BRPI1104840A2 - turbina eàlica multi-geradora de energia elÉtrica - Google Patents

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Abstract

TURBINA EàLICA MULTI-GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA. A presente patente de invenção tem por objetivo a geração de energia elétrica por meio da força aerodinâmica ou hidrodinâmica. É constituída por: uma turbina dupla geradora de energia elétrica, que contêm dois conjuntos de campos eletromagnéticos distintos pára a geração de energia, um localizado no raio externo (1) e o outro localizado no raio interno da turbina (2), este dois conjuntos geradores são ligado pelas pás (3) que tem ângulo variável para controlar a velocidade angular da turbina (rad/s). No perímetro externo da hélice da turbina há uma engrenagem cônica (19) ligada a um eixo rotativo com ou sem cardan (20) localizada no centro da caixa (5) da turbina, que aciona, por meio de um sistema de embreagem (caixa de câmbio) (7), o sistema de transmissão de redução (23) acoplado ao terceiro conjunto gerador (22), acionado quando as condições ambientes ultrapassarem um determinado valor de potencial aero e hidrodinâmico. A turbina pe fixada pela caixa externa (5) em uma base giratória (12 e 13) que está acoplada a um poste ou torre de fixação (16). A energia gerada, a retificação, soma de potências, armazenagem e a distribuição, assim como o acionamento do terceiro conjunto gerador são gerenciados pela CPU de controle (24). O equipamento é posicionado pelo leme (14) na direção do vento. A turbina eólica pode também funcionar somente com as pás construídas de forma passiva (sem geradores) e transferirem o torque de rotação somente através de um eixo que se conectará a uma transmissão que levará a rotação a uma velocidade ideal para um gerador de qualquer tipo ou número de pólos. A chamada "Nacele" (31) (que é o compartimento onde se encontra a maioria dos componentes necessários para a geração da energia) pode estar sob a água, sobre a água em caso de sistemas offshore, sob o solo ou sobre o solo em caso de sistemas onshore. As turbinas sub aquáticas (34) geram energia em correntes de rios, correntes marítimas e das marés. Podem ser instsaladas na estrutura da torre ou separadas.

Description

"TURBINA EÓLICA MULTI-GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA"
A presente patente de invenção trata-se de uma turbina geradora eólica ou aquática, criada com bases nas engenharias aeronáutica, naval, elétrica, mecânica, utilizando processos de conversão de energia e de sinal. O objetivo principal da presente patente é gerar energia elétrica por meio da força aerodinâmica ou hidrodinâmica e da energia cinética proveniente das partes móveis do equipamento.
Atualmente a busca por soluções na geração de energias limpas é uma prioridade quando se fala em sustentabilidade do planeta. A energia elétrica pode ser gerada pela transformação de outras fontes de energia como, por exemplo, mecânica, hidráulica, luminosa e nuclear. Contudo a energia eólica está sendo utilizada abaixo da sua capacidade máxima. Um dos principais entraves é a relação do R$/KW gerado atualmente pelos sistemas eólicos. Outra dificuldade está atrelada ao rendimento da geração de energia elétrica por meio da energia eólica. Este último se deve ao baixo aproveitamento de todo potencial latente nos equipamentos atuais, constituído por um gerador impulsionado por uma hélice de três pás.
O estado da técnica apresenta várias melhorias para a atual solução utilizada, gerador com pás. Contudo o foco atual está na utilização de um único ou apenas dois geradores elétricos acoplados a uma hélice de três pás. De todas as energias envolvidas no sistema apenas a energia do vento é utilizada para girar o eixo do gerador que transforma esta em energia elétrica. As perdas mecânicas transformadas em energia cinética, disponíveis em todas as partes rotativas do equipamento e a área de exposição ao vento que poderiam gerar campos eletromagnéticos mais eficientes, são desprezadas.
O atual estado da técnica apresenta várias patentes que versam sobre o desenvolvimento de sistemas e equipamentos voltados para a geração de energia elétrica de fontes limpas, neste caso a eólica e hidráulica. Cientes do estado da técnica e vislumbrando uma forma de utilizar todas as outras fontes de energia disponíveis nos equipamentos eólicos e sendo esta uma matriz abundante em vários lugares de nosso planeta, foi criado a "TURBINA EÓLICA MULTI-GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA", em questão, para melhorar o rendimento da geração de energia elétrica com o melhor aproveitamento das novas funcionalidades acrescidas aos projetos, impulsionado pela energia eólica ou hidráulica.
