PT2839146T - Turbina eólica - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "TURBINA EÓLICA"

Campo da Técnica A invenção refere-se a uma turbina eólica para geração de energia com um concentrador de vento atravessado axialmente em corrente, montado de modo giratório num eixo, rotativo, turbilhonante, que apresenta um invólucro externo anular, em cujo lado externo estão dispostas instalações de guia distribuídas em 360 0 e que está equipada com lâminas de concentrador circularmente distribuídas entre o eixo e o invólucro externo (WO 02/057625 Al).

Antecedentes da Técnica O dispositivo conhecido é equipado no seu invólucro externo com um gerador de vórtex, mas apresenta, no total, uma modalidade de construção do tipo turbina, muito dispendiosa. De resto, a utilização da energia cinética contida no vento é possível com diversos sistemas.

As turbinas eólicas conhecidas têm, em geral, rotores do tipo hélice, que são alinhados com a utilização da impulsão para a produção de energia na direção do vento e contra a mesma. As turbinas eólicas do tipo hélice têm, além disso, a desvantagem de que a economicidade é extremamente pequena, especialmente com pequenas velocidades de vento e com menores diâmetros, devido à Lei de Betz. Além disso, é em geral sabido que turbinas eólicas do tipo hélice produzem níveis de ruído muito altos, e ultrapassam as diretrizes de nível de ruído para equipamentos domésticos menores em áreas habitadas. Os rotores em forma de hélice também requerem correspondentes alturas de curso, pois com o aumento do tamanho das lâminas do rotor, a densidade de energia e o conteúdo de energia utilizáveis do fluxo de ar variam consideravelmente por todo o corte transversal de varredura.

Para melhorar isso é sabido (EP 1415089) alimentar o fluxo de ar através de um rotor de fluxo axial para produzir uma maior densidade de energia com elevado conteúdo de energia e converter a energia cinética do vento natural em energia elétrica. O rotor de fluxo axial, num eixo montado de modo giratório num eixo com pás dispõe de uma instalação de guia que acelera axialmente a corrente de ar. Devido à corrente de ar axial, essa turbina eólica conhecida tem a capacidade de utilizar de forma mais eficiente a fração de corrente de vento disponivel num local e, assim, utilizar com melhor grau de eficácia a energia cinética dessa corrente de ar na faixa de permissibilidade da Lei de Betz, graças à instalação de guia aceleradora, e, por conseguinte, converter a mesma em energia elétrica. É igualmente sabido que a corrente eólica é tanto mais travada quanto mais acentuada for a rugosidade do solo. Um outro facto reside no chamado cisalhamento do centro que depende da localização, ou seja, que a velocidade do vento diminui quanto mais próximo se encontre do solo. Esses dados fazem-se notar quanto mais próximo estiverem do solo ocorrências de vento severas, até turbulentas, que afetam negativamente os comprimentos de rugosidade e reduzem acentuadamente o teor de energia da corrente de ar. Maiores detalhes dessas condições podem ser encontrados no Manual "Guidlines for Design of Wind Turbines" de Risoe National Laboratory. O documento W02010/131052 descreve uma turbina eólica com as caracteristicas do preâmbulo da reivindicação A invenção tem, portanto, como objetivo sanar essas deficiências e disponibilizar uma turbina eólica simples e eficiente do tipo descrito no inicio, que utilize a energia eólica disponivel com melhor grau de eficácia e, especialmente, alimente o vento ao concentrador de vento atravessado em fluxo, rotativo e turbilhonante com melhores comprimentos de rugosidade e elevado teor de energia com todas as velocidades de vento utilizáveis. Esse objetivo é alcançado pela invenção pelo facto de que as instalações de guia compreendem perfis de guia curvados, em forma de dente de serra, geradores de turbilhão de margem, que produzem uma bobina de turbilhão a jusante por todo o corte transversal do invólucro externo em forma de anel. Especialmente os perfis de guia curvados, dispostos no invólucro externo, distribuídos em 360 graus, em forma de dente de serra e que se enroscam em direção de fluxo, geram turbilhões de margem por trás do concentrador de vento, que se soltam nos perfis de guia.

