BRPI0610186A2

BRPI0610186A2 - turbina eólica de eixo vertical, e, rotor de turbina eólica de eixo vertical

Info

Publication number: BRPI0610186A2
Application number: BRPI0610186-0A
Authority: BR
Inventors: Vladimir Krivcov; Vladimir Krivospitski; Vasili Maksimov; Richard Halstead; Jurij Vasiljevich Grahov
Original assignee: Univ California
Priority date: 2005-05-13
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2012-09-25
Also published as: EP1888917A2; JP5043830B2; US7902688B2; CA2608425A1; CN101175918A; HK1118319A1; EP1888917B1; CN102287328A; AU2006247135A1; MX2007014193A; MX338218B; WO2006125118A3; EP2587051A3; JP2008540922A; WO2006125118A2; US20080253889A1; US20110158817A1; CA2608425C; CN101175918B; US20130259696A1

Abstract

TURBINA EóLICA DE EIXO VERTICAL, E, ROTOR DE TURBINA EóLICA DE EIXO VERTICAL. é descrita uma turbina eólica de eixo vertical. A turbina eólica pode incluir um anel superior, um anel intermediário e um anel inferior, na qual uma pluralidade de aerofólios verticais são colocados entre os anéis. Por exemplo, três aerofólios verticais podem ser ligados entre o anel superior e o anel intermediário. Em adição, três outros aerofólios verticais podem ser ligados entre o anel inferior e o anel intermediário. Quando o vento contata os aerofólios arranjados verticalmente, os anéis começam a girar. Conectando os anéis a um pólo central que gira um alternador, eletricidade pode ser gerada a partir de vento.

Description

"TURBINA EÓLICA DE EIXO VERTICAL, E, ROTOR DE TURBINA EÓLICA DE EIXO VERTICAL" PEDIDOS RELACIONADOS

Este Pedido reivindica prioridade para o Pedido Provisório U.S. 60/681.210, intitulado "IMPROVED VERTICAL AXIS WIND TURBINES" e depositado em 13 de maio de 2005, cujo conteúdo é aqui com isto incorporado para referência em sua totalidade.

DECLARAÇÃO RELATIVA A PESQUISA E DESENVOLVIMENTO COM PATROCÍNIO FEDERAL

Esta invenção foi feita durante trabalho apoiado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos sob o contrato Número DE- AC02-05CH11231. O governo tem certos direitos nesta invenção. FUNDAMENTO DA INVENÇÃO Campo da Invenção

A presente invenção é relativa, genericamente, a turbinas eólicas e, mais especificamente, a turbinas eólicas de eixo vertical. Descrição da técnica relacionada

A maior parte da literatura de turbinas eólicas pertence a turbinas eólicas de eixo horizontal, que parece ser a forma dominante de produção de energia eólica devido aos rendimentos mais elevados das lâminas. O rendimento elevado da lâmina é o resultado de altas velocidades de ponta, contudo, tais velocidades elevadas resultam em ruído aumentado e dano aumentado quando da colisão com uma lâmina durante operação.

Diversos projetos de eixo vertical foram propostos durante anos, tendo velocidades de lâmina mais baixas, porém eles não conseguiram adoção generalizada a despeito das vantagens que advém das velocidades de lâmina mais baixas. Os problemas principais eram relacionados a falhas de ressonância estrutural, altos custos de fabricação e o requisito de colocação muito próxima do solo, onde as velocidades do vento são mais baixas. Saída de energia é diminuída devido às velocidades mais baixas próximo ao solo.

Diversos dos problemas estruturais e de custo de eixo vertical são associados com tentativas para recuperar energia eólica adicional por meio de ajustamentos no ângulo de ataque da lâmina. Outras tentativas variam a forma estrutural para acomodar ventos fortes ou rajadas. Tais projetos conduzem inevitavelmente à complexidade aumentada de equipamento que aumenta concomitantemente taxas de falhas e custos de fabricação. SUMÁRIO DA INVENÇÃO

As configurações descritas aqui cuidam de diversas das desvantagens da técnica precedente e utilizam ferramentas de modelagem de sistema e engenharia moderna para analisar comportamento do sistema completo em uma variedade de regimes de vento.

