do rotor parado voltado contra o vento, se este deva provir de diferente direção, por energia de rede tradicional ou energia de reserva alternativa acumulada. Assim, é garantido que um rotor paralisado não seja sujeito a inapropriadas direções de tensão.
O número de lâminas de rotor para grandes instalações (raio de aproximadamente 50 metros e mais) devem ser de 4 a 6. Relações físicas implicam que essas tenham que ser mais delgadas em relação ao comprimento a fim de funcionar com uma alta eficiência.
A presente invenção reduz grandes dimensões, grandes 5 massas, grandes deflexões e grandes cumprimentos, ao mesmo tempo ganhando considerável resistência extra na construção. Deste modo, é factível construir instalações de energia eólica, as quais, até uma grande extensão, ultrapassam o desempenho prévio quando apresentam tanto tamanhos geométricos quanto eficiência econômica.
De acordo com a presente invenção, as lâminas de rotor são
dispostas giráveis relativamente livremente em tomo de seus eixos geométricos longitudinais em relação aos correspondentes elementos de reforço de rotor. Isto permite o eficiente controle de ângulo de lâmina de rotor para o rotor de instalação de energia eólica com elementos de reforço, o que, por sua vez, facilita uso de longas lâminas de rotor sem essas serem demasiadamente grandes ou demasiadamente pesadas, e assim a constmção de grandes turbinas eólicas de custo eficiente, com baixo ruído e vantagens operacionais na forma de longa vida útil. Em uma forma de construção, as lâminas de rotor giráveis podem ser em duas partes. Uma conexão tubular entre os elementos de lamina de rotor internos e externos assegura uma conexão rígida sem o risco de deslizamento para fora, que ao mesmo tempo permite a integração de um dispositivo de conexão para elementos de reforço de rotor, algo que contribui consideravelmente de modo que as lâminas de rotor podem ser construídas em duas ou mais partes, facilitando assim a fabricação mais fácil e o transporte. A conexão tubular - o elemento de união
- pode ser uma parte de uma das partes de lâmina, ou um dispositivo separado.
Os elementos de reforço podem ser conformados com uma seção transversal externa aerodinâmica, tal como, por exemplo, um perfil de gota ou de asa, a fim de reduzir arraste de ar e ruído audível. O formato dos elementos pode, em certos casos, causar com que os elementos contribuam positivamente para a produção de energia.
Alguns efeitos positivos da invenção podem ser resumidos
como segue:
- Uma construção mais forte, mais delgada e mais leve.
Aproximadamente 30-40% de redução em material e custos de
construção, até mesmo com um aumento no número de lâminas de rotor de 3 para 4. Tensão reduzida na lâmina de rotor e no suporte em direção ao eixo de
rotor. Prospectos de juntas simples que não têm que transferir grandes forças de flexão.
- Lâminas de rotor consideravelmente mais rígidas. Isto facilita maior folga ou distância entre torre e pontas de lâmina de rotor e, deste modo, espaço para projetar torres com três ou quatro pernas que são mais altas e
mais eficientes em termos de custo que as monocolunas correntes. Lembre que as colunas tradicionais fornecem movimentos consideráveis ("em mar bravo") na torre sob operação.
- Manuseio é simplificado e custo de fabricação e custo de transporte são reduzidos. As partes são ficando mais curtas, e possivelmente
até mesmo mais importantes: as lâminas de rotor são se tomando mais delgadas. O transporte sob pontes e sobre rodovias normais é facilitado. Turbinas consideravelmente maiores podem simplesmente ser construídas em terra. O tamanho economicamente ótimo aumenta de aumenta de 2-3 MW para aproximadamente 12 MW.
- Prospectos de constmção de turbinas eólicas com raio de
rotor consideravelmente maior que o de hoje em dia. Consideráveis conseqüências positivas para a extensão de energia renovável.
- Menores forças de flexão e, assim, giro mais fácil da lâmina de rotor. A realização do controle de passo das lâminas de rotor é feita provavelmente com menos equipamento potente. Isto possivelmente pode ter lugar mais rapidamente e,assim, reduzir grandes forças dentro da lâmina de rotor e rotor.
- Prospectos de arquitetura aperfeiçoada e disposição de instalações de energia eólica.
Breve descrição das figuras
A seguinte descrição detalhada de formas de construção da invenção, vista em relação com os desenhos anexos, fornecerão um entendimento mais compreensivo da invenção.
A figura 1 apresenta uma turbina eólica compreendendo um rotor de instalação de energia eólica de acordo com uma forma de construção da invenção.
A figura 2a, 2b apresentam vista de seção transversal de uma lâmina de rotor com correspondentes elementos de reforço de rotor.
A figura 3a apresenta vista de seção transversal de lâmina de rotor em duas peças com correspondente fixação e elementos de reforço.
A figura 3 b apresenta vista de seção transversal detalhada de lâmina de rotor em duas peças com correspondente fixação e elementos de reforço.
A figura 3 c apresenta vista de seção transversal detalhada de uma lâmina de rotor em duas peças, com correspondente fixação e elementos de reforço.
