PT2085610E

PT2085610E - Turbina eólica de eixo vertical com sistema de comando e método para uma travagem aerodinâmica

Info

Publication number: PT2085610E
Application number: PT08001625T
Authority: PT
Inventors: Claus Colling
Original assignee: Claus Colling
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2008-01-29
Publication date: 2010-12-27
Also published as: EP2085610B1; PL2258944T3; EA201001218A1; WO2009095181A1; CN102105683B; CN102105683A; DK2085610T3; HRP20100722T1; SI2085610T1; US8734104B2; PL2085610T3; DE202008017917U1; DE502008001518D1; EP2085610A1; HK1146101A1; HK1159209A1; EP2258944A1; CY1111090T1; ES2354484T3; PT2258944E

Description

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DESCRIÇÃO "TURBINA EÓLICA DE EIXO VERTICAL COM SISTEMA DE COMANDO E MÉTODO PARA UMA TRAVAGEM AERODINÂMICA"

Objectivo da invenção A presente invenção refere-se a uma turbina eólica de eixo vertical com um dispositivo de comando e respectivo método de comando para uma travagem aerodinâmica.

Estado da técnica

No decurso cada vez mais célere do desenvolvimento do aproveitamento de energia eólica é um objectivo geral estruturar as instalações de energia eólica respectivamente sistemas de energia eólica cada vez mais eficientes. O comando de sistemas de energia eólica é no entanto um grande problema, não importando se estas forem construídas como turbinas eólicas com eixos verticais 14 (VAWT) ou como turbinas eólicas com eixos horizontais (HAWT).

Principalmente aquando de elevadas velocidade de vento a rotação do rotor deve ser limitada, de modo a evitar danificações ou destruições em sistemas de energia eólica devido à excessiva energia eólica. Além disso deve ser possível desligar os sistemas de energia eólica para os trabalhos de manutenção e de reparação, também quando ao mesmo tempo actua energia eólica sobre os sistemas de energia eólica. É portanto importante que cada sistema de energia eólica inclua um dispositivo de travagem. Os travões convencionais, como por exemplo travões de disco ou de tambor não são no entanto adequados para o efeito, dado que os mesmos apresentam um elevado desgaste. Além disso deve ser garantida uma propriedade de travagem contínua. 2

Travões baseados em fricção podem aquando de uma travagem continua aquecer até à falha da travagem. Este problema pode no estado da técnica ser resolvido pela utilização de travões de corrente de Foucault. Neste caso resulta contudo o problema de os travões de corrente de Foucault não permitirem um comando individual e numa falha de energia eléctrica serem ineficazes. Também os sistemas com pás de rotores ajustáveis não podem em caso de falha de energia ou falha do comando ser retirados do vento, de modo que a energia eólica pode continuar a accionar o rotor. Existe portanto a necessidade de um dispositivo resistente ao desgaste para o comando e a travagem de instalações de energia eólica, com uma auto-travagem respectivamente uma desconexão automática em situações de defeito. Resulta um problema adicional no estado da técnica quando surge uma situação de emergência, na qual falham os dispositivos de comando eléctricos e tornado assim impossível uma desconexão da VAWT (turbina eólica de eixo vertical) .

A GB 2 227 286 A revela uma pá de uma turbina eólica com uma secção frontal móvel na ponta da pá, a qual está montada num eixo oscilante, o qual permite à secção frontal de ser deflectida para uma posição superior de arrastamento, definindo em conjunto com a restante secção um interstício na pá e apresentando um elevado ângulo de inclinação negativo, para travar um rotor demasiado rápido. A secção frontal pode mecanicamente ser activada por uma força de mola e uma massa. Dado que o princípio funcional desta publicação se baseia num rotor tipo hélices, isto é uma turbina eólica de eixo horizontal (HAWT), este princípio da travagem pelo rotor não é aplicável a uma turbina eólica de eixo vertical (VAWT). Em palavras mais exactas, a massa é movimentada no sentido longitudinal da pá da turbina eólica, o que numa HAWT 3 corresponde à direcção da força centrífuga, contudo não à direcção da força centrífuga numa VAWT. A US 4,692,095 A revela pás de turbinas eólicas com deflectores de elevação, os quais normalmente sobressaem no lado de alta pressão das pás e no funcionamento com rajadas descendentes sobressaem no lado da baixa pressão, tornando-se com isto muito eficazes para evitar uma velocidade de rotação demasiado elevada. Um computador comanda a orientação dos deflectores de elevação e mantém assim uma velocidade de rotação constante. Dado também esta publicação estar orientada para uma HAWT, o princípio aqui revelado não é sem problemas compatível com uma VAWT. Na falha do computador ou falha da corrente eléctrica este dispositivo de travagem também já não está activo e pode resultar na destruição da instalação de energia eólica. A US 4,111,601 A refere um moinho de vento com uma roda, a qual apresenta um conjunto de pás fixas e um conjunto de distribuidores rotativos, cuja orientação em relação ao eixo da roda é ajustado automaticamente, de modo a limitar a uma dimensão segura a velocidade de rotação da roda, aquando de elevadas velocidades do vento. As pás fixas não permitem no entanto nenhuma travagem, de modo que com vento forte está sempre disponível uma força de accionamento, no caso da travagem dos distribuidores rotativos não ser suficiente. Adicionalmente este princípio é para uma HAWT e não pode ser transferido para uma VAWT, dado que estes distribuidores rotativos requerem um rotor tipo hélices de uma HAWT. O documento FR 2491756 apresenta além disso uma turbina eólica de eixo vertical, de acordo com o conceito genérico da reivindicação 1. 4

Resumo da invenção 0 objectivo da presente invenção consiste no facto de apresentar uma turbina eólica de eixo vertical, a qual pode ser travada sem desgaste e a qual em situações de avarias se pode sem accionamento exterior fazer parar.

