PT1478848E - Turbinas eólicas de eixo vertical com vórtices acoplados - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "Turbinas eólicas de eixo vertical com vórtices acoplados" Campo do invento 0 invento refere-se ao campo dos geradores de turbinas eólicas e, especificamente, a turbinas eólicas que rodam em torno de um eixo vertical.

Antecedentes do invento

As turbinas eólicas de eixo vertical são conhecidas há muitos anos. A concepção mais comum para uma turbina de eixo vertical é a turbina Darrius que utiliza pás curvas com uma forma troposkiana (corda torcida). Outras turbinas de eixo vertical utilizam pás rectilíneas que estão fixas a um veio vertical com um ou mais braços de suporte de pás.

As turbinas de eixo vertical modernas utilizam pás de perfil aerodinâmico que proporcionam uma força ascensional em vez de utilizar uma resistência aerodinâmica para proporcionar uma força motora ao rotor. A utilização de pás de perfil aerodinâmico geradoras de força ascensional aumentam grandemente a eficiência aerodinâmica do rotor quando comparado com um dispositivo de tipo resistência aerodinâmica. No entanto, mesmo com pás de perfil aerodinâmico geradoras de força ascensional, as turbinas de eixo vertical estão sujeitas a várias desvantagens quando comparadas com turbinas de eixo horizontal. A eficiência aerodinâmica de pico que a maioria das turbinas eólicas de eixo vertical obtém é, aproximadamente, de 25-30%. Do mesmo modo, as turbinas eólicas de eixo vertical não têm, intrinsecamente, caracteristicas de auto-arranque e requerem a utilização de um motor de arranque para permitir o inicio da rotação. Foram tentados vários melhoramentos para a concepção básica das turbinas eólicas de eixo vertical de modo a resolver os seus problemas inerentes. A Patente U.S. N° 4 115 027, cujo fascículo é aqui incorporado em termos de referência, apresenta um motor eólico de tipo ascensional e de eixo vertical. As pás de 2

ΕΡ 1 478 848 /PT perfil aerodinâmico verticais que proporcionam uma força ascensional aerodinâmica são montadas com escoras em torno de um veio central de modo a formar um rotor.

As Patentes U.S. N° 5 027 696 e 5 332 925, cujos fascículos são aqui incorporados em termos de referência, apresentaram vários melhoramentos relativamente ao motor eólico da Patente U.S. N° 4 115 027. Os melhoramentos incluíram um novo sistema de travagem, a utilização de pás de perfil aerodinâmico espessas, uma transmissão por correia de transmissão, um funcionamento a duas velocidades, e estatores rotativos que melhoram o rendimento e limitam as cargas estruturais quando há ventos fortes.

Cada um dos documentos EP0046122 e US4156580 apresenta uma turbina eólica de eixo vertical na qual se dispõem carenagens entre turbinas eólicas adjacentes.

As turbinas eólicas em todas as patentes supracitadas utilizam carenagens estacionárias no exterior do rotor para dirigir o escoamento do vento através do rotor e aumentar o rendimento. Embora se tenha verificado que esta abordagem melhora, significativamente, o desempenho da turbina eólica (a medição da eficiência aerodinâmica atingiu valores tão elevados como 52%), também dá origem a uma estrutura adicional que deve ser suportada e aumenta a área da forma em plano que aumenta a carga do vento sobre a estrutura quando há condições de tempestade. Seria desejável obter melhoramentos de desempenho semelhantes sem a necessidade de ter elementos estruturais, tais como carenagens estacionárias.

As turbinas eólicas das patentes supracitadas também utilizam um sistema de travagem mecânico que demonstrou ser muito fiável mas que também requer um reinicio manual depois de ser activado. Isto pode conduzir a um tempo de paragem elevado da turbina e pouca disponibilidade se não estiver no local um operador sempre presente. Seria desejável incorporar um sistema de travagem que se engatasse automaticamente quando ocorre uma falha no sistema de turbinas e que se reiniciasse automaticamente e fizesse com que a turbina 3

ΕΡ 1 478 848 /PT iniciasse o serviço depois de uma condição anómala ter sido eliminada.

Seria desejável proporcionar uma turbina eólica de eixo vertical que obtivesse uma elevada eficiência aerodinâmica ao mesmo tempo que requeresse uma estrutura de suporte mínima. Também seria desejável proporcionar uma turbina eólica de eixo vertical que fosse adequada para ser utilizada por baixo de uma fila existente de turbinas eólicas de eixo horizontal numa confiquração em "arbusto" de modo a maximizar a produção de enerqia numa parcela de terreno. Também seria ainda desejável proporcionar uma turbina eólica de eixo vertical que incorporasse um sistema de travagem automático, aerodinâmico e mecânico, robusto e fiável que se reiniciasse automaticamente depois de uma anomalia ter sido eliminada. Além disso, seria desejável minimizar a frequência e a dificuldade de manutenção proporcionando um fácil acesso às peças que requerem uma atenção mais frequente, tais como a caixa de velocidades e o gerador. Seria desejável simplificar, ainda mais, em termos estruturais, a turbina com a utilização de uma estrutura de veios sustentados por espias ou uma combinação de uma armação suportada por espias de modo externo em vez de utilizar uma armação de suporte externa. Uma estrutura sustentada externamente por espias iria minimizar o número de peças requerido. Estas estruturas também podem proporcionar um campo de escoamento aerodinâmico mais liberto para melhorar o efeito de vórtice das turbinas. Seria ainda desejável melhorar o efeito de vórtice das turbinas e melhorar as capacidades de auto-arranque utilizando um rotor de elevada solidez.

