A presente invenção refere-se a torres treliçadas usando perfis tubulares de aço para instalação de aerogerador e geração de energia eólica, com o objetivo de se ter uma nova opção de torre que também irá viabilizar seu transporte e sua montagem em áreas de difícil acesso.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA

Atualmente, há uma grande preocupação da sociedade com a preservação ambiental e com o investimento em fontes de energia limpas. A energia eólica vem se mostrando como uma fonte de energia limpa bastante eficiente e, consequentemente, vem atraindo investimentos. Porém, ela enfrenta algumas barreiras que desestimulam sua implantação. As torres de geração de energia eólica normalmente utilizadas apresentam dimensões extremamente grandes e são constituídas a partir de peças também de grandes dimensões e extremamente pesadas. Os parques eólicos são, geralmente, instalados em locais ventosos com grande superfície e preferencialmente devem possuir acessos por estradas de grande porte, que permita o transporte das peças e sua montagem no local, utilizando equipamentos pesados e de grandes dimensões, tais como guindastes de grande porte.

Esses fatores limitam a viabilidade de instalação de aerogeradores em locais com altos índices de vento, onde a energia eólica é bastante elevada, tais como locais montanhosos, mas que são acessíveis somente por estradas secundárias e com espaços planos para instalação limitados. Algumas vezes, pode ser necessário desapropriar algumas regiões e ampliar as estradas para permitir o transporte de peças e equipamentos. Esses procedimentos, além de serem inconvenientes para a comunidade local, também aumentam os custos relacionados à implantação das torres.

Já são conhecidos do estado da técnica alguns projetos de torres de aerogeradores produzidas a partir de perfis metálicos, tais como chapas e perfis em L, em cujo topo é montada uma extremidade da torre em formato tubular, e a naceie é conectada à torre por uma conexão metálica, na qual são fixadas as pás do aerogerador. Entretanto, esses projetos também enfrentam diversos problemas técnicos, uma vez que as torres costumam ser bastante elevadas, e instaladas em locais de vento frequente e intenso. Por essas razões, as torres são submetidas a elevados esforços, estando também sujeitas à corrosão atmosférica. Assim, as torres de perfis metálicos precisam ser constituídas de peças com elevada resistência mecânica e boa resistência à corrosão. Tais características são também requeridas por suas conexões.

A presente invenção visa, portanto, o desenvolvimento de torres treliçadas usando perfis tubulares de aço metálicos com ou sem costura para instalação de aerogerador que viabilize o transporte e a montagem de torres elevadas em quaisquer áreas, inclusive de difícil acesso, tais como áreas montanhosas, minimizando o emprego de transportes especiais e sem necessitar de significativas alterações da infra-estrutura do local de implantação, reduzindo assim os custos de implantação dos parques eólicos.

É também objetivo da presente invenção proporcionar torres com elevada resistência mecânica e também com alto desempenho à corrosão, que suportem as condições adversas dos locais de instalação, podendo-se inclusive minimizar a necessidade de proteção anticorrosiva das torres.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Os objetivos da invenção são alcançados por uma torre para geração de energia eólica, compreendendo pelo menos três colunas se estendendo de uma base da torre até a sua extremidade superior, cada coluna sendo constituída de uma pluralidade de elementos tubulares metálicos conectados entre si; e uma pluralidade de elementos tubulares metálicos montados em forma de treliça interligando as colunas, constituindo a estrutura da base até a extremidade superior da torre.

A torre pode compreender adicionalmente quadros rígidos aporticados, interligando as colunas.

Os referidos elementos tubulares podem ser constituídos por composições de tubos unidos entre si, sendo que cada composição de tubo compreende pelo menos dois tubos unidos entre si por elementos de ligação metálicos que são selecionados do grupo compreendendo soldas, chapas metálicas, tubos metálicos, traves metálicas, perfis "U", Ί" e "H", cantoneiras e suas composições. Os elementos de ligação são fixados de forma treliçada entre os tubos da composição de tubos.

Os elementos tubulares da estrutura treliçada são preferivelmente unidos entre si por elementos de fixação conectados às extremidades dos elementos tubulares, esses elementos de fixação sendo pelo menos um dentre soldas, chapas de ligação, flanges, perfis "T" "U", Ί" e "H", cantoneiras, tubos metálicos e suas composições. Os elementos de fixação são fixados aos elementos tubulares por meio de soldagem, parafusamento ou rebitagem. A fixação entre os elementos de fixação é feita por meio de soldagem, parafusamento ou rebitagem.

A torre possui preferivelmente uma seção transversal com geometria em polígono equilátero com N lados, sendo que N varia de 3 a 12, possuindo, em cada vértice, uma coluna.

Pelo menos alguns dos elementos tubulares podem ser preenchidos com concreto, concreto armado, ou concreto com fibras.

A torre pode possuir um segmento inferior cujas colunas formam um primeiro ângulo de inclinação com um plano horizontal,

um segmento superior cujas colunas formam um segundo ângulo de inclinação com o plano horizontal, e um segmento de transição entre o segmento inferior e o segmento superior, cujas colunas formam um ângulo de transição com o plano horizontal.