Este objectivo é atingido de acordo com a invenção pela turbina eólica de eixo vertical de acordo com a reivindicação 1 e pelo respectivo método de travagem de acordo com a reivindicação 25. Outras formas de realização são mencionadas respectivamente nas reivindicações subsequentes. A turbina eólica de eixo vertical com um eixo de rotação vertical, compreende pelo menos um segmento da pá do rotor o qual apresenta pelo menos dois redutores de fluxo retrácteis e extensíveis e em que o segmento da pá do rotor está posicionado de forma rotativa à volta do eixo de rotação vertical, pelo menos um dispositivo de comando para comandar os redutores de fluxo, em que o dispositivo de comando compreende o seguinte: um elemento de mola, pelo menos um elemento de massa em uma das primeiras componentes parciais, em que a primeira componente parcial está posicionada de forma rotativa à volta de um eixo de rotação, pelo menos dois pontos de conexão na primeira componente parcial, nos quais agarra respectivamente um elemento de conexão, o qual liga o dispositivo de comando com respectivamente um redutor de fluxo da turbina eólica de eixo vertical, em que os pontos de conexão estão dispostos na primeira componente parcial de tal modo que estes estão em relação ao eixo de rotação dispostos essencialmente um em frente ao outro, e por meio dos elementos de conexão, aquando de um movimento oscilante da componente parcial devido ao ataque de uma força centrífuga no elemento de massa, comandarem os redutores de fluxo em sentido oposto um para com o outro. 5 0 respectivo método compreende um desacoplamento da segunda componente da terceira componente, a extensão dos redutores de fluxo essencialmente até a uma posição vertical para com a direcção da rotação do segmento da pá do rotor pelo movimento da segunda componente por meio da força centrífuga; modificação das propriedades do fluxo do segmento da pá do rotor, de modo a interromper pelo menos parcialmente o fluxo de accionamento da turbina eólica de eixo vertical. A presente invenção apresenta a vantagem adicional de que com esta disposição não é somente possível travar sem desgaste uma turbina eólica de eixo vertical 14, mas sim também comandar com vento a sua velocidade de rotação sem desgaste. Consequentemente a presente invenção também permite o funcionamento de uma turbina eólica de eixo vertical 14 em condições de vento forte e de alterações súbitas (direcção do vento, rajadas, etc.), com as quais as turbinas eólicas de eixo vertical convencionais no estado da técnica devem ser desligadas, de modo a protege-las de danificações. Por conseguinte a presente invenção é de forma favorável principalmente adequada para a utilização em instalações com ventos fortes.

Breve descrição dos desenhos

Figura 1 mostra uma forma de realização preferencial do dispositivo de comando 1 de acordo com a presente invenção, numa vista explodida sem o elemento de mola 3.

Figura la mostra uma forma de realização da figura 1 com zonas realçadas e explicações esquemáticas adicionais. Figura 2 mostra uma forma de realização preferencial do dispositivo de comando 1 conforme a presente invenção, com elementos de conexão 18. 6

Figura 3 mostra um segmento 6 de uma pá de rotor com vários dispositivos de comando 1 acoplados de acordo com a presente invenção.

Figura 4 mostra uma forma de realização preferencial do dispositivo de comando 1 de acordo com a presente invenção, o qual está instalado em um segmento 6 da pá do rotor e que é accionado por um actuador 8.

Figura 5 mostra o perfil de um segmento 6 da pá de um rotor e uma distribuição da pressão de ar aquando da travagem com o dispositivo de comando 1 de acordo com uma forma de realização preferencial da presente invenção.

Figura 6 mostra o perfil de um segmento 6 da pá de um rotor e uma distribuição do fluxo de ar aquando da travagem com o dispositivo de comando 1 de acordo com uma forma preferencial de realização da presente invenção.

Figura 7 mostra um sistema de energia eólica respectivamente uma instalação de energia eólica do tipo de turbina eólica de eixo vertical 14 (VAWT).

Figura 8 mostra um corte transversal na zona da borda de afluxo 16 do segmento da pá do rotor.

Descrição detalhada da invenção

Nas figuras 1, 2, 3 e 4 as direcções espaciais são definidas respectivamente com três direcções de eixos: x, y e z, de modo a proporcionar uma compreensão mais fácil da representação tridimensional. Neste caso deve ser considerado que as direcções são mantidas em todas as figuras. A direcção x 7 decorre da extremidade do perfil 17 em direcção à borda de afluxo 16. A direcção y decorre na radial em relação ao eixo de rotação da turbina eólica de eixo vertical 14 (VAWT) para fora. A direcção z decorre ao longo do comprimento de um segmento 6 da pá do rotor de uma VAWT de baixo para cima, isto é a partir da fundação da VAWT na perpendicular até ao ponto mais alto da VAWT. 0 dispositivo de comando 1 de acordo com a forma de realização da presente invenção compreende três componentes. A primeira componente 2 compreende pelo menos um elemento de mola 3, para pré-esforçar o travão aerodinâmico respectivamente os redutores de fluxo em direcção a uma posição recolhida. Deste modo o elemento de mola 3 exerce uma força de pré-esforço sobre o travão aerodinâmico respectivamente os redutores de fluxo. A posição recolhida corresponde a um não accionamento do travão aerodinâmico respectivamente dos redutores de fluxo. 0 elemento de mola 3 é de preferência realizado como um elemento de torção, como se pode ver na figura 2. Este elemento de torção é, numa forma de realização da presente invenção (figura 2), colocado no segmento 6 da pá do rotor de tal modo que o seu eixo de rotação respectivamente de torção decorre a partir da borda de afluxo 16 até à extremidade do perfil 17 do segmento 6 da pá do rotor, podendo contudo também de acordo com a invenção ser instalado de outra forma e depende dos respectivos requisitos como por exemplo do espaço disponível ou de construções interiores predeterminadas. Este pré-esforço mantém o travão aerodinâmico respectivamente os redutores de afluxo numa posição recolhida, na qual não ocorre nenhum efeito de travagem. Contudo também podem ser utilizados outros tipos de elementos de mola 3, como por exemplo molas de pressão de gás, molas hidráulicas, molas de lâminas ou molas espirais e devem ser escolhidas conforme as exigências impostas às turbinas eólicas de eixo vertical 14. 8

