BR102013023951A2 - Turbina eólica - Google Patents

Abstract

Turbina eólica. Motor com transmissão eólica para a geração de energia, compreendendo de uma estrutura dividida de forma a vir a facilitar o seu transporte, sendo a instalação constituída por uma torre, uma gôndola na sua extremidade de topo, uma pluralidade de pás de hélices para coleta eólica e um equipamento rotacional consistindo de uma gerador de energia elétrica constituído por um estator interno fixado junto á gôndola e um rotor externo embutindo o estator interno, uma pluralidade de copos de suporte no interior dos quais um eixo rotacional de regulagem do afastamento da pá de hélice vem a ser instalado e aonde são fixadas cada uma das pás de hélice de coleta de energia eólica.

Description

“TURBINA EÓLICA" Campo da Invenção Esta invenção se refere ao campo de dispositivos, equipamentos e disposições empregadas para uso da força eólica e mais particularmente se refere a um motor com transmissão eólica, preferencialmente para grandes demandas de energia, constituído por uma estrutura que vem a ser dividida de modo que as suas partes possam vir a ser facil- mente transportadas por meio de veículos que não excedam as dimensões ou proporções i limitadas pela circulação por rodovias e, com as quais, possibilitando a uma instalação mais facilitada e rápida no próprio local.

Descrição do Estado Anterior da Técnica Os motores por transmissão eólica, por vezes denominados de turbinas por trans- missão eólica, ou simplesmente de turbinas eólicas, são bem conhecidas na área técnica referente ao emprego da força eólica, para ser convertido tanto em força mecânica quanto elétrica. Particularmente, os motores por transmissão eólica são constituídos por uma torre de grande elevação e uma gôndola instalada na extremidade de topo da torre aonde as pás de hélices ou aletas de coleta eólica de um motor rotacional são dispostas junto a um eixo mecânico principal e com todos os mecanismos de transmissão, freios, reguladores, caixas de multiplicação e geradores. O objetivo quanto a grande elevação da torre consiste em se posicionar as pás de hélices tão distantes quanto o possível do solo, buscando chegando até as correntes de ventos com mais velocidades.

Cada uma das partes mencionadas, êm geral, vem a ser transportada até ao local aonde o motor deve de vir a ser instalado. Por vezes, algumas partes do motor podem ser montadas ou pré-montadas muito afastadas do local de instalação, podendo dar ensejo a formação de um equipamento de grande porte que tem de vir a ser deslocado em veículos especiais que, por sua vez, podem exceder a largura padrão das rodovias de trânsito, tais como vias de estrada e pistas para motores pesados. O transporte dessas partes ou equi- pamentos demanda uma verdadeira análise e estudo quanto a logística e a circulação por vias urbanas e rodovias para se determinar, ehtre outras coisas, aonde é viável se vir a cir- cular com;cargas em excesso de volumes, dimensões e peso. Tèm-se portanto que a pré- montagem do conjunto de partes apresenta sua limitação e em geral somente equipamentos de pequeno e médio portes podem vir a serem pré-montados, obrigando-se a execução de tarefas no local da instalação, sem a existência de uma assessoria do fabricante e dos mo- tores e das peças de trabalho que viriam a facilitar enormemente o trabalho junto à usina.

Em função da existência das deficiências das estruturas convencionais, seria bem vantajoso ter-se uma nova estrutura referente; ao motor por transmissão eólica, o qual pu- desse vir a ser pré-montado ou instalado em um equipamento compactado e capacitado a ser transportado por veículos que não excedessem os limites de tamanho de circulação e que pudesse haver a possibilidade de se coricluir a instalação do motor de uma maneira fácil, rápida sem qualquer necessidade quanto a máquinas e ferramentas especiais.

Sumário da invenção Portanto, compreende de um objetivo idesta invenção a provisão de um novo motor por transmissão eólica do tipo consistindo de Uma torre de montagem, uma gôndola e uma pluralidade de pás de hélice de coleta eólica instaladas rotativamente na gôndola, com pro- visão de um equipamento de geração externó instalado na gôndola, sendo que o equipa- mento de geração é montado na fábrica e pode vir a ser facilmente transportado até ao local de instalação do motor, restando somente a conexão das pás e da construção da rigidez do equipamento.

