PT103562B

PT103562B - Torres em betão polimérico para geradores eólicos e outras grandes aplicações estruturais

Info

Publication number: PT103562B
Application number: PT103562A
Authority: PT
Inventors: Alexandre Francisco Mal Aragao; Daniel Da Fonseca Farias Rodrigues; Ana Margarida Goncalves Terra; Andre Ferreira Vieira; Celia Maria Moreira Parente Novo; Paulo Luis Cardoso Osswald; Paulo Manuel Ferreira Sobral
Original assignee: Alexandre Francisco Mal Aragao; Ana Margarida Goncalves Terra; Andre Ferreira Vieira; Novo Celia Maria Moreira Paren; Paulo Luis Cardoso Osswald; Paulo Manuel Ferreira Sobral
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2008-08-14
Also published as: EP2076642A1; PT103562A; WO2008032281A1; US20090313913A1

Abstract

A presente invenção refere-se a torres para geradores eólicos e para outras grandes aplicações estruturais e aplica um novo conceito de construção, baseado em betão polimérico. O betão polimérico é composto por uma resina termoendurecível e agregados tais como areia ou brita. O betão polimérico tem baixos custos de manutenção e uma excepcional resistência à corrosão, que justifica a sua principal utilização em aplicações não estruturais. Complementarmente, tem sido usado, como argamassa de enchimento na reabilitação de estruturas, especialmente no reforço de pontes e edifícios históricos. As suas vantagens para estas aplicações são a aderência aos materiais tradicionais, uma resistência à compressão superior à do betão tradicional e um baixo peso específico. A torre (1), de acordo com a invenção, é composta de duas ou mais secções anelares (2) de forma cónica ou cilíndrica, sobrepostas, cada anel (2) sendo construído de um mais ou mais segmentos de casca, e os ditos segmentos fixados através de ligações mecânicas e/ou químicas e feitos de betão polimérico pré-fabricado.

Description

DESCRIÇÃO

TORRES EM BETÃO POLIMÉRICO PARA GERADORES EÓLICOS E OUTRAS

GRANDES APLICAÇÕES ESTRUTURAIS

Domínio Técnico

A presente invenção refere-se a torres para geradores eólicos e para outras grandes aplicações estruturais e aplica um novo conceito de construção, baseado em betão polimérico.

Estado da Arte

Os geradores eólicos têm ganho uma grande aceitação como fonte alternativa de energia renovável e limpa para a produção de electricidade. Nos últimos anos, os conversores de energia eólica, segundo o estado da arte, tiveram um dramático desenvolvimento em termos de produção de energia, usando pás mais longas e geradores mais potentes. 0 diâmetro do rótor das unidades segundo o estado da arte atingiu os 120 m e a capacidade dos geradores atingiu os 5 MW. Os geradores eólicos são suportados por torres a uma altura conveniente, de modo a expô-los a um fluxo de vento conveniente e prevenir a interacção das pás com o solo. As torres, por seu lado, são adequadamente fixadas a fundações. A tendência de desenvolvimento acima descrita requer uma maior altura do eixo de rotação e a altura da torre para a mesma unidade segundo o estado da arte atingiu 120 m.

Estas torres têm de suportar o peso acrescentado dos conversores de energia, resistir às forças do vento sobre toda a unidade e garantir uma adequada resistência mecânica ao comportamento dinâmico do gerador, incluindo rigidez adequada e resistência à fadiga durante um ciclo de vida mínimo de 20 anos. São por isso um projecto exigente, representativo do estado da arte da engenharia para suporte de grandes estruturas a alturas extremas.

Os mesmos conversores de energia têm sido também aplicados off-shore, onde os fluxos de vento são mais convenientes e onde há menos implicações com a ocupação de solos. As torres de suporte têm sido fixadas a pilões de aço ou fundações em betão, que emergem até acima do limite máximo da água do mar.

As torres têm um impacto significativo do custo global da unidade para geração eólica e várias soluções têm sido propostas para suportar a tendência de desenvolvimento para maiores alturas do eixo e para reduzir custos de fabrico, transporte, montagem e manutenção, que se tornam mais e mais relevantes com o aumento da altura. Uma variedade de métodos de construção, desde mastros espiados, parede de aço, estrutura soldada de perfis de aço, parede de betão, estrutura híbrida de parede e perfis de aço, estrutura híbrida de parede de aço e betão, até materiais compósitos, tem sido proposta para torres eólicas. Uma solução viável tem de fornecer a necessária resistência mecânica às cargas estáticas e dinâmicas a alturas crescentes e provar ter uma eficiência de custos na produção, transporte, montagem e manutenção.