Sumário do invento 0 presente invento proporciona uma turbina eólica com uma eficiência aerodinâmica aumentada através da interacção de vórtices entre duas turbinas eólicas adjacentes e da utilização de rotores de elevada solidez. A interacção de vórtices é o resultado da colocação em proximidade de turbinas adjacentes bem como da sua orientação angular relativamente à direcção dos ventos geradores de energia dominantes. As turbinas adjacentes também devem rodar em 4

ΕΡ 1 478 848 /PT sentidos opostos de modo a obter a interacção de vórtices acoplados. A estrutura de veios sustentados por espias pode ser colocada numa vizinhança imediata numa configuração em fila utilizando uma configuração ou de três ou de quatro pontos de suporte de cabos numa configuração alternada que proporciona uma folga cabo a cabo e cabo a rotor. As turbinas eólicas podem ser dispostas numa fila comprida de turbinas eólicas acopladas com melhoramentos aerodinâmicos ocorrendo ao longo da fila de turbinas. A fila de turbinas deveria ser orientada de modo perpendicular à direcção dos ventos geradores de energia dominantes. Esta orientação de turbinas está particularmente bem adequada a áreas geográficas com uma forte direcção de ventos dominantes e pequena variabilidade direccional. A fila de turbinas de vórtices acoplados pode ser posicionada por baixo de uma fila de turbinas de eixo horizontal. Esta configuração em "arbusto" maximiza a captação de energia que se pode obter a partir de uma parcela de terreno. Também é possível que o desempenho aerodinâmico das turbinas de eixo horizontal possa ser melhorado devido à presença das turbinas de eixo vertical por baixo destas. É possível que a fila de turbinas de eixo vertical possa proporcionar um efeito de mistura vertical que traga um maior fluxo de energia para o campo de escoamento das turbinas eólicas de eixo horizontal. A turbina utiliza um sistema pneumático de travagem que liberta, automaticamente, a turbina e permite que esta retome o seu funcionamento depois de uma condição anómala ter sido eliminada. 0 travão pneumático é solicitado pela utilização de um peso de modo a ser normalmente aplicado através do peso e libertado quando um cilindro pneumático é pressurizado para levantar o travão e o peso. Uma válvula de solenoide que está normalmente fechada controla a pressão do cilindro pneumático. A válvula é electricamente activada. Quando a energia eléctrica está desligada, a válvula abre-se de modo a libertar pressão para o cilindro. Quando a energia regressa, a válvula fecha-se e um compressor pressuriza o cilindro de modo a que este levante o peso e liberte o travão. Esta acção 5

ΕΡ 1 478 848 /PT assegura que o travão será aplicado para parar a turbina no caso de falha de energia eléctrica e que este será libertado quando a energia regressa. Um interruptor de báscula é proporcionado para abrir a válvula de solenoide se o problema não for a falha de energia mas se, por algum motivo, o gerador não possa funcionar.

Um sistema de ligações acopla o travão mecânico com um sistema de modo a regular o passo das pás. Quando se aplicam os travões, as pás inclinam-se 45 graus para agirem como um travão de resistência. Deste modo, a turbina possui uma travagem mecânica e aerodinâmica redundante para uma melhor fiabilidade.

As peças de turbina que sofrem um maior desgaste e que requerem manutenção estão posicionadas ao nível do solo. 0 veio sustentado com espias da turbina é suportado por um par de chumaceiras situadas no fundo do veio. As duas chumaceiras estão verticalmente afastadas por, aproximadamente, 0,92 metros (três pés) . A chumaceira situada na posição mais alta é mantida numa posição fixa e só suporta o peso estático do veio principal. A chumaceira situada na posição mais baixa pode deslizar horizontalmente permitindo que o veio sustentado por espias oscile. A chumaceira inferior suporta o peso das pás e as forças verticais resultantes da resistência aerodinâmica sobre o rotor. A carga sobre a chumaceira superior é suficiente pequena para que a chumaceira dure o mesmo tempo que a turbina. A chumaceira inferior está posicionada numa zona em que pode ser facilmente removida para substituição do cartucho. 0 suporte da chumaceira inferior pode deslocar-se horizontalmente utilizando um simples conjunto de rolamentos.

