BRPI0507401B1 - Lâmina de rotor de uma instalação de energia eólica, e, instalação de energia eólica - Google Patents

Description

“LÂMINA DE ROTOR DE UMA INSTALAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA, E, INSTALAÇÃO DE ENERGIA EÓLICA” A presente invenção diz respeito a uma lâmina de rotor de uma instalação de energia eólica e a uma instalação de energia eólica com um rotor possuindo tais lâminas de rotor. O desempenho de uma instalação de energia eólica, e, mais em particular, a eficiência da mesma é determinada até um grau que não pode ser desconsiderado pelas lâminas de rotor ou pelo projeto das lâminas de rotor. As lâminas de rotor são descritas por um número demasiado de parâmetros, sendo que, neste ponto, referência é geralmente feita, como estado da técnica, ao livro de Erich Hau, “Windkraftanlagen” [Instalações de Energia Eólica], 3a Edição, 2002, em especial a suas folhas 90 e seguintes. O teor desse livro é também ao mesmo tempo a base da presente invenção e também faz parte desta invenção, na medida em que este seja necessário para a presente invenção.

Conforme foi mencionado, a eficiência operacional e, também, o desempenho da regulagem das instalações de energia eólica são governados até um determinado grau que não pode ser desconsiderado pelas propriedades aerodinâmicas dos perfis da lâmina de rotor usados. Um parâmetro importante de um perfil da lâmina de rotor é caracterizado pela relação entre o coeficiente de sustentação Caeo coeficiente de resistência ao avanço Cw: em que E é referido como a relação entre sustentação e resistência ao avanço.

Em adição, um importante parâmetro de uma lâmina de rotor é o fator de alta velocidade λ, em que o fator de alta velocidade é definido pelo quociente da velocidade periférica (u) da ponta da lâmina de rotor e a velocidade do vento v.

Figura 1 mostra as condições de fluxo de afluência conhecidas e as forças do ar na seção transversal do perfil de um elemento de lâmina.

Se tais perfis das lâminas de rotor conhecidas são investigados, uma relação particular entre a relação entre sustentação e resistência ao avanço e o ângulo de passo é estabelecida. Mais especificamente, é constatado que tal relação entre a sustentação e resistência ao avanço é extremamente dependente do respectivo ângulo de passo e, tipicamente, uma alta relação entre sustentação e resistência ao avanço é alcançada somente em uma bastante limitada faixa de ângulo de passo. Assim, por exemplo, uma elevada relação entre a sustentação e resistência ao avanço pode ser atingida se o ângulo de passo (de uma lâmina de rotor) estiver na região de 6o, e, ao mesmo tempo, todavia, a relação entre a sustentação e resistência ao avanço cair fortemente tão logo o ângulo de passo ligeiramente se eleve acima ou caia abaixo da região de 6o.

Se o valor deixar a região da ótima relação entre a sustentação e resistência ao avanço, a saber, se o ângulo de passo é nitidamente diferente do ótimo ângulo de passo, por exemplo, de 6o, pode ser facilmente visto que a eficiência total da instalação é menor, com a consequência de que a instalação de energia eólica terá uma tendência ou de ajustar o ângulo de passo aos valores ótimos novamente, por exemplo por meio do controle de passo, e/ou de ajustar todo o rotor numa direção ao vento na relação ótima por meio de orientação da gôndola. O tamanho daqueles rotores de instalações de energia eólica tem aumentado nos últimos anos, constantemente, e áreas de varredura do rotor de 10.000 metros quadrados, nesse meio tempo, não são mais teorias, mas têm se tomado práticas, por exemplo, no caso de uma instalação de energia eólica do tipo El 12 da Enercon. Neste caso, trata-se de uma instalação de energia eólica cujo diâmetro do rotor é de aproximadamente 112 m.