A indústria tem usado principalmente torres de aço, feitas de secções cilíndricas ou cónicas de parede metálica, flangeadas nas extremidades, sendo as secções fixadas no local por meio de parafusos. No entanto, como o aumento da altura implica um dimensionamento maior do diâmetro da torre, da espessura da parede ou dos dois, de modo a assegurar a necessária rigidez, esta solução tem encontrado crescentes limitações devido ao custo dos materiais e também limitações de produção e de transporte devido às dimensões, já que um diâmetro de 4,2 m é o máximo possível em muitas estradas, devido às passagens desniveladas. Esta é a principal razão pela qual a torre comum para os geradores de multi-MW seja hoje ainda de 80 m, que era o estado da arte há 10 anos atrás.

Torres de construção soldada de perfis de aço eram usadas para torres mais pequenas no passado e foram também propostas para torres altas. Torres de construção soldada de perfis de aço necessitam mais espaço de solo e implicam uma montagem, no local, mais demorada. Têm também custos acrescidos de inspecção e manutenção. Foi proposta uma variante de construção híbrida, feita de uma secção inferior de construção soldada de perfis de aço e uma secção superior de parede de aço, como em DE 103 39 438 Al, mas requer elementos de junção dispendiosos.

Foram feitas propostas no sentido de melhorar a construção de parede de aço presentemente usada pela indústria. A construção das torres foi proposta em formas várias, incluindo diversos números de secções anelares e segmentos de casca, como em WO 2004/083633 Al. Outras propostas estão baseadas num perfil mais complexo da parede, como em EP 1561883 Al, fornecendo mais rigidez mas requerendo operações adicionais e dispendiosas, quer na produção, como na montagem no local. Variantes híbridas, com uma secção inferior em betão, como em WO 2005/015013, melhoram a capacidade de suporte de carga e a ligação à fundação, e permitem torres mais altas, mas não resolvem as questões de manutenção e os custos acrescidos.

Para além disso, todas as soluções em parede de aço ou construção soldada de perfis de aço requerem manutenção da torre durante a vida útil projectada do gerador eólico, devido à corrosão. Apesar de normalmente a corrosão aparecer tardiamente no ciclo de vida de 20 anos da torre em terra, o controlo e manutenção de pontos de corrosão na parede externa ou na construção soldada de perfis implicam custos e riscos importantes. Nas torres off-shore, a corrosão é uma questão ainda mais importante e implica custos de manutenção e riscos acrescidos.

Uma abordagem diferente é a de torres em betão, feitas de secções pré-fabricadas de betão e reforçada com cabos metálicos pré-tensionados. Foram usadas para torres com alturas de cerca de 95 m e mais, como em DE 100 33 845 Al e DE 101 60 306 B4 e têm a vantagem de uma melhor resistência à intempérie. No entanto, esta solução é consideravelmente mais pesada que a de uma torre em parede de aço, com os correspondentes custos logísticos e tem um tempo de montagem no local maior.

Resumo da Invenção

A presente invenção fornece uma solução para construir torres de grande dimensão, incluindo torres com mais de 80 m de altura, reduzindo substancialmente as necessidades de manutenção, evitando as restrições logísticas do diâmetro máximo transportável e reduzindo os custos de produção das soluções em parede de aço do actual estado da arte, através da aplicação de betão polimérico.

betão polimérico é composto por uma resina termoendurecivel e agregados tais como areia ou brita. 0 betão polimérico tem baixos custos de manutenção e uma excepcional resistência à corrosão, que justifica a sua principal utilização até hoje em aplicações não estruturais e em peças de pequena dimensão em que a corrosão é o principal problema. Complementarmente, tem sido usado, como argamassa de enchimento e ligação na reabilitação de estruturas, especialmente no reforço de pontes e edifícios históricos. As suas vantagens para estas aplicações são a aderência aos materiais tradicionais, uma boa resistência à compressão e um baixo peso específico.