Esses turbilhões de margem fluem juntamente no fluxo e por indução mútua começam a girar a montante em forma de espiral em torno de si e formam a montante uma bobina de turbilhão, que forma por trás do concentrador de vento um olho de concentrador com forte subpressão por todo o corte transversal do invólucro externo em forma de anel.

No interior dessa bobina de turbilhão, forma-se uma elevada velocidade de fluxo que, por trás do concentrador de vento, produz uma queda da pressão local, de modo que a potência do concentrador de vento rotativo possa ser aumentada devido à maior queda de pressão.

Da técnica de fluxos é sabido que a subpressão também se propaga para regiões distanciadas limítrofes e, com isso, também aumenta o fluxo de ar no concentrador de vento descrito pelas lâminas do concentrador, o que produz também uma elevada potência de energia, pois é imposta uma taxa maior de massa. O concentrador de vento gerador de turbilhão, de acordo com a invenção, com perfis de guia curvados, em forma de dente de serra, que se enroscam, distribuídos no invólucro em forma de anel em 360 graus, posicionados em disposição circular, que produzem a jusante além da formação de bobina de turbilhão, que forma por trás do concentrador de vento um olho de concentrador com forte subpressão por todo o corte transversal do invólucro externo em forma de anel, vantajosamente, também uma aceleração de fluxo e elevação de torque no eixo da turbina eólica em todas as velocidades de vento. Isso leva a melhores comprimentos de rugosidade e produz inclusive uma suavização de oscilações de curto tempo condicionadas pela força do vento no número de rotações de acionamento entre rajadas de vento. Para isso, os perfis de guia podem ser curvados em direção longitudinal do perfil e, eventualmente, em torno de um eixo longitudinal de perfil.

Com isso aumenta o rendimento de energia elétrica por m2 de área de varredura graças às forças de impulsão que atuam intensamente no concentrador de vento turbilhonante, rotativo, e que atuam com igual intensidade sobre o torque e, assim, sobre a real potência por m2 de área de varredura. Isto resulta num arranque mais rápido da turbina eólica com menores intensidades de vento e, por conseguinte, atua vantajosamente na curva de potência a todas as velocidades de vento utilizáveis.

Além disso ou em alternativa, o invólucro externo pode ser equipado com perfis de guia na forma de extremidades de aleta com "winglets" amoldados, que apresentam um comportamento de desprendimento de turbilhão particularmente bom e calculável.

Para melhorar o comportamento de fluxo, o acionamento e o desprendimento de turbilhão, especialmente também com pequenas velocidades de vento, o invólucro externo, os perfis de guia e, eventualmente, as aletas podem apresentar um corte transversal de área de suporte.

Esses perfis de guia turbilhonantes, que rodam para dentro contra a direção de rotação, curvados, podem também ser empregues em revestimentos fixos de turbinas e rotores.

Numa outra forma de realização, esse concentrador de vento de acordo com a invenção por acionamento motorizado pode ser empregue também como concentrador de ventilador gerador de propulsão. Nessa forma de realização, a montante, forma-se uma zona de subpressão, gue se propaga a jusante também em regiões locais remotas adjacentes do concentrador de vento pelo efeito de aspiração e reduz a procura de energia para o acionamento motor pela redução da pressão local em comparação com ventiladores convencionais do estado atual da técnica. Segundo a invenção, o grau de eficácia da turbina eólica de acordo com a invenção é ainda mais aumentado ou a energia eólica disponível ainda melhor utilizada, na medida em gue, a jusante do concentrador de vento rotativo, é disposto um concentrador auxiliar, de fluxo axial, que assenta sobre um eixo adicional, sendo que o concentrador de vento e auxiliar estão envoltos com um revestimento fixo, que se estende horizontalmente, em forma de anel ou difusor.

Ao desejar um aumento adicional da velocidade do vento no revestimento que se estende horizontalmente, em forma de anel ou difusor, fixo, é vantajoso que o mesmo seja executado a estreitar-se em forma de bocal do lado de entrada do vento, e que se alarga em forma de bocal de Lavai no lado de saída.