Breve descrição dos desenhos

Outras características e vantagens do invento irão ser evidentes a partir da Descrição Pormenorizada que se segue feita em associação com os desenhos em anexo, em que: a FIG. 1 é uma vista em perspectiva da turbina eólica de eixo vertical sustentada por espias que não faz parte do presente invento; 6

ΕΡ 1 478 848 /PT a FIG. 2 é uma vista em perspectiva de um segundo exemplo que não faz parte do presente invento; a FIG. 3 é uma vista em perspectiva da concretização preferencial do presente invento onde duas turbinas eólicas de acordo com o presente invento estão dispostas com uma configuração de vórtices acoplados; a FIG. 4 é uma vista de topo esquemática de um par de turbinas eólicas de eixo vertical de acordo com o presente invento dispostas com uma configuração de vórtices acoplados; a FIG. 5 é uma vista em perspectiva de múltiplas turbinas eólicas de eixo vertical de acordo com o presente invento dispostas numa fila com uma configuração de vórtices acoplados; a FIG. 6 é uma vista de topo esquemática de múltiplas turbinas eólicas de eixo vertical de acordo com o presente invento dispostas numa fila com uma configuração de vórtices acoplados; a FIG 7 é uma vista em perspectiva de uma fila de turbinas eólicas de eixo vertical dispostas com uma configuração de vórtices acoplados em conjunto com uma fila de turbinas eólicas de eixo horizontal com uma configuração em “arbusto"; a FIG. 8 é uma vista em elevação esquemática de uma configuração de sistema de transmissão e gerador de acordo com o presente invento; a FIG 9 é uma vista em elevação esquemática de uma configuração de travão e accionamento de pás de acordo com o presente invento; a FIG. 10 é uma vista em elevação esquemática da configuração de travão e accionamento de pás de acordo com o presente invento com os travões engatados; a FIG. 11 é uma vista em planta de um interruptor de activação de travão de acordo com o presente invento; 7

ΕΡ 1 478 848 /PT a FIG. 12 é uma vista em perspectiva de uma superfície de apoio com rolamentos.

Descrição pormenorizada do invento

Como mostrado na Figura 1, que não faz parte do presente invento, a configuração consiste numa turbina 1 eólica que possui um veio 2 principal que roda em torno de um eixo vertical. 0 veio 2 principal é, de preferência, fabricado a partir de um tubo de aço com um diâmetro e espessura suficientes para suportar cargas compressivas, de torção e de flexão, quer durante o funcionamento da turbina quer quando há ventos fortes que levariam à paragem da turbina. Existem quatro pás 3 fixas ao veio 2 principal. 0 número de pás poderia variar conforme a escolha do projectista apesar do comprimento da corda ou o diâmetro do rotor terem que mudar para manter a solidez desejada. A concretização preferencial comporta quatro pás. Cada pá 3 está fixa ao veio 2 principal por meio de um par de braços 4 de pá. A concretização preferencial consiste em utilizar dois braços 4 de pá para cada pá 3, apesar de se poder pensar em utilizar um só braço 4 de pás para cada pá 3. Também é preferível que os braços 4 de pá estejam livremente fixados a cada pá 3 nas extremidades da pá 3 de modo a reduzir os efeitos aerodinâmicos da ponta sobre as pás e para evitar a tensão de flexão da pá 3 no ponto de fixação do braço 4 de pá. É preferível que a pá 3 seja fixa ao braço 4 com uma ligação sem momento, tal como uma ligação com pino. A altura do rotor H é definida pelo comprimento das pás 3. 0 diâmetro do rotor D é definido pelo dobro da distância da linha central do veio 2 à linha de corda da pá 3. A área de varrimento total do rotor é definida pela altura H do rotor vezes o diâmetro D do rotor. Cada pá 3 tem uma área da forma em plano que é definida pela largura C da corda da pá vezes o comprimento da pá Η. A área total da forma em plano é quatro vezes a área da forma em plano para uma pá individual porque existem quatro pás no rotor. A área total da forma em plano dividida pela área do rotor é conhecida como a solidez do rotor. No caso do presente invento, a solidez do rotor é, de preferência, 33%. Para rotores de motores de vento de tipo resistência aerodinâmica, a solidez iria ser muito mais alta 8 ΕΡ 1 478 848 /PT do que 33% e é, frequentemente, 100%. As experiências mostraram que a solidez do rotor no intervalo entre 30% e 40% proporciona um desempenho óptimo e uma solidez de 33% é preferível. O veio 2 principal é suportado, na sua extremidade inferior, por uma caixa 5 de transmissão e na sua extremidade superior por uma chumaceira 6. A chumaceira superior é suportada por um conjunto de cabos 7 de espia. O veio 2 principal estende-se acima do conjunto de topo dos braços 4 de pá com uma distância superior ao comprimento de um braço 4 de pá para que os cabos 7 de espia possam ser estendidos com um ângulo de 45 graus relativamente às fundações 8 que estão enterradas no solo. A Figura 1 mostra uma configuração com três cabos de espia, apesar de ser possível, se desejado, utilizar quatro ou mais cabos de espia, consoante as condições do solo do local, topografia e outros factores. A Figura 2 mostra um segundo exemplo no qual o rotor inclui três módulos 9 empilhados uns por cima dos outros. Cada módulo inclui quatro pás 3 fixas a um veio 2 principal através de braços 4 de pá. Cada módulo 9, na segunda concretização preferencial, é semelhante ao rotor da primeira concretização preferencial. A solidez de cada módulo 9 de rotor situa-se entre 30% a 40% e é, de preferência, 33%. Os três módulos 9 mostrados na Figura 2 estão todos ligados a um veio 2 principal comum para que rodem em conjunto. As pás 3 dos três módulos 9 estão alternadas por 30 graus entre módulos. O facto de alternar as pás faz com que a produção da turbina eólica seja uniformizada. Apesar de se mostrarem três módulos na Figura 2, seria possível incluir dois módulos ou poder-se-ia pensar em incluir quatro ou mais módulos. A Figura 3 mostra a concretização preferencial do presente invento em que duas turbinas 1 eólicas estão colocadas numa vizinhança imediata uma da outra, para que, como mostrado na Figura 3, a combinação do escoamento linear e do escoamento do vórtice dos dois rotores se combinem de modo a que o rendimento de ambos os rotores seja aumentado. A Figura 4 mostra as duas turbinas eólicas numa vista em planta onde se pode ver que as turbinas com um diâmetro D de rotor têm as suas linhas centrais afastadas por uma distância L. Se 9