Agora, na prática, é impossível atingir o valor ótimo da relação entre a sustentação e resistência ao avanço sobre todas as regiões da lâmina de rotor, uma vez que, com a área de varredura muito grande, não é mais possível presumir que o vento estará sempre fluindo contra a lâmina de rotor a partir da mesma direção e sempre na mesma velocidade. A consequência disso é que em algumas regiões a lâmina ou as lâminas de rotor, reconhecidamente, opera(m) de uma maneira relativamente ótima, porém, em algumas outras regiões, as lâminas de rotor, pelo contrário, operam de uma maneira sub-ótima, em virtude da natureza diferente do perfil de fluxo de afluência na área de varredura do rotor. Isto resulta diretamente da dependência muito íntima da relação entre sustentação e resistência ao avanço com respeito ao ângulo de afluxo, e a consequência disto é que as cargas sobre a lâmina de rotor poderão flutuar de uma maneira extrema, porque, também, a sustentação (Ca) da lâmina de rotor é aproximadamente proporcional à relação entre sustentação e resistência ao avanço.

Será apreciado que, como um jeito de solucionar os problemas acima indicados e de evitar as suas desvantagens, é possível sempre encontrar um ajuste ótimo por meio do controle de passo adequado das lâminas de rotor, ou em virtude de uma guinada de todo o rotor. Será facilmente aparente para a pessoa versada na técnica, todavia, que, com este conceito, as lâminas de rotor têm que, na prática, ser constantemente ajustadas para a direção do vento (isto é, o seu ângulo de passo tem de ser variável) e/ou os acionamentos de azimute têm também que constantemente, mais uma vez, orientar o rotor, sem que isto substancialmente melhore a situação. O objetivo da presente invenção é o de evitar as desvantagens acima mencionadas e de prover um melhor desempenho total. A presente invenção atinge o objetivo através de um projeto de lâmina de rotor tendo as características ilustradas na reivindicação principal 1. Desenvolvimentos vantajosos são descritos nas reivindicações subordinadas.

Uma das propriedades essenciais do projeto da lâmina de rotor de acordo com a invenção é que a relação entre a sustentação e a resistência ao avanço permanece, virtualmente, elevada sobre uma faixa de ângulo de passo muito extensa, mas, a este respeito, o valor mais alto com referência à relação entre sustentação e resistência ao avanço agora permanece aquém do ótimo da prévia relação entre sustentação e resistência ao avanço do estado da técnica. Expressa em outros termos, a relação entre sustentação e resistência ao avanço da lâmina de rotor, de acordo com a invenção, com ajuste ótimo do ângulo de passo, é - no máximo - menor do que no estado da técnica, porém, ao mesmo tempo, um desvio daquele ajuste ótimo não leva imediatamente a uma redução substancial na relação entre sustentação e resistência ao avanço e no coeficiente de sustentação e, com isto, a uma perda de sustentação, mas sim desvios que se situam na faixa de, por exemplo, ± 0,5 a 3o, a partir do ângulo de ajuste ótimo, não conduzem à redução substancial na relação entre sustentação e resistência ao avanço e, assim, à redução na sustentação, com a consequência de que toda a lâmina é melhorada, quanto à eficiência. Isso também obtém uma distribuição de carga nitidamente melhor e uma flutuação nitidamente mais baixa em termos de carga (AL/dt). Conforme pode ser visto a partir da Figura 2, a ‘sela’ da curva da relação entre sustentação e resistência ao avanço da lâmina de rotor segundo a invenção na faixa entre 4o e 8o do ângulo de passo é nitidamente mais ampla do que no caso de uma lâmina de rotor conhecida.

Nota-se a configuração do projeto pleiteado da lâmina de rotor em particular na terça parte central da lâmina de rotor, isto é, na região assim chamada de “main board” [placa mãe] da lâmina de rotor. Esta é a região que está entre a região de fixação da lâmina de rotor ou região da raiz da lâmina de rotor, por um lado, e a região da ponta, isto é, a região de extremidade externa da lâmina de rotor, por outro lado.