A pesquisa em curso tem demonstrado que uma quantidade adequada de agregados como areias secas e britas, com grão adequado, combinada com resina de baixa viscosidade, podem conferir muito boas propriedades de adesão e compressão, mantendo as restantes vantagens do betão polimérico. A natureza do betão polimérico permite um adequado reforço através da adição de materiais plásticos reforçados com fibras ou aço, complementando as suas propriedades mecânicas, nomeadamente na resistência à flexão. Assim, o betão polimérico, por si sucesso como material de próprio, pode ser empregue com base para grandes estruturas.

Aplicado a torres para geradores eólicos ou outras aplicações estruturais, o processo de moldação do betão polimérico permite a plasticidade na modelação das formas com grande eficácia de custos, permitindo assim a adaptação e optimização do desenho estrutural às cargas e restrições logísticas, enquanto as suas propriedades químicas contribuem para reduzir custos de manutenção.

As torres para grandes aplicações estruturais tipicamente têm um diâmetro na base superior a 4 m e atingem alturas acima dos 50 m, sendo dimensionadas para suportar cargas elevadas. Exemplos de torres para grandes aplicações estruturais são as torres para geradores eólicos, faróis ou pilares suportando viadutos. Para todas elas o betão polimérico pode ser usado como material de base, apresentando vantagens na manutenção reduzida e nos custos reduzidos de logística e produção.

O betão polimérico é preparado através da mistura metódica dos materiais agregantes e agregados, em proporções adequadas, e juntando o endurecedor para promover a polimerização completa. A produção em larga escala do betão polimérico é feita em equipamento apropriado. Agregante e agregados têm distribuidores próprios e a sua mistura é feita através de um mecanismo de parafuso. A granulometria e a viscosidade são controladas para asegurar um fluxo adequado da mistura resultante e as caracteristicas mecânicas finais do betão polimérico. A mistura final é depois vertida num molde e compactada através de vibração. Os moldes são feitos em aço e/ou outros materiais adequados. Depois da polimerização, o produto final é removido do molde.

Descrição das Figuras

Os desenhos anexos exemplificam uma solução de acordo com a invenção:

A figura 1 mostra a torre (1) feita de várias secções horizontais, ou aneis, sobrepostas (2), de betão polimérico com uma espessura de parede conveniente.

A figura 2 mostra um corte de uma secção (2), ou anel.

A figura 3 mostra um corte de outra secção (2), ou anel, sendo essa secção, ou anel, construído por 3 segmentos de casca (3) , fixados uns aos outros, usando um apropriado meio de ligação química, como cola estrutural (4).

A figura 4 mostra como dois aneis sobrepostos (5) e (6) são ligados, usando uma ligação química apropriada, como cola estrutural (7), entre as extremidades convenientemente adaptadas, respectimente (8) e (9), das secções adjacentes dos aneis. A mesma figura mostra um exemplo de um elemento de reforço (10) dentro da parede de betão polimérico (11), usado para adequadamente aumentar a rigidez da torre e diminuir o risco de falha por fadiga. 0 processo de moldação não só permite a modelação da superfície interna da parede, mas também permite inserir na parede toda a espécie de elementos de fixação necessários à instalação de cablagens internas, escadas, plataforas, etc.

A figura 5 mostra um inserto (15) para fixar cabos ou outros meios de manuseamento das secções da torre, inserido na parede de betão polimérico (16) de um segmento ou anel.

Descrição detalhada da invenção

A torre, de acordo com a invenção, é construída de duas ou mais secções anelares sobrepostas, de forma cilíndrica ou tronco-cónica, sendo cada anel construído de um ou mais segmentos de casca, e os ditos segmentos fixos através de ligações mecânicas e/ou químicas e pré-fabricados em betão polimérico.

Os segmentos são moldados depois da mistura dos materiais agregantes e agregados, como descrito acima. 0 agregante é uma resina termoendurecivel, tal como uma resina de poliester, uma resina epóxida, uma resina fenólica, uma resina viniléster, uma resina acrílica ou outra. Antes de encher os moldes com betão polimérico, podem ser projectadas contra a parede exterior do molde fibras curtas misturadas com a resina termoendurecivel, para melhorar a resistência à tracção do segmento.