Na figura 1 são mostradas peças individuais da segunda componente 4 e da terceira componente 7 de uma forma de realização da invenção. As setas referentes às referências 4 e 7 especificam somente a atribuição das peças a uma componente individual e as peças individuais, as quais em geral ainda estão dotados de referências especificas à peça. A segunda componente 4 compreende pelo menos um elemento de massa 5, para pela força centrífuga provocada por uma rotação suficientemente elevada do segmento 6 da pá do rotor, fazer avançar o travão aerodinâmico respectivamente os redutores de fluxo contra o pré-esforço do elemento de mola 3, como se pode ver na figura 1. Numa forma de realização preferencial o elemento de massa 5 está posicionado de tal modo que a força centrífuga provoca um movimento radial do elemento de massa 5 em relação ao eixo de rotação da turbina eólica de eixo vertical 14, isto é em direcção y e com isto essencialmente na perpendicular para com o eixo longitudinal do segmento da pá do rotor, a qual através da primeira componente parcial, como por exemplo um dispositivo de elevação, aplica uma força para fazer avançar o travão aerodinâmico respectivamente os redutores de fluxo contra o pré-esforço do elemento de mola 3. A posição do avanço corresponde ao accionamento do travão aerodinâmico (figura 1 e figura 2). Também é possível uma forma de realização da invenção na qual a primeira componente 2 não compreende um elemento de mola 3 respectivamente a segunda componente 4 pode adoptar adicionalmente a função da primeira componente 2. Para este efeito o elemento de massa 5 pode ser posicionado de tal modo que a força do peso do elemento de massa 5 provoca o pré-esforço do travão aerodinâmico respectivamente dos redutores de fluxo 22 em direcção a uma posição recolhida, quando for utilizado um dispositivo de alavanca e/ou um dispositivo de engrenagem para a transposição da força. Deste modo a força do peso do 9 elemento de massa 5 actua na direcção negativa z como pré-esforço, enquanto que a força centrífuga pressiona o elemento de massa 5 radialmente em relação ao eixo de rotação 15 da turbina eólica de eixo vertical 14 para fora, isto é na direcção y essencialmente na perpendicular para com o eixo longitudinal do segmento da pá do rotor.

Quando a turbina eólica de eixo vertical 14 está a rodar, o elemento de massa 5 é pela aceleração centrífuga impelido radialmente para fora (direcção y nas figuras 1, 2, 3 e 4) e faz avançar deste modo o travão aerodinâmico respectivamente os redutores de fluxo 22, os quais actuam contra a rotação da turbina eólica de eixo vertical 14, travando deste modo esta. Este movimento do elemento de massa é, através da disposição de acordo com a invenção de uma forma de realização preferencial, transferido para o travão aerodinâmico respectivamente para os redutores de fluxo 22, como se pode ver na figura 2. A figura 2 mostra uma forma de realização montada da presente invenção inclusive a primeira componente, a qual compreende o elemento de mola 3. Aqui estão aplicados de forma móvel elementos de ligação 18, por exemplo bielas, respectivamente nos pontos de conexão A e B, de tal modo que, aquando da travagem um elemento de conexão é respectivamente avançado na direcção y e na direcção y negativa. É evidente que a invenção não se restringe a duas bielas deste género. Podem ser aplicadas à discrição muitas destas bielas. Também é possível uma forma de realização com somente uma única biela. 0 travão aerodinâmico respectivamente o redutor de fluxo 22 produzem, aquando de uma travagem completa (100%), praticamente uma interrupção completa do fluxo de accionamento para a turbina eólica de eixo vertical 14. A seguir isto é ainda explicado em pormenor. 10

Numa forma de realização preferencial a segunda componente 4 apresenta uma primeira componente parcial 12 com uma primeira e uma segunda extremidade. A primeira componente parcial 12 está entre a primeira e a segunda extremidade, no sentido perpendicular para com o eixo de rotação 19 do elemento de torção, firmemente ligada com o elemento de torção. De acordo com uma forma de realização preferencial a segunda componente 4 compreende ainda uma segunda componente parcial 13 com uma primeira e uma segunda extremidade, em que a segunda componente parcial 13 está entre a sua primeira e a sua segunda extremidade, também na perpendicular para com o eixo de rotação 19 do elemento de torção, firmemente ligada com o elemento de torção, de forma análoga como a primeira componente parcial 12, e está também perpendicular à primeira componente parcial (vide figura 1) . A primeira e a segunda componente parcial 12 respectivamente 13 podem contudo também ser fixadas umas com as outras em outras relações angulares e as relações angulares podem ser adaptadas pelo técnico conforme a necessidade. Até uma adaptação variável das relações angulares num funcionamento em curso da presente invenção é possivel de acordo com mais uma outra forma de realização. Estas componentes parciais podem por exemplo ser dispositivos de alavanca tais como barras, tubos ou similares. A primeira componente 2 está em ligação activa com a segunda componente. Pode neste caso tratar-se de uma ligação directa, quando a primeira componente 2 e a segunda componente 4 forem directamente ligadas por meio de soldagem ou aparafusamento. Podem no entanto entre a primeira e a segunda componente também ser intercalados elementos intermédios, de modo a estabelecer uma ligação indirecta entre a primeira e a segunda componente através de um ou vários elementos intermédios. Estes elementos intermédios podem por exemplo ser dispositivos de engrenagem, os quais produzem um desvio da força. Em 11 consequência disso é possível que em diferentes formas de realização da invenção o elemento de torção e o elemento de massa 5 se possam movimentar na mesma direcção de rotação ou em sentido contrário. As componentes parciais não devem ser obrigatoriamente simétricas.