Figura 2 mostra a variação no coeficiente de sustentação, ou na relação entre sustentação e resistência ao avanço, por um lado, em relação ao ângulo de passo. Em particular, os diagramas das curvas em relação ao ângulo de passo mostram que, no caso de uma lâmina de rotor padrão, a relação entre sustentação e resistência ao avanço atinge o seu máximo absoluto, que está em aproximadamente 1,70, na região do ângulo de passo de aproximadamente 6o. A relação entre sustentação e resistência ao avanço já cai severamente quando de um desvio a partir do ângulo de passo de 6o por Io, isto é, ou para T ou para 5o, e em particular, para ângulos de passo maiores, a relação entre sustentação e resistência ao avanço já cai pela metade quando o ângulo de passo assume um valor de aproximadamente 9o. Para ângulos de passo menores, há também uma queda muito acentuada, a qual, no entanto, não é tão íngreme quanto por ocasião do desvio do ângulo de passo para ângulos de passo maiores. A variação na relação entre sustentação e resistência ao avanço no caso de uma lâmina de rotor, de acordo com a invenção, também poderá ser vista no diagrama da Figura 2. O máximo é uma vez mais pronunciado naquela região do ângulo de passo de aproximadamente 6o, e esse máximo está abaixo do máximo da relação entre sustentação e resistência ao avanço no caso de uma lâmina de rotor padrão. Será notado, contudo, que a ‘sela’ do ótimo está agora nitidamente mais ampla, como pode ser visto a partir das curvas de interseção e quando, por exemplo, o ângulo de passo está na faixa de 4 a 8o, isto é, ± 2o a partir do ângulo de passo ótimo de 6o, a relação entre sustentação e resistência ao avanço é reduzida apenas por aproximadamente 10% a partir de seu valor ótimo. Na região de aproximadamente 4,5° a -4o, por um lado, e na região de aproximadamente T a 16°, a relação entre sustentação e resistência ao avanço está sempre acima da curva da relação entre sustentação e resistência ao avanço para uma lâmina de rotor conhecida.

Conforme também pode ser visto, a configuração da lâmina de rotor de acordo com a invenção, no total, melhora o coeficiente de sustentação de toda a lâmina de rotor, o que é acompanhado por um aumento em eficiência de aproximadamente 15% da lâmina de rotor.

Em especial, as flutuações de carga agora também não são mais tão elevadas quanto aquelas até então e, com qualquer variação muito pequena no ângulo de passo, não há a necessidade de tomar, ao mesmo tempo, medidas correspondentes para reajustar o ângulo de passo para o valor ótimo desejado, no presente exemplo, de 6o.

Figura 3 mostra várias vistas de uma ponta da lâmina de rotor, ou seja, uma porção extrema da lâmina de rotor. A Figura 3a mostra uma vista em perspectiva de uma ponta da lâmina de rotor, a Figura 3b mostra uma vista lateral da mesma e a Figura 3c mostra uma vista plana da mesma.

Esta ponta da lâmina de rotor é também, normalmente, referida como um arco de aresta. Pode ser visto da Figura 3a que o arco de aresta está ilustrado com três seções de perfil e com o eixo geométrico de rosca.

As três diferentes ilustrações tomam possível a demonstração da rotação do perfil do arco de aresta em tomo do eixo geométrico de rosca. A este respeito, a rotação ilustrada é maior em termos de magnitude do que o número de graus especificados na descrição, a fim de tomar, por razões de ilustração, a representação na ilustração do desenho sobretudo perceptível até certo ponto.

Deve ser particularmente enfatizado, uma vez mais, neste ponto que a configuração da lâmina de rotor, de acordo com a invenção, diz respeito, em particular, à porção central, isto é, a assim denominada placa mãe, ou seja, a região que está localizada entre a região da raiz da lâmina de rotor e a região da ponta da lâmina de rotor. A placa mãe pode também ser descrita, em termo geral, como a ‘terça parte central’ de uma lâmina de rotor, em que as dimensões específicas sobre a placa mãe podem diferir disto, e a placa mãe, por exemplo, pode também ocupar aproximadamente até 60% do comprimento da lâmina de rotor.

Adicionalmente, ou independentemente da configuração acima mencionada da lâmina de rotor, um aperfeiçoamento adicional também poderá ser alcançado - vide Figuras 3a a 3c - se a ponta da lâmina de rotor, a saber, a porção extrema de dita ponta, for girada em uma dada região em tomo do eixo geométrico de rosca, por exemplo, através de aproximadamente 4o até 8o e, de preferência, aproximadamente 5o, em tomo daquele eixo geométrico de rosca (torção). A torção está, então, em um assim chamado ângulo de afluxo neutro, ou seja, a ponta propriamente dita não produz contribuição para a sustentação.

Uma configuração típica de uma ponta ou ainda de uma seção extrema da ponta correspondente é conhecida a partir do livro de Erich Hau acima mencionado, página 126 (Figura 535).

