BR102017018655A2

BR102017018655A2 - Gerador síncrono para aerogeradores e aerogerador

Info

Publication number: BR102017018655A2
Application number: BR102017018655-5A
Authority: BR
Inventors: Martínez Fernández Elena; Alberto José Granados García Javier; Lopez Lopez José; Luis Rodríguez Izal José; Jesús Salvatierra Macua Carlos
Original assignee: Gamesa Innovation & Technology, S.L.
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2018-03-27
Also published as: ES2656821B1; EP3291429A1; MX2017011076A; US20180062484A1; ES2656821A1; CN107800257A

Abstract

a presente invenção refere-se a um gerador síncrono para aerogeradores que compreende um rotor (20) e um estator (10), onde o estator (10) compreende uma pluralidade de bobinas indutoras (11) de um material supercondutor de alta temperatura dispostas para gerar campo magnético. a utilização do estator supercondutor, no lugar de um rotor supercondutor, permite simplificar o sistema de refrigeração, eliminando por exemplo as juntas rotativas de gás criogênico e as juntas rotativas de gás hélio de alta pureza.

Description

(54) Título: GERADOR SÍNCRONO PARA AEROGERADORES E AEROGERADOR (51) Int. Cl.: F03D 9/00; H02P 7/06 (30) Prioridade Unionista: 30/08/2016 ES P201600720 (73) Titular(es): GAMESA INNOVATION & TECHNOLOGY, S.L.

(72) Inventor(es): ELENA MARTÍNEZ FERNÁNDEZ; JAVIER ALBERTO JOSÉ GRANADOS GARCIA; JOSÉ LOPEZ LOPEZ; JOSÉ LUIS RODRÍGUEZ IZAL; CARLOS JESÚS SALVATIERRA MACUA (74) Procurador(es): MARIA PIA CARVALHO GUERRA (57) Resumo: A presente invenção refere-se a um gerador síncrono para aerogeradores que compreende um rotor (20) e um estator (10), onde o estator (10) compreende uma pluralidade de bobinas indutoras (11) de um material supercondutor de alta temperatura dispostas para gerar campo magnético. A utilização do estator supercondutor, no lugar de um rotor supercondutor, permite simplificar o sistema de refrigeração, eliminando por exemplo as juntas rotativas de gás criogênico e as juntas rotativas de gás hélio de alta pureza.

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção: GERADOR SÍNCRONO PARA AEROGERADORES E AEROGERADOR

Campo técnico [001] A presente invenção enquadra-se no campo das energias renováveis e, mais concretamente, desenvolve um gerador síncrono supercondutor para aerogeradores.

Antecedentes da invenção [002] Os aerogeradores, ou turbinas eólicas, permitem converter a energia cinética das correntes de vento em energia elétrica, tanto para consumo local em instalações conectadas ao aerogerador, como para fornecimento geral através da rede de distribuição elétrica. Para realizar a conversão energética, a maioria dos aerogeradores contam com um rotor conectado a um sistema de hélices rotatórias que gira solidariamente ou através de uma multiplicadora com as ditas hélices. O dito rotor conta com uma pluralidade de elementos magnéticos, sejam ímãs permanentes, ou ímãs excitados eletricamente, por exemplo baseados em bobinas de cobre ou qualquer outro condutor elétrico. Da mesma forma, o aerogerador conta com um estator fixo que envolve o rotor, normalmente de ferro laminado, e que contém um sistema de bobinas de modo que a rotação relativa entre o rotor e o estator produz uma variação do fluxo magnético gerado pelo rotor que dá lugar a uma corrente elétrica induzida nas bobinas do estator.

[003] Por exemplo, US 2012/133137 A1 apresenta um aerogerador cuja turbina eólica conecta-se a um gerador de indução duplamente alimentado (DFIG, do inglês 'Doubly fed induction generator') e a um conversor parcial de energia que controlam a potência transmitida para a rede elétrica. De acordo com um segundo exemplo, US 7,411,309 B2 apresenta um sistema de controle que permite uma operação continuada do sistema DFIG sem desconexão da rede elétrica mediante ajuste dinâmico da corrente do rotor. Não obstante, os sistemas DFIG conhecidos no estado da técnica apresentam uma série de limitações em aerogeradores que operam a baixa velocidade (tipicamente

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2/21 inferior a 500 revoluções por minuto) e alta potência (tipicamente superior a 3 MW), já que gera um elevado par.

[004] A necessidade de uma maior leveza, um menor tamanho bem como uma maior eficiência levou à consideração da utilização direta de condutores realizados com material supercondutor sem núcleo de ferro. Isso permite incrementar a densidade do fluxo magnético para além da saturação do ferro e a diminuir a geração de calor nas bobinas, transportando correntes mais intensas, além de evitar as perdas por histerese de magnetização no ferro, evitando o uso de material ferromagnético, bem como diminuir a velocidade de rotação simplificando ou eliminando o sistema mecânico de multiplicação da velocidade de rotação.

[005] Além disso, a aparição comercial no estado da técnica de condutores baseados em materiais supercondutores de alta temperatura (HTS, do inglês 'High-temperature superconductor') permite a fabricação de bobinas supercondutoras capazes de ser efetivas com campos magnéticos de indução superior a 4 Tesla a temperaturas superiores a 30 Kelvin (K), e com suficiente estabilidade térmica para manter de forma segura correntes com uma densidade superior a 200 A/mm2 sem dissipação térmica.

[006] Atualmente, foram apresentados vários projetos de geradores supercondutores com os quais se pretende simplificar a máquina acoplando diretamente o gerador ao sistema de hélices. Nestes projetos, tipicamente, dispõe-se de um rotor supercondutor que gera o campo indutor e de um estator, que pode ser também supercondutor, mas que em geral é feito de cobre, no qual é induzido uma força eletromotriz, seguindo uma estrutura similar à dos geradores convencionais. É o caso, por exemplo, dos sistemas apresentados por EP 2,521,252 B1, WO 2011 /080357 A1, US 2014/009014 A1, US 2009/224550 A1 e CN 10,1527,498 A.

