BRPI0913564B1

BRPI0913564B1 - turbina eólica do tipo corredor rápido

Info

Publication number: BRPI0913564B1
Application number: BRPI0913564-2A
Authority: BR
Inventors: Gustave Paul Corten
Original assignee: Wobben Properties Gmbh
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2020-12-08
Also published as: EP2342453A2; EP2342453B2; AU2009292717A1; DK2342453T4; AU2009292717B2; PT2342453T; CN102187092B; US20110176926A1; CN102187092A; US9797368B2; BRPI0913564A2; DK2342453T3; EP2342453B1; ES2615329T5; WO2010033018A2; WO2010033018A3; KR20110063541A; ES2615329T3; CA2737886A1

Abstract

TURBINA EÓLICA DO TIPO CORREDOR RÁPIDO E GRUPO DE TURBINA EÓLICAS. Trata-se de uma turbina eólica que compreende uma pá de rotor, caracterizada pelo fato de que o sol (r1/r2), que é a relação de solidez no posição radial r, e a solidez na posição radial r2, em uma das combinações de r1/r2 especificadas na tabela, é maior do que qualquer um dos valores associados na tabela: sol ( 0,3r/0,5r) sol ( 0,5r/07r) sol (0,7r/0,9r), de preferência 1,45 1,5 1,5, com mais preferência 1,5 1,6 1,65 e ainda com maior preferência 1,6 1,7 1,8. Os rotores de acordo com a ivenção reduzem cargas tais como momentos de flexão de raiz de pá particulares, momentos de inclinação e momentos de guinada. Além disso, eles aumentam a eficiência da fazenda eólica e reduzem as cargas da fazenda eólica. Os efeitos da fazenda eólica tornam-se ainda mais benefícios quando ao turbinas no lado contra o vento em uma fazenda são operadas a uma relação de velocidade da ponta mais baixa do que a das turbinas no lado e sotavento. De acordo com uma realização particular da invenção as pás do rotor são equipadas com meios intensificadores da elevação.

Description

A invenção relaciona-se à distribuição da corda ao longo da extensão de uma pá de rotor de uma turbina eólica de eixo horizontal.

As pás do estado da técnica de turbinas eólicas têm a desvantagem de produzir cargas elevadas que aumentam os custos da energia eólica. Em particular os momentos de flexão nas raízes da pá são elevados. Essas cargas aumentam os custos da área da raiz da pá, do cubo, dos rolamentos do passo, etc. Quando os momentos de flexão da raiz das pás do mesmo rotor não são iguais, momentos elevados de guinada e de inclinação serão exercidos no cubo, na nacela, na torre e na fundação. Uma outra desvantagem do carregamento elevado das pás é que a turbina irá produzir um grande déficit de velocidade do vento na esteira. Em uma fazenda eólica, as turbinas localizadas em tais esteiras experimentam um carregamento elevado, particularmente no caso da operação parcial da esteira. Além disso, a produção de déficits de alta velocidade do vento nas fazendas eólicas irá reduzir a eficiência total da fazenda eólica de acordo com o conceito de Calor e Fluxo para o qual é feita referência à seção 2.1.2 em "Flow Separation on Wind Turbine Blades", ISBN 90-3932582-0 ou no documento US 7357 622 B2. Todas as cargas mencionadas são particularmente elevadas a uma velocidade do vento aproximadamente nominal da turbina, que é a velocidade do vento mínima na qual a turbina pode produzir a sua potência máxima. Uma outra desvantagem das pás existentes é que têm que ser feitas medidas para evitar que as pontas atinjam a torre em conseqüência de uma rajada intensa. Tais medidas incluem o uso de pás previamente flexionadas, o uso de fibras de vidro adicionais, o aumento da espessura da superfície de sustentação ou a substituição das fibras de vidro por tipos mais duros de fibras de vidro ou por fibras de carbono.

Além disso, as pás do estado da técnica também experimentam cargas elevadas sob condições extremas. Por exemplo, quando a turbina é paralisada, durante uma rajada intensa, as cargas por toda a extensão das pás às fundações pode ser muito elevada e irá acrescentar o custo da turbina.