Numa forma de realização da invenção o elemento de massa 5 está de forma favorável aplicado directamente na primeira extremidade da primeira componente parcial (figura 1 e figura 4) . 0 elemento de massa 5 pode contudo também ser disponibilizado pela forma e escolha do material da primeira componente parcial, de modo que não é necessário aplicar uma elemento de massa adicional na primeira componente parcial. Quando a turbina eólica de eixo vertical 14 estiver em funcionamento, é de acordo com a invenção por este elemento de massa 5 armazenada energia mecânica, dado que pela rotação da turbina eólica de eixo vertical 14 uma força centrífuga respectivamente uma aceleração centrífuga actua sobre este elemento de massa 5, a qual procura acelerar o elemento de massa 5 no sentido radial em relação ao eixo de rotação 15 da turbina eólica de eixo vertical 14 para fora (direcção y). A terceira componente 7 compreende um actuador 8 (figura 4), o qual pode ser accionado de modo a fazer avançar os redutores de fluxo 22 contra o pré-esforço do elemento de mola 3 respectivamente contra o pré-esforço devido à força do peso do elemento de massa 5 conforme a forma de realização mencionada anteriormente. Esta terceira componente 7 pode ser accionada de tal modo que o travão aerodinâmico pode por meio de um dispositivo de acoplamento 10, o qual a seguir é descrito em pormenor, ser movimentado e sustentado na posição avançada, na posição recolhida e em qualquer posição intermédia entre a posição avançada e a recolhida. As posições intermédias representam com isto uma travagem aerodinâmica parcial 12 opcional (entre 0% e 100%, em que 0% corresponde à posição completamente recolhida e 100% à posição completamente avançada) da turbina eólica de eixo vertical 14, enquanto que o travão aerodinâmico completamente avançado respectivamente os redutores de fluxo 22 completamente avançados representam uma travagem aerodinâmica completa da turbina eólica de eixo vertical 14. Numa forma de realização preferencial o actuador 8 apresenta um servomotor, o qual está fixado por pelo menos um elemento de ligação 18, por exemplo uma biela, em pelo menos um braço de alavanca 20. Na forma de realização preferencial este braço de alavanca 20 está de forma rotativa assente no elemento de torção, como se pode verificar na figura 4. A terceira componente 7 também pode apresentar um elemento de reposição (não mostrado), o qual provoca que o actuador 8 faça avançar o travão aerodinâmico respectivamente os redutores de fluxo 22 contra um pré-esforço do elemento de mola 3, caso o actuador não possa ser accionado ou apresente um defeito. Isto está principalmente previsto para a situação quando não estiver disponibilizada nenhuma força centrífuga para fazer avançar o travão aerodinâmico respectivamente os redutores de fluxo 22 contra o pré-esforço do elemento de mola 3, isto é quando a turbina eólica de eixo vertical 14 não está em rotação. Quanto a este elemento de reposição pode tratar-se por exemplo de mais outro elemento de mola. A primeira, a segunda e a terceira componente 7 podem estar equipadas com delimitadores 9, os quais delimitam a liberdade de movimento das componentes individuais num âmbito de ajuste anteriormente determinado. Conforme a forma de realização podem ser utilizados um ou vários delimitadores 9 em uma ou em várias componentes. A forma de realização preferencial, por exemplo nas figuras 1 e 2, apresenta delimitadores 9 para a 13 segunda componente 4, os quais definem os ajustes máximos possíveis da segunda componente e, devido à sua ligação fixa com a primeira componente, também os ajustes máximos possíveis da primeira componente. Para este efeito a segunda componente 4 contém, como se pode ver na figura 1, um braço de encosto 21. Este braço de encosto 21 encosta, nas posições dos delimitadores 9 anteriormente determinadas, precisamente contra estes delimitadores 9 e providencia que o espaço livre do movimento da segunda componente esteja delimitado. 0 elemento de mola 3 providencia que na posição recolhida o braço de encosto 21 seja apertado contra o respectivo delimitador 9. Este braço de encosto 21 pode também ser disponibilizado para cada componente da presente invenção. As próprias componentes parciais podem servir de braço de encosto 21 para delimitadores 9, de modo que além disso um braço de encosto 21 como elemento adicional tal como na forma de realização preferencial da figura 1 pode ser suprimido.

Para disponibilizar uma ligação activa entre a segunda componente 4 e a terceira componente 7 é, de acordo com a invenção, disponibilizado um dispositivo de acoplamento 10. Numa forma de realização preferencial da invenção está na segunda componente 4 aplicado um dispositivo de acoplamento 10, para opcionalmente acoplar ou desacoplar a segunda componente 4 e a terceira componente 7. O dispositivo de acoplamento 10 de acordo com a presente invenção está, como se pode ver na figura 1, aplicado na extremidade da segunda componente parcial 13, e liga deste modo de forma activa a segunda componente parcial 13 com o actuador 8 da terceira componente 7. De acordo com uma outra forma de realização preferencial pode o dispositivo de acoplamento 10 também estar colocado na terceira componente 7, ou mais exacto, no braço de alavanca 20 do actuador 8, para opcionalmente acoplar ou desacoplar de forma activa a terceira componente 7 com a 14 segunda componente. Quando o dispositivo de acoplamento 10 se encontrar na segunda componente, a terceira componente 7 pode apresentar uma contra-peça correspondente para bloquear o acoplamento. No caso inverso aplica-se o correspondente. Esta contra-peça é portanto uma parte do dispositivo de acoplamento 10.

Este dispositivo de acoplamento 10 está em condições de desligar e estabelecer novamente a ligação entre a primeira componente 2 e a segunda componente 4 em um lado, e no outro lado a terceira componente 7.