Alternativamente, a torre possui estais conectando a estrutura a uma fundação.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Outras características e vantagens da torre para geração de energia eólica e do processo para sua montagem de acordo com a invenção ficarão claras a partir da leitura da descrição aqui apresentada e dos exemplos não limitativos, com referência aos desenhos anexos, em que:

A figura 1 mostra uma modalidade da torre para geração de energia eólica de acordo com a invenção;

A figura 1A mostra uma vista lateral de uma torre para geração de energia eólica durante seu processo de montagem através de grua (guindaste de torre);

A figura 1 B mostra uma vista lateral da torre para geração de energia eólica da figura 1A após seu processo de montagem com grua (guindaste de torre);

A figura 2A mostra uma vista superior de uma torre treliçada de acordo com a invenção com uma base triangular;

A figura 2B mostra uma vista superior de uma torre treliçada de acordo com a invenção com uma base quadrada;

A figura 2C mostra uma vista superior de uma torre treliçada de acordo com a invenção com uma base octogonal;

A figura 2D mostra uma vista superior de uma torre treliçada de acordo com a invenção com uma base hexagonal;

A figura 3A mostra uma vista em seção transversal de uma primeira modalidade de uma composição de tubos com dois tubos de seção circular usada na estrutura da torre de acordo com a invenção;

A figura 3B mostra uma vista em seção transversal de uma primeira modalidade de uma composição de tubos com três tubos de seção circular usada na estrutura da torre de acordo com a invenção;

A figura 3C mostra uma vista em seção transversal de uma primeira modalidade de uma composição de tubos com dois tubos de seção retangular usada na estrutura da torre de acordo com a invenção;

A figura 3D mostra uma vista em seção transversal de uma primeira modalidade de uma composição de tubos com três tubos de seção retangular usada na estrutura da torre de acordo com a invenção;

A figura 4A mostra uma vista frontal de composições de tubos e seus respectivos elementos de ligação;

A figura 4B mostra uma vista frontal de composições de tubos com seus respectivos elementos de ligação e os elementos de conexão com outras composições de tubos ou elementos da estrutura de torre de acordo com a invenção;

A figura 5 mostra seis modalidades da torre de acordo com a invenção usando diferentes formatos de treliça e suas combinações nas porções superior e inferior.

A figura 6 mostra uma modalidade de elemento de fixação entre elementos tubulares na forma de flange aplicável a tubos de seção circular ou retangular;

A figura 7A mostra uma vista frontal de outra modalidade de ligação entre elementos tubulares, utilizando um perfil "T" aplicável a tubos de seção circular ou retangular;

A figura 7B mostra uma vista lateral da ligação mostrada na figura

7A;

A figura 8 mostra uma vista em seção transversal da fixação de uma coluna da torre no solo;

A figura 9A mostra uma vista superior da figura 17 de acordo com uma das modalidades da invenção, usando elemento tubular de perfil retangular e chapa retangular;

A figura 9B mostra uma vista superior da figura 17 de acordo com uma das modalidades da invenção, usando elemento tubular de perfil circular e e placa retangular;

A figura 9C mostra uma vista superior da figura 17 de acordo com uma das modalidades da invenção, usando elemento tubular de perfil circular e placa circular;

A figura 10 mostra uma sequência de etapas de montagem da torre de acordo com a presente invenção, utilizando grua (guindaste de torre) ou outro equipamento de montagem;

A figura 11A mostra uma vista superior de uma torre de base triangular durante o processo de montagem de acordo com a presente invenção, apresentando a distância entre o centro de gravidade da torre e as grua (guindaste de torre);

A figura 11B mostra uma vista superior de uma torre de base quadrada durante o processo de montagem de acordo com a presente invenção, apresentando a distância entre o centro de gravidade da torre e as grua (guindaste de torre);

A figura 12 mostra uma modalidade da torre para geração de energia eólica de acordo com a invenção constituída como torre estaiada;

A figura 13 mostra uma modalidade da torre para geração de energia eólica de acordo com a invenção constituída por dois segmentos aproximadamente cilíndricos; e

A figura 14 mostra uma modalidade da torre para geração de energia eólica de acordo com a invenção tendo um segmento de transição entre os segmentos superior e inferior.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Conforme pode ser visto nas figuras 1, 1A e 1B, a torre para geração de energia eólica 1 de acordo com a presente invenção possui pelo menos três colunas 3 se estendendo da base da torre até a sua extremidade superior. Cada uma dessas colunas é constituída de diversos elementos tubulares conectados entre si sucessivamente até uma altura desejada, existindo em certos intervalos de altura, estruturas planas de travamento 5 em alguns níveis, como pode ser visto na figura 1.