ΕΡ 1 478 848 /PT L for ligeiramente superior a D, então, os rotores irão ficar afastados um do outro com uma distância s que é igual a L menos D. A separação s entre os dois rotores deve ser mantida tão pequena quanto possível ao mesmo tempo que permite manter a segurança apropriada para as máquinas e pessoal. Uma separação com, aproximadamente, 0,92 metros (três pés) é preferível. Esta colocação próxima de rotores adjacentes é designada como a configuração de vórtices acoplados. Na configuração de vórtices acoplados, os dois rotores deveriam rodar em sentidos opostos de modo a obter-se o desejado aumento de eficiência aerodinâmica. Os sentidos de rotação para os dois rotores estão representados por setas na Figura 4.

As turbinas eólicas na configuração de vórtices acoplados deveriam estar orientadas de modo a que a linha que liga as linhas centrais das duas turbinas eólicas fique perpendicular à direcção dos ventos geradores de energia dominantes. Idealmente, a direcção dos ventos não deveria variar mais do que 20 graus relativamente à direcção mostrada na Figura 4. Em locais com uma forte direcção de ventos dominantes, tais como se encontram em desfiladeiros, isto pode ser possível de obter. No entanto, em locais sem uma predominante direcção de ventos dominantes, a configuração de vórtices acoplados para os rotores pode não funcionar tão bem.

Como mostrado na Figura 5, a configuração de vórtices acoplados pode dispor de uma fila mais comprida de turbinas eólicas. Quando uma fila comprida de turbinas eólicas é disposta desse modo, a linha central de cada rotor fica separada da linha central dos rotores adjacentes por uma distância L que é apenas ligeiramente superior ao diâmetro D do rotor para que exista uma pequena separação s entre cada par de rotores. Como mostrado na Figura 6, cada rotor deveria rodar no sentido oposto das suas turbinas vizinhas. Deste modo, cada segunda turbina irá rodar no sentido dos ponteiros do relógio, quando vistas de cima, enquanto as turbinas intermédias irão rodar no sentido contrário ao dos ponteiros do relógio, quando vistas de cima. 10

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Como mostrado na Figura 7, a fila de turbinas eólicas poderia estar posicionada por baixo de uma fila de turbinas eólicas de eixo horizontal para formar uma configuração em "arbusto". Esta situação permite obter uma maior extracção de energia de uma parcela de terreno. Também pode aumentar o desempenho das turbinas eólicas de eixo horizontal por mistura vertical ou substituindo o ar de menor valor energético a niveis inferiores por ar de maior valor energético vindo de cima. Outra possível sinergia da configuração em "arbusto" consiste no facto das fundações das turbinas de eixo horizontal poderem ser modificadas para servir como pontos de fixação para os fios de espia que suportam as turbinas eólicas de eixo vertical na fila dos vórtices acoplados. Esta configuração está particularmente bem adequada para locais com ventos dominantes unidireccionais. O sistema de transmissão para a turbina eólica do presente invento é semelhante ao descrito na Patente U.S. N° 5 027 696 ou 5 332 925, sendo ambas aqui incorporadas por uma questão de referência. Como mostrado, esquematicamente, na Figura 8, o sistema de transmissão consiste numa caixa 10 de velocidades para accionamento de veio que aumenta a velocidade de rotação do veio 2 principal até uma velocidade útil para accionar um gerador. Uma correia 11 de transmissão transfere potência da caixa 10 de velocidades para um gerador 12. A correia 11 de transmissão pode proporcionar um aumento de velocidade adicional e também introduzir alguma flexibilidade no sistema de transmissão de modo a uniformizar picos de binário. A caixa 10 de velocidades é do tipo de accionamento de veio que, a não ser que esteja limitada, irá rodar no sentido do binário. Na concretização preferencial, a caixa 10 de velocidades está limitada a um pequeno incremento angular de rotação pelo que a tensão da correia varia de frouxa (sem cair) para tensa. Este incremento angular é regulável. Um amortecedor 13 limita a taxa de rotação angular da caixa 10 de velocidades no sentido do binário positivo estabilizando o sistema de transmissão durante o arranque e amortecendo os picos de binário. Utiliza-se um amortecedor de camião ligeiro padrão na concretização preferencial. 11