O equipamento objeto da presente patente utiliza a força gerada pela pressão do vento ou da água de rios ou mar para acionar uma turbina que dispõe de dois geradores elétricos, um no centro da turbina e outro na periferia da mesma. Além desses geradores há um terceiro gerador ou um conjunto de geradores (este conjunto de geradores pode ser formado por vários geradores conectados ao conjunto e podem ser utilizados caso haja potencial para tal) que é acionado por um sistema semelhante a uma caixa de câmbio de um automóvel que quando a pressão aerodinâmica ou hidrodinâmica ultrapassar um determinado valor este entra em funcionamento utilizando este sistema para comutar o conjunto e otimizar a geração de energia elétrica (o sistema se ajusta à força recebida, otimizando o rendimento da geração energética). Todo o conjunto do sistema é controlado por um computador (CPU ou conjunto inteligente de controle) que gerencia a geração, retificação (ajustes das freqüências), armazenagem e distribuição da energia gerada.
Toda geração de energia é otimizada quando se trabalha com o gerador em potência máxima (FEM/2 (eixo Y) em relação à icc/2 (eixo X)) vencendo a resistência (potência reativa (KVAR) que é gerada com a FEM (Força Eletro Motriz ou tensão "V") detalhada na lei de Lenz. Esta lei afirma que "quando existe indução magnética, a direção da força eletromotriz induzida é tal, que o campo magnético dela resultante tende a parar o movimento que produz a força eletromotriz.".
A seguir apresentaremos uma pequena explicação das potências existentes no sistema: Potência ativa (kW) para realizar o trabalho de gerar calor, luz, movimento, etc e Potência reativa (kVAr) para manter o campo eletromagnético, sendo que esta não produz trabalho útil, mas circula entre o gerador e a carga, exigindo do gerador e do sistema de distribuição de energia elétrica uma corrente adicional. A potência ativa e a potência reativa, juntas, formam a potência aparente (kVA). Quando a potência aparente é maior que a potência ativa, a concessionária precisa fornecer, além da corrente útil (ativa), uma corrente reativa. Mais detalhes não são pertinentes e nem objetivo desta patente.
A turbina movimenta através de energia cinética gerada pelo potencial que o meio aplica nas hélices ou pás e pode chegar a desnecessárias grandes velocidades. Se beneficiando de tal condição, são acoplados automaticamente mais geradores de forma a otimizar o conjunto e aperfeiçoar a geração de energia do sistema onde um terceiro gerador ou o conjunto de geradores serão adicionados gerando uma resistência mecânica e eletromagnética que fará o sistema reduzir a velocidade para uma rotação ideal e ao mesmo tempo gerar mais energia elétrica. Podemos também eletronicamente alterar o campo dos geradores para otimizar a geração de energia. É importante citar que o gerador de energia pode trabalhar também somente com o conjunto gerador na base da torre e a turbina no topo da torre ser meramente passiva (não conter nenhum gerador) e ser confeccionada para ser o mais leve possível.
Os geradores possuem características individuais, apesar de estarem trabalhando em conjunto. A saída alternada de corrente possui características totalmente diferentes entre cada gerador (claro que para os geradores de construção diferente, para os geradores iguais terão o mesmo tipo de saída caso a velocidade angular (velocidade de rotação da extremidade útil da parte motriz) seja a mesma, a variação dos campos eletromagnéticos de todos estes geradores trabalhando ao mesmo tempo diminui as chances de eles trabalhem em potência máxima a todo o momento, mas isso não é problema, pois o objetivo principal é vencer a resistência (potência reativa (KVAR)) gerada com a FEM e aproveitar o máximo da pressão do meio de forma mecânica e ou eletrônica e gerar energia com esse potencial energético com controle automático e inteligente. Esta condição pode ser comparada a uma hidroelétrica que possui um potencial energético baseado nos metros de coluna de água que são liberados de forma controlada para manter o gerador em potência máxima se necessário, como o potencial eólico é variável, precisados de todo este conjunto inteligente para extrair o máximo deste potencial intermitente. A seguir são apresentadas algumas fórmulas das condições do gerador em potência máxima:
Gerador em Potência Máxima
<formula>formula see original document page 5</formula>
O computador CPU ou conjunto inteligente de controle citado anteriormente tomará as decisões de qual será a melhor configuração do sistema para melhor aproveitamento do conjunto motriz e gerar energia com 100% de aproveitamento do potencial eólico ou hidráulico. Cada gerador terá saída senoidal em freqüências particulares (por exemplo: Gerador 1 = 400Hz, Gerador 2 = 40 Hz1 Gerador 3 = 50 Hz ou mais). Este fenômeno ocorre devido peculiaridades de cada gerador e podemos analisar estas freqüências através da fórmula abaixo:
N = 120 xfx(1-s)/ρ ou f=Nxp/120x (1-s)
onde:
N = velocidade em rotações por minutos
f = freqüência em Hertz
s = escorregamento (Escorregamento é a diferença percentual da velocidade do rotor para a velocidade do campo girante de um motor de indução)
p = n°. de pólos
Um retificador computadorizado (inversor de freqüência) irá retificar estas ondas de forma a termos uma saída, por exemplo, para o Brasil 60 Hz.