Consiste ainda um objetivo desta invenção a provisão de um motor por transmissão eólica para a geração de energia, compreendendo de uma estrutura dividida de forma a faci- f ! litar o seu transporte e conjunto constituído por uma torre, uma gôndola na sua extremidade de topo, uma pluralidade dè pás de coleta eólióa e um equipamento rotacional incorporando um gerador de energia elétrica constituído por um estator interno fixado junto á gôndola e um rotor externo embutindo tal tipo de estator interno, uma pluralidade de copos de suporte no interior dos quais vem a ser instalado um eixo rotacional regulando o afastamento das pás de hélice aonde cada uma das pás de héliçe de coleta eólica vem a ser fixadas.

Consiste ainda um objetivo desta invenção a provisão de um motor por transmissão i ■ eólica para geração de energia, do tipo que compreende de uma torre apresentando uma extremidade de topo aonde uma gôndola vem]a ser disposta voltada para o alojamento de mecanismos e disposições de geração através ide onde haja a instalação de um equipamen- to rotacional contendo pás de coleta eólica, séndo que tal equipamento rotacional consiste de um gerador de força elétrica constituído por um estator interno fixado em tal gôndola e um rotor externo embutindo tal tipo de estator ihterno, cada um dos ímãs magnéticos e enro- lamentos para geração da força elétrica sendo posicionados indistintamente em tal tipo de • - · Ϊ i estator interno em tal rotor externo; uma pluralidade de copos de suporte, um para cada pá de hélice, equidistantes fixados em tal tipo de rbtor externo do gerador, e um eixo de regula- gem do afastamento de pá de hélice instalado dentro de cada tipo de copos de suporte, com cada pás de hélice de coleta eólica sendo fixada junto a um dos referidos eixos de regula- gem de afastamento.

Breve descrição da invenção Para um melhor esclarecimento quanto aos propósitos e compreensão do objetivo desta invenção, tem-se a apresentação de ilustrações de diversas figuras, aonde a invenção houve por ter sido representada através de umà de suas modalidades preferidas, tudo como forma de exemplo aonde: a Figure 1 apresenta um diagrama ibásico correspondendo a uma turbina por transmissão eólica convencional, cujo objetivo consiste de se fazer entender facilmente a estrutura convencional de um motor por transmissão eólica; a Figure 2 apresenta uma vista em perspectiva do equipamento de geração vindo a ser instalado na gôndola, de acordo com esta invenção; a Figure 3 apresenta uma seção transversal do equipamento de geração da Figura 2 instalado na gôndola, e a Figure 4 apresenta uma seção transyersal do equipamento de geração de acordo com uma alternativa da invenção.

Descrição das modalidades preferidas;

Tendo como referência agora as figuras, pode-se observar que a invenção se refere a um motor por transmissão eólica, ou simplejsmente a uma turbina eólica, voltada para a ■ j geração de energia, do tipo que compreende de uma torre incorporando uma extremidade j : de topo aonde vem a ser disposta uma gôndola destinada a alojar os mecanismos e dispo- sições de geração e aonde faz-se a instalação; de um equipamento rotacional apresentando pás de hélices coletando energia eólica.

Na Figura 1, pode-se observar um diágrama de um motor por transmissão eólica convencional, formado por uma torre 1 apresentando uma elevação adequada para a captu- ra de ventos sob velocidades que podem ser boletadas, contendo um envoltório, generica- mente fechado e denominado de gôndola 2, ihstalada na extremidade de topo da torre 1. A gôndola 2 pode ser do tipo fixo ou giratório dependendo do tipo e tamanhos do motor. Na parte frontal ou no nariz 3 da gôndola ocorre um plano giratório para coleta de energia eólica i constituído por uma pluralidade de pás ou aletás 4 fixadas junto â um eixo 5 aonde as pás podem ser instaladas por meio de um mecanismo que possibilita as mesmas a rotacionarem em torno de seus eixos mecânicos longitudinais, de modo a virem a alterar o afastamento Ϊ dos mesmos. O eixo 5 transmite o seu movimento giratório até a um conjunto de eixo mecâ- nico principal 6, o qual, por sua vez, vêm a sef conectado por meio de sistemas de acopla- mentos conhecidos junto a uma caixa de multiplicadores 7, tal corno uma caixa de engrena- gens, encarregada de aumentar a velocidade rotacional do eixo mecânico 6 de modo que a sua saída de rotação através da seção de eixo mecânico 8 venha a abastecer um gerador elétrico 9 produzindo energia a ser levada até a uma central de produção por meio dos con- i dutores 10. A construção de uma turbina por transmissão eólica deste tipo e mesmo as mais modernas, por muitas vezes necessitam de serem construídas e instaladas no próprio local de funcionamento, gerando muitas complicações, consumindo tempo demais e necessitan- í . , do de máquinas e ferramentas que estão disponíveis somente em usinas de fabricação e ·: ■ ϊ : cujo transporte das mesmas torna-se de custò elevado. Em estruturas mais modernas al- gumas partes são pré-fabricadas na usina e transportadas até a, instalação para a devida montagem, entretanto, essas partes são muito grandes, de modo: que em via de regra não podem ser transportadas via as rodovias ou estradas normais, tais como estradas ou vias para motores pesados, tendo de ser fracionadas de maneira a que os veículos procedam ao transporte transitando esses componentes.

