PT1733140E - Montagem que compreende uma turbina de água e um gerador, o rotor o qual esta ligado directamente a cada uma das pás da turbina - Google Patents
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Description
ΕΡ 1 733 140/ΡΤ
DESCRIÇÃO "Montagem que compreende uma turbina de água e um gerador, o rotor do qual está ligado directamente a cada uma das pás da turbina"
Campo do invento 0 presente invento refere-se a uma montagem que compreende uma turbina de água e um gerador eléctrico rotativo, o rotor do qual está ligado à turbina, turbina essa que compreende um conjunto de pás de pelo menos três pás viradas axialmente.
Antecedentes do invento 0 presente invento destina-se principalmente, mas não apenas, a aplicações de produção de energia eléctrica a partir de correntes subaquáticas em mares e cursos de água. As correntes do mar podem ser provocadas pelas águas influenciadas pelas marés, pela temperatura ou por diferenças salinas, pela força Coriolis da rotação da terra tal como, por exemplo, a Corrente do Golfo ou a diferença de nivel, por exemplo, em cada lado dos braços de mar. A velocidade de escoamento da água nas correntes do mar é usualmente e razoavelmente moderada, isto é, tipicamente apenas uns poucos m/s e pode ir até 5 m/s no máximo. A velocidade de escoamento nos cursos de água não regulados é normalmente da mesma magnitude mas pode, em rápidos, aumentar até 10-15 m/s.
Presentemente, a fonte de energia oferecida por correntes subaquáticas é muito pouco utilizada para a geração de electricidade. Isto depende acima de tudo das dificuldades em alcançar tecnologia economicamente competitiva para a mesma. Em ligação com isto, um dos problemas consiste na baixa velocidade de escoamento. A utilização da energia a partir de tais escoamentos conduz ao facto de terem de ser utilizadas turbinas que têm um baixo número de rotações e um elevado binário. 2
ΕΡ 1 733 140/PT
Nestas condições, um tipo de turbina conveniente é uma que tem pás viradas axialmente. Convencionalmente, uma dessas é formada com as suas pás ligadas a um veio através de escoras viradas substancialmente de modo radial, veio esse que por sua vez está ligado ao rotor do gerador. Nas aplicações em que é necessária uma turbina de dimensões relativamente grandes, as tensões sobre a estrutura que suporta as pás tornam-se grandes. Isto pode envolver o risco de distorções e oscilações nas construções, o que pode conduzir à geometria deteriorada do ajuste das pás com o acompanhamento da deterioração da eficiência. Isto pode ser especialmente sensível se o escoamento de água que acciona a turbina for instável, isto é, por ocorrerem flutuações na velocidade e no sentido do escoamento. Isto pode ser o caso, por exemplo, em certos tipos de correntes subaquáticas onde os movimentos das ondas sobre a superfície e águas afectadas pelas marés prejudicam um escoamento que é estável noutros aspectos. Além do mais, o requisito de estrutura de suporte de carga torna a turbina complicada e desilegante. O objecto do presente invento consiste em obviar ou pelo menos reduzir estes problemas. A WO 03/016714 A descreve uma montagem de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1.
Sumário do invento O objecto disposto foi alcançado pelo facto de uma montagem do género definido no preâmbulo da reivindicação 1 compreender a característica especial de cada pá estar ligada individualmente de modo directo ao rotor do gerador.
Pelo facto de as pás serem suportadas directamente pelo rotor, é eliminada a necessidade de uma estrutura de suporte de carga particular para a mesma. O rotor, o qual normalmente é um corpo relativamente sólido e robusto, assegura bom suporte às pás pelo menos numa extremidade do mesmo. Desse modo, as pás conseguem posições mais bem definidas e estáveis. Além do mais, a complexidade total da montagem é reduzida pelo facto de a estrutura de suporte de carga se tornar mais simples e consistir em grande extensão num componente que, de 3 ΕΡ 1 733 140/ΡΤ qualquer das formas, se encontra presente por outras razões. Por conseguinte, uma montagem de acordo com o invento torna-se muito vantajosa em situações onde é necessária uma grande montagem e onde as condições de escoamento nem sempre são estáveis.
De acordo com uma concretização preferida da montagem, a turbina compreende um primeiro grupo de pás viradas para um primeiro sentido a partir do rotor e um segundo grupo de pás virado para o sentido oposto a partir do rotor, onde cada grupo compreende pelo menos três pás.