ΕΡ 1 478 848 /PT É possível que se pudesse eliminar a correia 11 de transmissão do sistema de transmissão, apesar da concretização preferencial incluir a correia de transmissão. 0 gerador 12 é um gerador de indução assíncrono padrão na concretização preferencial. Poderiam utilizar-se outros tipos de geradores ou alternadores que funcionam com velocidades constantes ou variáveis. 0 sistema de travagem para a turbina eólica, mostrado esquematicamente nas Figuras 9 e 10, é um componente crítico. O sistema de travagem é mostrado na Figura 9 numa posição desengatada na qual a turbina pode funcionar. A Figura 10 mostra o sistema de travagem numa posição de engate para parar a turbina. O sistema de travagem da turbina eólica deve assegurar que a turbina eólica não atinge velocidades que possam ser danosas no caso da grelha eléctrica não estar disponível ou de anomalia do gerador ou do seu controlo e o gerador deixar de estar apto a limitar a velocidade do rotor da turbina eólica. O sistema de travagem também deve estar apto a imobilizar a turbina eólica num curto período de tempo no caso de anomalia ou de outro problema com a turbina eólica.

Como mostrado nas Figuras 9 e 10, o sistema de travagem consiste num disco 14 de travão que está posicionado acima de uma flange 15 de fundo do veio 2 principal. O diâmetro interior do disco 14 de travão é ligeiramente maior do que o diâmetro exterior do veio 2 principal permitindo que o disco 12 rode e se desloque para cima e para baixo. O disco 14 está limitado no movimento de rotação relativamente ao veio 2 principal por intermédio de vários pinos 16 que se encaixam verticalmente através da flange 15 de fundo, do disco 14 de travão e de uma flange 17 idêntica à flange 15 de fundo. As flanges 15 e 17 são soldadas ao veio 2 principal e os seus diâmetros exteriores (que têm dimensões iguais) são muito mais pequenos do que o diâmetro exterior do disco 14 de travão. O disco 14 de travão pode mover-se verticalmente entre as flanges 15 e 17. Existem dois conjuntos de calços de travão, um conjunto superior fixo de calços 18 e um conjunto inferior amovível de calços 19. Os calços 19 amovíveis podem mover-se verticalmente e girar num plano vertical. Os calços 19 amovíveis estão montados na curta extremidade de um braço 12

ΕΡ 1 478 848 /PT 20 de travão que gira no plano vertical sobre veios 21 de pinos de fulcro. Um peso 22 é proporcionado na extremidade do braço 20 de travão para proporcionar uma força de travagem. O pino 21 de fulcro está colocado de modo a que a distância deste até à extremidade do braço 20 de travão que suporta o peso 22 seja dez vezes a distância do pino 21 ao centro dos calços 19 de travão amovíveis. Existem dois braços 20 de travão paralelos, estando, cada um deles, montado em cada lado do veio 2 principal. Quando a extremidade comprida do braço 20 de travão é descida em torno do fulcro 21, a extremidade curta eleva-se deslocando os calços 19 amovíveis no sentido ascendente. Os calços 19 amovíveis estão posicionados por baixo do disco 14 de travão e entram em contacto com o disco 14 quando os calços 19 são elevados.

Continuando a descer a extremidade comprida dos braços 20 de travão, o disco 14 de travão é elevado até entrar em contacto com os calços 18 de travão fixos superiores. O disco 14 fica, então, encaixado entre os calços 18 e 19 de travão superiores e inferiores. Esta posição está mostrada na Figura 10. A força de travagem vale, então, o peso 22 vezes a vantagem mecânica da acção de alavanca ou dez vezes o peso 22.

Além da força de travagem mecânica dos calços 18 e 19 de travão sobre o disco 14 de travão, a turbina eólica também inclui um sistema para inclinar as pás 3 de modo a proporcionar uma travagem aerodinâmica. O sistema de travagem aerodinâmica inclui um disco 23 de activação de pás que está posicionado no veio 2 principal a uma altura ao nível do conjunto de fundo dos braços 4 de pá. O diâmetro interno do disco 23 de activação de pás é ligeiramente maior do que o diâmetro externo do veio 2 principal para que o disco 23 possa rodar em torno do veio principal e se deslocar para cima e para baixo ao longo do veio 2. Existe um conjunto de cabos 24 e 25 de inclinação de pás fixado ao disco de activação de pás. O primeiro conjunto de cabos 24 está fixado ao bordo de ataque de uma pá 3. O segundo conjunto de cabos 25 está fixado ao bordo de fuga de uma pá 3. Existem quatro cabos de cada tipo de cabos 24 e 25 para que, quando o disco 23 de accionamento de pás é rodado relativamente ao veio 2 principal, os bordos de ataque das pás sejam afastados do veio 2 principal e os bordos de fuga sejam aproximados do veio 2 principal para inclinar as pás 3. As pás 3 estão 13

