WO2021119772A1 - Turbina eólica de eixo vertical com transmissão por eixo torcional flexível - Google Patents

Turbina eólica de eixo vertical com transmissão por eixo torcional flexível Download PDF

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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the invention presented here is characterized by an equipment designed to drive an electric power generator, containing a wind turbine with a horizontally rotating rotor with external sails for capturing, directing and controlling the wind that will be used in power generation.
  • Figures 3 to 11 illustrate the wind turbine of the present invention in a constructive configuration considered preferred.
  • the vertical wind turbine with telescopic modules proposed here has as its base a tower (2) that extends from a support surface. Differently from the towers already widely used in Brazil, as shown in Figure 1 , the proposed tower presents the motor shaft for the electric generator in a vertical position.
  • Some other patent models of vertical axis wind turbines have already been patented, such as the turbine in Figure 2.
  • the rotation mechanical energy generation module (1) is composed of a set of spark plugs (16) or fixed blades with variable opening and closing pitch for air intake with internal rotors (7) to harness the energy of the wind, which are attached to a flexible torsional shaft (15) with intermediate rings (22) connected to the electric generator. This set provides a better use of the wind, considering that the wind direction is not a determining factor for the functioning of the set due to its construction in fixed rings.
  • the sails (16) have the function of capturing and increasing the usable energy of the winds (compressible fluid) by increasing their dynamic and/or kinetic pressure. Fluid is collected by the spark plug channels and directed to the rotor blade assembly.
  • the spark plug fixing ring (6) has a device that allows the closing of the air intake to the rotor, allowing that, as the weather is unfavorable to the turbine operation, it is possible to adjust the intake allowing better control of the air entering the system.
  • the device that allows this adjustment to be made can be, for example, a set of pinion with rack, causing the relative movement of the sail (16) with the ring (6, 10) enabling its closing. Closing is done by tilting the sails moved by the pinion rack set (shown in Figure 8). the rotor
  • REPLACEMENT SHEET (RULE 26) it consists of a series of channels fixed to each other that rotate around an axis when entering the rotor, the absolute speed of the air is the result of the tangential and relative speeds from the angles of the set of sails. Through the possible adjustment of the sails inclination angle, some restrictions, intrinsic to the fluid displacement process in vane sets, such as rotor rotation limits, surge limit and stonewall limit are minimized.
  • the speed limits are a function of the level of effort which is subjected to the rotating assembly whereby the minimum speed should be above the critical speed of the first vibration.
  • the proposed turbine set reduces the negative effects of vibration on the system because, for example, it has a more rigid structure.
  • the surge limit is characterized by the instability of the operating point when there are fluctuations in the intake pressure of the wind, using the sails adjustment mechanism the effect can be adjusted.
  • the rotation multiplier device improves the inertia of the rotor, helping to attenuate acceleration variations due to periodic forces exerted by the winds.
  • the device evens out rotor movement by absorbing work during acceleration periods to restore it when rotations tend to decrease.
  • a support and support structure to keep the set more rigid.
  • This structure is composed of a support rod (13) with a set of cables tensioned towards the end of the rotor.
  • the set is necessary to reduce the weight of the set and increase its rigidity in order to improve the effects of vibration on the rotor as it is in operation.
  • an element that acts as a seal (9) At the interface between the rotor and the spark plug, we have an element that acts as a seal (9) in order to prevent the air being admitted to the rotor from escaping through the gaps existing between the shaft and the housing, reducing the efficiency of the assembly.
  • the sealing element used serves to retain any impurities that may come into contact with the underside of the rotor frame.
  • the same element also supports the internal structure of the rotor, also reducing friction and improving the relative movement of the moving parts of the turbine assembly where it will be installed.
  • tensioners coupled to the rotor represents not only a constructive method but the possibility of adjustment, alignment and leveling
  • REPLACEMENT SHEET (RULE 26) individual rotor blades according to the demand and demand of the system versus the availability of wind energy to be used.