Uma configuração da invenção é uma turbina eólica de eixo vertical. Esta configuração inclui: pelo menos um aerofólio, no qual dito aerofólio compreende uma superfície superior, uma superfície inferior e uma linha de centro; e na qual a distância a partir da superfície superior até a linha de centro é a mesma que a distância a partir da linha inferior até a linha de centro, através do comprimento do aerofólio.

Ainda uma outra configuração é um rotor de turbina eólica de eixo vertical que tem: um anel superior, um anel intermediário e um anel inferior; uma pluralidade de aerofólios superiores colocados verticalmente entre dito anel superior e dito anel intermediário; e uma pluralidade de aerofólios inferiores colocados verticalmente entre dito anel inferior e dito anel intermediário.

Ainda uma outra configuração é uma turbina eólica de eixo

vertical que inclui: um rotor de eixo vertical que compreende pelo menos um aerofólio e configurado para girar por meio do vento; e um regulador de ar controlado por força centrífuga a partir do rotor, e configurado para reduzir a velocidade de rotação do motor movendo a posição de dito pelo menos um aero fólio.

Nem este sumário nem a descrição detalhada a seguir, são suficientes para definir a invenção. A invenção é definida pelas reivindicações.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 mostra uma configuração de um sistema de turbina eólica de eixo vertical engatado com um alternador, sistema de controle e bateria.

A Figura 2A mostra uma vista frontal, esquemática, de uma configuração de um sistema de turbina eólica de eixo vertical de quatro lâminas.

A Figura 2B mostra uma vista lateral, esquemática, de uma configuração de um sistema de turbina eólica de eixo vertical de quatro lâminas.

A Figura 2C mostra uma vista lateral, esquemática, de um ângulo diferente de uma configuração de um sistema de turbina eólica de eixo vertical de quatro lâminas.

A Figura 2D mostra uma vista em planta, esquemática, de uma configuração de um sistema de turbina eólica de eixo vertical de quatro lâminas.

A Figura 3 é uma vista esquemática de uma unidade de lâmina para utilização com certas configurações de uma turbina eólica de eixo vertical.

A Figura 4A é uma vista em planta, esquemática, de uma seção transversal de uma configuração de um aerofólio que mostra aberturas para dois elementos estruturais e uma extremidade estreita rombuda.

A Figura 4B é uma vista em seção transversal de uma configuração de um aerofólio para utilização com o sistema de turbina eólica.

A Figura 4C é um gráfico de resultados de testes hidrodinâmicos que mostram que uma borda dianteira rombuda produz muito menos turbulência do que uma bordas afiada que passa por 180 graus de rotação.

A Figura 5 mostra uma configuração de uma turbina eólica de eixo vertical de seis lâminas engatada com um alternador.

A Figura 6 é uma vista lateral esquemática de uma configuração de uma turbina eólica de eixo vertical de seis lâminas.

A Figura 7 é uma vista superior de uma configuração de uma turbina eólica de eixo vertical de seis lâminas. A Figura 8 é uma vista superior de uma configuração de um

conjunto regulador aerodinâmico.

A Figura 9 é uma vista em seção transversal de uma configuração de um conjunto regulador aerodinâmico. DESCRIÇÃO DETALHADA De acordo com uma configuração, uma turbina eólica de eixo

vertical é divulgada, a qual tem um motor com lâminas projetadas e testadas para gerar torque máximo a aproximadamente 2,5 vezes a velocidade do vento. Em uma configuração as lâminas têm um ângulo de ataque fixo, para permitir auto-partida da turbina em ventos de 2-4 m/s, e para produzir energia classificada em ventos de 11 m/s. As turbinas eólicas desta configuração capturam energia em todas as direções de vento e em condições de rajadas, sem qualquer modificação da forma básica da turbina. Elas são também arranjadas em uma maneira tal, de modo a eliminar o requisito por qualquer eixo central através da turbina. O arranjo utiliza forças aerodinâmicas para manter uma forma adequada e rotação continuada ao redor do eixo de rotação adequado.