Os anéis têm um desenho específico das extremidades, de modo a encaixarem uns nos outros quando da construção da torre. Entre dois aneis sobrepostos, como exemplificado na figura 4, o anel inferior tem o topo moldado em forma de degrau, do interior para o exterior, primeiro uma superfície inferior horizontal (12), depois uma superfície inclinada intermédia (13), e em terceiro uma superfície superior horizontal (14). Por seu lado, o anel superior, em cada par de aneis sobrepostos, tem um bordo inferior moldado como um degrau invertido (12', 13', 14') que corresponde às superfícies da contra-parte no anel inferior. Este tipo de montagem torna a estrutura mais estável porque, quando o anel superior é montado sobre o inferior, ambas as superfícies intermédias 13 e 13' dos aneis são pressionadas uniformemente uma contra a outra, deste modo pressionando uniformemente a cola estrutural interposta entre as duas superfícies. As superfícies 12 e 12^a, ou 14 e 14', são ligados pela pressão de contacto, devido ao peso do anel superior, ou são igualmente coladas. Para além disso, esta configuração assegura uma interface convenientemente ampliada para aplicação, na montagem, da cola estrutural, e que, na medida da sua inclinação muito acentuada, é sujeita essencialmente a tensões de corte, melhorando a eficácia desta ligação relativamente à rigidez e resistência mecânica da torre. Para optimizar a eficiência da ligação, e diminuir os esforços de corte aplicados as superfícies 13 e 13' estão posicionadas junto da superfície interna do anel.

Para ajudar a tornar a torre ainda mais estável, um elemento de reforço (10), tal como um cabo de aço ou um perfil em materiais compósitos, pode ser usado dentro da parede de betão polimérico (11) de modo a aumentar a rigidez da torre e diminuir o risco de falha de fadiga. Para optimizar a eficiência do reforço, este é posicionado junto da parede exterior do anel e é tensionado quando as extremidades são fixadas, durante a montagem. Adicionalmente, este elemento de reforço estende-se por dois ou mais aneis adjacentes e pode ser usado como um meio mecânico de ligação entre esses aneis, complementando ou substituindo a cola estrutural.

Estas vantagens são válidas quer para segmentos de torre cilíndricos ou tronco-cónicos.

Deve ser entendido que as configurações descritas são simples exemplos de execução da presente invenção. Variações e modificações, que sejam óbvias para uma pessoa perita na arte, podem ser feitas dentro do âmbito da invenção e continuam protegidas pelas seguintes reivindicações.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Uma torre para suportar geradores eólicos ou outras grandes estruturas, em terra ou em água, caracterizada por ser construída de duas ou mais secções essencialmente anelares sobrepostas, em que cada anel é feito a partir de um ou mais segmentos de casca, e em que os ditos segmentos são ligados por meio de ligações mecânicas e/ou químicas e são pré-fabricados em betão polimérico composto de uma resina termodendurecivel com um agregado de, pelo menos, 60% em peso de areias e/ou britas secas.

2. A torre, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por ter uma forma exterior tronco-cónica, cilíndrica ou prísmica.

3. A torre, de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizada por, entre dois anéis sobrepostos, o anel inferior (6) ter o bordo superior (9) moldado como um degrau com, do interior para o exterior, primeiro uma

superfície inferior (12), depois uma superfície intermédia inclinada (13), e em terceiro uma superfície superior (14), e por seu lado, o anel superior (5) , em cada par de aneis sobrepostos, ter um bordo inferior (8) moldado como um degrau invertido (12', 13', 14') que corresponde às superfícies da contra-parte no anel inferior.

4. A torre, de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizada por serem usados outros agregados até um máximo de 20% em peso do betão polimérico, para melhorar as propriedades químicas e/ou físicas.

5. A torre, de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizada por ser usado um reforço de materiais compósitos dentro da parede de betão polimérico, ao longo de um ou mais aneis sobrepostos.

6. A torre, de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizada por ser usado um reforço em cabos de aço, dentro da parede de betão polimérico, ao longo de um ou mais aneis sobrepostos.

7. A torre, de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizada por serem usadas paredes de aço de reforço nas superfícies exterior e/ou interior.

8. A torre, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 4, 5, 6 ou 7, caracterizada por a moldação ser feita no local.