Enquanto o dispositivo de acoplamento 10 mantiver a ligação entre a primeira componente 2 e a segunda componente 4 em um lado e no outro lado a terceira componente, a terceira componente 7 exerce uma força ajustável respectivamente controlável sobre a primeira componente 2 e a segunda componente 4, de modo que para o elemento de massa 5 não é possível, não obstante à aceleração centrífuga respectivamente à força centrífuga causada pela turbina eólica de eixo vertical 14, transpor o pré-esforço do elemento de mola 3. O comportamento de movimento e a respectiva posição do travão aerodinâmico respectivamente dos redutores de fluxo 22 é dominado respectivamente determinado pelo actuador 8. Quando o travão aerodinâmico respectivamente os redutores de fluxo 22 se encontrarem numa posição intermédia entre a posição avançada e a recolhida, esta posição é mantida pela terceira componente 7, a qual compreende o actuador 8, sem que para o elemento de massa 5 seja possivel pela força centrífuga existente devido a rotação da turbina eólica de eixo vertical 14 colocar o travão aerodinâmico respectivamente os redutores de fluxo 22 na posição avançada. A terceira componente 7 é portanto concebida de tal modo, que contra os efeitos do elemento de mola 3 respectivamente a força do peso e a força 15 centrífuga do elemento de massa 5, esta pode ajustar e manter qualquer posicionamento do travão aerodinâmico respectivamente dos redutores de fluxo 22, enquanto que o dispositivo de acoplamento 10 mantém a ligação entre a primeira e a segunda componente em um lado e a terceira componente no outro lado. Por outras palavras, com isto é assegurado que o comando do travão aerodinâmico respectivamente dos redutores de fluxo 22 se efectua exclusivamente pela terceira componente 7, enquanto o dispositivo de acoplamento 10 mantiver a ligação entre a primeira e a segunda componente em um lado e a terceira componente no outro lado.

Quando o dispositivo de acoplamento 10 eliminar a ligação entre a primeira e a segunda componente em um lado e a terceira componente no outro lado respectivamente a componente 7 desacoplar das outras componentes, então o efeito da terceira componente que determina a posição é anulado, o qual, como anteriormente mencionado, é através do dispositivo de acoplamento 10 transferido para as outras componentes. Neste estado de desacoplamento o elemento de massa 5 da segunda componente já não é retido pela terceira componente. Com isto a força centrífuga respectivamente a aceleração centrífuga existente aquando da rotação da turbina eólica de eixo vertical 14, o elemento de massa 5 vai, em relação para com a rotação da turbina eólica de eixo vertical 14, movimentar-se (direcção y) deslocando-se para fora, isto é essencialmente na perpendicular para com o eixo longitudinal da pá do rotor. Dado que este elemento de massa 5 pode pela força centrífuga transpor o efeito do elemento de mola 3, o travão aerodinâmico seria, respectivamente os redutores de fluxo 22 seriam nesta situação motivados a deslocar-se da posição momentânea, isto é da posição recolhida ou qualquer posição intermédia, para a posição completamente avançada. Deste modo a travagem aerodinâmica é completamente activada, o fluxo de accionamento 16 da turbina eólica de eixo vertical 14 é no melhor dos casos completamente interrompido e a rotação da turbina eólica de eixo vertical 14 é retardada até à sua paragem.

Este desacoplamento da terceira componente das outras componentes pode ser desencadeado por diferentes factos. Por exemplo pode ser manualmente actuado um interruptor ou um botão (não mostrado), o qual provoca o desacoplamento. De igual modo é possível provocar este desacoplamento por instruções de um comando electrónico ou de um computador. Numa forma de realização da invenção este desacoplamento é provocado por uma interrupção da corrente eléctrica, a qual se inicia logo que começa uma avaria, um defeito ou uma falha de qualquer componente da VAWT. Com isto é efectuada uma desconexão automática de emergência da rotação da turbina eólica de eixo vertical 14, sem que tenha de ser dada uma instrução activa por um operador ou uma software. De acordo com uma outra forma de realização da invenção está também previsto que este desacoplamento seja provocado por diferentes factos. 0 dispositivo de acoplamento 10 pode ser accionado tanto por uma ligação manual, por instruções electrónicas como também automaticamente. Numa forma de realização preferencial da invenção o dispositivo de acoplamento 10 compreende um acoplamento magnético. Neste caso pelo menos um electroíman é permanentemente alimentado com corrente eléctrica, de modo a manter um acoplamento respectivamente uma ligação entre a primeira e a segunda componente em um lado e a terceira componente no outro lado. Logo que a corrente eléctrica é interrompida, o campo magnético colapsa, desliga o acoplamento respectivamente a ligação e a terceira componente 7 respectivamente o actuador 8 perde a sua influência dominante sobre a posição do travão aerodinâmico respectivamente dos redutores de fluxo 22, isto é o actuador 8 e o travão aerodinâmico estão desacoplados. Em consequência disso a 17 energia cinética armazenada no elemento de massa 5 é libertada e deste modo o travão aerodinâmico respectivamente os redutores de fluxo 22 são avançados. 0 travão aerodinâmico respectivamente os redutores de fluxo 22 compreende respectivamente compreendem pelo menos um dispositivo de charneira respectivamente um dispositivo de superfície de placa, o qual está aplicado num segmento 6 da pá do rotor de uma turbina eólica de eixo vertical 14 e que está ligado com o dispositivo de controlo por meio de pelo menos um elemento de ligação 18 e/ou de pelo menos um dispositivo de charneira 23. De preferência este elemento de ligação 18 é um elemento de tubo ou de barra. O dispositivo de charneira é numa forma de realização um pára-vento respectivamente um redutor de fluxo 22, o qual com um plano respectivamente uma superfície pode ser colocado de tal modo no fluxo de accionamento, que o fluxo de accionamento aquando de uma travagem completa está essencialmente interrompido. De acordo com a presente invenção também pode ser disponibilizado um redutor de fluxo 22, o qual é directamente do espaço interior do segmento 6 da pá do rotor deslocado para fora num determinado ângulo com o segmento da pá do rotor. Numa forma de realização deste género não seria necessário um dispositivo de charneira 23. Aquando de uma travagem parcial, o que corresponde a um comando do decurso binário da turbina eólica de eixo vertical 14, o fluxo de accionamento é opcionalmente influenciado. De preferência a superfície é colocada de tal modo no fluxo de accionamento, que o fluxo de accionamento incide tanto quanto possível na perpendicular sobre a superfície, para atingir uma resistência ao fluxo tão grande quanto possível, quando a turbina eólica de eixo vertical 14 dever ser submetida a uma travagem total. No caso de uma travagem parcial este redutor de fluxo 22 é, evidentemente, só desdobrado parcialmente. Numa forma de realização da invenção 18 o dispositivo de charneira compreende dois redutores de fluxo 22 por cada dispositivo de controlo 1. Contudo também é possível instalar somente um redutor de fluxo 22 ou vários redutores de fluxo 22 por cada dispositivo de comando. Esta forma de realização, como se pode ver nas figuras 3 e 4, compreende um redutor de fluxo 22 interior e um exterior. Todos os redutores de fluxo 22 estão ligados com os seus respectivos dispositivos de comando 1 de tal modo que os mesmos na posição recolhida se ajustam estreitamente à superfície do segmento 6 da pá do rotor, isto é, estão recolhidos, e na posição avançada estão com a sua superfície essencialmente na perpendicular em relação para com o fluxo de accionamento. De acordo com uma forma de realização da invenção, aquando de um processo de travagem os redutores de fluxo 22 opostos são avançados em oposição uns aos outros para, dado que estão aplicados em lados opostos da pá do rotor, influenciar no respectivo lado o fluxo de accionamento. Também é possível que os redutores de fluxo 22 estejam posicionados na posição recolhida numa reentrância do segmento 6 da pá do rotor, e aquando do avanço saírem pelo menos parcialmente desta reentrância. Numa forma de realização preferencial vários redutores de fluxo 22 estão interligados por meio de componentes parciais conectados, como por exemplo a segunda componente parcial 13, de tal modo que os movimentos dos redutores de fluxo 22 são uniformes e/ou simétricos. Os redutores de fluxo 22 podem no entanto também estar interligados por meio de componentes parciais conectados, de tal modo que o seu movimento seja acoplado de forma assimétrica, isto é os redutores de fluxo 22 são avançados em simultâneo ou também em tempos diferidos para posições que se diferenciam umas das outras. As necessárias transposições mecânicas de alavancas são do conhecimento do técnico perito, não sendo aqui explicadas em pormenor. 19