Também são divulgados aqui reguladores aerodinâmicos também conhecidos como spoilers aerodinâmicos e freios aerodinâmicos. Em uma configuração, os regulador aerodinâmicos são construídos em um elemento transversal superior do rotor na turbina eólica. Os reguladores são ativados por força centrífuga e energia elástica para controlar a velocidade de rotação máxima do rotor e, com isto, impedir falha da turbina devido a velocidades de rotação excessivas.

Em ainda uma outra configuração, a turbina eólica contém um

freio mecânico que pode ser atuado para reduzir a velocidade ou parar o rotor em um momento desejado. Em uma configuração a turbina eólica inclui um rotor conectado a um tubo rotativo. O tubo rotativo conecta a um cubo na base da turbina, que contém um espaço para um alternador de espaço axial e/ou um sistema de frenagem mecânica adicional para controlar a velocidade angular. Tais sistemas de frenagem mecânica permitem parar a turbina em ventos fortes e para manutenção. Quando operado com o alternador de espaço axial, o gerador de vento essencialmente compreende uma única parte móvel. Com dimensionamento adequado do alternador voltagens de saída podem ser obtidas próximas à voltagem de linha normal para a localização de utilização. Turbina eólica de eixo vertical: configuração de quatro lâminas

A Figura 1 mostra uma amostra de configuração de um sistema de uma turbina eólica de eixo vertical 1 que inclui um rotor 100 montado em um tubo rotativo 2, de modo que rotação do rotor 100 conduz à rotação do tubo 2. A base do tubo 2 é engatada com um alternador 200, de modo que a rotação do tubo 2 resulta em rotação do alternador 200. O alternador 200 é conectado eletricamente a um sistema de controle 300 e bateria 400. Como ilustrado, o rotor 100 está em uma posição elevada em relação ao solo para ganhar acesso a velocidades de vento mais elevadas. O rotor 100 é conectado a um alternador 200 para converter a energia mecânica do rotor para energia elétrica. O alternador 200 é conectado a um sistema de controle 300 que é conectado a uma bateria 400, para armazenar a energia elétrica gerada pela turbina eólica 100. O sistema de controle 300 controla o escoamento de eletricidade para a bateria. Naturalmente deveria ser imaginado que o sistema de turbina eólica 1 poderia também acoplar diretamente ou indiretamente a uma malha elétrica para fornecer energia para a malha elétrica, ao invés de uma bateria. Adicionalmente, deveria ser imaginado que o rotor 100 pode ser utilizado para girar mecanicamente uma bomba ou outro dispositivo para realizar trabalho.

A Figura 2A mostra uma vista frontal esquemática de um rotor de eixo vertical de quatro lâminas 100. A Figura 2B mostra uma vista lateral esquemática do rotor de eixo vertical de quatro lâminas 100, e a Figura 2C mostra uma vista lateral esquemática de um ângulo diferente do rotor de eixo vertical de quatro lâminas 100. A 2D mostra uma vista superior do rotor de eixo vertical de quatro lâminas 100.

Como mostrado nas Figuras 2A-2D, o rotor de eixo vertical 100 é constituído de quatro unidades de lâminas inclinadas 10, 20, 30 e 40. Embora as quatro unidades de lâmina compreendam os elementos funcionais principais da configuração de quatro lâminas mostrada nas Figuras 2A-2D, qualquer número inteiro de unidades de lâmina maior do que dois é factível, com consideração fornecida à extensão do espaço físico e captura aerodinâmica. Além disto, embora certos ângulos sejam utilizados na configuração descrita aqui, configurações da invenção não estão limitadas a qualquer ângulo particular, mas, ao invés disto, estão relacionadas à configuração das lâminas uma em relação à outra.