Isto implica a vantagem de toda a montagem ter uma simetria que é favorável no que diz respeito a suportar os tipos diferentes de forças que ocorrem. A disposição bidireccional também implica que cada pá possa ser feita mais curta, o que dá um aumento da estabilidade da forma à parte de cada pá que está mais distante da fixação no rotor. Em alternativa, pode ser proporcionada uma turbina que tenha um comprimento axial total maior.
De acordo com uma concretização preferida adicional, cada pá no primeiro grupo está disposta em alinhamento com uma pá no segundo grupo. Desse modo, a simetria da montagem é adicionalmente aumentada com caracteristicas de operação ainda mais estáveis como uma consequência.
De acordo com uma concretização preferida adicional, as pás que estão localizadas em co-alinhamento estão ligadas mecanicamente de modo directo umas às outras. Desse modo, a vantagem é alcançada por as pás se estabilizarem entre si em pares pelo facto de as forças de dobragem sobre uma das pás serem suportadas por forças de dobragem na outra.
De acordo com uma concretização preferida adicional, cada pá é escorada por meio de meios de escoramento. Muito embora a montagem de acordo com o invento elimine em principio a necessidade do escoramento à parte daquele que é obtido directamente a partir do rotor, pode ser frequentemente vantajoso proporcionar as pás com escoramento suplementar de modo a melhorar a estabilidade das pás. Contudo, os meios de escoramento podem por conseguinte ser consideravelmente mais 4 ΕΡ 1 733 140/ΡΤ simples e mais fracos do que numa turbina convencional onde as pás são inteiramente suportadas por uma construção de escoramento. Isto é assim graças às pás serem principalmente suportadas pelo rotor e obterem firmeza a partir do mesmo.
De acordo com uma concretização preferida adicional, os meios de escoramento compreendem elementos que ligam as pás umas às outras. Desse modo, é alcançado o escoramento de uma maneira simples.
De acordo com uma concretização preferida, os referidos elementos estão radialmente virados para dentro a partir da respectiva pá e ligados uns aos outros com as suas extremidades radialmente mais internas. De acordo com uma concretização preferida alternativa, os elementos prolongam-se entre cada pá adjacente no sentido circunferencial.
Ambas as alternativas implicam que o escoramento fique estável com uma concepção de construção relativamente simples dos elementos que formam os meios de escoramento.
De acordo com uma concretização preferida adicional, cada pá encontra-se ligada ao rotor através de um dispositivo de união. Desse modo, consegue-se que seja limitada a transferência de momentos de dobragem prejudiciais e binário para o rotor a partir das pás.
De acordo com uma concretização preferida adicional, o rotor compreende imanes permanentes, pelo que se torna robusto e insensível a perturbações operacionais na transformação electromagnética de energia.
De acordo com uma concretização preferida adicional, o estator está encapsulado num alojamento à prova de água. Assim, de uma maneira conveniente, o gerador fica adaptado para actuar num ambiente submarino.
De acordo com uma concretização preferida adicional, o rotor encontra-se localizado radialmente no lado de fora do estator e no mesmo plano axial que o estator. Desse modo, a montagem torna-se compacta na direcção axial assim como na direcção radial. 5 ΕΡ 1 733 140/ΡΤ
De acordo com uma concretização preferida adicional, o estator está enrolado com um cabo de alta tensão provido de um núcleo de um material condutor, uma primeira camada de material semicondutor que envolve o material condutor, uma camada de material de isolamento que envolve a primeira camada e uma segunda camada de material semicondutor que envolve o material de isolamento.
Por meio de um enrolamento deste tipo, torna-se possível gerir a indução de corrente de tensão muito elevada, graças ao facto de o campo eléctrico envolvente ficar homogéneo. Pelo facto de a corrente poder desse modo ser mantida baixa, diminuem as perdas e a libertação de calor.
De acordo com uma concretização preferida adicional, o estator do gerador pode ser rodado e ligado a uma turbina disposta para rodar o estator no sentido oposto ao rotor. A força electromotriz, E, que é induzida numa bobine, é determinada de acordo com as leis de Farraday a partir da relação E = -N— dt onde N é o número de voltas e φ o fluxo magnético, isto significa que num rotor que corre lentamente, d<p dt fica pequena e resulta numa força electromotriz induzida pequena. Pelo facto de também o estator rodar e por o sentido de rotação do mesmo estar contra o sentido do rotor, o movimento relativo entre o rotor e o estator será a soma da sua velocidade de rotação. Desse modo, o termo dt irá aumentar de modo correspondente. Assim, se o estator rodar à mesma velocidade que o rotor, o termo será duplicado, 6
ΕΡ 1 733 140/PT resultando numa força electromotriz induzida duplicada em comparação com um estator estacionário.