ΕΡ 1 478 848 /PT montadas de modo articulado nos braços 4 de pá numa posição entre o bordo de ataque das pás e o centro de gravidade das pás. Dado que o centro de gravidade está avançado em relação à posição de articulação, as pás tendem a inclinar-se a não ser que sejam limitadas pelos cabos 24. 0 disco 23 de activação de pás é rodado ao mesmo tempo que se aplica o travão mecânico. Um conjunto de varetas 26 de impulsão assenta no topo do disco 14 de travão e estende-se no sentido ascendente até ao lado de fundo do disco 23 de activação de pás. As varetas 23 de impulsão são guiadas e limitadas no interior de orifícios na flange 17 e noutra flange 27 que está situada logo abaixo do disco 23 de activação de pás. Os orifícios nas flanges 17 e 27 são sobredimensionados para permitir que as varetas de impulsão se desloquem na vertical através dos orifícios. Quando se aplica o travão mecânico, o disco 14 de travão é deslocado no sentido ascendente. 0 movimento no sentido ascendente do disco 14 de travão é transmitido através das varetas 26 de impulsão ao disco 23 de activação de pás para que o disco 23 de activação de pás também se desloque no sentido ascendente. Um primeiro conjunto de batentes 28 limita um detentor 29 fixado ao disco 23 de activação de pás para impedir o movimento de rotação relativamente ao veio 2 principal. No entanto, quando as varetas 26 de impulsão deslocam o disco 23 de activação de pás no sentido ascendente, o detentor 29 no disco 23 de activação de pás desloca-se, desviando-se dos batentes 28. A força centrífuga proveniente das pás, então, puxa os cabos 24 e 25 e, por conseguinte, o disco 23 de activação de pás, para uma nova posição na qual o detentor 29 se engata num segundo conjunto de batentes 30. O primeiro conjunto de batentes 28 corresponde a uma posição de inclinação das pás para o funcionamento da turbina e o segundo conjunto de batentes 30 corresponde a uma posição de inclinação das pás para uma travagem aerodinâmica. Idealmente, as pás deviam inclinar-se, aproximadamente, 45 graus entre os batentes 28 e batentes 30. Um conjunto de molas 31 puxa o disco 23 de activação de pás de regresso para a posição de funcionamento na qual o detentor 29 se engata nos batentes 28. Quando a velocidade do rotor diminui, a força centrífuga proveniente das pás não e suficientemente alta para vencer a força das molas 31 e as pás regressam à 14 ΕΡ 1 478 848 /PT sua posição de funcionamento. Quando o travão mecânico é desengatado, as varetas 26 de impulsão deslocam-se no sentido descendente e permitem que os detentores 29 adoptem uma posição em que ficam retidos por batentes 28. Deste modo, as pás são inclinadas durante uma operação de travagem para proporcionar uma travagem aerodinâmica mas regressam, automaticamente, à sua posição de funcionamento quando o travão é desengatado. Os travões aerodinâmicos são mostrados na Figura 9 na sua posição de funcionamento e na Figura 10 na sua posição de imobilização com as pás inclinadas.

Na concretização mostrada na Figura 2, na qual a turbina eólica inclui três módulos empilhados, o travão aerodinâmico está, de preferência, incluído apenas no módulo inferior. As pás dos outros dois módulos estão fixas em termos de inclinação de modo a minimizar o desgaste e a manutenção dos módulos superiores.

Como mostrado nas Figuras 9 e 10, o sistema de travão é accionado por um cilindro 32 pneumático que eleva e desce o peso 22 e a extremidade dos braços 20 de travão. Quando a extremidade inferior do cilindro 32 é pressurizada, o pistão interno é forçado a deslocar-se no sentido ascendente levantando o peso 22 e os braços 20 de travão. O cilindro 30 deve ser pressurizado para desengatar o travão e o travão é aplicado quando a pressão no cilindro é libertada. A fonte 33 de ar pressurizado para o cilindro 32 é controlada de modo a controlar o sistema de travão. Um compressor 34 de ar fornece ar pressurizado ao cilindro 32. Na concretização preferencial, um compressor 34 fornece ar comprimido para os cilindros 32 de ar em várias turbinas eólicas adjacentes. O escoamento para o interior e para fora do cilindro de ar é controlado por uma válvula 35 de solenoide. A válvula 35 é alimentada electricamente por um circuito 36 que também fornece energia ao gerador 12 para que o travão seja activado se a energia fornecida ao gerador 12 for cortada. A linha 33 de ar comprimido está aberta entre o cilindro 32 e o compressor 34. Quando a energia eléctrica fornecida à válvula 33 é interrompida, a válvula 33 fecha-se entre o compressor 34 e o cilindro 32 e evacua o ar pressurizado desde o cilindro 32 fazendo com que o peso 22 e os braços 20 de travão caiam, engatando o sistema de travão. Esta é uma 15