  • the torsional shaft is made of carbon steel, synthetic and/or natural fibers and has intermediate rings, which makes it possible to solve the start torque problems required to overcome the rotational inertia of the electric generator.
  • Another problem solved by the proposed system (22) is the effect of torsional vibration, which is understood by the oscillation of a body in relation to a reference axis. Because the elastic elements (24) attached to the structure present a restoring moment resulting from the twisting of this same element.
  • the proposed turbine is characterized by containing a progressive torsional shaft ( Figure 10 and 11) made of carbon steel, synthetic and/or natural fibers with intermediate rings that make it possible to solve the problems of start torque required to overcome the rotation inertia of the electric generator .
  • the elastic elements (24) attached to the structure present a restoring moment resulting from the twisting of this same element.
  • the use of the torsional shaft assembly also solves another problem which is the effect of torsional vibration.
  • the flexible torsional shaft improves the efficiency and inconstancy of the torque-generating source.
  • Coupled to the torsional shaft is the electrical generator that converts the mechanical energy of the system rotation into electrical energy that will be made available to users who will benefit from the wind turbine.
  • Another advantage of the system is that the electric generator is close to its base, facilitating its installation, reducing maintenance costs and reducing the support efforts of the tower structure with the extra weight being removed from the top of the tower as they are currently designed (Figure 1 ) ⁇
  • the proposed turbine is characterized by the use of a sealing element (9) at the interface between the rotor and the spark plug.
  • a sealing element increases the efficiency and effectiveness of the spark plug assembly.
  • the same element also supports the internal structure of the rotor, also reducing friction and improving the relative movement of the moving parts of the turbine assembly where it will be installed.
  • the use of sealing elements has never been used in wind turbines in the researched models, presenting an innovative characteristic and for industrial use. Its use is an essential device for mounting and for providing support and friction reduction of the spark plug ring rotor assembly.
  • a composite housing in a frame structure covered with weather-resistant material (5) such as PTFE (Polytrafluoroethylene).
  • weather-resistant material (5) such as PTFE (Polytrafluoroethylene).
  • the material to be used forms an extremely rigid and lightweight membrane that provides a self-cleaning surface finish, reducing the need for maintenance
  • REPLACEMENT SHEET (RULE 26) periodical and increasing the life of the system.
  • the proposed turbine cover system presents an innovative feature of relevant industrial application not previously used in wind turbines.
  • a relevant technical characteristic of the proposed turbine refers that because the shaft coupled to the generator is vertical, and the nature of the assembly of the sails and rotor blades, the direction and direction of wind displacement do not influence the capture of wind forces being admitted in the system. This feature allows the turbine to have greater efficiency, eliminating losses with unnecessary displacements of the set, which consequently captures energy continuously.

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Abstract

Destinada à conversão de energia eólica em outras formas úteis de energia, apresenta-se uma turbina eólica de eixo vertical composta por uma carcaça em estrutura de frame (8) recoberta com material resistente às intempéries (5). Em suas extremidades possui um conjunto de velas ou defletores (16) fixas com passo variável de abertura e fechamento para a admissão do ar, cujo fluxo incide nas pás (7) do rotor interno para a conversão da energia do vento, sendo o mesmo afixado em um eixo torcional flexível progressivo (15) com anéis intermediários (22) conectados a um gerador elétrico. O conjunto apresenta um dispositivo de melhoramento da rotação utilizando deslocamento de massas (19, 20) conforme a velocidade de rotação. O ar entra sob pressão através das velas (16) em direção às pás (7) do rotor, fazendo com que a energia cinética do vento seja convertida em energia mecânica de rotação, a qual é amplificada com o auxilio do dispositivo de deslocamento de massas por meio da transferência de sua rotação para o eixo torcional progressivo (15) conectado ao gerador de energia elétrica.