[007] O uso de supercondutores requer sistemas que consigam o esfriamento das bobinas supercondutoras à temperatura criogênica de operação, bem como a extração eficiente do calor gerado durante seu

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3/21 funcionamento. Além disso, o projeto deve ser adequado para conseguir a minimização de entrada de calor vindo do ambiente até as bobinas supercondutoras, o que inclui, entre outros, um adequado isolamento térmico, tipicamente mediante vácuo. Por exemplo, US 6,768,232 B1 apresenta um rotor fabricado com materiais HTS para máquinas síncronas em que o campo indutor é gerado pelo rotor. Este rotor compreende uma reserva térmica que mantém uma diferença de cerca de 10 K entre a dita reserva e o bobinado do rotor.

[008] Não obstante, nas propostas mencionadas, os elementos magnéticos supercondutores encontram-se em um elemento em continuo movimento, complicando as tarefas de alimentação, refrigeração, controle térmico, monitorização e proteção das bobinas supercondutoras. Deste modo, esses sistemas requerem, de acordo com a configuração, juntas rotativas para a passagem de fluido à temperatura criogênica ou juntas rotativas para gás como hélio, hidrogênio, neon ou misturas de gases criogênicos de alta pressão e alta pureza que conectem as cabeças dos criogeradores aos compressores; reduzindo, assim, a fiabilidade e a esperança de vida dos dispositivos associados às ditas tarefas, além de aumentar notavelmente sua complexidade e custo, e impedir uma configuração de gerador de eixo oco, já que as ditas juntas rotativas devem se instalar no eixo.

[009] Segue existindo, portanto, no estado da técnica, a necessidade de um sistema síncrono de geração de energia eólica que supere as limitações de densidade do campo magnético dos sistemas tradicionais, ao mesmo tempo que otimize a fiabilidade e simplicidade do restante de elementos conectados ao dito sistema para garantir seu adequado funcionamento.

Sumário da invenção [010] A presente invenção soluciona os problemas anteriormente descritos mediante um sistema de geração de energia eólica no qual o estator compreende uma pluralidade de bobinas de um material supercondutor de alta temperatura (HTS), conseguindo um aumento na densidade do campo

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4/21 magnético. A utilização do estator supercondutor, no lugar de um rotor supercondutor, permite simplificar o sistema de refrigeração, eliminando por exemplo as juntas rotativas de gás criogênico e as juntas rotativas de gás hélio de alta pureza.

[011] E m um primeiro aspecto da invenção, é apresentado um gerador síncrono para aerogeradores que compreende um estator com as ditas bobinas de material HTS. O gerador compreende preferencialmente uma carcaça de aço ou de qualquer outro material capaz de suportar a estrutura interna do gerador que, por sua vez, suporta o estator supercondutor e, mediante rolamentos, o rotor. O estator supercondutor compreende preferencialmente um criostato de aço inoxidável, ou de qualquer outro material de baixa emissão de gases na cavidade de vácuo com resistência estrutural suficiente para suportar os dispositivos internos do estator, tanto dinâmica como estaticamente. O criostato, preferencialmente cilíndrico de forma anular com uma parede exterior e outra interior concêntricas, transmite o par de reação até a carcaça, ancorando-se na dita carcaça por sua parte exterior e deixando a brecha interior do anel livre para o objeto de introduzir ou rotor. Preferencialmente, o dito rotor pode ser um rotor convencional com emaranhados de cobre ou material supercondutor ou condutores alternativos com ou sem núcleo de chapa magnética permitindo eliminar o ferro no rotor e dando lugar a uma maior leveza.

[012] O criostato define uma cavidade na qual é feito um vácuo para o isolamento térmico e no qual submetem-se a bobinas supercondutoras. Preferencialmente, a submissão das ditas bobinas supercondutoras é realizada mediante um, dois ou mais cilindros de suporte de um material capaz de suportar os esforços sobre as bobinas e de transmitir o par ao longo de seu contorno com uma baixa condutividade térmica. Os cilindros coaxiais definem um espaço interior onde se fixam as bobinas suportando as forças de interação entre elas e com o rotor. No caso preferencial de se utilizar um único cilindro de submissão e um rotor com ferro, a ancoragem é realizada pela parte interior

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5/21 devido às forças de relutância, sendo que no caso preferencial de utilizar um único cilindro de submissão e um rotor sem ferro, a ancoragem é realizada pela parte exterior. Em geradores de grande potência, é preferível distribuir o esforço entre dois ou mais cilindros de suporte.

[013] Preferencialmente, os cilindros de suporte das bobinas ficam centralizados no criostato mediante armações que os atravessam mediante ranhuras feitas nos cilindros de suporte, evitando a rotação dos cilindros e das bobinas. As armações transmitem o esforço até a parede exterior do criostato, apoiando-se na dita parede exterior, centralizando as bobinas e transmitindo o par para algumas guias interiores soldadas axialmente na parte interior da parede cilíndrica exterior do criostato que, por sua vez, o transmite para a carcaça na que se sustenta mediante pontos de ancoragem.