Para, se necessário, poder empregar o concentrador de vento ou o concentrador auxiliar em operação como instalação de guia para o respetivo outro concentrador de vento, ao concentrador de vento e/ou ao concentrador auxiliar está associado um dispositivo de travagem, com o qual um ou outro concentrador de vento pode ser travado até à paralisação. A turbina eólica de acordo com a invenção com concentrador de vento turbilhonante está disposta ou com eixo de rotação horizontal alinhado contra o vento, ou com rotor Luv ou Lee sobre um mastro com união de coroa rotativa ou semelhante. Igualmente, o concentrador ligado em série com um concentrador auxiliar a jusante com revestimento que se estende horizontalmente, fixo, em forma de anel, difusor ou bocal de Lavai, é fornecido sobre um mastro com união de coroa rotativa ou semelhante.

Ao desejar uma utilização solar da turbina de acordo com a invenção, o concentrador de vento turbilhonante, que se estende verticalmente, é equipado com painéis solares de camada fina, flexíveis, para utilização de energia solar. 0 revestimento com painéis solares flexível estende-se tanto ao concentrador de vento, aos perfis de guia turbilhonantes dispostos em forma de anel, como também ao revestimento que se estende horizontalmente, fixo, em forma de anel, de difusor ou de bocal de Lavai, ou partes do mesmo. A energia térmica obtida dos painéis solares é derivada e convertida em energia elétrica. Pelos painéis solares ocorre um arrefecimento das áreas de concentrador de vento pela derivação da energia térmica, sendo que com isso é adicionalmente arrefecida a corrente de ar nos canais de fluxo, com o que aumenta o peso específico do ar e com isso também a eficiência energética. É sabido em geral que, sobre painéis solares, essencialmente mais tarde, pode formar-se gelo ou pode ser depositada neve.

Como outra possibilidade de utilização da turbina de acordo com a invenção, é proposto o desprendimento de frações da água contida na humidade do ar da corrente de ar inicialmente introduzida axialmente, em forma de espiral, no revestimento que se estende horizontalmente, fixo, em forma de bocal de Lavai, que inicialmente se afila na direção de entrada do vento e, após o seu afilamento, se alarga novamente em direção ao lado de saída do vento.

Pelo fluxo de ar introduzido em forma de espiral no revestimento que se estende horizontalmente, em forma de bocal de Lavai, é arrefecido entre os dois concentradores de vento da corrente de ar, com o que é separada água no fundo do revestimento. Essa fração de água retirada da corrente de ar deve ser recolhida em recipientes de captação de água e utilizada economicamente para irrigação e outras áreas de emprego técnicas. A água tanto pode ser recolhida subterraneamente ou por bombeamento em bacias de captação de água acima do solo.

Sendo desejado um maior arrefecimento do fluxo de ar corrente no revestimento que se estende horizontalmente, em forma de bocal de Lavai, para extrair do mesmo uma maior fração da fração de água contida na humidade do ar, propõe-se arrefecer correspondentemente o concentrador de vento no lado de entrada de vento como também o revestimento em forma de bocal de Lavai por fios de arrefecimento e/ou mangueiras de arrefecimento embutidas ou semelhantes, conforme a necessidade. Tais fios de arrefecimento e/ou mangueiras de arrefecimento podem também estar dispostos paralelamente, em forma de grelha entre os dois concentradores de vento.

Para poder empregar o dispositivo para a separação de água do fluxo de ar também com vento parado ou fluxo de vento muito fraco, um dos concentradores de vento dispostos em série no revestimento em forma de bocal de Lavai, especialmente que se estende horizontalmente, é acionado por acionamento motor pelo gerador como ventilador, gerando propulsão. Opcionalmente, ou o concentrador de vento ou o concentrador de vento auxiliar é operado motorizadamente como ventilador, com o que a corrente de ar é aspirada a montante, gerando impulsão.

Breve descrição dos desenhos: A invenção está esguematicamente representada no desenho com base numa forma de realização. Mostram:

Figura 1 uma turbina eólica com concentrador de vento turbilhonante, rotativo, em vista frontal como rotor Luv.

