PT1233178E - Torre eólica com aceleração de fluxo - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "TORRE EÓLICA COM ACELERAÇÃO DE FLUXO"

Campo da Invenção A presente invenção refere-se a aerogeradores para captação de energia eólica e sua transformação em energia eléctrica, mecânica ou de outros tipos.

Antecedentes da Invenção

Relativamente aos aerogeradores a que a presente invenção se refere, existem três áreas problemáticas que têm sido objecto de diferentes propostas técnicas.

Em primeiro lugar, a optimização da utilização de energia eólica tem conduzido a propostas de aerogeradores em que as pás de rotor possuem formas apropriadas para aproximação a níveis de potencial máximo de aproveitamento de energia eólica descritos na teoria de Betz, evitando, especialmente, os factores limitativos devido a turbulência, e também a propostas de aerogeradores com orientação variável de rotor que pode ser ajustada de acordo com a direcção do vento.

Em segundo lugar, também são conhecidos diferentes tipos de soluções para enfrentar os problemas mecânicos que surgem, especialmente, em aerogeradores com rotores de pás de grande dimensão e, de facto, existem actualmente aerogeradores com 1 diâmetros de rotor entre 60 e 80 m, que funcionam satisfatoriamente.

Em terceiro lugar, os problemas de conversão de energia eólica em, especialmente, energia eléctrica têm sido objecto de diferentes propostas técnicas.

Embora a tecnologia conhecida tenha produzido aerogeradores que, contrariamente ao que se pensava inicialmente, obtiveram níveis aceitáveis de rentabilidade relativamente à produção de energia eléctrica, tais aerogeradores, especialmente os de grandes dimensões, envolvem instalações de grande complexidade e exigem um investimento muito elevado, o que limita a sua aplicação. A presente invenção pretende solucionar estas desvantagens. Enquanto que as diferentes propostas mencionadas actuaram basicamente num dos factores determinantes da produção de energia, isto é, a área de varrimento das pás de rotor, solucionando os problemas resultantes da utilização de maiores diâmetros de rotor para a obtenção de mais energia, a presente invenção propõe que se actue sobre o outro factor: a velocidade do vento, por intermédio da aceleração do seu fluxo.

Este é, também, o objectivo dos dispositivos descritos nos documentos FR 1035426 e FR 2450252. Em particular, o documento FR 2450252 descreve um dispositivo eólico possuindo uma hélice rotativa ou turbina no interior de uma conduta de canalização de vento. 2

Sumário da Invenção

De acordo com o primeiro objectivo da invenção, proporciona-se uma torre eólica com pás de rotor, que rodam num eixo horizontal, ligadas a dispositivos para conversão de energia eólica noutro tipo de energia, que incorpora uma conduta de canalização de vento com um estreitamento na sua parte central, em que se proporciona um rotor de tipo conhecido que varre uma área circular na parte central do referido estreitamento. Esta estrutura provoca uma aceleração do fluxo de vento que, com rotores de pequeno diâmetro, permite que os resultados a obter sejam similares aos actualmente obtidos com rotores de diâmetro muito maior. Por sua vez, a incorporação da conduta simplifica, consideravelmente, os problemas resultantes da utilização de rotores de grande diâmetro, não só nos seus aspectos mecânicos mas também nos aspectos que se relacionam com dispositivos de conversão para energia eléctrica ou outros tipos de energia. 0 termo "torre eólica" é utilizado para denominar o objectivo da presente invenção nesta descrição, como alternativa a aerogerador ou a outras designações utilizadas para qualquer dispositivo de transformação de energia eólica noutro tipo de energia, porque, embora possua objectivos similares, a incorporação da conduta anteriormente mencionada confere-lhe um aspecto exterior muito diferente dos demais. Contudo, utilizar-se-á o termo aerogerador nas reivindicações para evitar qualquer equivoco com o significado de "torre eólica".

De acordo com o segundo objectivo da invenção, proporciona-se uma torre eólica que incorpora uma conduta de canalização de vento possuindo um estreitamento com a forma de uma coroa 3 circular no qual se situa um rotor cujas pás são configuradas com uma forma apropriada para actuarem numa área de varrimento com a forma de uma coroa circular.

De acordo com o primeiro e segundo objectivo da invenção, o terceiro objectivo da invenção refere-se à inclusão suplementar de meios de fecho nas torres eólicas para fecho da abertura de admissão da conduta de canalização de vento e meios de regulação da velocidade de entrada do vento com o fim de proporcionar os rotores associados aos correspondentes meios de produção de energia com um fluxo de vento de velocidade ideal para transformação da energia eólica noutro tipo de energia.