Cada unidade de lâmina 10 é constituída de um conjunto lâmina inferior 12, e um conjunto lâmina superior 15. Ambos os conjuntos lâmina são constituídos de aerofólios idênticos, ou essencialmente idênticos 18, que são ligados a dois tubos internos (não mostrado) que suportam a carga estrutural e fornecem rigidez e o ângulo de ataque otimizado para a lâmina. O conjunto lâmina superior 15 tem tubos de extensão 25 e 27 que permitem ligação direta a um ponto de ligação superior, a junta superior 50. Elemento de retorno horizontal 17 funciona como um retorno a partir de um conjunto lâmina inferior 12 para um cubo de junta inferior 35, onde a força de rotação é transferida para um alternador 200, ou outro mecanismo de transformação de energia (não mostrado). O comprimento dos tubos de extensão 20 e 27 é tal, de modo a fornecer um ângulo incluso da unidade de lâmina 10 de aproximadamente 145 graus entre o conjunto lâmina inferior 12 e o conjunto lâmina superior 15. O ângulo de 145 graus permite uma forma global da turbina eólica ser estabelecida, embora outros ângulos adequados possam ser utilizados. Todos, elemento de retorno horizontal 17, conjunto lâmina inferior .12, conjunto lâmina superior 15, tubos de extensão 25 e 27 e cubo 35, são adequadamente interconectados com conectores substancialmente rígidos, de modo a criar a forma de unidade de lâmina 10 mostrada nas Figuras 2A-2D.

Na configuração mostrada nas Figuras 2A-2D, as quatro unidades de lâmina 10, 20, 30 e 40 são ligadas na junta superior 50, junta inferior 3 5, com cada unidade de lâmina colocada em rotação aproximadamente a 90 graus uma da outra ao redor do plano de rotação, e com cada conjunto duplo de lâminas girado por 180 graus um com o outro na direção vertical. Neste arranjo, unidades de lâmina 10 e 20 são 180 graus opostas uma da outra, como melhor mostrado na Figura 2B. Unidades de lâmina invertidas 30 e 40 são também opostas 180 graus uma da outra, como melhor mostrado na Figura 2C. Através de juntas essencialmente rígidas que interconectam os componentes de cada unidade de lâmina, a forma vertical da turbina eólica é estabelecida.

Como melhor mostrado na Figura 2B, aerofólios 18 compreendem essencialmente o elemento de retorno horizontal inferior 17. Estes aerofólios 18 atuam como uma carenagem para reduzir arrastamento aerodinâmico. Estes aerofólios 18 podem ser montados em ângulos de ataque pequenos, não zero, para auxiliar no gerenciamento de cargas de força vertical sobre os mancais, ao mesmo tempo que não criam arrastamento de rotação substancial. Por exemplo, os ângulos de ataque pequenos, não zero, podem ser +/- 5 graus. O elemento de retorno horizontal inferior 17 completa a conexão da unidade de lâmina 10 com a junta inferior 35. Um elemento de retorno horizontal inferior similar 23 realiza a mesma função com a unidade de lâmina 20.

Como mostrado na Figura 2C, quatro aerofólios móveis 22a-d são localizados no elemento de retorno horizontal superior 19. O elemento de retorno horizontal superior 19 é utilizado em cada uma das unidades de lâmina 30 e 40, e completa a conexão das unidades de lâmina com a junta superior 50. Os aerofólios móveis 22a-de são atuados por rotação do rotor 100 de modo que quando o rotor gira mais rápido, os aerofólios articulam para um grau maior. Em uma configuração a articulação dos aerofólios móveis 22a-d é controlada por pesos 5 que movem radialmente em resposta às forças de rotação que atuam sobre o rotor 100. Quando o rotor 100 gira, os pesos 25 movem para fora e, através de uma articulação mecânica, alteram a posição dos aerofólios móveis 19. Conseqüentemente, quando o rotor 100 gira a uma velocidade mais rápida, os pesos 5 movem progressivamente para fora por meio da força centrífuga, e com isso fazem com que os aerofólios móveis 19 mudem de posição e se tornem dispositivos indutores de arrastamento. Isto resulta em o rotor 100 reduzir sua velocidade de rotação. Nesta configuração os aerofólios móveis 22a e 22b articulam em direções opostas, apresentando uma área superficial aumentada com arrastamento conseqüente aumentado. De maneira similar, os aerofólios móveis 22c e 22d articulam em direções opostas. Assim, quando o rotor gira mais rápido, estes aerofólios atuam como reguladores ou freios de ar para reduzir a velocidade de rotação do motor. A atuação dos aerofólios móveis .22a-d é mais simplesmente implementada por mola interna e atuadores centrífugos controlados pelo movimento dos pesos 5 e que mantém a velocidade de rotação do motor 100 no ou abaixo de um limite máximo.