Figura 2 uma turbina eólica com concentrador de vento turbilhonante, rotativo, em vista lateral, como rotor Luv.

Figura 3 uma variante de configuração da turbina eólica de acordo com a invenção com concentrador de vento turbilhonante, rotativo, com concentrador auxiliar que se estende paralelamente num eixo adicional, disposto a jusante, em revestimento em forma de bocal de Lavai fixo, que se estende horizontalmente em vista lateral, parcialmente em corte, com fios de arrefecimento e cubas de captação de água embutidas.

Figura 4 a 6 uma forma de configuração dos perfis de guia dispostos anularem 360 graus, em forma de dente de serra, curvados, que se enroscam, contra a direção de rotação com diversas vistas.

Figuras 7 a 12 outros exemplos de realização dos perfis de guia dispostos em 360 graus, turbilhonantes e vedantes de fluxo, curvados, que se enroscam, contra a direção de rotação com diversas vistas e Figuras 13 a 21 variantes de construção dos exemplos de realização segundo as Figuras 4 a 12 com perfis de guia que apresentam um corte transversal de área de suporte.

Formas de realização da invenção

Uma turbina eólica 1 para geração de energia com concentrador de vento 2 turbilhonante, rotativo, consiste essencialmente num concentrador de vento 2 de fluxo axial, rotativo, montado giratório num eixo 3, que dispõe de um invólucro externo 4 em forma de circulo, para poder utilizar o fluxo de ar por todo o corte transversal da corrente de entrada.

No lado externo do invólucro externo 4 em forma de anel encontram-se, distribuídas em 360 graus, instalações de guia fixadas em forma de círculo, que se enroscam, turbilhonantes e vedantes de fluxo, que podem possuir perfis de guia 5 curvados, em forma de dentro de serra, que se enroscam contra a direção de rotação, que podem alargar-se (alargar em corte transversal) em direção de fluxo. 0 concentrador de vento 2 está equipado entre cubo 6 e invólucro externo 4 anular com folhas de concentrador 7 dispostos em torno do cubo 6 em forma de círculo, em forma de raios, dependendo da finalidade de emprego com perfis de baixa velocidade ou com perfis de alta velocidade. Por perfis de baixa velocidade são entendidos nesse contexto perfis de área de suporte, que são projetados para pequenas velocidades de entrada de corrente. Portanto, perfis de alta velocidade são projetados para velocidades de entrada de corrente altas ou mais altas.

Esses perfis de guia 5 turbilhonantes devem impor ao fluxo de ar de entrada turbilhões de margem que, por trás do concentrador de vento 2, se juntam para uma bobina de turbilhão por todo o corte transversal do concentrador de vento 2 atravessado em fluxo. No interior dessa bobina de fluxo forma-se uma elevada circulação, que produz no seu interior um aumento de velocidade e com isso subpressão. Na área anular encerra por trás do concentrador de vento 2, o olho do concentrador, ocorre por todo o corte transversal do invólucro externo anular uma redução da pressão local. Condicionado pela baixa pressão no núcleo do turbilhão, através do concentrador de ar 2 é aspirado ar do meio ambiente a montante, pois numa subpressão local as moléculas fluem com velocidade molecular e, com isso, apresentam o efeito de aceleração autónoma. Essa aceleração conduz a melhores comprimentos de rugosidade com elevado teor de energia do fluxo de ar e produzem uma suavização das oscilações de curto tempo do vento dentro das rajadas de vento.