Descrição detalhada de formas de construção da invenção
Um exemplo de forma de construção de um rotor de instalação de energia eólica com lâminas de rotor em duas peças (20, 30) de acordo com a invenção é descrita com referência às figuras.
A figura 1 apresenta um moinho eólico com torre (12) e rotor de instalação de energia eólica, de acordo com a invenção. O rotor de instalação de energia eólica compreende um eixo de rotor (10), quatro lâminas de rotor (20, 30), cada das quais compreende duas partes de lâmina de rotor (1, 2), e um número de elementos de reforço (5-9) incluindo elementos de reforço radiais de lâmina (7 e 8) e elementos de reforço tangenciais de rotor ou reforço de anel (9), e suporte de eixo de rotor.
5 As figuras 2 e 3 apresentam uma lâmina de rotor em duas
peças (20, 30) com correspondentes elementos de união e reforço. Nesse exemplo de forma de construção, cada lâmina de rotor compreende uma parte de lâmina de rotor interna (1) e uma parte de lâmina de rotor externa (2) dividida em duas em algum ponto no lado interno do centro da lâmina de 10 rotor. As partes de lâmina de rotor (1,2) são mantidas juntas por elementos de união na forma de uma conexão tubular (11) que se estende de uma parte de lâmina de rotor (2), através da caixa e para dentro da outra parte de lâmina de rotor (1), onde ela é travada contra deslizamento para fora por meio de uma conexão suficientemente forte. O giro relativo de aproximadamente +/- 10 15 graus entre as partes de lâmina de rotor (1, 2) é controlado por meio de mecanismo elétrico ou hidráulico, tal como um cilindro hidráulico. A conexão completa entre a conexão tubular (11) e a parte de lâmina de rotor interna (1) é montada com caixas ou mancais de rolamento que podem ser dispostos em conexão com um dispositivo de conexão (3) ou o elemento de união (11).
Um dispositivo de união para lâmina de rotor na forma de um
disco (3) é montado sobre a conexão tubular (11) de modo que as partes de lâmina de rotor (1 e 2) e o disco (3) podem girar um em relação ao outro. Dito disco (3) é fixado no suporte de eixo de rotor (6) e no reforço de anel (9). Pelo menos o reforço de anel (9) está tipicamente sob tração, e juntamente com o 25 suporte de eixo de rotor (6), esse irá estorvar a translação e rotação do disco (3) de modo que o centro da lâmina de rotor é fixo.
Uma estrutura provê que um elemento de espaçamento (5), que é fixado na parte de lâmina de rotor (2), no lado externo do disco (3) de modo que o elemento de espaçamento (5) e os elementos de reforço de lâmina (7 e 8) que são ajustados ao longo da maior parte da lâmina de rotor (1 e 2) em direção ao topo do elemento de espaçamento, significantemente reduzem as forças de flexão na parte central da lâmina de rotor (20, 30). As maiores forças de flexão se originam, como uma conseqüência das grandes forças de 5 elevação aerodinâmicas e dos efeitos dinâmicos correlacionados com isto, e elas são captadas pela tração nos elementos de reforço de lâmina (7 e 8). Forças de flexão relativamente pequenas na divisão da lâmina de rotor (20, 30) são assim atingidas, e esta conexão fica assim menos compreensiva e complicada.
Os elementos de reforço (5) a (9) podem ter uma seção
transversal externa de, por exemplo, formato de gota ou seção transversal de lâmina de rotor.
A parte de lâmina de rotor (1) tem rebaixos para o reforço de anel (9), e os elementos de reforço (7 e 9) podem ser providos com tensores ou outros dispositivos de fixação, de modo que a montagem e ajustes de todo o rotor podem ser praticamente factíveis.
Pode ser mostrado que os contra-estais/suportes extras somente têm insignificante influência negativa sobre a capacidade de o rotor coletar energia, particularmente se aos mesmos forem dado um formato oval ou o formato de uma asa, que reduz forças de arraste.
As lâminas de rotor (1,2) podem ser pré-tensionadas de modo que os elementos são mantidos em tração. Esses podem ser denominados contra-estais. A turbina pode também ser automaticamente girada contra o vento de modo que as maiores cargas de vento provêm puramente a partir da 25 parte frontal ou do lado. Isto facilita documentação de suficiente resistência em todas as situações de carga prováveis.
A invenção pressupõe um sistema de controle normal para lâminas de rotor e turbina com sensores, obtenção de dado e lógica, adaptados às características da construção. A invenção permite que cada lâmina de rotor seja girada individualmente sem ser estorvada pelas lâminas de rotor propriamente ditas ou por outros elementos. Tal giro pode ser realizado, como é conhecido na área, por mecanismos hidráulicos ou elétricos. As lâminas de rotor podem ter características em comum com construções já existentes, por 5 exemplo o assim chamado controle de passo, de modo que cargas e oscilações na turbina são reduzidas. Existe também espaço para as partes internas e externas das lâminas de rotor (1,2) serem independentemente giradas. Isto se abre para controle de passo novo e mais rápido das lâminas de rotor por deixar a parte exterior ser responsável pela fina sintonização dos ângulos, 10 enquanto a parte interna gira no caminho para ou a partir da posição paralisada.