Poder-se-ão deduzir outras características e vantagens da presente invenção a partir da descrição detalhada seguinte de uma forma de realização ilustrativa, e de nenhum modo restritiva, dos seus objectivos em relação aos desenhos anexos.

Descrição dos Desenhos A figura 1 ilustra vistas de alçado lateral, à esquerda, e de frente, à direita, de um aerogerador conhecido na técnica. A figura 2 ilustra em detalhe os elementos que constituem um aerogerador conhecido na técnica. A figura 3 ilustra vistas em corte vertical, à esquerda, e de frente, à direita, de uma torre eólica de acordo com o primeiro e também o terceiro objectivo da presente invenção. 4 A figura 4 ilustra uma vista em corte longitudinal da conduta de canalização da torre eólica de acordo com o primeiro e também o terceiro objectivo da presente invenção. A figura 5 ilustra uma vista em corte longitudinal da conduta de canalização da torre eólica de acordo com o segundo e também o terceiro objectivo da invenção. A figura 6 ilustra uma vista de frente do rotor com a forma de uma coroa circular utilizado na torre eólica de acordo com o segundo objectivo da presente invenção.

As figuras 7 e 8 ilustram vistas similares às das figuras 5 e 6 de uma forma de realização variante da torre eólica de acordo com o segundo objectivo da presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

Nas figuras 1 e 2 pode observar-se que um aerogerador (1), conhecido no estado da técnica, para produção de energia eléctrica, é constituído por uma torre (2) de suporte, um rotor (3) com três pás (5, 6, 7) e um alojamento (4) que contém os elementos necessários para a produção de energia eléctrica, incluindo um gerador (10) acoplado ao cubo (11) do rotor (3) por meio de um eixo (12) após o qual se situa também um multiplicador (13) para controlo da orientação e movimento do rotor (3) , incluindo unidades (15) redutoras e uma unidade (16) 5 hidráulica para proporcionar o sistema de travagem e o mecanismo que regulam o movimento de pá.

Descrever-se-á de seguida a torre (20) eólica, de acordo com o primeiro objectivo da invenção, fazendo referência à figura 3, em que se pode observar que é constituída por uma estrutura (21) de suporte, uma conduta (22) com uma abertura (23) de admissão, um estreitamento (24) central e uma abertura (25) de escoamento, um alojamento (26), um rotor (30) com pás (31, 32, 33) e, de acordo com o terceiro objectivo da invenção, um estimulador (35) de vento com pás (36, 37, 38). A diferença essencial entre o aerogerador (1) conhecido e a torre eólica (20), de acordo com a invenção, consiste na incorporação da conduta (22) com o estreitamento (24) central, concebido para acelerar o fluxo de vento na área em que se situa o rotor (30). Com o fim de atingir metas energéticas similares, a mencionada aceleração permite que o diâmetro do rotor (30) da torre (20) eólica seja consideravelmente menor do que o do rotor (3) do aerogerador (1), o que favorece uma simplificação vantajosa da construção da torre (20) eólica.

Neste sentido, deve observar-se que as torres (2) de suporte de aerogeradores (1) conhecidos têm de ser altas para captarem o vento de maior velocidade a níveis mais elevados e de forma a que as extremidades das pás (5, 6, 7) passem a uma distância prudente do chão, e também têm de ser esguias para prevenirem colisões com as pás devido ao acentuado ângulo de flecha das extremidades destas, uma vez que, por razões de aerodinâmica, tais pás funcionam estruturalmente como semivigas de pequeno bordo e o seu comprimento pode, como se referiu, atingir 30 - 40 m. Como se pode compreender, estes requisitos de 6 altura e limitação de dimensões de secção da torre implicam problemas de construção significativos. Por sua vez, o menor tamanho do rotor (30) permite uma maior velocidade de rotação angular que pode suprimir a necessidade dos multiplicadores (13) utilizados nos aerogeradores conhecidos.

Como se mostra mais detalhadamente na figura 4, a conduta (22) é perfilada de modo a provocar um fluxo de vento, representado por intermédio das linhas em seta, com uma direcção que é consideravelmente perpendicular ao plano de varrimento do rotor (30) , acelerando a sua velocidade em relação à que se verifica na admissão na conduta. Existe uma primeira área (43), com uma secção circular constante para recepção do vento, uma segunda área (44) para aceleração do fluxo de vento, com uma primeira parte (45) de secção circular progressivamente crescente, uma segunda parte (46) com uma secção constante, em cuja extremidade se situa um rotor (30), e uma terceira e quarta área (47, 48), para expelir o vento, com uma forma que é consideravelmente simétrica à da referida segunda e primeira área (44, 43), respectivamente.