Diferentemente dos motores convencionais, a invenção propõe um motor por transmissão eólica voltado para a geração de alta potência, a um nível maior do que 4 MW, aonde entre outras coisas, o gerador incorpora características particulares no seu modelo de modo a conter uma estrutura rígida, o que pode ser alcançado por meio do encerramento da estrutura das portes giratórias do gerador apresentando vigas transversais para a rigidez ou anéis externos rígidos conectando os cones de suporte das pás. De acordo com outro as- pecto da invenção, o motor vem a ser dividido nos seus componentes de tal maneira que possa vir a facilitar a sua remoção e a instalação do equipamento em grandes elevações, permitindo o transporte no solo, atendendo aos limites dentro das dimensões padronizadas, mesmo no caso de motores de alta potência.

Mais particularmente, de acordo com a invenção, tem-se á proposição de um motor de alta potência por transmissão eólica, preferencialmente mais potente do que 4 MW, in- corporando também uma torre e uma gôndolaIcontendo um conjunto de pás de hélice para coleta de energia eólica, aonde o motor vèm a!ser dividido em componente de tal maneira a facilitar a sua manipulação e a instalação do équipamento nas partes elevadas, além disso dando condições ao transporte pelo solo, mesmo para instalações de grande potência. As pás de hélices deste motor por transmissão eólica são instaladas em um equipamento rota- cional indicado pela referência genérica 11 nas Figuras 2 e 3, e 4. Tal equipamento rotacio- nal 11 consiste de um gerador de energia elétrica 12, consistindo de um gerador sincroniza- do com o rotor externo, constituído por um estator interno 13 fixado junto à gôndola e um rotor externo 14 embutindo tal estator interno 13. Tal estator interno 13 compreende de uma parte configurada como disco 15 fixada junto à referida gôndola por sua porção central com um corpo periférico 16. Mais particularmente,; a parte em disco 15 vem a ser firmemente fixada por meio de parafusos ou cavilhas 17 junto a uma extensão 18 da gôndola (não ilus- trada). O estator interno fixado 13 é encerrado no interior do rotor externo 14 compreen- dendo de uma parede periférica cilíndrica 19, fixada firmemente em ambas paredes circula- res, a frontal 20 e a traseira 21, e com uma asa intermediária 22 se estendendo a partir de - í tal parede frontal 20 e sendo concêntrica com; tal parede periférica cilíndrica 19. As partes ativas do gerador, o que significa dizer, os pólos magnéticos, os geradores do campo mag- nético, e o enrolamento, para a geração da energia elétrica, são todos dispostos indistinta- mente em tal estator interno 13 e em tal rotor externo 14, e mais particularmente, os pólos magnéticos e tal enrolamento para a geração de energia elétrica são dispostos em tal asa periférica 16 do estator e outros dispositivos em tal parede periféirica cilíndrica 19 e em tal asa intermediáfia 22 do rotor. Os póloé 23 gerando o campo magrjético podem ser constituí- dos por ímãs permanentes ou se projetando através dos pólos enrolados com hélices consti- tuídas por material supercondutor. A parte do: estator do gerador pode ser constituída por bobinas 24 feitas de material de condução com enrolamento simples ou duplo, alternativa- mente podem ser feitas de material supercondiutores. A refrigeração no caso de bobinas de condução ocorre por meio de líquidos adequados para a extração de calor a partir dos enro- lamentos e transferindo o mesmo para o ambiente através da interposição de um trocador de calor. Na eventualidade de serem ^bobinas de superconduçãp, a refrigeração pode ser realizada com base no nitrogênio líquido ou algum outro produto capaz de manter o super- ■' ; i condutor abaixo de sua temperatura de funcionamento máxima. O estator 14 é instalado de forma rotacional no tal nariz 18 da gôndola, por exemplo, através do equipamento de roletes t ■ r ' ' t 25, 26 de qualquer formato conhecido preparado para suportar cargas de motores dos tipos mencionados. ■ j í Ainda de acordo com a invençião, tem-se uma pluralidade de copos de suporte, um para cada pá, sendo fixados equidistantes em tal rotor externo 14 do gerador. No exemplo da invenção, tem-se provisão de três copos de suporte 27 devido ao motor apresentar três lâminas que deverão de ser conectadas junto à cada copo 27, da maneira descrita adiante. O copo de supòrte 27 apresenta o formato de um cone truncado, a base secundária 28 do cone vem a ser fixada de encontro a rtal parede periférica 19 do rotor externo 14. A base secundária 28 