Tendo a freqüência estabilizada a CPU ou conjunto inteligente de controle terá a informação de qual a tensão de saída, por exemplo, 13,8 kV e a soma das potências de cada gerador (estes valores são características de cada projeto e pré definido conforme seus desenvolvedores).
O equipamento desenvolvido conta com as seguintes características:
a) - uma turbina eólica construída para impulsionar dois ou mais geradores de energia elétrica. O primeiro está localizado no centro da turbina (pode ser construído por toda extensão do eixo ou somente em anel multipolos) e o segundo está fixado no perímetro externo da turbina que também pode ser construído em anel multipolo. Estes dois geradores estão fixados entre as pás que podem alterar o passo para aumento ou diminuição do torque e ou da velocidade do sistema, estas decisões serão tomadas pela CPU levando em conta uma regra booleana pré estabelecida para cada tipo de projeto. Os demais geradores podem ser acionados por vários tipos de sistemas mecânicos, são apresentados aqui o eixo rotativo com ou sem cardan e o de correia. A presente patente deseja proteger o autor do projeto na solução como um todo, todas as partes citadas são importantes para todo o projeto.
A turbina foi desenvolvida para funcionar com a pressão do vento natural, instalada em num veículo terrestre, aquático, sob a água e ou em uma aeronave que será detalhada no pedido de patente "TURBINA EÓLICA GERADORA DE ENERGIA PARA VEÍCULOS ELÉTRICOS E HÍBRIDOS". Todo o conjunto pode ser construído em qualquer dimensão ou material de acordo com a necessidade da carga a ser levada em consideração.
b) - As pás têm a função de utilizar a pressão do vento para movimentar a turbina e assim transformar a energia eólica em energia mecânica e esta em energia elétrica. As pás podem sofrer variações no seu ângulo de ataque (controle de passo) dependendo da utilização e são controlados por um conjunto de equipamentos que atuam de acordo com as condições ambiente. Barras de concreto podem ser utilizadas para balancear o penso no topo da torre.
c) - Um eixo no centro da turbina conecta a uma engrenagem cônica (pode ser qualquer outro sistema mecânico que atue de forma a rotacionar coerentemente o sistema) que aciona outro conjunto de engrenagens cônicas fixadas em um terceiro conjunto de geradores que por sua vez são acionados por um sistema de transmissão que pode ser confeccionado de diversas formas, no caso está sendo apresentado um sistema de transmissão automático (sistema de acoplamento e desacoplamento motriz). Contudo é aproveitada a energia cinética do sistema para gerar energia elétrica com indução eletromagnética gerada nos dois campos da turbina e nos campos do conjunto gerador. Quando as condições de vento ultrapassarem um determinado valor de força aero ou hidrodinâmica conforme mencionado anteriormente. Este terceiro banco de geradores são acionados pelo conjunto de controle inteligente que toma esta decisão de forma a otimizar a geração de energia e evitar frenagens desnecessárias (esta idéia semelhante e é proveniente dos sistemas Kers utilizados na Fórmula 1). Os modelos de geradores podem ser: Geradores Síncronos, Trifásico Elementar, Trifásico de Pólos Fixos (podendo este ser construído para pesquisa em: vazio, em carga, cargas puramente resistivas, cargas puramente capacitivas, cargas puramente indutivas e cargas com caráter indutivo). Gerador Síncrono trifásico de Pólos Rotativos, Gerador Síncrono Trifásico: Com Sistema de Excitação Estático, Gerador Síncrono Trifásico Com Sistema de Excitação "Brushless" e ou qualquer outro gerador que necessite de força motriz para gerar energia.