Voltando para a Figura 2A, aerofólios móveis 22a-d são mostrados desenvolvidos como se a turbina eólica estivesse rodando muito rapidamente e necessitasse ter a velocidade reduzida. Os aerofólios móveis 22a-d são desenvolvidos em ângulos opostos para produzir forças verticais aproximadamente zero sobre o rotor 100, ao mesmo tempo que fornecem forças de arrastamento para reduzir a velocidade da turbina. Os aerofólios móveis 22a-d poderiam também ser desenvolvidos em uma direção semelhante para fornecer forças verticais, se desejado, com a mesma redução de arrastamento. Uma pluralidade de aerofólios móveis poderia também ser colocada em superfícies horizontais para controlar a velocidade de rotação. Assim, configurações da invenção não estão limitadas a esta configuração particular, ou ao número de aerofólios móveis.

Um cabo tirante 13 é colocado entre unidades de lâmina 10 e 20. De maneira similar um cabo tirante 14 é colocado entre unidades de lâmina 30 e 40. Os cabos tirante 13 e 14 funcionam como elementos de tração que são colocados em tensão por cargas de rotação induzidas de maneira centrífuga a partir dos conjuntos lâmina emparelhados ao girar.

Em certas configurações o cubo de junta inferior 35 pode ser conectado a um cubo que abriga o freio mecânico e o alternador de espaço axial e uma ligação para uma torre constituída de segmentos aninhados que são ligeiramente afunilados (não mostrado). Além disto, cada segmento aninhado pode ter pelo menos duas abas em um ponto ao longo do tubo junto à extremidade afunilada estreita, que limita o passeio do segmento adicionado estabelece a quantidade de superposição de segmento para segmento para a superposição permitida para a resistência da torre completa. A torre pode assim ser de uma altura variável, apropriada para o local de instalação, e os segmentos da torre podem ser transportados facilmente em veículos menores.

A Figura 3 é uma vista esquemática de uma unidade de lâmina 10 para utilização com certas configurações de uma turbina eólica de eixo vertical descrita aqui. Em certas configurações uma unidade de lâmina 10 pode ser dobrável. Utilizando a amostra de configuração da unidade de lâmina 10 mostrada na Figura 3, o conjunto lâmina inferior pode ser dobrado ao longo do trajeto da seta A, de modo a contatar o elemento de retorno horizontal inferior 17. O conjunto lâmina superior 15 pode então ser dobrado ao longo do trajeto da seta B. Como mostrado, o ângulo entre o elemento de retorno 17 e o conjunto lâmina inferior 12 é 90 graus, com um erro de +/- 5 graus. O ângulo criado pelo conjunto lâmina inferior 12 e o elemento de retorno horizontal inferior 17 é 141,30 graus +/- 5 graus. Naturalmente configurações da invenção não estão limitadas a quaisquer destes ângulos particulares, e outras configurações do rotor são consideradas. Aerofólio

A Figura 4A é uma vista em planta, esquemática, de um aerofólio 18 que tem uma borda dianteira 24 e uma borda traseira arredondada 16. A seção transversal tem duas aberturas 21a, b para a inserção de 15 elementos estruturais para estabilizar o aerofólio 18 e suportar as cargas com distorção mínima do aerofólio 18. Outras configurações dos elementos estruturais estão também dentro do escopo da invenção. Elementos estruturais tomados como exemplo são os tubos de extensão 25 e 27 (Figura 2A). Em uma configuração o aerofólio 18 pode ser fabricado de composto enchido com espuma ou metal com longarinas. Ele é adequado para técnicas de fabricação de explosão ou extrusão invertida.