Em conformidade com a corrente de pensamento geral, as cargas a serem dimensionadas de uma lâmina de rotor são calculadas como o produto do quadrado da velocidade do vento, da área da lâmina de rotor e do coeficiente de sustentação. Expresso como uma fórmula, a carga a ser dimensionada seria: carga a ser dimensionada = v2 x A x ca, em que a área de rotor A é usada para denotar a área que o rotor cobre (varre).

Isto, em consideração com os livros de texto, é muito grosseiro e nem sempre corresponde à realidade. A maior carga de uma lâmina de rotor não atua sobre ela em operação normal, mas sim, quando uma assim chamada rajada, que ocorre uma vez em 50 anos, ‘agarrar’ a lâmina de rotor pela lateral. Neste caso, a rajada atuará, precisamente, sobre toda a superfície da lâmina de rotor. A este respeito, pode ser observado, imediatamente, que o coeficiente de sustentação ca não desempenha nenhum papel; ao contrário, o coeficiente de resistência Cw é que seria levado aqui em conta. Tal coeficiente de resistência, todavia, é sempre constante para superfície de lâmina de rotor mais ou menos plana, pois, se o vento incide sobre uma lâmina, então ele incide precisamente sobre uma placa. Essa situação, a saber, de fluxo repleto de afluência lateral, é a situação mais desfavorável na qual a maior carga, para a qual a dita lâmina de rotor deverá ser dimensionada, precisamente, uma carga de dimensionamento, ocorre.

Será aparente do que foi acima exposto que, com um coeficiente de resistência constante, é simplesmente e exclusivamente a área da lâmina de rotor que é crucial. Este também é o motivo para a configuração mais delgada possível das lâminas de rotor. Não obstante, sabe-se que a potência de saída de uma instalação de energia eólica depende crucialmente do comprimento das lâminas de rotor.

Por conseguinte, longas lâminas delgadas seriam até agora preferidas a curtas lâminas largas. Será notado, entretanto, que a questão não deve ser ignorada, a saber, que tal consideração não se aplica à região interna da lâmina (placa mãe), já que aqui a situação é fundamentalmente diferente.

Por fim, a velocidade relativa da lâmina de rotor em relação ao ar que flui em tomo dela na região da raiz da lâmina é a mais baixa, e se eleva continuamente na direção à ponta da lâmina. Portanto, o formato da lâmina de rotor conforme aqui descrita, com a região externa estreita e a relação otimizada entre sustentação e resistência ao avanço é de fato uma solução particularmente vantajosa.

Claims (4)

1. Lâmina de rotor de uma instalação de energia eólica, sendo caracterizada pelo fato de que o ângulo de passo da lâmina de rotor é variável durante a operação da instalação de energia eólica, em que tal lâmina de rotor compreende: uma raiz da lâmina de rotor; uma ponta da lâmina de rotor; e uma placa mãe, em que a placa mãe está localizada entre a raiz da lâmina de rotor e a ponta da lâmina de rotor, em que a configuração da placa mãe da lâmina de rotor é de tal maneira configurada que, na região de ± 2o a partir do ângulo de passo ótimo da placa mãe da lâmina de rotor, a relação entre sustentação e resistência ao avanço é de mais do que 80% do valor máximo da relação entre sustentação e resistência ao avanço da placa mãe da lâmina de rotor,

2. Lâmina de rotor, de acordo com a reivindicação 1, sendo caracterizada pelo fato de que a configuração da placa mãe da lâmina de rotor é de tal maneira configurada que, na região de ± 2o a partir do ângulo de passo ótimo da placa mãe da lâmina de rotor, a relação entre sustentação e resistência ao avanço é de mais do que 90% do valor máximo da relação entre sustentação e resistência ao avanço da placa mãe da lâmina de rotor.

3. Lâmina de rotor, de acordo com a reivindicação 1, sendo caracterizada pelo fato de que a ponta da lâmina de rotor se eleva a paitir do plano da lâmina de rotor, e, em seguida, a ponta da lâmina de rotor gira 4o a 8° em tomo do eixo geométrico de rosca da lâmina de rotor em seu plano central,

4. Instalação de energia cólica com um rotor,caracterizada pelo fato de que o rotor tem pelo menos uma lâmina de rotor conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3.