d) - A turbina é fixada pela caixa circular externa em uma base giratória que está acoplada a uma torre. Todo este conjunto pode ser construído por diversos materiais de acordo com o tipo de utilização que no caso da presente patente é um gerador eólico de grande porte, mas pode ser desenvolvido para acoplamento em veículos terrestres, aquáticos, ou sob a água ou em uma aeronave conforme mencionado anteriormente. Estas outras soluções serão apresentadas no pedido de patente "TURBINA EÓLICA GERADORA DE ENERGIA PARA VEÍCULOS ELÉTRICOS E HÍBRIDOS".
e) - O equipamento conta com um conjunto de controle inteligente (CPU (Central Processing Unit)) que possui um software que tomará as decisões de qual será a melhor configuração do sistema para melhor aproveitamento do conjunto motriz e gerar energia e atingir o máximo de aproveitamento do conjunto como por exemplo desmagnetizando alguns pólos do gerador e deixá- lo mais livre para rodar em ventos de menor intensidade. Este conjunto se conecta em uma rede inteligente geral que também tomam decisões (Smart Grids). Cada gerador terá saída senoidal em freqüências particulares, um retificador computadorizado irá alinhar estas ondas, disponibilizando uma saída de 60 Hz. Após estabilizar a freqüência o software terá a informação de qual a potência total e a tensão de saída, por exemplo, 120 V a 13,8 KV. Todo o gerenciamento da geração da energia, a retificação, armazenagem e a distribuição da energia, assim como o acionamento dos terceiros geradores serão gerenciados pelo conjunto de controle inteligente ou CPU. Os desenhos anexos mostram a disposição da "TURBINA EÓLICA MULTI-GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA", objeto da presente patente, nos quais:
Figura 1 - "DETALHAMENTO DA TURBINA EÓLICA" em corte.
Figura 2 - "TURBINA EÓLICA" vista lateral.
Figura 3 - "TURBINA EÓLICA" vista isométrica.
Figura 4 - "FOTO DO PROTÓTIPO" vista geral.
Conforme apresenta a Figura 1 a "TURBINA EÓLICA MULTI- GERADORA DE ENERGIA ELÉTRICA" é constituída por: uma turbina dupla geradora de energia elétrica, composta por dois conjuntos de geradores indutivos podendo ser imã permanente, bobina de cobre com entreferro, bobina de alumínio esmaltado com entreferro de liga leve (para utilização em aeronaves) ou totalmente passiva (ausente de campos eletromagnéticos) para a geração de energia, um está localizado no raio externo da turbina (1) e o outro localizado no raio interno (gerador em anel) da turbina (2), estes dois conjuntos são ligados pelas pás (3) (ver Figura 1) que tem ângulo variável controlados pelo sistema (4) de ajuste de passo, para se adaptar às condições ambiente, controlar a velocidade angular da turbina e podem ser construídas de qualquer maneira para melhor aproveitamento do local a ser instalada. No perímetro externo da hélice da turbina há uma da caixa externa (5) que suporta outro conjunto gerador. No centro do conjunto temos o eixo principal (6) que aciona, por meio de um sistema de embreagem (anteriormente explica) ou caixa de câmbio (7), o sistema de transmissão (8) que se apresenta em dois exemplos, o de eixo rotativo com ou sem Cardan (9) e o de correia (10) acoplado ao terceiro gerador conjunto gerador (11) que também se apresentam em dois exemplos, os conectados por eixo com ou sem cardan (9) e através de correia (10) acionados quando as condições ambientes ultrapassarem um determinado valor de força aero ou hidrodinâmica. Qualquer conjunto de transmissão pode ser utilizado, como por exemplo, conjuntos de engrenagens.