Como mostrado, o projeto do aerofólio 18 pode ser descrito em relação a um eixo χ de uma linha de centro desenhados através do aerofólio 18 e um eixo vertical y desenhado através do aerofólio. Como mostrado na Figura 4B, a superfície superior 350 e a superfície inferior 355 mantém uma distância constante a partir do eixo χ ao longo do comprimento do aerofólio 18. Assim, em qualquer ponto ao longo da superfície superior 350 a distância a partir da superfície superior 350 até a linha de centro χ é a mesma que a distância a partir da superfície inferior 355 até a linha de centro x. A Figura 4B é uma vista em planta, esquemática, para uma configuração de um aerofólio para utilização com o sistema de turbina eólica. Com referência à Figura 4B, uma configuração da forma de um aerofólio 18 pode ser indicada utilizando a Tabela de Coordenadas mostrada abaixo na Tabela 1, onde "b" é o comprimento da corda, "c" é a espessura máxima do perfil, e "b/c" é uma constante

Tabela 1

<table>table see original document page 12</column></row><table> Embora a Figura 4b e a tabela de coordenadas acima ilustrem

uma amostra de configuração de um aerofólio 18 para utilização com a turbina eólica como descrita aqui, formas alternativas que podem produzir levantamento podem ser utilizadas. A forma da amostra do aerofólio 18 foi selecionada para utilização com certas configurações discutidas aqui devido ao seu rendimento elevado em baixa velocidade de vento. Por exemplo, uma velocidade baixa de vento pode ser 3-4 m/s. Os coeficientes aerodinâmicos desta configuração do aerofólio 18 são tais que o rotor de eixo vertical 100 é de auto-partida quando o aerofólios 18 é fixado em um ângulo de ataque de 0- 5 graus. Contudo, em uma configuração o ângulo de ataque é fixado em 2 graus. A borda traseira do aerofólio 16 é arredondada para evitar turbulência quando o aerofólio 18 está viajando para trás para o vento como ele faz durante cada revolução.

A Figura 4C é um gráfico de resultados de testes hidrodinâmicos que mostram que a borda traseira rombuda 16 produz muito menos turbulência do que uma bordas afiada que viaja através de 180 graus de rotação. O gráfico mostra os resultados de testes hidrodinâmicos comparando o coeficiente de arrastamento de um aerofólio com uma borda traseira rombuda (quadrados escuros) com um aerofólio similar com uma borda traseira afiada (triângulos escuros). A bordas traseira rombuda reduziu o potencial de turbulência e o carregamento estrutural dinâmico, ambos os quais aumentaram o rendimento da turbina.

Turbina eólica de eixo vertical: configuração de seis lâminas.

A Figura 5 é uma configuração de um rotor de eixo vertical de seis lâminas 600, engatado com um alternador 90. O rotor de eixo vertical de seis lâmina 600 é útil em situações onde menos do que 10% de forças de ondulação são desejadas serem aplicadas mecanicamente ao sistema. De acordo com as configuração mostrada, seis unidades de lâmina orientadas verticalmente 81 são ligadas a um anel circular central 82. O anel circular central 82 conecta a uma base 104 que gira um pólo 115 para girar o alternador 90. As unidades de lâmina 81a-c em uma posição superior 83 do rotor 600 são ajustadas à metade do ângulo das unidades de lâmina 81d-f em uma porção inferior 85. Esta configuração de lâminas deslocadas resultou em uma partida melhorada e impulsos dinâmicos minimizados a partir das unidades de lâmina 81 para a estrutura 600. Assim, o rotor 600 foi capaz de iniciar o giro em ventos de velocidade mais baixa, e quando ele gira houveram impulsos minimizados através do dispositivo. Um anel oco conformado de forma aerodinâmica 84 em ambos, no topo e no fundo do rotor .100, serve como uma extremidade aerodinâmica para as unidades de lâmina .81, e distribuem as cargas da ponta da lâmina ao redor do anel central 82. A utilização de toro conformado de maneira aerodinâmica como os anéis superior e inferior 84 permite que esses anéis reduzam e terminem ponta induzida a partir dos vórtices extremos das unidades de lâmina. Como é conhecido um toro é uma superfície de revolução conformada em rosquinha, gerada pela revolução de um círculo ao redor de um eixo coplanar ao círculo. Em adição, a configuração e posição dos anéis 84 serve como elementos estruturais para o rotor 600. Como será descrito abaixo, um conjunto de três reguladores aerodinâmicos 300a-c permite que o rotor 600 reduza sua velocidade de rotação em ventos fortes.