Como indicado nos exemplos de realização (Figuras 4 a 12), os perfis de guia 5 turbilhonantes, se enroscando, curvados, podem apresentar na extremidade do perfil diversas formas de configuração de saida e também ser executados ajustáveis contra uma força elástica ou pelo emprego de materiais flexiveis com o fluxo de vento. 0 concentrador de vento 2 está fixado sobre o eixo 3, que está montado giratório num alojamento 8 e conectado por uma transmissão 9 e acoplamento 10 a um gerador 11, com o que a energia do vento é convertida em energia elétrica. O rastreamento do vento da turbina eólica 1 ocorre por meio de um motor elétrico 13 engatando na coroa de rotação 12. Segundo as Figuras 1 e 2 a turbina eólica 1 de acordo com a invenção está montada num mastro tubular de aço 14. O concentrador de vento 2 possui coaxialmente ao eixo 3 um corpo de deslocamento médio, que forma simultaneamente um cubo 6 para alojamento do concentrador de vento 2, e aduz o fluxo de ar da região de turbina interior, em que o efeito de utilização devido à pequena distância do eixo de rotação seria muito pequeno, para a região da turbina situada mais externamente, com o que aumenta a pressão nula antes do concentrador de vento 2 e por conseguinte adicionalmente a força de propulsão das folhas de concentrador nos perfis de baixa velocidade.

Com variante de configuração para uma utilização solar, o próprio concentrador de vento 2 que se estende verticalmente e os perfis de guia 5 curvados, turbilhonantes, podem ser equipados com painéis solares flexiveis, de camada fina, para utilização de energia solar. A corrente solar gerada dos painéis solares é derivada e convertida em energia elétrica. O concentrador de vento 2 pode ser acionado por seu gerador 11 também motorizadamente como concentrador de vento-ventilador 2 gerando propulsão, de modo que a montante resulta uma zona de subpressão pela queda da pressão local., que a jusante se propaga também em regiões locais contiguas do concentrador de vento-ventilador motorizadamente operado pelo efeito de aspiração, com o que é melhorado o grau de eficácia.

Em uma outra forma de realização da turbina eólica 1 de acordo com a invenção, para melhor aproveitamento da energia do vento, a jusante do concentrador de vento 2 pode estar disposto um concentrador de vento auxiliar 16 assentado sobre um eixo adicional 15, axialmente atravessado em corrente assim como concentrador de vento 2. 0 concentrador de vento auxiliar 16 aciona igualmente um gerador 11. Ambos os concentradores de vento 2 e 16 são envoltos por um invólucro 17 fixo, em forma de anel ou de difusor. É vantajoso que o invólucro 17 seja executado em forma de bocal de Lavai, e se estreite em forma de bocal em direção de fluxo do lado de entrada de vento em direção do concentrador de vento 2, e se alarga de novo a jusante do concentrador auxiliar 16 em direção do lado de saida do vento. 0 rastreamento do vento da turbina eólica 1 em concentradores de vento 2 e 16 paralelamente dispostos ocorre também por meio de um motor elétrico 13 engatando na coroa de rotação 12. Segundo a Figura 3, a turbina eólica 1 de acordo com a invenção está montada sobre um astro de grade 18.

Com a variante de configuração para uma utilização solar, o invólucro 17 em forma de anel, de difusor ou de bocal de Lavai dos concentradores de vento 1 e 16 que se estende verticalmente em série da turbina eólica 1 de acordo com a invenção pode estar equipado com painéis solares flexivel, de camada fina, para utilização de energia solar. A corrente solar obtida dos painéis solares é derivada e convertida em energia elétrica.

Uma outra variante da turbina eólica 1 de acordo com a invenção para realização conforme a Figura 2 possibilita a separação de água de frações da água contida na humidade do ar da corrente de ar introduzida no invólucro 17 em forma de anel, de difusor ou de bocal de Lavai. Entre o concentrador de vento 2 e o concentrador de vento auxiliar 16, a corrente de ar no invólucro em forma de anel, de difusor ou de bocal de Lavai é arrefecida, com o que há separação de água. Essa água extraída da corrente de ar pode ser recolhida em recipientes de captação de água 19, e utilizada economicamente.