Description

TURBINA EÓLICA DE EIXO VERTICAL COM TRANSMISSÃO POR EIXO TORCIONAL FLEXÍVEL
A referência agora será feita em detalhes para formas de realização da invenção, um ou mais exemplos dos quais estão ilustrados nos desenhos. Cada exemplo é fornecido a título de explicação da invenção, não a título de limitação da invenção. Na verdade, será evidente para os técnicos no assunto que podem ser feitas várias modificações e variações na presente invenção sem se afastar do escopo ou espírito da invenção. Por exemplo, as características ilustradas ou descritas como parte de uma forma de realização podem ser usadas com outra forma de realização para produzir ainda uma outra forma de realização. Assim, pretende-se que a presente invenção abranja tais modificações e variações que se enquadram no escopo das reivindicações anexas e os seus equivalentes.
A invenção aqui apresentada é caracterizada por um equipamento destinado ao acionamento de um gerador de energia elétrica, contendo uma turbina eólica com rotor de rotação horizontal com velas externas de captação, direcionamento e controle do vento que irá ser aproveitado na geração de energia. As Figuras de 3 a 1 1 ilustram a turbina eólica da presente invenção em uma configuração construtiva considerada preferencial.
A turbina eólica vertical com módulos telescópicos aqui proposta apresenta como base uma torre (2) que se prolonga a partir de uma superfície de suporte. Diferentemente do que as torres já amplamente difundidas no Brasil, conforme a Figura 1 , a torre proposta apresenta o eixo motor para o gerador elétrico na posição vertical. Alguns outros modelos de patentes de turbinas eólicas de eixo vertical já foram patenteados, como por exemplo a turbina da Figura 2. Mas diferentemente dos modelos já propostos, o módulo de geração da energia mecânica de rotação (1 ) é composto por um conjunto de velas (16) ou pás fixas com passo variável de abertura e fechamento para a admissão do ar com rotores (7) internos para aproveitarem a energia do vento sendo os mesmos afixados em um eixo torcional flexível (15) com anéis intermediários (22) conectados no gerador elétrico. Esse conjunto fornece um melhor aproveitamento do vento tendo em vista que a direção do vento não é fator determinante para o funcionamento do conjunto devido a sua construção em anéis fixos.
As velas (16) têm a função de captar e aumentar a energia utilizável dos ventos (Fluído compressível) pelo aumento de sua pressão dinâmica e/ou cinética. O fluído é coletado pelos canais das velas e direcionado para o conjunto de pás do rotor. O anel de fixação das velas (6) possui um dispositivo que permite o fechamento da admissão do ar para o rotor permitindo que a medida que as intempéries sejam desfavoráveis ao funcionamento da turbina, seja possível ajustar a admissão permitindo um melhor controle do ar entrando no sistema. O dispositivo que permite fazer este ajuste pode ser por exemplo um conjunto de pinhão com cremalheira, fazendo com que haja o movimento relativo da vela (16) com o anel (6, 10) possibilitando o seu fechamento. O fechamento se dá pela inclinação das velas movimentadas pelo conjunto cremalheira pinhão (esquematizado na Figura 8). O rotor
FOLHA DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26) é constituído de uma série de canais fixos entre si que giram em torno de um eixo ao entrar no rotor a velocidade absoluta do ar é a resultante das velocidades tangencial e relativa provenientes dos ângulos do conjunto de velas. Através do possível ajuste do ângulo de inclinação das velas, algumas restrições, intrínsecas ao processo de deslocamento de fluídos em conjuntos de palhetas, como os limites de rotação do rotor, limite de surge e limite de stonewall são minimizadas. Os limites de rotação são em função do nível de esforços a que é submetido o conjunto rotativo sendo que a rotação mínima deve se situar acima da 1 â velocidade crítica de vibração. O conjunto da turbina proposta reduz os efeitos negativos da vibração sobre o sistema pois, por exemplo, possui uma estrutura mais rígida. O limite de surge é caracterizado pela instabilidade do ponto de operação quando ocorrem oscilações nas pressões de admissão do vento, utilizando o mecanismo de ajuste das velas o efeito pode ser ajustado. Através da invenção proposta é possível um melhor aproveitamento da energia dos ventos melhorando a eficiência geral da turbina em comparação com as que até então estão no mercado.