De acordo com uma concretização adicional vantajosa, o estator é enrolado para três fases.
As concretizações preferidas acima mencionadas da montagem inventada estão definidas nas reivindicações que dependem da reivindicação 1.
As vantagens da montagem inventada são especialmente valiosas quando a montagem é utilizada para a produção de energia a partir de correntes subaquáticas.
Por conseguinte, um segundo aspecto do invento consiste numa utilização da montagem inventada para a geração de corrente eléctrica a partir de correntes subaquáticas. O invento é explicado com mais rigor através da descrição detalhada subsequente dos exemplos de concretização vantajosos do mesmo, sendo feita referência às figuras dos desenhos anexos.
Breve descrição das figuras A Fig. 1 é uma vista em perspectiva esquemática de um primeiro exemplo de concretização do invento. A Fig. 2 é uma vista em perspectiva esquemática de um segundo exemplo de concretização do invento.
As Figs. 3-5 são vistas de extremidade esquemáticas de diferentes exemplos da concepção de turbina de acordo com o invento. A Fig. 6 é uma vista em perspectiva esquemática da turbina de acordo com um exemplo de concretização adicional do invento. A Fig. 7 ilustra um detalhe do invento de acordo com um exemplo de concretização adicional. 7
ΕΡ 1 733 140/PT A Fig. 8 é uma vista em perspectiva esquemática de um exemplo de concretização adicional do invento. A Fig. 9 é uma secção transversal através de um cabo utilizado no enrolamento do estator num exemplo de concretização do invento.
Descrição dos exemplos de concretização vantajosos do invento A Fig. 1 é uma vista em perspectiva esquemática de um primeiro exemplo de uma montagem de acordo com o invento. A montagem consiste num gerador 1 e numa turbina 2. O gerador 1 tem um estator externo 3 disposto numa armação 7, que assenta sobre o fundo do mar. O respectivo veio 8 de quatro pás viradas axialmente 5 está preso ao rotor interno 4. Nas suas extremidades voltadas a partir do rotor 4, as pás 5 estão escoradas por meio de quatro escoras 6, cada uma das quais se prolonga entre duas pás adjacentes 5. Uma corrente subaquática A leva a turbina 2 a rodar e consequentemente também o rotor 4, sendo induzida corrente nos enrolamentos do estator. Os cabos que saem indicam que se trata de três fases. Em alternativa, as pás podem, como é óbvio, ser viradas para baixo a partir do rotor.
No exemplo de concretização de acordo com a fig. 2, o rotor 4 encontra-se localizado radialmente no lado de fora do estator 3. O estator é suportado por um suporte (não mostrado), o qual assenta sobre o fundo do mar. Para o rotor, são presos dois grupos de pás 5a, 5b virados para o sentido axialmente oposto. Cada pá 5a no primeiro grupo está disposta em alinhamento com uma pá 5b no segundo grupo. Cada par oposto de pás 5a, 5b está unido um ao outro.
Nas figuras 3-5 está ilustrado nas vistas de extremidade de exemplos diferentes o modo como as pás que têm as suas extremidades voltadas a partir do rotor podem ser escoradas entre si. No exemplo de acordo com a fig. 3, a turbina tem cinco pás 5 e a disposição de escoramentos corresponde em principio à mostrada na fig. 1. 8 ΕΡ 1 733 140/ΡΤ
Na fig. 4, onde a turbina tem três pás 5, os escoramentos 5 encontram-se virados radialmente e encontram-se ligados uns aos outros no centro.
Na fig. 5, onde a turbina tem seis pás 5, os escoramentos 5 encontram-se virados radialmente tal como na fig. 4, mas aqui os mesmos estão ligados a um elemento de escoramento em forma de anel disposto centralmente 9.
Em alternativa, os escoramentos 5 podem, como é óbvio, estar dispostos a uma distância a partir das extremidades das pás. Além do mais, pode ser disposta uma pluralidade de escoramentos distribuídos axialmente. Encontra-se ilustrada na fig. 6 uma concretização dessas. A Fig. 7 ilustra uma fixação com união de uma pá 5, estando o seu veio 8 preso ao rotor 4 através de um dispositivo de união 10. A Fig. 8 ilustra um exemplo de concretização alternativo que tem um rotor externo 4 contra três pás 5 na turbina 2 e um estator interno 3. Aqui, o estator está disposto para rodar e encontra-se ligado a uma turbina 22 que tem três pás 25. As pás 25 da turbina de estator estão inclinadas de uma tal maneira que o estator irá rodar no sentido oposto B ao sentido de rotação C do rotor.