[014] Preferencialmente, os cilindros de suporte, junto com as bobinas, estão rodeados por duas camadas cilíndricas de blindagem (também denominadas blindagem de isolamento), uma pela parte interior e outra pela exterior. As ditas camadas cilíndricas estão preferencialmente implementadas em alumínio, cobre ou qualquer outro material de boa condutividade térmica e elétrica que é mantido a uma temperatura intermediária, e que atuam como blindagem de radiação térmica ao mesmo tempo que protegem as bobinas dos campos magnéticos alternados que são produzidos por causa dos transitórios elétricos gerados pelo conversor ou pela conexão com o sistema de transporte de energia elétrica. Preferencialmente, a refrigeração das duas camadas cilíndricas é realizada mediante nitrogênio líquido, mantido em uma cavidade de reserva situada no interior do criostato. A dita cavidade de reserva tem preferencialmente forma anular e compreende um acesso ao exterior para o enchimento do nitrogênio líquido. Cabe notar que, não obstante, as camadas cilíndricas de blindagem podem ser refrigeradas por outros líquidos ou gases criogênicos ou mediante um criogerador ou por uma das etapas de um criogerador. As camadas cilíndricas de blindagem podem ser refrigeradas da mesma forma por condutos de circulação de líquido ou gás criogênico sempre

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6/21 que seja necessária uma maior leveza ou para uma melhor distribuição térmica em toda a superfície das mesmas ou quando qualquer outra razão assim recomende. Alternativamente, pode ser utilizado qualquer outro método conhecido no estado da técnica que permita manter a blindagem a baixa temperatura atenuando assim a radiação térmica e eletromagnética.

[015] As bobinas do estator são preferencialmente emaranhadas sobre chapas de suporte de material bom condutor térmico, como por exemplo cobre, em uma, duas ou mais camadas dependendo da largura do supercondutor utilizado, com capacidade de suportar os esforços mecânicos presentes nas bobinas originados pelo seu próprio campo magnético ou por sua interação com as correntes geradas ou o ferro no rotor. O dito supercondutor é escolhido preferencialmente entre os tipos HTS de primeira ou segunda geração, de diboreto de magnésio, ou de qualquer outro supercondutor que possa ser refrigerado com segurança à temperatura de trabalho necessária.

[016] Preferencialmente, as bobinas têm uma amplitude angular ligeiramente inferior ao quociente entre os 360° angulares correspondentes à circunferência inteira e o número de polos; bem como um comprimento adaptado ao rotor e ao espaço de interação entre o estator e o rotor.

[017] Preferencialmente, as chapas de suporte são distribuídas de forma cilíndrica ao redor do cilindro de suporte e podem formar um cilindro único ou setores independentes. Com o objetivo de otimizar a distância entre as bobinas e o rotor, as chapas são mais preferencialmente arcos de cilindro, com uma superfície curvada de acordo com o raio do cilindro no qual se apoia. Cada camada da bobina se emaranha sobre uma chapa de suporte, que é apoiada na bobina anterior formando uma nova superfície cilíndrica de raio maior.

[018] Também, preferencialmente, as bobinas são refrigeradas por condução mediante fitas, tranças, ou fios de cobre que mantêm bom contato térmico entre as chapas de suporte das bobinas e o cabeçote de baixa temperatura de pelo menos um criogerador instalado no estator. As bobinas podem ser também refrigeradas por um gás ou líquido criogênico, usando um

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7/21 sistema de tubulações com bom contato térmico com as bobinas, ou gerando cavidades herméticas ao redor das bobinas, à prova de vácuo e com suas correspondentes gaxetas de vedação para as conexões, em cujo interior circule o fluido criogênico.

[019] Preferencialmente, os cilindros de suporte das bobinas e as blindagens térmicas que envolvem os ditos cilindros de suporte são isolados termicamente com isolamento multicamada (MLI) ou qualquer outro meio conhecido no estado da técnica capaz de evitar a transferência de calor por radiação das paredes do criostato (interior e exterior) até as bobinas.

[020] Preferencialmente, as conexões elétricas, o criogerador, as tomadas de vácuo, as entradas e saídas de nitrogênio ou meio refrigerante (líquido e gasoso) bem como as conexões elétricas de alimentação das bobinas e da instrumentação são feitas através de um fechamento frontal do criostato com o objetivo de facilitar a montagem do sistema e minimizar o número e o comprimento das juntas de vácuo.

[021] Por sua parte, o rotor compreende uma pluralidade de bobinas de indução, e as ditas bobinas de indução não exigem ranhuras ferromagnéticas, devido ao uso de bobinas de material HTS no estator que permite trabalhar com maiores intensidades de campo magnético por unidade de volume. Ao não ser necessário o emprego de ranhuras ferromagnéticas, o sistema de encapsulamento do dito rotor é simplificado. O dito rotor compreende preferencialmente uma pluralidade de anéis deslizantes e escovas que permite extrair energia elétrica do rotor até um conversor de eletrônica de potência. [022] Também preferencialmente, e graças ao uso de bobinas de material HTS no estator, são eliminadas as juntas rotativas necessárias mencionadas anteriormente no caso do rotor supercondutor, pois o rotor pode ser oco. Mais preferencialmente o dito eixo oco é utilizado para dispor de um “tubo de energia” através dele, permitindo a passagem de mangueiras hidráulicas e cabos elétricos para energizar os diferentes sistemas de atuação das hélices do aerogerador. Implementações preferenciais da invenção podem

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8/21 compreender limitadores de par no acoplamento entre o gerador e a caixa de engrenagens multiplicadora de velocidade.

[023] Preferencialmente, as bobinas supercondutoras emaranhadas sobre superfície cilíndrica não utilizam material isolante elétrico entre camadas de emaranhado e utilizam lâminas ou fios metálicos ou de ligas metálicas melhorando suas propriedades mecânicas e estabilidade térmica [024] Em um segundo aspecto da invenção, é apresentado um aerogerador que compreende uma torre de sustentação sobre a qual é disposto um gerador síncrono conectado a uma pluralidade de hélices rotatórias. O gerador síncrono tem as características descritas no primeiro aspecto da invenção, ou seja, compreende um rotor e um estator, compreendendo por sua vez o estator uma pluralidade de bobinas HTS dispostas para gerar campo magnético. O rotor está conectado às hélices rotatórias, de maneira que a energia cinética do vento faz girar a turbina eólica impulsionando suas hélices, fazendo girar o rotor mediante um acoplamento direto ou através de uma multiplicadora. O giro relativo entre rotor e estator converte a dita energia cinética em energia elétrica, que pode ser armazenada localmente ou ser transmitida através de uma rede de distribuição elétrica. Cabe notar que o aerogerador da invenção pode ser implementado com qualquer opção preferencial e com qualquer característica das modalidades preferenciais do gerador síncrono da invenção.