Nas figuras 3 e 4 representa-se uma conduta (2) com uma secção transversal circular em todas as suas áreas, mas a invenção também compreende condutas com secções transversais de qualquer perfil adequado para a canalização de fluxos de vento de um modo tal que no estreitamento (30) central a sua direcção seja consideravelmente perpendicular ao do plano de varrimento do rotor (30) . O alojamento (26) serve para alojar meios similares aos contidos no alojamento (4) do aerogerador (1), que é conhecido na técnica para a produção de energia e para o controlo da 7 orientação e movimento do conjunto formado pela conduta (22) e rotor (30) . A estrutura (21) de suporte da torre (20) eólica é representada com uma forma rectangular simplesmente para indicar que não possuiria os requisitos de altura e limitação de dimensões da secção das torres (1) de suporte dos aerogeradores conhecidos na técnica, dado que se pode utilizar uma qualquer estrutura conveniente.

Estima-se que uma torre (20) eólica, de acordo com a invenção, de 250 Kw de potência necessitaria de uma conduta (22) com uma abertura (23) de admissão de 8 metros de diâmetro e um rotor (30) com uma área de varrimento de 6 metros de diâmetro. Um aerogerador (1) conhecido de 250 Kw de potência necessita de um rotor com uma área de varrimento de 30 metros de diâmetro.

Como um segundo objectivo da invenção, propõe-se uma torre eólica em que, fazendo referência à figura 5, pode observar-se que a conduta (22) possui um estreitamento (51) com a forma de uma coroa circular e um rotor (52) com uma área de varrimento com a mesma forma. O referido estreitamento (51) é formado por intermédio da presença, no interior da conduta (22), de um corpo (55) constituído por uma parte (56) central cilíndrica e por duas partes exteriores com uma forma (57, 58) cónica, delimitando na conduta uma primeira área (60) com uma secção circular constante para recepção do vento, uma segunda área (61) para aceleração do fluxo de vento, com uma primeira parte (62) de secção com a forma de uma coroa circular com uma área de superfície progressivamente decrescente, e uma segunda parte (63) de secção constante com a forma de uma coroa circular, em cuja extremidade se situa um rotor (52); e uma terceira e quarta área (64, 65), para expulsão do vento com uma forma consideravelmente simétrica à das referidas segunda e primeira áreas (61,60), respectivamente. A figura 6 representa, mais detalhadamente, o rotor (52), em que se pode observar que este é constituído por um apoio (70) com uma diversidade de pás (71) que podem rodar em relação ao eixo (72) por intermédio de meios que não estão representados, situados na parte (59) central do corpo (55) . O rotor (52) funciona de um modo análogo a um rotor (3) convencional, para uma área de varrimento com a forma de uma coroa circular. O corpo (55), proporciona um meio para obter o estreitamento da conduta (22), como também proporciona o espaço necessário para o alojamento de meios similares aos contidos no alojamento (4) do aerogerador (1) conhecido na técnica para a produção de energia e controlo da orientação e movimento do conjunto formado pela conduta (22) e rotor (52). A figura 7 ilustra uma variante do segundo objectivo da invenção em que se pode observar que, juntamente com a presença de um corpo (85) de uma forma similar ao do corpo (55) anteriormente mencionado, a conduta (22) possui na sua parte central, uma área com uma secção mais pequena, delimitando o estreitamento (51) da conduta com a forma de uma coroa circular. Por sua vez, a figura 8 ilustra, analogamente à figura 6, uma vista frontal do rotor. O terceiro objectivo da invenção refere-se à inclusão suplementar nas torres eólicas, de acordo com o primeiro e 9 segundo objectivo da invenção, do estimulador (35) de vento representado nas figuras 3, 4, 5 e 7, constituído por pás (36, 37 e 38) ligadas a um eixo de rotação, com uma forma similar ao de um rotor convencional, apoiado por intermédio de meios convenientes para proporcionarem, em primeiro lugar, um meio de regulação da velocidade do fluxo de ar que acciona os rotores (30, 52) associados aos correspondentes meios de produção de energia. Variando a velocidade de rotação e/ou do ângulo das suas pás, por intermédio de meios similares aos utilizados em rotores convencionais, pode-se diminuir a variabilidade da velocidade de admissão de vento na torre eólica, e o fluxo de vento que atinge os rotores (30 ou 52) aproximar-se-á da velocidade ideal para a produção de energia, sem grandes alterações nas condições meteorológicas.