Encontra-se ilustrado na fig. 9 um exemplo de concretização vantajoso do enrolamento de estator do gerador. O estator está enrolado com cabo de alta tensão e a figura é uma secção transversal através de um deles. O cabo consiste num núcleo que tem um ou mais condutores de fio 31 de cobre. O núcleo está envolvido por uma camada semicondutora interna 32. Do lado de fora disto encontra-se disposta uma camada de isolamento sólido 33, por exemplo, isolamento PEX. Encontra-se disposta em torno do isolamento uma camada semicondutora externa 34. Cada uma das camadas semicondutoras forma uma superfície equipotencial.
As figuras que foram descritas acima são esquemáticas pelo facto de, para o entendimento do invento, serem omitidos 9
ΕΡ 1 733 140/PT menos detalhes importantes com a finalidade de dar ênfase aos aspectos específicos significantes para o invento.
Normalmente, uma montagem de acordo com invento tem um tamanho que corresponde a um diâmetro de turbina de 2-10 m. Contudo, no fornecimento local de energia a apenas um ou uns poucos de utilizadores, podem ser considerados tamanhos mais pequenos na gama de um diâmetro de rotor de 0,5-2 m. Em certas aplicações, tais como, por exemplo, bastante para lá no mar na Corrente do Golfo, podem ser consideradas dimensões muito grandes que têm um diâmetro de rotor de até 100 m.
Lisboa,
Claims (16)
- ΕΡ 1 733 140/PT 1/2 REIVINDICAÇÕES 1 - Montagem que compreende uma turbina de água (2) e um gerador eléctrico rotativo (1), o rotor (4) do qual está ligado à turbina (2), turbina (2) essa que compreende pelo menos três pás viradas axialmente (5), caracterizada por cada pá (5) estar ligada individualmente de modo directo ao rotor (4) do gerador (1).
- 2 - Montagem de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a turbina (2) compreender um primeiro grupo de pás (5a) virado para um primeiro sentido a partir do rotor (4) e um segundo grupo de pás (5b) virado para o sentido oposto a partir do rotor (4), compreendendo cada grupo pelo menos 3 pás (5a, 5b).
- 3 - Montagem de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por cada pá (5a) no primeiro grupo estar disposta em co-alinhamento com uma pá (5b) no segundo grupo.
- 4 - Montagem de acordo com a reivindicação 3, caracterizada por as pás (5a, 5b) localizadas em co-alinhamento estarem ligadas directa e mecanicamente umas às outras.
- 5 - Montagem de acordo com as reivindicações 1-4, caracterizada por cada pá (5) ser escorada por meios de escoramento.
- 6 - Montagem de acordo com a reivindicação 5, caracterizada por os meios de escoramento compreenderem elementos (6) que ligam as pás (5) umas às outras.
- 7 - Montagem de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por os meios de escoramento compreenderem um elemento (6) radialmente virado para dentro a partir da pá respectiva (5), as extremidades radialmente mais internas de cujo elemento estão ligadas umas às outras.
- 8 - Montagem de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por os meios de escoramento compreenderem elementos que se prolongam entre cada pá adjacente no sentido circunferencial. ΕΡ 1 733 140/ΡΤ 2/2
- 9 - Montagem de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-8, caracterizada por cada pá (5) estar ligada ao rotor através de um dispositivo de união (10).
- 10 - Montagem de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-9, caracterizada por o rotor (4) compreender imanes permanentes (21).
- 11 - Montagem de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-10, caracterizada por o estator (3) estar encapsulado num alojamento à prova de água.
- 12 - Montagem de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-11, caracterizada por o rotor estar situado radialmente do lado de fora do estator e no mesmo plano axial que o estator.
- 13 - Montagem de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-12, caracterizada por o estator ser enrolado com um cabo de alta tensão provido de um núcleo (31) de material condutor, uma primeira camada (32) de material semicondutor que envolve o material condutor, uma camada (33) de material de isolamento que envolve a primeira camada (32) e uma segunda camada (34) de material semicondutor que envolve o material de isolamento.
- 14 - Montagem de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-13, caracterizada por o estator (3) do gerador poder ser rodado e ligado a uma turbina (22) disposta para rodar o estator (3) no sentido oposto ao do rotor (4).
- 15 - Montagem de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-14, caracterizada por o estator (9) ser enrolado para três fases.
- 16 - Utilização de uma montagem de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-15 para a geração de corrente eléctrica a partir de correntes subaquáticas. Lisboa,
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