[025] O gerador síncrono e aerogerador da invenção conseguem, portanto, uma melhoria da densidade de fluxo de campo magnético e, em consequência, do par nominal que pode ser obtido por unidade de volume. Além disso, visto que os elementos críticos para realizar a conversão energética estão situados na parte estática do sistema, a implementação dos sistemas auxiliares (refrigeração, monitorização, alimentação, etc.) é simplificada de forma notável, aumentando sua fiabilidade e diminuindo sua necessidade de manutenção, e reduzindo o peso e o volume do sistema em seu conjunto. Finalmente, são eliminadas as forças centrífugas e radiais

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9/21 existentes sobre as bobinas supercondutoras quando estas são montadas no rotor, reduzindo a inércia e simplificando o sistema de fixação das citadas bobinas HTS. Estas e outras vantagens da invenção serão evidentes à luz da descrição detalhada da mesma.

Breve descrição das figuras dos desenhos [026] Com o objetivo de ajudar para uma melhor compreensão das características da invenção de acordo com um exemplo preferencial de modalidade prática da mesma, e para complementar esta descrição, são acompanhadas como parte integrante da mesma as seguintes figuras, cujo caráter é ilustrativo e não limitativo:

[027] A figura 1 apresenta esquematicamente um corte longitudinal de uma implementação particular do gerador síncrono da invenção, bem como dos elementos que são conectados ao mesmo durante sua operação.

[028] A figura 2 mostra uma implementação particular do estator encapsulado em um criostato, incluindo alguns sistemas auxiliares e conexões requeridos.

[029] A figura 3 mostra um corte longitudinal do criostato que contém o estator junto com o eixo do cilindro, de acordo com uma implementação particular da invenção.

[030] As figuras 4a e 4b ilustram os meios de fixação das bobinas de material HTS dentro do estator através de um corte transversal em uma das armações centrais (Fig. 4a) e um corte na altura das primeiras armações 155a (Fig. 4b), de acordo com uma implementação particular do gerador síncrono da invenção.

[031] A figura 5 mostra em detalhe cortes transversais e longitudinais dos suportes cilíndricos que submetem as bobinas bem como seu encaixe nas segundas armações 155b e primeiras armações 155a correspondentes às submissões centrais e ao último corte, de acordo com implementações particulares dos ditos elementos.

[032] A figura 6 apresenta com maior detalhe a geometria do bobinado de

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10/21 material HTS, de acordo com uma implementação particular do gerador síncrono da invenção.

Descrição detalhada [033] Nesse texto, o termo compreende e seus derivados (como compreendendo, etc.) não devem ser entendidos em um sentido excludente, isto é, esses termos não devem ser interpretados como excludentes da possibilidade de que o que se descreve e define pode incluir mais elementos, etapas, etc.

[034] À vista dessa descrição e figuras, o especialista na matéria poderá entender que a invenção foi descrita de acordo com algumas modalidades preferenciais da mesma, mas que múltiplas variações podem ser introduzidas nas ditas modalidades preferenciais, sem sair do objeto da invenção tal e como foi reivindicada.

[035] Cabe notar que as modalidades preferenciais descritas são exemplificadas com um gerador elétrico para instalação eólica, de média velocidade, em torno de 400 rpm, em que o campo magnético é produzido por um sistema supercondutor de oito polos situados no estator. Não obstante, a invenção pode ser realizada para qualquer outra velocidade de rotação e número de polos no estator.

[036] A figura 1 mostra um corte longitudinal de uma implementação particular do gerador síncrono supercondutor da invenção, que, por sua vez, é integrado em uma implementação particular do aerogerador da invenção. O gerador síncrono compreende um estator 10 que rodeia coaxialmente um rotor 20. O rotor 20 está adaptado para ser conectado mecanicamente (solidariamente ou através de uma multiplicadora) às hélices de uma turbina eólica, bem como eletricamente a um conversor 30 externo e a uma fonte de alimentação de corrente 40. Na presente invenção, o estator 10 atua como elemento indutor, enquanto o rotor 20 atua como elemento induzido.

[037] O estator 10 compreende uma pluralidade de bobinas indutoras 11 de material HTS, contidas dentro de um criostato 12. O criostato 12 que tem

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11/21 forma cilíndrica com uma brecha central, também cilíndrica, em cujo interior é introduzido o rotor 20. Adicionalmente, o dito criostato 12 compreende como entradas duas gaxetas de vedação 13 para alimentar as bobinas indutoras 11 da fonte de alimentação de corrente 40, e alguns meios estáticos de refrigeração criogênica 14 (também denominado criogerador 14 por simplicidade) que compreendem pelo menos um criogerador capaz de alcançar a temperatura prevista de funcionamento (30 K no exemplo da modalidade) e um circuito de nitrogênio líquido com entrada 131 e saída 132. Finalmente, o estator 10 compreende alguns meios de submissão 15 que mantêm fixa a posição das bobinas indutoras 11 de material HTS dentro do criostato 12. Os meios de submissão 15 transmitem o par de retenção ao longo do eixo do criostato 12 e ao longo de sua periferia exterior, centralizam os elementos interiores do criostato 12, e contêm as forças de relutância e radiais de interação com as bobinas de indução 21 do rotor 20.