Os elementos tangenciais (9), os quais são também referidos como o reforço de anel, limitam as cargas cíclicas para cada revolução, de modo que a resistência em direção à fadiga causada por forças de gravidade é consideravelmente melhorada.
Materiais tradicionais, como epóxido reforçado com fibras de vidro, caixas de bronze, cabo de aço e materiais de aço podem ser usados como um ponto de partida. Para partes particulares, tais como elementos de reforço ou caixas, materiais mais exóticos poderiam ser considerados e usados 20 a fim de reduzir peso ou aumentar a vida útil. Por exemplo, a parte externa do eixo de rotor poderia ser construída de epóxido reforçado com fibras de vidro.
Uma lenta velocidade de rotor pode ter um efeito calmante sobre os espectadores. Combinada com 5 lâminas de rotor, a invenção pode originar experiências visuais completamente diferentes que as soluções atuais.
Claims (11)
1. Rotor de instalação de energia eólica compreendendo: - um eixo de rotor (10); - duas ou mais lâminas de rotor (20, 30) fixadas em dito eixo de rotor (10), onde as lâminas de rotor (20, 30) são dispostas de modo que elas podem girar em tomo de seus eixos geométricos longitudinais; - elementos de reforço de rotor (6, 9) para reforçar o rotor de instalação de energia eólica; e - dispositivos de conexão (3) conectando os elementos de reforço de rotor (6, 9) um com o outro e as lâminas de rotor (20, 30); onde o rotor de instalação de energia eólica é caracterizado pelo fato de que - as lâminas de rotor (20, 30) são dispostas de modo que elas podem girar em tomo de seus eixos geométricos longitudinais em relação aos correspondentes elementos de reforço de rotor (6, 9), e - cada lâmina de rotor (20, 30) compreende pelo menos duas partes de lâmina de rotor (1,2) com correspondentes elementos de união (11), e - as lâminas de rotor (20, 30) incluindo a divisão das lâminas nos elementos de união (11) são reforçadas contra deflexões de encurvamento pelo uso de elementos de reforço de lâmina (7, 8) ao longo das partes de lâminas de rotor (1,2) conectadas a um elemento de espaçamento (5).
2. Rotor de instalação de energia eólica de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os elementos de reforço (6, 9) compreendem suportes de eixo de rotor (6) e/ou reforço de anel (9).
3. Rotor de instalação de energia eólica de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que dita pelo menos duas partes de lâmina de rotor (1, 2) são conectadas pelo elemento de união (11) compreendendo uma conexão tubular estendendo-se da uma parte de lâmina de rotor (2) e para dentro da outra parte de lâmina de rotor (1), onde a conexão tubular é travada contra deslizamento para fora.
4. Rotor de instalação de energia eólica de acordo com as reivindicações 1-3, caracterizado pelo fato de que os dispositivos de conexão (3) compreendem um elemento configurado como disco ou tubo, que é disposto para conduzir através de uma parte adaptada de correspondente lâmina de rotor (20, 30), e onde dito elemento compreende dispositivos de fixação para unir elementos de reforço de rotor (6, 9).
5. Rotor de instalação de energia eólica de acordo com as reivindicações 1-4, caracterizado pelo fato de que os dispositivos de conexão (3) compreendem caixas ou mancais de rolamento.
6. Rotor de instalação de energia eólica de acordo com as reivindicações 1-5, caracterizado pelo fato de que os elementos de união (11) entre as partes de lâmina de rotor (1,2) compreendem caixas ou mancais de rolamento.
7. Rotor de instalação de energia eólica de acordo com as reivindicações 1-6, caracterizado pelo fato de que uma parte de lâmina de rotor externa (2) é disposta de modo que ela pode girar em tomo de seu eixo geométrico longitudinal em relação à correspondente parte de lâmina de rotor intema (1).
8. Rotor de instalação de energia eólica de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o giro da parte de lâmina de rotor externa (2) é provido por um mecanismo de giro disposto próximo à conexão entre as partes de lâmina de rotor (1,2).
9. Rotor de instalação de energia eólica de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o mecanismo de giro é constituído por um mecanismo acionado eletricamente ou hidraulicamente.
10. Rotor de instalação de energia eólica de acordo com as reivindicações 1-9, caracterizado pelo fato de que compreende um ou mais elementos de reforço (5-9) que são formados com uma seção transversal externa aerodinâmica como, por exemplo, um perfil de gota ou asa, a fim de reduzir arraste de ar e ruído audível.
11. Rotor de instalação de energia eólica de acordo com as reivindicações 1-10, caracterizado pelo fato de que um ou mais dos elementos de reforço (5-9) são providos com tensores para assegurar eficiente reforço do rotor pela aplicação de força de tração apropriada aos ditos elementos de reforço (5-9).
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