ΕΡ 1 478 848 /PT concepção de segurança contra falhas na medida em que a perda de energia irá desactivar a válvula 35 de solenoide e libertar a pressão na linha 33 de ar que fornece o cilindro 32 pneumático, fazendo, desse modo, com que o travão seja aplicado. A energia eléctrica fornecida à válvula 33 pode ser interrompida devido a uma anomalia no circuito da turbina ou na rede de fornecimento. Também pode ser interrompida desligando manualmente o solenoide 36 e o circuito 37 do compressor por intermédio da comutação de um interruptor 38 de travão. Além da comutação manual, um interruptor 39 de báscula no circuito 36 de solenoide pode ser desligado por intermédio de um braço 40 de activação que se desloca de modo a interferir com o curso do interruptor 39 de báscula para o desligar. O braço 40 de activação e o interruptor 39 de báscula são mostrados na Figura 11. O interruptor 38 manual e o interruptor 39 de báscula devem ser reiniciados manualmente ou através de software de controlo. Se existir uma anomalia no circuito da rede, o travão irá ser engatado mas desengatar-se-á automaticamente quando a electricidade é restaurada.

Como mostrado na Figura 11, o interruptor 39 de báscula é activado por um braço 40 de activação. O braço 40 de

activação está montado na flange 15 do veio principal. O braço 40 de activação pode rodar, afastando-se do veio 2 principal mas está limitado por uma mola 41. A tensão da mola 41 pode ser definida para que o braço 40 de activação se desloque para uma posição para activar o interruptor 39 de báscula quando a velocidade do rotor for superior a uma velocidade aceitável, i. e. ligeiramente maior do que a velocidade de geração. O braço 40 de activação é, de preferência, em aço de modo a proporcionar uma massa suficiente e, por conseguinte, uma força centrífuga suficiente. Em concretizações alternativas, o interruptor 39 poderia ser activado por sensores de velocidade de estado sólido ou por um controlador PLC.

Apesar do sistema de travagem incluir uma travagem mecânica e aerodinâmica redundante, e apesar do sistema de activação possuir segurança contra falhas, a experiência com turbinas eólicas demonstrou que é desejável incluir outro sistema redundante de activação de travão de modo a impedir 16

ΕΡ 1 478 848 /PT que as turbinas eólicas funcionem sem controlo. Um sistema redundante de regulação de velocidade de rotor é mostrado nas Figuras 9 e 10. Um conjunto de braços 42 com peso é montado por intermédio de chumaceiras nos braços 4 de pá de topo do módulo de rotor do fundo. Utilizam-se dois braços 42 na concretização preferencial. Os braços 42 estão suspensos quando o rotor está em repouso. Quando a velocidade do rotor aumenta, os braços 42 são atirados para cima e para fora. Um cabo 43 está fixado a cada braço 42 a uma distância apropriada do ponto de articulação do braço e liga-se ao topo do disco 23 de activação das pás. Quando a velocidade do rotor excede uma velocidade acima da velocidade de activação do interruptor 39 de báscula, cria-se uma tensão suficiente na tensão do cabo 43 que permite levantar o disco 23 relativamente ao seu primeiro conjunto de batentes 28. As pás 3 podem, então, inclinar-se formando um ângulo de inclinação de 45 graus. O efeito de travagem aerodinâmico mantém a velocidade do rotor dentro de uma gama de valores estruturalmente segura. Isto é um sistema de segurança contra falhas de protecção de rotor. A extremidade inferior do veio 2 principal é suportada por duas chumaceiras 44 e 45 de fundo, como mostrado na Figura 8. A chumaceira principal ou chumaceira 45 superior está montada na barra 46 transversal de suporte principal acima da caixa 10 de velocidades e da fundação. O sistema de veios inclui o veio 2 principal e um veio 47 de transmissão. Este sistema de veios pode girar em torno da chumaceira 44 principal. Ambas as chumaceiras possuem regulação automática. O sistema de veios, incluindo o veio 2 principal e o veio 47 de transmissão, oscila porque os cabos 7 de espia podem estirar-se sob carga. A chumaceira 45 de fundo deve estar apta a deslocar-se no plano horizontal para atenuar as tensões de flexão sobre o veio 47 de transmissão. A chumaceira 45 é mais pequena do que a chumaceira principal 44. O veio de transmissão é escalonado no fundo de modo a acomodar a chumaceira 45 e para que a chumaceira 45 possa partilhar cargas axiais com a chumaceira 44 principal. A chumaceira inferior assenta na placa 48 que assenta numa superfície 49 de apoio com rolamentos mostrada na Figura 12. A superfície 49 de apoio com rolamentos permite que a placa 48 de apoio da chumaceira se desloque livremente no plano 17 ΕΡ 1 478 848 /PT horizontal para atenuar a flexão do veio 47 de transmissão. Todas estas placas são suportadas pela fundação 50 através de várias placas que são mantidas em posição, horizontalmente, por intermédio de parafusos de fixação que sobressaem da fundação 50. A chumaceira 45 inferior é, por conseguinte, suportada pela fundação 50. A chumaceira 43 inferior assenta na placa 48 por intermédio de parafusos 51 de chumaceira reguláveis que podem ser preparados para partilharem uma carga específica entre a chumaceira 44 principal e a chumaceira 45 inferior. A Figura 10 mostra que a superfície 49 de apoio com rolamentos é uma superfície formada por uma série de rolamentos 52 mantidos no lugar por uma armação 53. Todos os rolamentos 52 têm o mesmo diâmetro. O diâmetro dos rolamentos 52 é maior do que a espessura da armação para que as placas de aço por cima dos rolamentos 52 assentem nos rolamentos esféricos. A placa 48 de apoio de topo pode rolar em torno destes rolamentos 52. As placas 48 de topo e 51 de fundo levam uma aplicação de massa nas superfícies adjacentes aos rolamentos 52 esféricos.