Junto com o rotor (11 ) temos um dispositivo multiplicador de rotação (Figura 9) que utiliza o deslocamento de massas variáveis. Conforme a velocidade de rotação aumenta a massa se desloca para a extremidade do rotor, aumentando a inércia do rotor. Sempre que um corpo qualquer descreve uma curva, sua velocidade vetorial varia em direção. Para que isso ocorra, as forças que atuam sobre esse corpo devem gerar uma aceleração centrípeta. Então a medida que o rotor varia sua velocidade as massas presentes no dispositivo são deslocadas para sua extremidade pois a força centrípeta diminui fazendo com que as massas tendam a traçar uma trajetória retilínea no interior do dispositivo impedidas pela restrição do tubo, mas se deslocando a sua extremidade. O dispositivo multiplicador de rotação melhora a inércia do rotor, ajudando a atenuar as variações de aceleração devidas às forças periódicas exercidas pelos ventos. O dispositivo regulariza o movimento do rotor absorvendo trabalho nos períodos de aceleração para restituí-lo quando as rotações tendem a diminuir.
Montado na parte superior do rotor temos uma estrutura de suporte e sustentação para manter o conjunto mais rígido. Essa estrutura é composta por uma haste de sustentação (13) com um conjunto de cabos tensionados em direção a extremidade do rotor. O conjunto se faz necessário para diminuir o peso do conjunto e aumentar sua rigidez a fim de melhorar os efeitos da vibração no rotor a medida que o mesmo esteja em funcionamento. Na interface do rotor com a vela, temos um elemento que atua como vedante (9) a fim de evitar que o ar sendo admitido no rotor saia pelas folgas existente entre o eixo e a carcaça reduzindo a eficiência do conjunto. O elemento de vedação utilizado serve para reter qualquer impureza que possa entrar em contato com o inferior da estrutura do rotor. O mesmo elemento também fornece sustentação a estrutura interna do rotor também reduzindo o atrito e melhorando o movimento relativo das peças móveis do conjunto da turbina onde o mesmo será instalado. A utilização de tensionadores acoplados ao rotor representa não apenas um método construtivo mas a possibilidade de regulagem, alinhamento e nivelamento
FOLHA DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26) individual das palhetas do rotor de acordo com a solicitação e demanda do sistema versus a disponibilidade de energia do vento a ser utilizada.
Quando o ar entra sob pressão através das velas em direção aos rotores, ocorre que a energia cinética do vento seja convertida em energia mecânica de rotação que por sua vez é transferida para o eixo torcional (15) conectado ao gerador de energia elétrica. O eixo torcional é confeccionado em aço carbono, fibras sintéticas e/ou naturais contando com anéis intermediários o que possibilita resolver os problemas do start torque requerido para vencer a inércia de rotação do gerador elétrico. Outro problema resolvido pelo sistema proposto (22) é o efeito da vibração torcional que é entendido pela oscilação de um corpo em relação a um eixo de referencia. Pois os elementos elásticos (24) anexados a estrutura apresentam um momento de restauração resultante da torção deste mesmo elemento.
A turbina proposta se caracteriza por conter um eixo torcional progressivo (Figura 10 e 11 ) confeccionado em aço carbono, fibras sintéticas e/ou naturais contando com anéis intermediários que possibilitam resolver os problemas do start torque requerido para vencer a inércia de rotação do gerador elétrico. Os elementos elásticos (24) anexados a estrutura apresentam um momento de restauração resultante da torção deste mesmo elemento. A utilização do conjunto do eixo torcional resolve também outro problema que é o efeito da vibração torcional. O eixo torcional flexível melhora a eficiência e a inconstância da fonte geradora de torque.