Na forma de realização na figura 3 o travão aerodinâmico respectivamente os redutores de fluxo 22 são movimentados simetricamente. De acordo com a invenção é no entanto também possível movimentar os redutores de fluxo 22 uns para com os outros de forma assimétrica, isto pode em dependência da necessidade ser facilmente ajustado, quando forem utilizados diferentes comprimentos dos elementos de ligação 18 ou diferentes transmissões, por exemplo podem para este efeito nesta forma de realização ser aplicados na segunda componente os elementos de ligação 18 com distâncias diferentes para com o elemento de mola 3 (aqui um elemento de torção).

Também podem vários dispositivos de comando 1 ser utilizados acoplados, como se pode ver na figura 3. Estes estão interligados através de elementos de ligação 18, os quais são aplicados de forma móvel no respectivo dispositivo de comando 1. Na forma de realização preferencial os elementos de ligação 18 estão nos pontos C e D ligados com a segunda componente 4. Com isto o avanço e a recolha de um redutor de fluxo 22 ou pares de redutores de fluxo 22 podem ser transmitidos para mais outros redutores de fluxo 22. 0 segmento 6 de uma pá de rotor pode portanto também conter vários dispositivos de comando 1. Uma pá de rotor pode além disso ser composta por vários segmentos 6 da pá do rotor, os quais contêm dispositivos de comando 1. Pás de rotores com dispositivos de comando 1 podem também ser utilizadas em outras áreas.

No geral é consequentemente também apresentado um método de acordo com a invenção para a travagem aerodinâmica de uma VAWT com um dispositivo de comando 1 de acordo com a presente invenção. Este método de travagem pode ser activado manualmente por um operador, por via electrónica por exemplo 20 por um computador ou também automaticamente. A activação automática depende de um defeito ou de uma anomalia no sistema da energia eólica. O método de acordo com a invenção compreende em primeiro lugar o desacoplamento da segunda componente da terceira componente. De preferência isto efectua-se por meio do dispositivo de acoplamento 10, por exemplo um acoplamento magnético. Numa forma de realização da invenção um acoplamento magnético é alimentado constantemente com corrente eléctrica, de modo a manter o acoplamento entre a segunda e a terceira componente. Em caso de defeito ou de uma anomalia no sistema de energia eólica, principalmente do dispositivo de comando 1, o abastecimento de corrente eléctrica é interrompido e o acoplamento entre a segunda componente 4 e a terceira componente 7 é suprimido e a segunda componente 4 e a terceira componente 7 são desacopladas.

Reagindo ao desacoplamento da segunda e da terceira componente o travão aerodinâmico respectivamente os redutores de fluxo 22 são pela movimentação da segunda componente por meio da força centrífuga essencialmente avançados para a posição até à perpendicular para com a direcção da rotação do segmento 6 da pá do rotor. Dito com mais precisão, os redutores de fluxo 22 são de tal modo colocados no vento, que estes se situam tanto quanto possível na perpendicular para com o fluxo de accionamento do vento. Então as propriedades do fluxo do segmento 6 da pá do rotor são alteradas de tal forma que a corrente de accionamento do sistema de energia eólica é interrompida. Devido à supressão do fluxo de accionamento a turbina eólica de eixo vertical 14 já não pode admitir mais energia eólica. Adicionalmente os redutores de fluxo 22 colocados no sentido vertical para com o fluxo de accionamento formam um impedimento para o fluxo do vento, de modo que a rotação da turbina eólica de eixo vertical 14 é travada. Isto pode suceder até a paragem completa da rotação, o que termina 21 numa desconexão do sistema de energia eólica. É obvio que todas as formas de realização da presente invenção podem ser combinadas umas com as outras. A figura 5 e a figura 6 esclarecem o efeito de travagem do travão aerodinâmico respectivamente dos redutores de fluxo 22 de acordo com uma forma de realização da presente invenção. Em ambas as figuras é representado o perfil de um segmento 6 de uma pá de rotor. A figura 5 mostra uma distribuição da pressão de ar e a figura 6 mostra uma distribuição do fluxo de ar numa situação de travagem. Na figura 6 pode-se ver nitidamente que os redutores de fluxo 22 formam uma barreira para o fluxo de accionamento vindo da direcção da borda de afluxo 16, de modo que o fluxo de accionamento é interrompido, e na zona atrás do redutor de fluxo 22 respectivamente na extremidade do perfil 17 realiza-se uma inversão do fluxo. 0 segmento 6 da pá do rotor já não pode portanto transformar energia eólica em energia de rotação. A distribuição da pressão de ar na figura 5 mostra que atrás do redutor de fluxo 22 respectivamente na extremidade do perfil 17 existe uma pressão de ar negativa em comparação com a pressão ambiente como nivel zero, cujo efeito de força actua contra a direcção de movimento do segmento 6 da pá do rotor. A frente do redutor de fluxo 22 e na borda de afluxo 16 contudo, forma-se uma pressão de ar positiva respectivamente uma pressão excessiva em comparação com a pressão ambiente como nivel zero. Esta actua de igual modo contra a direcção de movimento do segmento 6 da pá do rotor. Deste modo a rotação do segmento 6 da pá do rotor é travada. É obvio que todas as formas de realização da presente invenção podem ser combinadas umas com as outras.

