Campo da Invenção

A presente Invenção refere-se a uma turbina eólica movida à vela, como enseja a sua denominação, destinada à captação da energia cinética proveniente dos ventos para movimentar o rotor de um gerador de energia elétrica.

Histórico da Invenção

O estado da técnica contempla turbinas eólicas movidas por pás, onde a energia captada dos ventos é transformada em energia mecânica pela rotação da turbina e, em seguida, transformada em energia elétrica pelo gerador.

Para alcançar ventos mais fortes e estáveis, as máquinas eólicas são montadas em torres bastante altas. ,

Um dos inconvenientes observados nas máquinas eólicas utilizadas atuafmente diz respeito ao fato de serem construídas com a montagem de todo o mecanismo de potência eletromecânica sobre a torre. Desta forma, caixas de engrenagens, gerador elétrico e painéis elétricos são montados sobre a torre, exigindo que seu dimensionamento suporte enormes esforços.

Além disso, o acesso para manutenção e operação dos equipamentos torna-se bastante difícil, pois o pessoal técnico necessita chegar ao alto da torre para realizar qualquer procedimento. Os módulos de potência utilizados hoje em dia chegam a pesar dezenas de toneladas e a montagem dos mesmos sobre a torre exige o uso de grandes e caros guindastes. O estado da técnica contempla ainda máquinas eólicas de médio e grande porte, dotadas de turbinas de eixo horizontal, que necessitam trabalhar orientadas na direção do vento. Além disso, o controle do passo da hélice requer o ajuste por meio do giro das pás da turbina. Tais sistemas de regulagem aumentam significativamente o custo de construção deste equipamento.

Entre as turbinas eólicas de pequeno porte utilizadas atualmente existem as de eixo vertical, bem mais simples, que não necessitam trabalhar orientadas na direção do vento, mas que apresentam baixo rendimento e não admitem nenhum sistema de regulação.

Também são conhecidas do estado da técnica as turbinas do Savonius, que funcionam por meio do torque gerado pela diferença do coeficiente de arrasto entre as superfícies côncava e convexa das velas de captação.

O inconveniente observado nesse tipo de turbina refere-se ao fato de as velas serem rígidas, conferindo alto fator de perda quando o vento atinge as superfícies convexas, contribuindo negativamente para a eficiência do processo de captação energética.

Um dos objetivos da presente Patente de Invenção reside em prover uma solução dotada de velas flexíveis, capazes de prover ângulos de ataque variáveis e eliminar os inconvenientes anteriormente citados, viabilizando a fabricação de máquinas eólicas mais simples, mais leves que as atuais, com alto rendimento e melhor relação custo/benefício, reduzindo significativamente o custo da energia gerada e viabilizando a captação de energia eólica em locais com ventos moderados.

Assim sendo, a fim de permitir a melhor elucidação do objeto em questão, proceder-se-á à sua descrição pormenorizada com referência à figura a seguir, onde:

a figura 1 ilustra uma vista em perspectiva de uma turbina Savonius convencional com três velas rígidas;

a figura 2 ilustra uma vista em perspectiva da turbina eólica proposta dotada de três velas flexíveis.

a figura 3 ilustra uma vista em perspectiva da turbina eólica proposta com a torre centrai ancorada.

De conformidade com o quanto ilustram as figuras acima mencionadas, a turbina eólica movida à vela, objeto desta Patente de Invenção, constitui-se por uma torre giratória (1) que— sustenta- três— ou— mais velas flexíveis— (2)— dotadas -das- correspondentes bordas de ataque (3) e fuga (4).

Em outra configuração, a referida torre giratória (1) pode ser construída de modo a permitir sua ancoragem por meio de torre fixa, cabos (5) e sapatas de ancoragem (6), deixando livres as velas para girar em torno de seu eixo central, como ilustra a figura 3.

f O princípio de funcionamento assim como o correspondente efeito observado nas velas flexíveis da turbina é bastante simples e fácil de compreender. Ao receber o vento na direção normal à superfície côncava da vela, a força de arrasto é convertida em torque positivo sobre o rotor da turbina.

No caso da turbina com velas rígidas convencionais, o torque positivo é parcialmente compensado por um torque negativo gerado pela força de arrasto atuando sobre a superfície côncava da vela oposta, sem regulagem de ângulo de ataque.

Este efeito negativo é significativamente menor no caso das velas flexíveis em função da possibilidade de regulagem do ângulo de ataque de modo a tornar o comportamento da vela semelhante a uma asa. O vento percorre as superfícies da vela com uma componente de trajetória normal e outra tangencial, esta última sendo responsável por gerar uma diferença de pressão entre as superfícies côncava e convexa capaz de promover o incremento positivo de torque sobre o rotor, aumentando significativamente a eficiência energética do processo de conversão.

A regulagem do ângulo de ataque determina o torque sobre o rotor. Quando as velas estão completamente recolhidas o torque produzido é nulo.

Um modelo reduzido da Turbina Eólica à Vela semelhante ao representado na figura 3 foi testado em um túnel de vento resultando em coeficientes de potência próximo a 60% (Cp=0,6).

Apenas para fins de comparação, as Turbinas do tipo Savonius conseguem obter Cp = 0,25, as Turbinas Tradicionais e Multi-pás obtêm Cp = 0,30 e as modernas Turbinas Aerodinâmicas operam na faixa de Cp = 0,45.