[038] Para o emaranhado das bobinas indutoras 11 de material HTS podem ser utilizadas fitas supercondutoras comerciais de óxido de Bismuto BSCCO-2223 embutido em prata, laminado e submetido a um processo de recozimento em atmosfera controlada (fitas supercondutoras de primeira geração). Também podem ser utilizadas fitas supercondutoras de segunda geração consistentes em uma lâmina metálica previamente tratada sobre a qual é depositada uma camada com textura biaxial de poucas micras de um óxido misto supercondutor baseado em terras raras como é o caso do Ítrio, com Bário e Cobre (Y1Ba2Cu3O7-d, onde d é um número decimal tipicamente da ordem de 0,2). Da mesma forma, podem ser utilizadas fitas de MgB2 (diboreto de magnésio) embutido em tubos de ferro ou outros metais. Alternativamente, qualquer outro material supercondutor de alta temperatura pode ser usado sempre que a temperatura crítica seja superior à temperatura de trabalho das bobinas indutoras 11 e que seu desempenho em corrente elétrica nas condições do campo magnético nas que tem que trabalhar lhe permitam produzir um campo suficientemente intenso, normalmente superior a

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T. Na modalidade preferencial foi considerada a utilização de fitas de segunda geração comerciais.

[039] As bobinas indutoras 11 permitem a geração de um campo magnético indutor, na região onde o rotor 20 é alojado, com tantos polos como bobinas indutoras 11, e com intensidade superior à que se pode conseguir com os sistemas clássicos baseados em bobinas de cobre ou outro metal ou liga. Ao girar o rotor 20, é induzida uma maior força eletromotriz no emaranhado do rotor 20 sendo possível gerar maior potência elétrica com menor peso e volume e a uma menor velocidade de giro, o que permite um acoplamento direto à turbina eólica ou uma multiplicação menor, simplificando, assim, o mecanismo do aerogerador.

[040] Por sua parte, o rotor 20 compreende uma pluralidade de bobinas de indução 21 sem ranhuras ferromagnéticas, distribuídas coaxialmente em um eixo oco 22. Em implementações particulares, o dito eixo oco 22 pode ser utilizado para dispor um “tubo de energia” através dele, permitindo a passagem de mangueiras hidráulicas e cabos elétricos para permitir a ação dos diferentes sistemas de atuação das hélices do aerogerador que conformam o sistema de controle de velocidade de giro do rotor 20 do aerogerador. As bobinas de indução 21 são emaranhadas sobre a superfície cilíndrica do rotor 20 que pode ser de ferro laminado, ou mais preferencialmente, de um material isolante que evita perdas por indução e não magnético para evitar as perdas por magnetização. As bobinas de indução 21 são ancoradas na superfície de suporte do rotor 20 com barras de corte trapezoidal ou retangular de material isolante e não magnético capaz de transmitir o calor que é gerado pela condução de corrente deixando brechas de ventilação. Na modalidade preferencial é utilizado compósito de matriz epóxi fibra de vidro G10. Na modalidade preferencial foi considerada, da mesma forma, a geração de corrente trifásica mediante o uso de séries de três bobinas de indução 21 fora de fase 1/3 do arco polar de 22,5° (8 polos), para a qual são supostas 24 bobinas nos 360°. As bobinas de indução 21 são de construção equivalente às

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13/21 bobinas indutoras 11 do estator 10 mas, neste caso, pode ser utilizado o cobre tanto em forma de platinas como de cabos de fios de cobre, sendo preferencial o uso de cabos com fios finos isolados (cabos de Litz) para diminuir as perdas por indução. Dado que o limite de intensidade da indução magnética alcançável no ferro devido à sua magnetização é de cerca de 2T, a contribuição do ferro para o rotor 20 não participa suficientemente para facilitar a diminuição da corrente de excitação das bobinas indutoras 11 nem para compensar o enorme aumento das perdas devido à magnetização do ferro e o aumento de peso do rotor 20.

[041] O rotor 20 compreende em seu lado de acoplamento um rolamento 23, bem como uma conexão elétrica 24 em sua extremidade oposta. Também na dita extremidade oposta ao acoplamento, o rotor 20 compreende uma pluralidade de anéis deslizantes 25 e escovas 26 que extraem energia até o conversor 30, de maneira análoga à empregada em geradores com sistema DFIG.

[042] As bobinas indutoras 11 supercondutoras podem ser resfriadas à temperatura criogênica de operação usando os diversos métodos existentes, por exemplo e não exclusivamente, conectando termicamente as bobinas indutoras 11 ao dedo frio dos criogeradores 14 mediante um material de alta condutividade térmica (por exemplo cobre), ou fazendo circular um fluido criogênico em bom contato térmico com as bobinas indutoras 11 supercondutoras. Para diminuir o calor que entra vindo do ambiente até as bobinas indutoras 11, podem ser empregadas blindagens antirradiação (por exemplo de alumínio), que podem ser resfriadas a uma temperatura intermediária entre a do ambiente e a das bobinas indutoras 11, usando algum dos diferentes meios existentes (por exemplo, mediante criogeradores, nitrogênio líquido ou gás frio). Ademais, para diminuir o calor que entra por radiação até as blindagens e as bobinas indutoras 11, pode ser empregado material refletor multicamadas MLI (de suas siglas em inglês multi-layer insulation).

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14/21 [043] A figura 2 mostra com maior detalhe uma implementação particular do criostato 12 que confina em seu interior as bobinas indutoras 11 de material HTS. Em uma das tampas são incorporadas as gaxetas de vedação 13 para energizar as bobinas indutoras 11 e um criogerador 14 que resfria as bobinas indutoras 11. Na figura 2 é apresentado o exemplo mais simples no qual somente é empregado um criogerador 14. Não obstante, outras modalidades podem compreender um número N+1 de criogeradores 14 para favorecer as tarefas de reparo e manutenção, onde N é o número mínimo requerido para resfriar as bobinas indutoras 11 supercondutoras à temperatura de operação. Neste exemplo particular da invenção, as bobinas indutoras 11 são resfriadas mediante condução térmica ao elemento coletor de frio do criogerador 14, e um fluxo de nitrogênio líquido, com entrada 131 e saída 132, permite resfriar a primeira blindagem de alumínio 152 e a segunda blindagem de alumínio 154, as conexões das bobinas com os condutores de cobre que as alimentam, bem como acelerar o processo de resfriamento do conjunto criogênico [044] A figura 3 mostra um corte longitudinal do conjunto estatórico da modalidade preferencial, sendo apresentado unicamente o plano generatriz do cilindro. Na figura são apresentadas as paredes cilíndricas interiores 151 e exteriores 156 do cilindro da chapa de aço inoxidável não magnético ou de qualquer outro material não magnético capaz de manter o vácuo na região compreendida entre as duas paredes cilíndricas e suportar os esforços produzidos pela pressão atmosférica exterior e a torsão gerada pelo par resistente de reação nas bobinas indutoras 11. O material utilizado pode ser condutor elétrico mas sua condutividade deve ser regulada com o objetivo de controlar as perdas originadas pelas correntes induzidas na parede interior 151 pelas variações de campo magnético que produzem as correntes induzidas no rotor 20. A parede exterior 156 deve ser capaz de suportar os esforços radiais e periféricos que são requeridos para conter o par de reação que aparece pela interação com as correntes geradas no rotor 20. Na modalidade preferencial foi utilizada uma espessura superior à da parede interior 151 que suporta