Uma VAWT compreende pelo menos um rotor com pelo menos um segmento 6 da pá do rotor, o qual inclui um dispositivo de comando 1 para um travão aerodinâmico, e pelo menos um 22 dispositivo transformador de energia. Este dispositivo transformador de energia pode por exemplo ser um gerador, o qual transforma energia mecânica, a qual é disponibilizada pela rotação do rotor gue dispõe pelo menos de um segmento 6 da pá do rotor, em energia eléctrica. Este dispositivo transformador de energia pode contudo ser também um outro aparelho tal como por exemplo uma bomba, um mecanismo de moer ou similar. A figura 7 mostra uma instalação de energia eólica respectivamente um sistema de energia eólica do tipo de turbina eólica de eixo vertical 14 (VAWT), a qual está equipada com um dispositivo de comando 1.

Além disso está na VWAT de acordo com a invenção disponibilizado um dispositivo de aquecimento. Este dispositivo de aquecimento (figura 8) conduz uma parte da energia, disponibilizada pelo dispositivo transformador de energia, para o espaço interior do pelo menos um segmento 6 da pá do rotor para aquecer pelo menos um segmento 6 da pá do rotor. Do dispositivo transformador de energia é de preferência dissipada energia térmica excedente e conduzida directamente para o espaço interior de pelo menos um segmento da pá do rotor. Conforme uma forma de realização a energia térmica é conduzida somente ao longo do lado interior da borda de afluxo 16 (figura 8), isto é na zona do espaço interior frontal 24 de um segmento 6 da pá do rotor onde a formação de gelo, como se sabe, se manifesta com maior intensidade na borda de afluxo 16. Quando neste transformador de energia se tratar de um gerador também a energia eléctrica do gerador pode ser utilizada para aquecer o espaço interior de pelo menos um segmento 6 da pá do rotor, quando com esta actuar no espaço interior de um segmento 6 da pá do rotor um dispositivo de aquecimento eléctrico. É obvio que podem ser utilizados todos os outros tipos de energia aplicáveis para o aquecimento do espaço interior de um segmento 6 da pá do rotor e podem ser 23 combinados uns com os outros, de modo a atingir para a aplicação individual um aquecimento optimizado do espaço interior do segmento 6 da pá do rotor.

Todas as formas de realização, variantes e âmbitos parciais da presente invenção anteriormente descritas, podem ser combinadas umas com as outras. Também vários dispositivos de comando 1 de acordo com a presente invenção podem ser utilizados em turbinas eólicas de eixo vertical 14, as quais podem ser operadas individualmente ou acopladas. Dispositivos de comando 1 de acordo com a presente invenção podem de forma independente entre si ser accionados numa turbina eólica de eixo vertical 14.

Lista dos números de referência 1 dispositivo de comando 2 primeira componente 3 elemento de mola 4 segunda componente 5 elemento de massa 6 segmento da pá do rotor 7 terceira componente 8 actuador 9 delimitador 10 dispositivo de acoplamento 12 primeira componente parcial 13 segunda componente parcial 14 turbina eólica de eixo vertical 15 eixo de rotação 16 borda de afluxo 17 extremidade do perfil 18 elemento de ligação 19 eixo de rotação do elemento de torção 20 braço de alavanca 24 21 braço de encosto 22 redutor de fluxo 23 dispositivo de charneira A ponto de ligação para um elemento de ligação 18 entre 4 e 22 B ponto de ligação para um elemento de ligação 18 entre 4 e 22 C ponto de ligação para um elemento de ligação 18 entre dispositivos de comando 1 contíguos D ponto de ligação para um elemento de ligação 18 entre elementos de comando 1 contíguos E ponto de ligação para um elemento de ligação 18 entre 20 e o servomotor.