Conforme apresenta a Figura 2: A turbina é fixada pela caixa externa (5) em duas bases giratórias, uma ativa com motores de controle de giro (12) e a outra passiva que possui apenas rolamento (13), esta acoplada a um poste (16) que também pode ser uma torre qualquer. O sistema de posicionado rotativo da turbina é controlado pelo sistema (14) que direciona a turbina na direção do vento e as condições atmosféricas são medidas pelo sistema (15) que também contem a luz de alerta para aeronaves e também possui por toda extensão da torre pára-raios, principalmente nas partes mais altas que são aterrados por cordoalhas (barras de aterramentos) devidamente instaladas no solo ou em regiões em alto mar (offshore). Todas estas informações da parte superior da turbina são transmitidas para a CPU com o cabo de controle (26). Um cone (17) pode ser instalado para melhorar a pressão do vendo e uma tela (18) pode ser instalada para proteger aves e morcegos. Toda força motriz é transferida para a base da torre através de uma engrenagem cônica (19) e um eixo rotativo com ou sem cardan (20). Sistemas de freios e trava de segurança (21) são necessários (além da possibilidade de embandeirar as pás (passo zero das hélices)). Na base da torre são instalados todos os demais componentes, Um ou mais geradores de energia (22) de qualquer modelo com anteriormente citado, caixa de redução (23), a retificação e a distribuição, assim como o acionamento do terceiro gerador são gerenciados pela CPU ou conjunto inteligente de controle que gerencia a geração, retificação (ajustes das freqüências), armazenagem e distribuição da energia gerada (24). Transformador de alta tensão (25). A geração superior é transportada pelos cabos (27) (loop cables (cabos que suportam constantes torções) fazem parte deste sistema). Fusível de segurança e saída para rede (28). Na Figura 3 pode- se ver o sistema aerodinâmico para reduzir o arrasto (29). Subestação de transmissão (30). Todos os equipamentos mais pesados chamados de "Naceles" (são os compartimentos onde se encontram a maioria dos componentes necessários para a geração da energia) das turbinas anteriores foram transferidos para o solo ou para dentro da água em caso offshore (31), este compartimento que é uma inovação e um dos objetivos desta patente pode ser instalado sobre o solo, sob o solo (onshore), sobre a água ou sob a água em casos offshore (33). Toda extensão do eixo rotativo com ou sem cardan possui um sistema de amortecimento ao longo da torre para atenuar vibrações indesejadas (32). Geradores hidrodinâmicos (34) com sistema de mudança de direção e içamento (35). Os bancos de bateria e os super capacitores podem ser instalados dentro do CPU (24).
A Figura 5 representa o esquema elétrico resumido do sistema. A Figura 6 é uma foto do protótipo desenvolvido com pás passivas (não geram energia) com transmissão, geradores, conversores e transformadores instalados na base da torre. As pás podem ser passivas, mas pode existir um gerador radial na saída do eixo principal do rotor instalados sobre a torre ou poste. Ou seja, o sistema pode ser um conjunto de hélices com controle de passo, uma turbina com controle de passo e ou uma turbina ativa com dois campos eletromagnéticos no diâmetro interno e no diâmetro externo já citado anteriormente.

Claims (8)

1. Turbina eólica e/ou hidráulica para geração de energia elétrica caracterizada pela disposição de dois geradores de energia elétrica, onde o primeiro está no diâmetro interno da turbina e o segundo no diâmetro externo da turbina.
2. Turbina de acordo com a reivindicação 1 caracterizada pelas pás que unem os geradores, assim como sua construção, situados no diâmetro interno e externo da turbina.
3. Turbina de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizada pela engrenagem cônica (19) ligada a um eixo rotativo com ou sem cardan (20) que aciona o sistema de transmissão do terceiro conjunto de geradores, como ilustrado na figura 1.
4. Turbina de acordo com as reivindicações 1, 2 e 3, caracterizada pelo sistema de embreagem (caixa de câmbio) que aciona o terceiro gerador, como ilustra a figura 1.
5. Turbina de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, e 4, caracterizada pelo sistema de transmissão que aciona o terceiro gerador, como ilustra a figura 1.
6. Turbina de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4 e 5, caracterizada por ter uma base giratória que permite alinhar a turbina na direção do vento, como ilustrado na figura 2.
7. Turbina de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 e 6, caracterizada por ter uma CPU de controle que gerencia toda lógica do sistema, para gerar, retificar, somar as potência, armazena e distribuir a energia elétrica gerada pelo equipamento, como ilustrado na figura 2.
8. Turbina de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7, caracterizada por ter um leme eletrônico em conjunto com um medidor atmosférico e velocidade do vento para direcionar a turbina na direção do vento, como ilustrado na figura 2.
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