Acoplado ao eixo torcional tem-se o gerador elétrico que converte a energia mecânica de rotação do sistema em energia elétrica que será disponibilizada aos usuários que se beneficiarão pela turbina eólica. Outra vantagem do sistema é que o gerador elétrico fica próximo de sua base facilitando sua instalação, reduzindo custos com manutenção e reduzindo os esforços de sustentação da estrutura da torre com o peso extra sendo retirado do topo da torre como são atualmente concebidos (Figura 1 )·
A turbina proposta se caracteriza pela utilização de elemento vedante (9) na interface do rotor com a vela. Utilizar um elemento vedante aumenta a eficiência e eficácia do conjunto vela rotor. O mesmo elemento também fornece sustentação a estrutura interna do rotor também reduzindo o atrito e melhorando o movimento relativo das peças móveis do conjunto da turbina onde o mesmo será instalado. A utilização de elementos vedantes nunca foi utilizada em turbinas eólicas nos modelos pesquisados, apresentando uma característica inovadora e de uso industrial. Sua utilização é um dispositivo essencial para montagem e para fornecer sustentação e redução de atrito do conjunto rotor anel de velas.
Como elemento de acabamento e fechamento da turbina eólica proposta, temos a carcaça composta em uma estrutura de frame recoberto com material resistente a intempéries (5) como por exemplo o PTFE (Politrafluoretileno). O material a ser utilizado forma uma membrana extremamente rígida e leve que fornece um acabamento de superfície auto-limpante, reduzindo a necessidade de manutenção
FOLHA DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26) periódica e aumentando a vida útil do sistema. O sistema de cobertura da turbina proposta apresenta uma característica inovadora de aplicação industrial relevante não utilizada anteriormente em turbinas eólicas.
Uma característica técnica relevante da turbina proposta se refere que devido ao eixo acoplado ao gerador ser vertical, e a natureza da montagem das velas e paletas do rotor, a direção e o sentido de deslocamento do vento não influenciam a captação das forças do vento sendo admitidas no sistema. Essa característica permite que a turbina tenha uma maior eficiência eliminando perdas com deslocamentos desnecessários do conjunto o que consequentemente capta energia continuamente.
Lista de Componentes
Figure imgf000006_0001
FOLHA DE SUBSTITUIÇÃO (REGRA 26)

Claims

Reinvindicacões
1- Turbina eólica de eixo vertical composta por um conjunto de velas que direcionam o vento de qualquer direção para as palhetas do rotor caracterizado por velas (16) que tem a função de captar e aumentar a energia dos ventos aumentando sua pressão de admissão.
2- Turbina caracterizado por um dispositivo (6) que permite a regulagem da admissão do ar e até mesmo o seu fechamento por completo através da inclinação das velas movimentadas pelo conjunto cremalheira pinhão (esquematizado na Figura
8).
3- A turbina proposta caracterizado por conter um dispositivo multiplicador de rotação (Figura 9) que utiliza o deslocamento de massas variáveis que conforme a velocidade de rotação aumenta a massa se desloca para a extremidade do rotor, aumentando a inércia do rotor.
4- A turbina proposta caracterizado por conter tensionadores acoplados as palhetas do rotor montados em sua parte superior tendo uma estrutura de suporte e sustentação para manter o conjunto mais rígido, estável e com possibilidade de ajuste de acordo com a demanda e disponibilidade da energia do vento.
5- A turbina proposta caracterizado por utilizar elemento vedante (9) na interface do rotor e os anéis das velas que é um dispositivo essencial para montagem e fornecer sustentação e redução de atrito das reinvidicações 1 e 2.
6- A turbina proposta se caracterizado por conter um eixo torcional progressivo (Figura 10 e 11) confeccionado em aço carbono, fibras sintéticas e/ou naturais contando com anéis intermediários e elementos elásticos (24) anexados a estrutura fornecendo um momento de restauração resultante da torção deste mesmo elemento. 7- A turbina proposta caracterizado por utilizar um elemento sintético como PTFE (politrafluoretileno) de acabamento e fechamento contendo um frame recoberto com membrana resistente a intempéries (5) sendo extremamente rígida, leve e autolimpante.
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