pode ser constituída pela parte suplementar, conforme mostrado na Figura 3, ou pode ser pafte do próprio cone. Por sua vez, a base principal 2Õ do cone truncado é radi- almente aberta em sentido externo apresentando, preferencialmente, um flange de conexão 30, veja a Figura 2. Os copos de suporte 27 são distribuídos em ârigulos e equidistantes em torno do gerador, e, no caso de três hélices, elas devem ser arrahjadas em 120° Os copos de suporte 27 são conectados de modo rígido entre si por meio de vigas transversais para rigidez 31 fixadas, por exemplo, por meio de cavilhas, junto às respectivas bordas 32 dos referidos flanges de conexão 30. Isto compreende de uma estrutura fechada contendo uma rigidez estrutural muito grande junto ao componente giratório do jmotor suportando as ten- sões geradas pelo vento. f Para sê ser capaz de alterar <? afastamento de cada pá de hélice, tem-se provisão de um eixo de regulagem de afastamento de pá 33 instalado rotabionalmente no interior de cada um dos rèferidos copos de suporte 27, conforme pode ser melhor observado através da Figura 3. O eixo de regulagem de afastamento 33 compreende,! preferencialmente, de um corpo de configuração genérica cônica inserido no interior do copo! de suporte 27 correspon- dente, o qual também em sendo um copo 27, apresenta o corpo sob uma configuração ge- nérica cônica contendo uma base secundária 34 alojada no fundo jde tal copo 27 e contendo uma base principal 35 suspendida a partir de base principal 29 aberta do copo de suporte; ü . j; ' * - - l As bases principais 35 de todos os eixos 33 déstinam-se a virem a estar conectadas junto a uma pluralidade de pás de hélice. Mais particúlarmente, cada pá de hélice 36 vem a ser fi- xada junto à tal base principal 35 por meio, po( exemplo, de parafusos, cavilhas ou pinos do tipo conhecido como "cavilha em T" 37, bastante comum na área técnica sob esta denomi- nação. O eixo de regulagem de afastamento í36 é instalado rotaçionalmente no interior do • I copo 27 para estar capacitado á girar a pá dé hélice 36 em torno do seu eixo geométrico longitudinal de modo a alterar ligeiramente a posição angular de suas guarnições ou planos voltados para o vento, alterando o afastamento da hélice. Portanto, o eixo 33 é instalado por meio de cilindros lubrificados externos 38 e internos 39 ou revestimentos corrediços, dispos- tos na periferia da base secundária 34 e da baèe principal 35 do eixo 33. Um mecanismo de transmissão, indicado em uma maneira genéri;ca e esquemática sob referência 40 consiste na carga de rotação do eixo 33 junto aos seüs cilindros, gerando o movimento rotacional ' '■ \ com respeito ao copo 27 fixo. Este dispositivojem formato de cone possibilita a se reter fir- memente a pái de hélice 36 aonde, devido ao seu grande porte, contendo um importante diâmetro fundamental de base. | De acordo com uma alternativa da invenção, ilustrada através da Figura 4, o gera- dor é composto de elementos iguais ou equivaílentes a modalidade referente as Figuras 2 e ■ l 3, sendo portanto mantidas as mesmas referências. Na Figura 4, o enrolamento do estator. de gerador é simples, enquanto que na Figurá 3 ele é padrão de enrolamento duplo. Com respeito aos copos de suporte, eles vieram a sèrem alterados no formato construtivo propor- cionando neste caso com copos de suporte 41 cavilhados junto à periferia do rotor externo . i 14. As pás de hélice 36 são fixadas junto ao copo de suporte ou cone 41 por meio de uma estrutura móvel 42, aonde eles são fixados, pcjr sua vez, por meio das cavilhas 43 conheci- ■ . I : das na técnica pela denominação de cavilhasjem T De modo a se manter a pá de hélice girando e alterando o seu afastamento, tem-se a provisão de um mecanismo de câmbio 44 acionado por meio de um motor elétrico 45, muito embora o mesmo possa ser acionado por meio de um circuito hidráulico, não vindo a ser ilustrado. i A configuração de construção dividida jproposta por esta invenção permite a retirada de todo o gerador em somente uma párte, fixando-o junto à gôndola instalada na extremida- : . \ de da torre, aonde vem a ser conectadas individualmente as pás de hélices 36, contendo os copos de suporte e os eixos de regulagem de afastamento, e finalmente, a as vigas trans- versais para a rigidez para se vir a obter a estrutura fechada com elevada rigidez. ; í Este modelo dividido, além de vir a facilitar a manipulação, oferece condições ao r - 1 f transporte por rodovias atendendo aos limites jpadrões de dimensões para circulação, con- tribuindo com vantagens competitivas. ;