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15/21 fundamentalmente a pressão atmosférica atuando sobre ela e não dispõe de ancoragem direta alguma, exceto pelas tampas do recinto de vácuo.

[045] O espaço compreendido entre as duas paredes cilíndricas concêntricas interior 151 e 156 é fechado mediante a primeira capa anular 158, preferencialmente de aço inoxidável não magnético, que é soldado nas paredes descritas mediante soldadura capaz de manter o vácuo; e a segunda capa anular 159 de material igual ou similar à primeira capa anular 158, que é fixado mediante soldadura ou meios de fixação desmontáveis com juntas de vácuo, ou fixos nas flanges 160 e 161 que, por sua vez, estão soldadas ou unidas à prova de vácuo nas paredes interior 151 e 156 respectivamente.

[046] Na segunda capa anular 159 são fixados o criogerador 14, as gaxetas de vedação 13 para a conexão das bobinas indutoras 11, os tubos de entrada e saída do circuito de refrigeração de nitrogênio líquido e quatro flanges de vácuo para a conexão das bombas de vácuo, os terminais de conexão dos elementos de medida das temperaturas interiores, o campo magnético nas bobinas indutoras 11 e as tensões nas diversas bobinas indutoras 11 bem como a válvula de alívio de pressão de segurança e o sensor de pressão ou vacuômetro que permite conhecer o estado do vácuo de isolamento térmico.

[047] Submetido axialmente à segunda capa anular 159 mediante blocos de compósite de fibra de vidro G10 ou de qualquer outro material de boa resistência mecânica e baixa condutividade térmica e capaz de suportar grandes diferenças de temperatura, e conectado de forma flexível à tomadas de nitrogênio líquido, está disposto um depósito 162 anular onde é retido nitrogênio líquido à pressão atmosférica a uma temperatura de 77 K. Este depósito frio é de aço inoxidável não magnético e capaz de suportar baixas temperaturas como o AISI 316L ou AISI 304, ou de qualquer material adequado para a realização de estruturas mecânicas a muita baixa temperatura e de manter hermeticidade à prova de vácuo sem oferecer uma susceptibilidade magnética relevante. O depósito é unido lateralmente a um aro 163 de alumínio

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16/21 ou de qualquer outro material bom condutor térmico a uma temperatura de 77K, preferencialmente leve. A união entre o depósito 162 e o aro 163 deve ter uma boa condutividade térmica de forma que o nitrogênio líquido contido no depósito 162 possa absorver o calor que é transmitido através da primeira blindagem de alumínio 152 e a segunda blindagem de alumínio 154 ancoradas por sua vez ao aro 163 que atua como meio de adaptação térmica e mecânica para o depósito 162.

[048] As blindagens de radiação térmica (primeira blindagem de alumínio 152 y 156) estabelecem uma temperatura intermediária entre a ambiental do exterior do criostato 12 e a baixa das bobinas indutoras 11 que preferencialmente é estabelecida em um valor menor que 30 K. Desta maneira é diminuída de forma muito significativa a transmissão de calor até as bobinas indutoras 11, tanto por condução através dos suportes e os cabos de alimentação das bobinas indutoras 11, como por radiação. Em especial, a alta condutividade elétrica da primeira blindagem de alumínio 152 à temperatura de 77 K isola os elementos supercondutores das perturbações transitórias do campo magnético. O conjunto formado pelo depósito 162, o aro 163, primeira blindagem de alumínio 152 e 156 é envolvido com isolamento térmico de radiação de camadas múltiplas refletoras MLI também conhecido como superisolamento.

[049] A segunda blindagem de alumínio 154 é submetida mediante as segundas armações 155b que são fixadas na parede 156 somente através de guias de ancoragem e por sua forma de aro mediante ranhuras feitas transversalmente onde as ditas segundas armações 155b encaixam, é fixada por sua extremidade livre mediante as primeiras armações 155a que têm um prolongamento orientado para fixar a primeira blindagem de alumínio 152. Esta última blindagem somente é fixada pela extremidade das primeiras armações 155a e pela sua junta com o depósito 162 através do aro 163. Desta maneira, é diminuída de forma muito clara a carga térmica sobre as blindagens e com isso diminui o consumo de nitrogênio.

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17/21 [050] De forma alternativa, o depósito de nitrogênio pode ser substituído por um equivalente com qualquer outro gás ou líquido criogênico ou por uma conexão na primeira etapa de um criogerador 14 de duas etapas ficando a segunda etapa para extrair o calor das bobinas indutoras 11 a uma temperatura mais baixa. A utilização de dois níveis térmicos, seja mediante nitrogênio líquido ou qualquer outro meio alternativo, permite uma maior eficiência do sistema já que a eficiência da refrigeração à temperatura intermediária é muito maior que a correspondente à temperatura das bobinas indutoras 11.