Em segundo lugar, conferindo às pás (36, 37 e 38) uma forma por meio da qual a sua superfície combinada seja igual à do círculo que elas varrem, proporciona-se um meio de fecho da abertura de admissão que é conveniente quando a velocidade de vento é inapropriada para o funcionamento da torre eólica. Alternativamente, o meio de fecho pode ser constituído por uma comporta similar às que se utilizam nos canos de água, caso em que a função do estimulador (35) de vento estaria limitada à referida regulação da velocidade de admissão de fluxo de vento.

Embora as torres eólicas com condutas e estreitamentos simétricos em relação a um plano central tenham sido descritas e representadas como formas de realização específicas dos primeiros dois objectivos da invenção, um especialista compreenderá que podem ser introduzidas modificações dentro do âmbito definido pelas reivindicações. No que se refere, em particular, ao segundo objectivo da invenção, um especialista 10 também compreenderá que os estreitamentos podem possuir a forma de uma coroa circular bem como diferentes outras formas determinadas pelas condutas e corpos interiores com uma secção diferente da circular. Finalmente, tem de se realçar que o estimulador de vento, ao qual se refere o terceiro objectivo da invenção, pode possuir meios de accionamento tais que permitem o seu funcionamento na ausência de vento, de forma a que, mesmo em tais circunstâncias, a torre eólica continua a funcionar.

Pode-se, também, incluir outras modificações, que estejam dentro do âmbito da invenção, de acordo com as reivindicações seguintes:

Lisboa, 9 de Abril de 2007 11

Claims (10)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Aerogerador com um rotor de pás que rodam ligadas a dispositivos para conversão de energia eólica em energia de outro tipo, incorporando uma conduta (22) de canalização de vento possuindo uma zona de admissão de vento e uma zona de escoamento de vento em que: a) a zona de admissão de vento é constituída por uma primeira área (43, 60) para recepção do vento, com uma secção constante; uma segunda área (44, 61) para aceleração do fluxo de vento, com uma primeira parte (45, 62) que possui uma secção progressivamente decrescente, uma segunda parte (46, 63) com uma secção constante, em cuja extremidade se situa o rotor (30,52), sendo as referidas áreas perfiladas de forma a que o fluxo de vento acelerado possua uma direcção perpendicular ao plano de varrimento do rotor (30, 52); b) a zona de escoamento de vento é constituída por uma terceira área (47, 64) com uma primeira parte de secção constante, uma segunda parte com uma secção progressivamente crescente e caracterizada por: uma quarta área (48, 65) com uma secção constante, sendo a forma das referidas terceira e quarta áreas consideravelmente simétrica, em relação ao plano de varrimento do rotor, à das segunda e primeira áreas da zona de admissão de vento, respectivamente.
2. 2. Aerogerador como reivindicado na reivindicação 1, caracterizado por todas as áreas de conduta de canalização 1 de vento possuírem uma secção circular e o rotor (30) varrer uma área circular.
3. 3. Aerogerador como reivindicado na reivindicação 1, caracterizado por as primeira e quarta áreas (60, 65) possuírem uma secção circular, as segunda e terceira áreas (61, 64) possuírem uma secção em coroa circular e o rotor (52) varrer uma área em forma de coroa circular.
4. 4. Aerogerador como reivindicado na reivindicação 3, caracterizado por a conduta (22) de canalização de vento incluir um corpo (55, 85) interior constituído por uma parte (56) cilíndrica central e duas partes (57) exteriores de forma cónica.
5. 5. Aerogerador como reivindicado na reivindicação 4, caracterizado por a conduta (22) de canalização de vento possuir uma forma cilíndrica.
6. 6. Aerogerador como reivindicado na reivindicação 5, caracterizado por a conduta (22) de canalização de vento possuir uma forma cilíndrica com um estreitamento central.
7. 7. Aerogerador como reivindicado em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender meios de fecho da abertura (23) de admissão da conduta (22).
8. 8. Aerogerador como reivindicado em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por também compreender um estimulador (35) de vento, situado na abertura (23) de admissão da conduta (22), constituído por 2 uma diversidade de pás (36, 37, 38) ligadas a um eixo de rotação, de uma dimensão tal que a sua área de varrimento corresponde à área da referida abertura (23) de admissão.
9. 9. Aerogerador como reivindicado na reivindicação 8, caracterizado por a área de superfície combinada das pás (36, 37, 38) ser igual à do circulo que elas varrem.
10. 10. Aerogerador como reivindicado na reivindicação 8, caracterizado por o estimulador de vento possuir meios de accionamento diferentes do vento. Lisboa, 9 de Abril de 2007 3