Finalmente, tem-se que a torre encontra-se capacitada a suportar a grande carga í - : sob o qual este motor de grande porte se encontra sujeito, sendo completamente concebida por seções de concreto pós-tensionado ou sendo parcialmente formada de concreto conten- do uma seção de topo metálico. As seções dé concreto da torre podem ser formadas junto ao local do parque eólico facilitando o transporte dos componentes da torre.

Embora hajam sido descritas e ilustradas as modalidades preferidas da presente invenção, torna-se evidente que os especialistás da área técnica encontraram condições de conceberem diversas mudanças e modificações sem haver o desvio do escopo da invenção, definida de acordo com o quadro de reivindicações em apenso.

Claims (9)

1. Motor por transmissão eólica voltado para a geração de energia, CARACTERIZADO pelo fato de ser do tipo compreendendo de uma torre apresentando uma extremidade de topo em que uma gôndolá vem a ser posicionada destinada a alojar os mecanismos e disposições de geração aonde üm equipamento rotacional vem a ser instala- do contendo pás de hélice para coleta de energia eólica, sendo que o referido equipamento rotacional compreender de: j gerador de energia elétrica contendo liim estator interno fixado junto à referida gôn- dola e um rotor externo embutindo o referido estator interno, pólos magnéticos e um enrolamento destinados a geração de energia elétrica, com os pólos e o enrolamento sendo cada um dos duais dispostos de forma indistinta no referido estator interno è no referido estator externo, í com uma pluralidade de copos de suporte, um para cada pá de hélice, fixados equidistantes nò referido rotor externo do gerador, e . eixo dê regulagem de afastamento dejpá instalado de forma giratória no interior de cada uma dos referidos copos de suporte, comjcada pá de hélice de coleta de energia eólica sendo conectada a um dos referidos eixos de regulagem de afastamento.

2. Motór, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato do referido estator interno compreender de uma parte emlformato de disco contendo uma asa periféri- ca, com a referida parte em formato de disco Apresentando uma porção central fixada junto à referida gôndòla. J

3. Motor, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato do referido rotor externo do gerador compreender de uma; parede periférica cilíndrica, das paredes cir- culares frontal e traseira e de uma asa, intermediária concêntrica com a referida parede peri- férica cilíndrica.’

4. Motor, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato dos referi- dos pólos magnéticos e o referido enrolamento para a geração de energia elétrica virem a ser cada um do;s quais dispostos em uma das rjespectivas referidas asas periféricas do esta- tor, e a referidai parede periférica cilíndrica e a rjeferida asa intermediária do rotor.

5. Motor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato do referido copo de suporte apresentar um formato cônico truncado, com o cone apresentando uma base secundária fixada junto à referida parede periférica do rotor externo, com uma base principal apresentando-se radialmente aberta eim sentido externo.

6. Motor, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato do referido eixo de regulagem da pá de hélice compreender de um corpo de configuração genericamen- te cônica inserido no interior de um copo de sjuporte correspondente, com o referido corpo de configuração genérica cônica apresentando! uma base principal suspensa acima da refe- rida base principal aberta do copo de suporte.

7. Motor, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de cada pá de hélice vir a ser fixada junto à referida base principal de um eixo de regulagem de afasta- mento de pá.

8. Motor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato dos referi- dos copos de suporte serem conectados entre éi por meio dé vigas transversais para rigidez.

9. Motor, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato das referi- das vigas transversais para rigidez serem fixadas junto aos flanges da referida base princi- pal aberta de cada copo de suporte.