Em um vento aproximadamente nominal, um método conhecido para aliviar as cargas é denominado aplainamento de pico. Aqui, as pás são lançadas a alguns graus em relação à aleta, de modo que a elevação produzida pelas pás é reduzida. Este método reduz algumas cargas, no entanto, não com certeza: as pás ainda podem desenvolver a alta elevação quando a direção do vento muda em um rajada ou quando o _ sistema de controle falha e a pá é lançada na direção errada. Existem muitos métodos ativos para aliviar cargas, tais como a mudança._da forma das_ superfícies de sustentação .ou o uso de * acionadores ativos para controlara aerodinâmica da superfície de sustentação. Esses métodos aumentam, no entanto, a freqüência da manutenção e desse modo os custos. E até mesmo quando um controle ativo reduz com sucesso as cargas em 99,9% do tempo, o caso muito raro de erros de controle pode conduzir a um aumento das cargas mais elevadas. Os projetistas de turbina eólica têm que contar com tais casos. O aplainamento de pico e os ditos métodos ativos têm pouco ou nenhum efeito sobre cargas extremas quando a turbina é paralisada. Um outro método conhecido para reduzir cargas consiste em otimizar o rotor até uma indução axial abaixo do valor ideal de a = 1/3 derivado por Lanchester em 1915 e frequentemente denominado limite de Betz.

O objetivo da invenção consiste na superação das desvantagens acima mencionadas. Algumas definições são introduzidas. A solidez é uma função do raio local r e é definida como Nc/ (2I1R) . Aqui, R refere-se ao raio do rotor e Nc refere-se ao comprimento total da corda de todas as pás na posição radial r. Uma turbina eólica pode ter pás de comprimentos diferentes ou pode ter pás que têm múltiplas 5 superfícies de sustentação em uma determinada posição radial.

Em todos os casos Nc é igual ã soma das cordas de todas as superfícies de sustentação na posição radial r. A corda c na posição radial r é definida como o menor valor da corda em uma faixa de largura c em torno da posição r. Quando uma 10 superfície de sustentação é equipada com uma borda anterior flexível, então as peças que podem flexionar durante as condições de geração de energia por mais de l%c não devem ser incluídas na corda c. A relação da solidez em uma primeira posição radiar ri e uma segunda posição radial_ r2 é expressa 15 como sol(ri/r2). O termo tipo de corredor rápido é empregado para dedicar a invenção às turbinas eólicas modernas com uma solidez total de menos de 0,1. A solidez, total é definida como a soma das áreas projetadas de todas as pásdo rotor dividida pela área varrida do rotor.

O objetivo da invenção é atingido por um rotor de turbina eólica com um diâmetro maior do que 10 m do tipo corredor rápido que tem uma sol(rx/r2) que é maior do que um número denotado na tabela abaixo.

Uma pá moldada de acordo com qualquer um dos critérios de sol(rx/r2) acima tem as seguintes vantagens: À relação da velocidade da ponta de uma velocidade do vento aproximadamente nominal, a indução axial induzida por um rotor com tais pãs é próxima de 0,3 no centro do rotor e diminui consideravelmente em posições radiais maiores. O 5 centro é desse modo operado próximo do ideal enquanto as partes externas estão mais afastadas desse valor ideal. Isto reduz as cargas nas pontas das pás e reduz desse modo os momentos de flexão da raiz da pá, bem com os momentos de inclinação e de guinada, etc. As cargas das pontas das pás 10 têm um impacto maior do custo do que as cargas de raiz da pá por duas razões: primeiramente, o braço das forças é maior, e em segundo lugar a direção da força de elevação é menos tangencial. Somente o componente tangencial é o que é çortado. A relações de velocidade mais alta das pontas 15 utilizadas, por exemplo, uma velocidade do vento abaixo da nominal, o rotor inteiro pode ser operado próximo do valor -ideal de „Lanchester-Betz. _Um benefício adicional de__ uma realizaçãoda invenção é quea físicaacima significa que o coeficiente de potência a velocidades do vento mais baixas é 2 0 relativamente elevado, de modo que uma fração maior do que energia é produzida a velocidades do vento mais baixas. Isto é vantajoso, uma vez que o valor da energia aumenta com a diminuição do vento, particularmente nas áreas com muita geração de energia eólica. Uma outra vantagem é que as pontas 25 são operadas próximas de sua elevação máxima, de modo que uma rajada do vento ou erro de controle possível não pode aumentar muito as cargas. Isto confere às pás de acordo com a invenção uma proteção contra sobrecarga passiva. Uma outra vantagem das cargas reduzidas na parte externa da pá é que 30 ajuda manter a ponta afastada da torre. Uma vantagem adicional é que um rotor convencional pode ser substituído por um rotor de acordo com a invenção com um diâmetro maior. O rotor novo terá um rendimento mais elevado ao mesmo nível de carga.