Como outra forma de configuração para um arrefecimento intensificado da corrente de ar para a separação de água da unidade do ar se propõe prover o concentrador de vento 1 a montante, e/ou também o revestimento 17 em forma de anel, de difusor ou de bocal de Lavai de fios de esfriamento 20 embutidos ou mangueiras de arrefecimento, que também podem estar dispostos paralelamente em forma de grade de rede entre o concentrador de vento 2 que se estende paralelamente em série e o concentrador auxiliar 16. A turbina eólica 1 de acordo com a invenção conforme a Figura 3 pode também ser acionada motorizadamente pelo concentrador de vento 2 ou pelo concentrador auxiliar 16 por seu gerador 11, para possibilitar no caso de parada de vento ou vento muito fraco também o emprego da separação de água da corrente de ar. Nessa forma de realização, ou o concentrador de vento 2 ou o concentrador auxiliar 16 é operado como concentrador de ventilador 2 ou 16 gerando propulsão.

Os perfis de guia segundo as Figuras 4 a 12 apresentam um corte transversal de área de apoio, para melhor a propulsão (acionamento de rotação) e o desprendimento de turbilhão com pequenas velocidades de vento.

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição • WO 02057625 Al [0001] • EP 1415089 A [0004] • WO 2010131052 A [0006]

Claims (7)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Turbina eólica (1) para geração de energia com um concentrador de vento (2) atravessado axialmente em corrente, montado giratório num eixo (3) , rotativo, turbilhonante, que apresenta um invólucro externo (4) anular, em cujo lado externo estão dispostas instalações de guia distribuídas em 360 °, e que está equipada com lâminas de concentrador (7) circularmente distribuídas entre o eixo (3) e o invólucro externo (4), caracterizada por, a jusante do concentrador de vento (1), ser disposto um concentrador de vento auxiliar (16), de fluxo axial, que assenta sobre um eixo adicional (15), sendo que ambos os concentradores de vento (2, 16) estão montados num eixo (13, 15) horizontal cada e envoltos com um revestimento (17) fixo, que se estende de preferência horizontalmente, em forma de anel ou difusor, e as instalações de guia compreendem perfis de guia (5) curvados, em forma de dente de serra, que produzem por todo o corte transversal do invólucro externo (4) anular a jusante uma bobina de turbilhão.
2. 2. Turbina eólica (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por ao concentrador de vento (2) e/ou ao concentrador auxiliar (16) estar associada uma instalação de travagem.
3. 3. Turbina eólica (1), de acordo com reivindicação 1 ou 2, caracterizada por serem fornecidos painéis solares de camada fina, flexíveis, para o revestimento de um invólucro (17) que se estende horizontalmente, fixo, em forma de anel, de difusor ou de bocal de Lavai, e estes produzem devido a uma descarga de calor um arrefecimento das superfícies do invólucro (17) fixo em forma de anel, de difusor ou de bocal Lavai e um arrefecimento do fluxo de ar que corre axialmente.
4. 4. Turbina eólica (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada por a fração, separada pelo arrefecimento da corrente de ar, contida na humidade do ar no fundo do invólucro (17) que se estende horizontalmente, fixo, em forma de anel, de difusor ou de bocal de Lavai é derivada e, de preferência, recolhida numa bacia de captação de áqua (19).
5. 5. Turbina eólica (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada por, no concentrador de vento (2), especialmente também no invólucro (17) que se estende de preferência horizontalmente, fixo, em forma de anel, de difusor ou de bocal de Lavai, estarem dispostos fios de arrefecimento (20) e/ou manqueiras de arrefecimento (20), que são executados em forma de grade de rede e dispostos entre o concentrador de vento (2) e o concentrador de vento auxiliar (16), e estes, devido ao arrefecimento das superficies equipadas, produzem um elevado arrefecimento do fluxo de ar que se estende axialmente.
6. 6. Turbina eólica (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada por o concentrador de vento (2) ou o concentrador auxiliar (16) serem acionáveis pelo gerador (11) motorizadamente como concentrador de vento-ventilador (2 ou 16) gerando propulsão, e a turbina assim pode ser empregue também com vento parado ou com vento fraco para uma separação de água da corrente de ar como desumidificador de ar.
7. 7. Turbina eólica (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada por serem fornecidos painéis solares flexiveis, de camada fina, para o revestimento do concentrador de vento (2) , e estes produzirem um arrefecimento das superficies do concentrador de vento (2) por descarga de calor e um arrefecimento da corrente de ar em fluxo axial.