Apesar de se terem mostrado e descrito concretizações do invento, é evidente para os especialistas com experiência na técnica que se podem fazer várias modificações nestas concretizações sem que isso signifique um desvio em relação ao âmbito das reivindicações. Por conseguinte, pretende-se que a invenção não esteja limitada às concretizações particulares apresentadas mas que o âmbito do invento seja definido pelas reivindicações que se seguem.

Lisboa,

Claims (10)

1. ΕΡ 1 478 848 /PT 1/2 REIVINDICAÇÕES 1. Par de turbinas (1) eólicas baseadas na força ascensional, em que cada turbina eólica compreende: um veio (2) que roda em torno de um eixo vertical; uma pá (3) fixa ao referido veio para rodar com este, em que a referida pá está afastada radialmente para fora do referido veio num raio predeterminado, e um sistema de travagem que aplica travagem aerodinâmica quando o referido sistema de travagem é activado; em que os veios do referido par de turbinas eólicas baseadas na força ascensional estão separados um do outro por uma distância que é menor do que três vezes o referido raio, em que o referido par de turbinas eólicas baseadas na força ascensional está concebido para proporcionar, de um modo geral, um escoamento desobstruído de vento entre as turbinas eólicas.
2. 2. Turbinas (1) eólicas da reivindicação 1, em que o referido veio (2) de uma primeira das referidas turbinas eólicas roda num primeiro sentido predeterminado e o referido veio de uma segunda das referidas turbinas eólicas roda no sentido oposto ao da referida uma das referidas turbinas eólicas. 1, em que os eólicas estão maior do que duas vezes o
3. 3. Turbinas (1) eólicas da reivindicação referidos veios (2) do referido par de turbinas separados um do outro por uma distância que é duas vezes o referido raio mas menor do que referido raio mais 3,05 metros (dez pés).
4. 4. Turbinas (1) eólicas da reivindicação 3, em que os referidos veios (2) do referido par de turbinas eólicas estão separados um do outro por uma distância que é maior do que duas vezes o referido raio mas menor do que duas vezes o referido raio mais 1,53 metros (5 pés), ou em que os referidos veios do referido par de turbinas eólicas estão separados um do outro por uma distância que é, substancialmente, igual a duas vezes o referido raio mais 0,92 metros (3 pés). ΕΡ 1 478 848 /PT 2/2
5. 5. Turbinas (1) eólicas da reivindicação 1, em que as referidas turbinas eólicas têm uma solidez de rotor que é maior do que 30% e menor do que 40%, de preferência em que as referidas turbinas eólicas têm uma solidez de rotor que é, substancialmente, de 33%.
6. 6. Turbinas (1) eólicas da reivindicação 1, em que o referido sistema de travagem é um sistema de travagem com segurança contra falhas.
7. 7. Turbinas eólicas da reivindicação 6, em que o referido sistema de travagem se reinicia automaticamente.
8. 8. Turbinas eólicas da reivindicação 1, em que o referido sistema de travagem inclui um actuador pneumático e, de preferência, em que um único compressor de ar fornece ar comprimido ao referido actuador pneumático para ambas as turbinas eólicas no referido par de turbinas eólicas.
9. 9. Turbinas eólicas da reivindicação 1, compreendendo ainda uma terceira turbina eólica, em que a referida terceira turbina eólica compreende: uma torre; um veio que roda em torno de um eixo substancialmente horizontal; uma pá fixa ao referido veio para rodar com este, em que a trajectória de varrimento da referida pá define um rotor com alturas de extremidade superior e inferior; e em que a referida turbina eólica de eixo horizontal está disposta de modo adjacente ao referido par de turbinas eólicas de eixo vertical de modo a que a referida altura de extremidade inferior da referida turbina eólica de eixo horizontal seja mais alta que o topo das referidas turbinas eólicas de eixo vertical.
10. 10. Turbinas eólicas da reivindicação 1, em que as referidas turbinas eólicas estão instaladas num local com uma direcção de ventos dominantes e em que uma linha entre os veios do referido par de turbinas eólicas é, substancialmente, perpendicular à referida direcção de ventos dominantes. Lisboa