Na extremidade da raiz, as pás clássicas são principalmente otimizadas no que diz respeito à estrutura e muito menos no que diz respeito à aerodinâmica. Em 5 conseqüência disto, o centro da turbina eólica convencional é um "escape" no disco do rotor: O ar irá fluir através do centro do rotor do lado de alta pressão contra o vento ao lado a favor do vento de baixa pressão. Este fluxo parasítico causa uma perda de potência. Quando sol/(0,1R/0,3R) é maior 10 do que 1,0, e particularmente maior do que 1,2, e ainda mais particularmente maior do que 1,4, a 0, IR se dispõe de corda suficiente para se aproximar aerodinamicamente do centro do rotor. Para uma realização particular de acordo com a invenção, a indução ê relativamente elevada no centro do 15 rotor e, portanto, a aproximação do centro acrescenta mais rendimento do que no caso dos rotores convencionais. Além —disso, se aproximar do escape„significa que mais energia é gerada no centrodo rotor, queéapotência que resulta nos menores momentos de flexão.

Um benefício mais adicional é obtido quando as quatro relações sol(ri/r2) diferentes são maiores do que os valores indicados: Sol(0,3R/0,5R):1,45; 1,5; 1,67 Sol(0,5R/0,7R):1,5; 1,6; 1,7, 25 Sol(0,7R/0,9R):1,5; 1,65; 1,8, Sol(0,3R/0,9R):2,0; 2,5; 3,0.

Uma vantagem adicional é obtida quando a corda como função da posição radial está diminuindo de maneira monótona em pelo menos 80% da faixa radial entre 0,3R e 0,99R.

De acordo com uma realização da invenção, o rotor é equipado com meios intensificadores da elevação. Uma vantagem adicional é obtida quando tais meios intensificadores da elevação são aplicados em uma posição radial maior do que 0,5R, mais particularmente maior do que 0,7R, e preferivelmente maior do que 0,9R. Os meios intensificadores da elevação são as mudanças em um contorno liso da superfície de sustentação que aumentam o coeficiente máximo de elevação 5 e que são unidos à superfície de sustentação como elementos separados ou integrados com a superfície de sustentação. Os exemplos de meios intensificadores da elevação são geradores de vórtice, aletas de Gurney, jatos de ar, sucção da camada limítrofe, dispositivos microeletromecânicos, ou superfícies 10 da superfície de sustentação com cumes ou abóbadas ou ailerons. Os meios intensificadores da elevação podem ser aplicados passivamente ou podem ser utilizados de uma maneira ativa, sendo controlados como função de um parâmetro calculado ou medido. __

Uma vantagem adicional é obtida quando a corda local na faixa entre 0,5R e 0,9R é menor do que o que segue _ da ^equação^ C=M, supondo_que o ^coeficiente de_elevação local Ci = 0,9 e particularmente Ci = 1,0 e mais particularmente Ci = 1,3, e preferivelmente Ci = 1,5. Aqui, C = NrcrclX,/ (2HR2) é 20 um número da corda sem dimensão e M = -1,19 + 9,74CP - 21,01 Cp2 + 17,5CP3 é uma estimativa da perda de momento sem dimensão derivada de Cp, que é o coeficiente de potência elétrica da turbina. A fórmula para M pode ser utilizada no caso em que Cp fica compreendido entre 1/3 e 16/27.