[051] No aro 163 são fixadas as conexões elétricas entre o material supercondutor e o condutor convencional que vai para o exterior através da gaxeta de vedação 13. Isso é possível desde que o supercondutor tenha capacidade de poder trabalhar de forma segura à temperatura intermediária. No caso de não utilizar fitas de segunda geração ou de primeira geração, a conexão deve ser feita a uma temperatura inferior, o que aumenta a necessidade de refrigeração à temperatura mais baixa com a subsequente necessidade de sistemas criogeradores de maior potência.

[052] Entre a primeira blindagem de alumínio 152 e a segunda blindagem de alumínio 154 são colocados um, dois ou mais cilindros de grande resistência mecânica à torsão, na modalidade preferencial são utilizados dois cilindros de compósite epóxi com fibra de vidro G10. Na figura 3 é apresentado o caso de utilização de dois cilindros de suporte (um primeiro cilindro 153a e um segundo cilindro 153b). O primeiro cilindro 153a e o segundo cilindro 153b têm ranhuras alinhadas com as existentes na segunda blindagem de alumínio 154, que são atravessadas pelas primeiras armações 155a e as segundas armações 115b que centralizam os cilindros e transmitem o par resistente até a parede 156 do criostato 12 que atua como elemento transmissor do par.

[053] Entre o primeiro cilindro 153a e o segundo cilindro 153b, e submetidas aos ditos cilindros de suporte, são fixadas as bobinas indutoras 11 mediante as mesmas segundas armações 155b e através das chapas de suporte 11a 11b e 11c. Podem ser empregados parafusos ou pernos o

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18/21 qualquer outro meio de fixação alternativo conhecido pelo estado da técnica. [054] A figura 4a mostra um corte transversal do estator 10 no nível de um dos planos das segundas armações 155b que cruzam a parte central das bobinas indutoras 11. Na figura é possível observar o cruzamento das segundas armações 155b com os cilindros concêntricos formados pelas chapas de suporte 11a, 11b e 11c, a segunda blindagem de alumínio 154, o primeiro cilindro 153a e o segundo cilindro 153b; que integram os diversos elementos internos do criostato 12 com a exceção da primeira blindagem de alumínio 152. O perfil das segundas armações 155b, em escala, fixa cada um dos cilindros, centralizando-o e bloqueando sua rotação de forma que o par resistente é trasladado para a periferia de cada conjunto de segundas armações 155b. Entre cada duas segundas armações 155b existe um corte que encaixa com guias 157 soldadas na parede externa do criostato 12. O projeto das segundas armações 155b consegue uma elevada resistência mecânica ao transferir os esforços até as guias 157 com o maior percurso e o menor corte, minimizando a transmissão de calor exterior. Com o objetivo de diminuir a carga térmica sobre a região de baixa temperatura onde estão situadas as bobinas indutoras 11, as segundas armações 155b são refrigeradas mediante contato com a segunda blindagem de alumínio 154. Cabe notar que por clareza, unicamente foram apresentadas duas bobinas indutoras 11 [055] A figura 4b mostra o corte transversal na posição correspondente nas primeiras armações 155a. Diferentemente do apresentado na figura 4a, as primeiras armações 155a atravessam o primeiro cilindro 153a até alcançar a superfície da primeira blindagem de alumínio 152. Desta maneira, a blindagem fica radialmente sujeita a duas extremidades, mediante o grupo de primeiras armações 155a e mediante sua submissão ao aro 163, conseguindo uma grande estabilidade para a blindagem com um mínimo contato térmico. De novo, cabe notar que por clareza, unicamente foram apresentadas duas bobinas indutoras 11

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19/21 [056] A Figura 5 mostra em detalhe a inserção das primeiras armações 155a e segundas armações 155b através das ranhuras de fixação do primeiro cilindro 153a e o segundo cilindro 153b.

[057] Finalmente, a figura 6 mostra com maior detalhe a arquitetura das bobinas indutoras 11. Cada polo pode constar de várias bobinas indutoras 11 empilhadas em camadas cujo número estará de acordo com as condições de trabalho, a potência e as dimensões do gerador. Cada camada é emaranhada sobre uma chapa de suporte 11a 11b 11c de cobre ou de material de elevada condutividade térmica que está previamente conformada com as dimensões e curvatura adequadas. No exemplo mostrado, o número de camadas é de duas por polo e o número de chapas de suporte 11a 11b 11c é igual ao número de camadas mais 1 já que todas as camadas ficam entre duas chapas de suporte 11a 11b 11c. A curvatura das chapas depende do raio efetivo correspondente à sua posição, sendo maior nas camadas internas, de menor raio, e menor nas camadas externas de maior raio. Todas as chapas de suporte 11a 11b 11c cobrem a mesma abertura angular pois seu tamanho muda de acordo com o raio que corresponde à sua posição. A figura a mostra uma camada que cobre uma abertura angular ligeiramente inferior a 45° ao se considerar uma arquitetura de 8 polos. A chapa está fundida pela parte interior (V) deixando espaço para sua fixação nos cilindros de suporte e transmissão do par mediante as segundas armações 155b centrais, cujo número dependerá do tamanho e do par que tenham que ter e suportar na modalidade concreta. As segundas armações 155b encaixam na fundição V. Da mesma forma, a fundição V tem o mesmo tamanho em todas as camadas, já que os lados das segundas armações 155b são paralelos.