Lisboa, 17 de Dezembro de 2010

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Turbina eólica de eixo vertical (14) com um eixo de rotação vertical (15), compreendendo: pelo menos um segmento (6) da pá do rotor, o qual apresenta pelo menos dois redutores de fluxo (22) retrácteis ou avançáveis, em que o segmento (6) da pá do rotor se encontra posicionado de forma giratória à volta do eixo de rotação (15) vertical; pelo menos um dispositivo de comando (1), para comandar os redutores de fluxo (22), em que o dispositivo de comando (1) compreende: um elemento de mola (3) e um elemento de massa (5), caracterizada por o elemento de massa (5) estar previsto numa primeira componente parcial (12), em que a primeira componente parcial (12) está posicionada de forma rotativa à volta de um eixo de rotação (19); estarem previstos pelo menos dois pontos de ligação (A, B) na primeira componente parcial (12), em que agarra respectivamente um elemento de ligação (18) o qual liga o dispositivo de comando (1) com respectivamente um redutor de fluxo (22) da turbina eólica de eixo vertical (14); em que os pontos de ligação (A; B) estão de tal modo dispostos na primeira componente parcial (12) que estes em relação ao eixo de rotação (19) se encontram essencialmente opostos e por meio dos elemento de ligação (18), aquando de um movimento pivotante da componente parcial (12) condicionado pelo actuação da força centrífuga no elemento de massa (5), comandarem os redutores de fluxo (22) em sentido oposto uns para com os outros.
2. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com a reivindicação 1, em que o elemento de mola (3) compreende parte de uma primeira componente (2) e o elemento de massa (5) da primeira componente parcial (12) ser parte de uma segunda componente (4) e o dispositivo de comando (1) ainda compreender uma terceira componente (7), a qual apresenta um actuador (8) e que está ligada de forma destacável com a segunda componente (4).
3. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com a reivindicação 2, em que a primeira componente (2) está ligada por transmissão de força com a segunda componente (4).
4. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com a reivindicação 2 ou 3, em que a segunda componente (4) está por meio de um delimitador (9) delimitada para uma zona de regulação predeterminada.
5. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com as reivindicações 2 até 4, em que a segunda componente (4) compreende um dispositivo de acoplamento (10), o qual opcionalmente acopla ou desacopla a segunda componente (4) e a terceira componente (7).
6. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com as reivindicações 2 até 4, em que a terceira componente (7) compreende um dispositivo de acoplamento (10), o qual opcionalmente acopla ou desacopla a segunda componente (4) e a terceira componente (7).
7. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com as reivindicações 2 até 6, em que a terceira componente (7) compreende um servomotor.
8. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com as reivindicações 5 até 7, em que o dispositivo de acoplamento (10) por meio de acoplamento da segunda componente (4) e da terceira componente (7) impede o avanço do travão aerodinâmico devido à força centrífuga.
9. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com as reivindicações 5 até 8, em que o dispositivo de acoplamento (10) por meio de desacoplamento da segunda (4) e da terceira (7) componente permite um avanço do travão aerodinâmico devido à força centrífuga.
10. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com as reivindicações 5 até 9, em que a terceira componente (7) pode movimentar a primeira componente (2) e a segunda componente (4), enquanto que o dispositivo de acoplamento (10) acopla a terceira componente (7) com a segunda componente (4).
11. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com as reivindicações 5 até 10,, em que o dispositivo de acoplamento (10) está concebido para desacoplar a segunda componente (4) e a terceira componente (7), quando a terceira componente (7) pelo menos parcialmente falhar respectivamente avariar.
12. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com as reivindicações 2 até 12, em que o elemento de mola é um elemento de torção.
13. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com as reivindicações 1 até 12, em que a primeira componente parcial (12) está entre a primeira e a segunda extremidade da primeira componente parcial (12), na perpendicular para com o eixo de rotação firmemente ligada com o elemento de mola (3).
14. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com as reivindicações 2 até 13, em que a segunda componente (4) ainda apresenta: uma segunda componente parcial (13) a qual está com a primeira e a segunda extremidade da segunda componente parcial (13), na perpendicular para como eixo de rotação e na perpendicular para com a primeira componente parcial (12), firmemente ligada com o elemento de mola (3).
15. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 até 14, em que o elemento de mola (3) decorre de uma borda de afluxo (16) do segmento (6) da pá do rotor para uma extremidade de perfil (17) do segmento (6) da pá do rotor.
16. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes 1 até 15, em que os redutores de fluxo (22) estão posicionados numa superfície exterior do segmento (6) da pá do rotor, de modo que o plano dos redutores de fluxo (22) podem de uma posição paralela para com a direcção da rotação do segmento (6) da pá do rotor ser avançados opcionalmente até a uma posição perpendicular para com a direcção de rotação do segmento (6) da pá do rotor, de modo que os redutores de fluxo (22) se encontram na perpendicular para com o fluxo de accionamento.
17. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes 1 até 16, em que a segunda componente (4) com o seu elemento de massa (5) está posicionada de tal modo que o elemento de massa (5) aquando da rotação do rotor é pela força centrífuga movimentado radialmente para o exterior.
18. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes 2 até 17, em que a terceira componente (7) ainda apresenta: um elemento de reposição, o qual força o actuador (8) de avançar o travão aerodinâmico contra o pré-esforço do elemento de mola (3), quando o actuador (8) não é actuado.
19. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes 1 até 18 com vários dispositivos de comando (1), em que os dispositivos de comando (1) estão acoplados por meio de pelo menos um dispositivo de ligação, afim de transmitir entre si movimentos de rotação das segundas componentes.
20. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes 1 até 19, compreendendo ainda: pelo menos um dispositivo transformador de energia.
21. Turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes 1 até 20, contendo ainda: um dispositivo de aquecimento o qual está concebido para conduzir energia de um dispositivo transformador de energia para o espaço interior do segmento (6) da pá do rotor e deste modo aquecer a pá do rotor a partir do interior.
22. Método para a travagem aerodinâmica de uma turbina eólica de eixo vertical (14) de acordo com as reivindicações 1 até 21, compreendendo: desacoplamento da segunda componente (4) da terceira componente (7); fazer avançar os redutores de fluxo (22), essencialmente para uma posição até à perpendicular para com a direcção de rotação do segmento (6) da pá do rotor, pelo movimento da segunda componente (4) por meio de força centrífuga; alteração das propriedades de fluxo do segmento (6) da pá do rotor, afim de interromper pelo menos parcialmente o fluxo de accionamento da turbina eólica de eixo vertical (14) .
23. Método de acordo com a reivindicação 22, em que o desacoplamento é provocado pela falha da terceira componente (7) .
24. Método de acordo com a reivindicação 22 ou 23, em que o desacoplamento é causado pela interrupção da corrente eléctrica no dispositivo de acoplamento (10).
25. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 22 até 24, em que a interrupção pelo menos parcial do fluxo de accionamento provoca uma travagem parcial ou uma travagem completa da turbina eólica de eixo vertical (14). Lisboa, 17 de Dezembro de 2010