Quando as pás de rotor são operadas a menos de 80% da velocidade do vento nominal, uma vantagem adicional é obtida se a relação da velocidade da ponta (definida como X = coRIV, em que co é a velocidade angular do rotor e V a velocidade do vento) do rotor for mais elevada do que aquela 3 0 à velocidade do vento nominal em pelo menos 10%, particularmente em pelo menos 20% e mais particularmente em pelo menos 30%. Mais particularmente, a turbina eólica é operada a uma velocidade constante do rotor, de modo que a relação da velocidade da ponta aumenta automaticamente com a diminuição da velocidade do vento. As turbinas a uma velocidade constante do rotor são definidas como turbinas que têm uma conexão entre o gerador e a grade em que a energia não é transferida através de uma ligação de tensão C.A.-C.C.- C.A. A velocidades de vento de menos de 80% do vento nominal, os carregamentos são relativamente baixos e não provocam custos elevados. Ao aumentar a relação da velocidade da ponta, o rotor inteiro pode operar próximo do limite de Lanchester-Betz de modo que a energia máxima seja capturada.

Uma outra vantagem é válida para a eficiência de fazendas eólicas. Se a esteira de uma turbina em uma fazenda estiver atrapalhando as turbinas a favor do vento, a dita turbina pode ser operada a uma velocidade da ponta mais baixa versus a curva da velocidade do vento em comparação às .turbinas _que as _esteiras _ não estão atrapalhando. Em conseqüência disto, a eficiência da fazenda aumenta e o carregamento da turbina é reduzido. A relação da velocidade da ponta de uma turbina é controlada implícita ou explicitamente por uma função ou por um algoritmo À,(V) que provê a relação da velocidade da ponta X como uma função da velocidade do vento V. Se uma turbina contra o vento em uma fazenda for controlada por Xup (V) e uma turbina a favor do vento por Xdown(V), então para algum V, A,up(V) < Àdown(V)/f, em que f é 1,05 e particularmente 1,1, e mais particularmente 1,15 .

As realizações acima da invenção satisfazem o objetivo de melhorar a relação entre o rendimento e as cargas. Este objetivo é de importância cada vez maior com tamanho cada vez maior da turbina. Para uma turbina pequena os materiais adicionais para reforçar a estrutura têm um impacto do custo relativamente baixo em comparação aos custos do projeto e manutenção. Para turbinas grandes, no entanto, as economias materiais associadas com a mitigação da carga são elevadas. Portanto, mais vantagem é obtida quando a 5 invenção é aplicada às turbinas com um diâmetro maior do que 80 m, particularmente maior do que 100 m, e mais particularmente maior do que 12 0 m. Para as turbinas com menos de 10 m de diâmetro, a redução da carga é de pouca importância e tais turbinas não são utilizadas nas fazendas.

Portanto, as turbinas com menos de 10 m de diâmetro são excluídas da invenção.

Um benefício adicional é obtido quando a turbina eólica de acordo com a invenção compreende uma pá com uma superfície de sustentação em uma posição jradial= maior _do_que^ ■” 15'"='078R= dõ- qual o coeficiente de elevação máximo quando quaisquer meios intensificadores da elevação são removidos, sob condições bidimensionais em um númerp^de. Reynolds -baseado - ” na corda igual a 1,5 milhão, é maior do que 1^4 e_ particularmente ~ maior do que 1,5 particulares, e mais 20 particularmente maior do que 1,6, e preferivelmente maior do que 1,7.

E finalmente um benefício adicional é obtido quando a turbina eólica de acordo com a invenção compreende uma pá com uma superfície de sustentação em uma posição radial maior 25 do que 0,6R do qual o coeficiente de elevação máximo incluindo meios intensificadores da elevação, sob condições bidimensionais em um número de Reynolds baseado na corda igual a 1,5 milhão, é maior do que 1,6 e particularmente maior do que 1,7, e mais particularmente maior do que 1,8, e 30 preferivelmente maior do que 1,9.

As figuras abaixo mostram as realizações preferidas da invenção.

Figura 1 a turbina eólica;

Figura 2 a pá da turbina eólica;

Figura 3 a distribuição da indução.