[058] Na modalidade preferencial, a refrigeração das bobinas indutoras 11 é realizada por condução mediante um conjunto de lâminas de cobre (Cu), mostradas nas figuras Figs 6A e 6D. As lâminas de cobre apresentam alta condutividade térmica, e ao serem empilhadas são aderidas pelos cantos das chapas de suporte 11a 11b 11c, permitindo rodear a bobina mediante o eixo

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20/21 das lâminas empilhadas. O dito eixo das lâminas empilhadas permanece a baixa temperatura (preferencialmente menor que 30 K), conseguindo, desta maneira, uma grande superfície de contato para a transferência de calor. Para a fixação das lâminas é possível utilizar resina epóxi específica para trabalhos a vácuo e a baixas temperaturas. A condutividade térmica da resina deverá ser a mais elevada possível. A flexibilidade que o acoplamento oferece mediante lâminas ou tranças permite proteger as bobinas indutoras 11 das vibrações que de forma inevitável são produzidas durante o funcionamento do gerador. No caso de utilizar gás ou outro fluido criogênico, as bobinas indutoras 11 ficam hermeticamente contidas entre as chapas de suporte 11a 11b 11c, e as lâminas de transporte de calor podem ser substituídas por tubos de circulação do fluido criogênico. No exemplo particular apresentado, as lâminas de cobre (Cu) são prolongadas por uma das extremidades, para entrar em contato com o cabeçote frio do criogerador 14. Com o objetivo de distribuir a refrigeração de todas as bobinas indutoras 11, é possível utilizar um anel de cobre ao qual são conectados o criogerador 14 e as lâminas.

[059] Na modalidade preferencial que é descrito, as bobinas indutoras 11 de camadas consecutivas de um mesmo polo são conectados em série mediante soldadura em liga de estanho, cobre e prata; estanho, chumbo e prata; ou qualquer outra liga de baixa temperatura de fusão; mediante fitas supercondutoras transversais. Alternativamente, é possível realizar o emaranhado da segunda camada com a fita sem dividir, de maneira contínua formando empilhamento de duas camadas.

[060] Na modalidade preferencial que é descrita, as bobinas indutoras 11 estão conectadas em série, como é apreciado na figura 6D, de forma que o sentido de rotação da corrente entre bobinas indutoras 11 de polos consecutivos é invertido. A conexão entre bobinas indutoras 11 é realizada mediante as fitas supercondutoras das bobinas indutoras 11, às quais é soldada uma ou duas fitas do mesmo tipo para diminuir a densidade efetiva de corrente e diminuir o risco de uma transição acidental ao estado não

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21/21 supercondutor. O conjunto de duas ou três fitas HTS é estabilizado com lâminas de cobre para poder transmitir o calor que é gerado nas fitas.

[061] As terminações da série de bobinas indutoras 11 são conectadas a tranças de cobre procedentes da gaxeta de vedação 13 em um contato com ancoragem térmica com o depósito à temperatura intermediária que deverá ser suficientemente baixa para que o cabo supercondutor formado pelas fitas supercondutoras e o cobre de estabilização de conexão possa transportar em estado supercondutor a corrente necessária para o funcionamento das bobinas indutoras 11.

[062] Cabe notar que a invenção desenvolvida é baseada em um sistema desenvolvido no marco do projeto Desafios Colaboração RTC-2014-1740-3.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Gerador síncrono para aerogeradores que compreende um rotor (20) e um estator (10) caracterizado por o estator (10) compreender uma pluralidade de bobinas indutoras (11) de um material supercondutor de alta temperatura dispostas para gerar campo magnético.
2. Gerador síncrono, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a pluralidade de bobinas indutoras (11) de material supercondutor de alta temperatura estarem distribuídas, adaptando-se a ela, sobre uma superfície cilíndrica coaxial ao rotor (20).
3. Gerador síncrono, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por as bobinas supercondutoras emaranhadas sobre superfície cilíndrica não utilizarem material isolante elétrico entre camadas de emaranhado e utilizarem lâminas ou fios metálicos ou de ligas metálicas melhorando suas propriedades mecânicas e estabilidade térmica.
4. Gerador síncrono, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o material supercondutor de alta temperatura ser selecionado entre os tipos HTS de primeira geração, de segunda geração, de diboreto de magnésio ou de qualquer outro, seja em forma de fita, fio ou trançados capaz de transportar correntes críticas elevadas na presença de campos magnéticos de elevada densidade de fluxo a temperaturas criogênicas de valor intermediário entre 20 e 70K.
5. Gerador síncrono, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o rotor (20) ser um rotor com emaranhado de cobre ou qualquer outro metal ou liga adequada para a realização de emaranhados.
6. Gerador síncrono, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o estator (10) compreender meios estáticos de refrigeração criogênica (14).
7. Gerador síncrono, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o estator (10) compreender meios de refrigeração por condução selecionados entre por fitas, tranças de fitas, ou fios de cobre.

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8. Gerador síncrono, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por o estator (10) compreender pelo menos um cilindro de suporte (153a, 153b) que fixa a pluralidade de bobinas indutoras (11) para um criostato (12) cilíndrico.
9. Gerador síncrono, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por os cilindros de suporte (153^â, 153b) serem fixados ao criostato (12) mediante armações (155a, 155b) que atravessam ranhuras feitas nos ditos cilindros de suporte (153^a, 153b), fixando-se a elas e ao criostato até evitar mobilidade, e transmitirem o par das bobinas indutoras (11) para o criostato (12), com uma entrada de calor otimizada e homogênea até as ditas bobinas indutoras (11).
10. Gerador síncrono, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por o estator (10) compreender uma primeira blindagem de isolamento térmico (152) e uma segunda blindagem de isolamento (154) térmico e magnético.
11. Gerador síncrono, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por o rotor (20) compreender uma pluralidade de anéis deslizantes (25) e de escovas (26) conectadas a um conversor (30) de frequência.
12. Gerador síncrono, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por o rotor (20) compreender uma pluralidade de bobinas de indução (21) sem ranhuras ferromagnéticas.
13. Gerador síncrono, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por o rotor (20) compreender um eixo oco (22).
14. Gerador síncrono, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por o eixo oco (22) do rotor (20) estar configurado para montar um tubo de energia passante.
15. Gerador síncrono, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado por o rotor (20) compreender limitações de par.

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16. Aerogerador que compreende uma torre de sustentação e uma pluralidade de hélices rotatórias caracterizado por compreender ainda um gerador síncrono de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, estando o dito gerador síncrono disposto sobre a torre de sustentação e estando conectado um rotor (20) do gerador síncrono às ditas hélices rotatórias, seja solidariamente ou através de uma multiplicadora.

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