Embora o projeto da unidade de seis lâminas forneça um equilíbrio entre peso leve e estrutura forte, bem como sua utilização de reguladores aerodinâmicos, outros projetos que utilizam outros números de unidades de lâmina também podem ser utilizados de acordo com certas configurações aqui divulgadas, dependendo das condições específicas e requisitos desejados da turbina. A Figura 6 é uma vista lateral esquemática do rotor de seis

lâmina 600. De acordo com a Figura 6 e como discutido acima com referência à Figura 5, o rotor 600 gira ao redor de um eixo central A. Em adição, as unidades de lâmina 81 na porção superior 83 do rotor 600 são deslocadas por 60 graus em relação às unidades de lâmina 81 na porção inferior 85, para 15 facilitar a partida da turbina e reduzir impulsos dinâmicos entre as unidades de lâmina 81 e o rotor 600. Embora a configuração mostrada gire as unidades de lâmina 60 graus, qualquer outro ângulo em graus pode ser utilizado para facilitar partida da turbina e para reduzir impulsos dinâmicos.

Além disto, em ambas, na porção superior 83 e na porção inferior 85, as unidades de lâmina 81 são localizadas 120 graus afastadas uma da outra. Embora a configuração mostrada localize as unidades de lâmina 120 graus afastadas uma da outra, qualquer ângulo em graus pode ser utilizado para facilitar a utilização da turbina.

Deveria ser imaginado que em uma configuração a forma das unidades de lâmina 81 é a mesma que a forma dos aerofólios 18. Assim, as dimensões da forma do aerofólio 18 mostradas na Tabela 1 acima são úteis ao projetar a forma das unidades de lâmina 81. Em adição, as unidades de lâmina 81 podem ter uma borda traseira rombuda como descrito acima para os aerofólios 18. Naturalmente a forma das unidades de lâmina 81 não está limitada a qualquer forma particular, e pode ter outras formas vantajosas.

A Figura 7 é uma vista superior do rotor de eixo vertical de seis lâminas 600. A unidade anel central 82 é conectada à base 64 através de tubos 103 no regulador aerodinâmico 300. Os tubos 103 atravessam e engatam aerofólios móveis 105 e 106 dentro do regulador 300. O regulador aerodinâmico 300 utiliza forças centrífugas a partir da rotação do rotor 600 para mover os aerofólios 105 e 106 em direções opostas, para reduzir a velocidade do movimento do rotor. Movendo os aerofólios 105 e 106 em direções opostas, eles atuam como freios autuados para reduzir o rendimento de rotação do rotor 600. Regulador aerodinâmico

A Figura 8 é uma vista em planta, esquemática, do regulador aerodinâmico 300, que pode ser utilizado para reduzir a velocidade de rotação do motor 600 em ventos fortes. De acordo com a configuração mostrada na Figura 8, os aerofólios reguladores 62 e 63 têm comprimentos diferentes um do outro para levar em conta a velocidade mais baixa próximo ao centro de rotação do ponto de ligação 61 à base 104. Uma carenagem de redução de arrastamento adicional pode ser adicionada na extremidade distai do regulador 300 (não mostrado). Enquanto a carenagem permanece estável os aerofólios reguladores 105 e 106 movem em direções opostas para equilibrar as forças aerodinâmicas que podem atuar sobre eles. Em certas configurações a turbina eólica pode apresentar um sensor de vento, de modo que o regulador aerodinâmico é ativado para regular a RPM da turbina quando velocidades de vento aumentam acima de 25 milhas por hora. Contudo, quando os ventos se tornam acima, por exemplo 50 milhas por hora, o sensor de vento poderia ativar um freio mecânico que reduz ou para completamente o rotor para impedir danos em ventos fortes.