A Figura 1 mostra uma turbina eólica 1 com uma torre 2, uma nacela 3, um cubo 4 e uma pá 6 com a raiz de pá 5 5.0 raio da turbina é R. A distribuição da corda versus a posição radial é de acordo com a invenção. A Figura 2 mostra o lado de sucção de uma pá 6 com a raiz de pá 5. A pá tem as cordas locais 10, 11, 12 e 13 respectivamente a 0,3R, 0,5R, 0,7R e 0,9R (0, IR não é indicado explícito na figura) . A pá 10 tem meios intensificadores da elevação na forma de geradores de vórtice 14, os quais são mostrados em uma escala maior e por números menores por razões da clareza. Na figura, a corda 10 dividida pela corda 11 é igual a sol(0,3R/0,5R) e é 1,5. A Figura 3 mostra um exemplo da indução axial versus a posição 15,„ .radial - para = um ~ rotor ” "de= acordo com a invenção a uma velocidade do vento nominal de 11 m/s (curva "taxa a da invenção") e do vento a 8 m/s (a curva a 8 m/s da invenção)^. •Pode ser'observado’ qüe em taxa a parte externa do rotor está mais _afastada--de-a-=--I-/-37--aor-passõ “que-ã-pãrte interna está 20 ainda próxima de a = 1/3. As relações para um desenho do estado da técnica são mostradas pelas curvas "taxa a" e "a 8 m/s". Neste caso nominal, a indução na parte externa do rotor é muita mais próxima de a = 1/3. Portanto, o rotor do estado da técnica terá um coeficiente de potência mais elevado Cp, 25 mas deve experimentar cargas mais elevadas. O rotor de acordo com a invenção pode ser feito maior do que modo que capture ainda mais energia a cargas menores. Os valores precisos da indução no eixo y não são relevantes e podem ser mais elevados ou mais baixos. São relevantes as respectivas 3 0 tendências nas curvas, que ilustram os princípios por trás da invenção. Será óbvia ao técnico no assunto que a figura e a descrição são apenas exemplos da invenção e que são possíveis muitas variações que são cobertas pelas reivindicações anexas.

Claims

1. TURBINA EÓLICA DO TIPO CORREDOR RÁPIDO, compreendendo: um rotor tendo um diâmetro maior do que 80 metros (m), caracterizada pela relação da solidez na posição radial de raio (R) 0,5R à solidez na posição radial 0,7R ser maior que 1,5.

2. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pela relação da solidez na posição radial 0,5R à solidez na posição radial 0,7R ser maior que 1,6.

3. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pela relação da solidez na posição radial 0,5R à solidez na posição radial 0,7R ser maior que 1,7.

4. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pela relação da solidez na posição radial 0,7R à solidez na posição radial 0,9R ser maior que 1,65.

5. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pela relação da solidez na posição radial 0,7R à solidez na posição radial 0,9R ser maior que 1,8.

6. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pela relação da solidez na posição radial 0,5R à solidez na posição radial 0,9R ser maior que 2,5.

7. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pela relação da solidez na posição radial 0,7R à solidez na posição radial 0,9R ser maior que 3,0.

8. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelo rotor ainda compreender pelo menos uma pá tendo geradores de vórtice.

9. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 8 caracterizada pelos geradores de vórtice estarem localizados em uma posição radial maior que 0,5R.

10. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 8 caracterizada pelos geradores de vórtice estarem localizados em uma posição radial maior que 0,7R.

11. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 8 caracterizada pela pá ter um aerofólio em uma posição radial maior que 0,8R tendo um coeficiente de elevação maior que 1,6 quando testado sob condições bidimensionais e a um número de Reynolds de 1,5 milhões e com pelo menos um gerador de vórtice presente.

12. TURBINA EÓLICA, de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pela pá ter um aerofólio em uma posição radial maior que 0,8R tendo um coeficiente de elevação maior que 1,4 quando testado sob condições bidimensionais e a um número de Reynolds de 1,5 milhões e com geradores de vórtice removidos se presente.

13. TURBINA EÓLICA DO TIPO CORREDOR RÁPIDO, caracterizada por compreender: um rotor com um diâmetro maior do que 80 metros (m), e uma pá com um aerofólio em uma posição radial maior que 0,8 raios (R), o aerofólio tendo coeficiente de elevação maior que 1,4 quando testado sob condições bidimensionais e a um número de Reynolds de 1,5 milhões e com geradores de vórtice removidos se presente, em que a relação da solidez na posição radial 0,5R à solidez na posição radial 0,7 R ser maior que 1,5.