A Figura 9 é uma vista em seção transversal esquemática de uma configuração do conjunto regulador aerodinâmico 300. Como mostrado na Figura 10, um atuador é mostrado, onde um pequeno tubo é ligado através de um ponto pivô para pesos, e com isto uma força é aplicada através de uma junta deslizante 77 a uma mola 75. Quando o conjunto regulador 300 gira ao redor de um eixo central do rotor 300, a força centrífuga sobre os pesos faz com que eles movam para fora a partir do eixo central. Este movimento resulta em atuação dos aerofólios móveis, de modo que eles começam a atuar como freios de ar para reduzir a velocidade de rotação do motor 600. A mola 75 é escolhida para permitir a atuação do aerofólio móvel na velocidade de rotação correta. O movimento de deslizamento provocado pelos pesos internos atua um elemento de carne ou um elemento rosqueado sobre o tubo que muda o ângulo de ataque do aerofólio. Em uma configuração do atuador, o peso é um tubo pesado dentro do tubo externo e empurra contra a mola até que as forças centrífugas superem a força da mola. Ligados ao tubo pesado existem carnes rosqueados em sentidos opostos que atuam os aerofólios. O regulador aerodinâmico ajusta assim as rotações por minuto (RPM) do motor para uma velocidade relativamente estável, sem equipamento de controle adicional.

Será apreciado por aqueles versados na técnica que a turbina eólica descrita acima pode ser adaptada diretamente e/ou estendida em diversas maneiras. Embora a descrição precedente faça referência, a configurações particulares, o escopo da invenção é definido apenas pelas reivindicações a seguir e os elementos descritos nelas.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Turbina eólica de eixo vertical, caracterizada pelo fato de compreender: pelo menos um aerofólio, na qual dito aerofólio compreende uma superfície superior, uma superfície inferior e uma linha de centro; e na qual a distância a partir da superfície superior até a linha de centro é a mesma que a distância a partir da superfície inferior até a linha de centro, através do comprimento do aerofólio.

2. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a distância da superfície superior para a superfície inferior varia através do comprimento do aerofólio.

3. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a distância da superfície superior para a superfície inferior varia através do comprimento do aerofólio substancialmente como mostrado na Figura 4B.

4. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o pelo menos um aerofólio ser feito de uma material compósito preenchido de espuma.

5. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o pelo menos um aerofólio ter uma borda dianteira e uma bordas traseira, e no qual a borda traseira é arredondada.

6. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o pelo menos um aerofólio ter as dimensões mostradas na Tabela 1.

7. Rotor de turbina eólica de eixo vertical, caracterizado pelo fato de compreender: um anel superior, um anel intermediário e um anel inferior; uma pluralidade de aerofólios superiores colocados verticalmente entre dito anel superior e dito anel intermediário; e uma pluralidade de aerofólios inferiores colocados verticalmente entre dito anel inferior e dito anel intermediário, em que cada um do anel superior e do anel inferior compreende um toro aerodinâmico.

8. Rotor de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de dita pluralidade de aerofólios superiores compreender três aerofólios.

9. Rotor de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de dita pluralidade de aerofólios inferiores compreender três aerofólios.

10. Rotor de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de dita pluralidade de aerofólios superiores ser deslocada de dita pluralidade de ditos aerofólios inferiores por 60 graus.

11. Rotor de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de dito rotor ser conectado a um pólo central que gira quando o rotor gira.

12. Rotor de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de dito pólo central ser conectado a um alternador que gira quando o dito pólo central gira.

13. Rotor de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de dito alternador ser conectado eletricamente a um sistema de controle para carregar uma bateria.

14. Rotor de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de o rotor ser conectado a um dispositivo mecânico para realizar trabalho quando dito rotor gira.

15. Rotor de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de dito rotor ainda compreender um regulador de ar configurado para reduzir a velocidade de rotação do rotor para controle em velocidade de vento elevada.

16. Rotor de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de dito regulador de ar compreender um aerofólio móvel.

17. Turbina eólica de eixo vertical, caracterizada pelo fato de compreender: um motor de eixo vertical que compreende pelo menos um aerofólio e configurado para girar por meio do vento; e um regulador de ar controlado por força centrífuga a partir do rotor, e configurado para reduzir a velocidade de rotação do rotor movendo a posição de dito pelo menos um aerofólio.

18. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de dito regulador de ar mover pelo menos dois aerofólios.

19. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo fato de ditos pelo menos dois aerofólios moverem em direções opostas.

20. Turbina eólica de acordo com a reivindicação 16, caracterizada pelo fato de dito regulador de ar ainda compreender um spoiler.