A estrutura da torre 1 é complementada por uma pluralidade de elementos tubulares diagonais e montantes que são conectados em forma de treliça 4, interligando as colunas 3, constituindo um reticulado de barras da base .até a extremidade superior da torre. Esses elementos tubulares apresentam resistência suficiente para suportar os esforços às quais à torre é submetida.. As colunas 3 da torre 1 podem ser também interligadas por quadros rígidos (não ilustrados), adicionalmente às estruturas treiíçadas 4. Os elementos tubulares usados para constituir a estrutura da torre possuem seção transversal circular ou retangular, ou qualquer tipo de seção transversal, e são tubos sem costura laminados a quente, ou ainda tubos com costura constituídos a partir de chapas soldadas. Entretanto, os tubos laminados a quente sem costura são classificados pelas normas internacionais em curvas de flambagem mais elevadas, como as curvas "a" ou "a ₀ " da norma EN 1993-1 , portanto, com melhor performance, e por este motivo são preferenciais por gerarem estruturas mais leves, com maiores facilidades de montagem e, consequentemente, mais económicas

Os tubos são preferivelmente constituídos de aços-carbono não ligados e/ou aços de baixa liga ou microligados. Os aços podem ser patináveis, que garantem alto desempenho à corrosão, podendo-se inclusive minimizar a necessidade de proteção anticorrosiva das torres. Além disso, podem ser usados na estrutura da torre tubos preenchidos com concreto, concreto armado, ou mesmo concreto com fibras de aço ou de qualquer outro material. Esses tubos preenchidos com concreto podem, alternativamente, ser empregados apenas em algumas regiões da estrutura da torre onde haja maior esforço, podendo ser combinados com tubos sem preenchimento.

A base da torre e a seção transversal da torre apresentam uma geometria em polígono equilátero com N lados, tal que N preferivelmente varia de 3 a 12, possuindo, em cada vértice, uma coluna 3 constituída de elementos tubulares ou composições de tubos. O número N de colunas 3 será, portanto, igual ao número N de lados. O número de lados do polígono e o número de colunas 3 também podem variar de acordo com as necessidades do projeto. Na modalidade da invenção mostrada na figura 2A, por exemplo, a torre é construída utilizando três colunas 3, de modo que sua base apresenta uma geometria triangular. A torre de base triangular apresenta a vantagem de minimizar os custos de montagem, em função da redução da distância de movimentação de carga 6 (nacele, pás e outros partes dos aerogeradores) pelo equipamento de montagem (Figura 11 A), quando comparada à torre de base quadrada (figura 1 B). Neste caso, tais equipamentos terão menores distâncias de movimentação de carga, p que possibilitará ò emprego de equipamentos mais leves e consequentemente de menor custo.

Alternativamente, a seção transversal da torre também pode ser quadrangular possuindo 4 colunas (conforme figura 2B), ou pentagonal possuindo 5 colunas, ou hexagonal possuindo 6 colunas (conforme figura 2D), ou heptagonal possuindo 7 colunas ou mesmo octogonal com 8 colunas (conforme figura 2C), e assim sucessivamente, dependo da área de aplicação, cargas a serem aplicadas na estrutura, altura da torre, dentre outros fatores, inclusive aspectos estéticos.

Os elementos tubulares usados na constituição das colunas 3 e na estrutura de treliçamento 4 entre as colunas podem ser tubos individuais unidos entre si, ou ainda composições de tubos unidos entre si, caso seja necessário proporcionar uma maior resistência à torre, por exemplo, em casos de torres muito altas e com elevadas cargas. Exemplos de composições de tubos 7 são mostradas nas figuras 3A a 3D em seção transversal e nas figuras 4A e 4B, em vista frontal.

Cada composição de tubo 7 ^' é constituída de dois, três ou mais tubos 8 unidos entre si por elementos de ligação metálicos 9 em suas extremidades e/ou ao longo de seus comprimentos, ou são diretamente soldados, formando, assim, um elemento único a ser usado na montagem da torre. As figuras 3A e 3C ilustram o caso de composições 7 de dois tubos 8 de seção circular ou retangular unidos entre si, e as figuras 3B e 3D ilustram exemplos de composições 7 de três tubos 8 de seção circular ou retangular unidos entre si.

Como elementos de ligação 9 entre os tubos das composições de tubos das colunas, podem ser usados preferivelmente soldas, tubos metálicos, chapas metálicas, perfis "U", "1" e "H", cantoneiras e suas composições, ou qualquer outro tipo de perfil metálico com outro formato de seção transversal. Esses elementos de ligação 9 podem estar presentes de forma intermitente ou contínua entre os tubos 8 das composições 9 ao longo do comprimento dos mesmos.

No exemplo da esquerda das figuras 4A e 4B, os tubos 8 da composição 7 são unidos entre si, ao longo de seu comprimento, por uma chapa metálica 9 cujas extremidades longitudinais são soldadas aos tubos.

Nos exemplos mostrados no centro e na direita das figuras 4A e 4B, quando os elementos de ligação 9 usados são tubos, ou outros tipos de perfis metálicos, os tubos 8 da composição 9 podem ser unidos entre si fixando-se os elementos de ligação de forma treliçada, ou fixando-se esses elementos paralelalemente entre si, e perpendicularmente aos tubos 8, em uma ligação chamada normalmente de travejamento. Esses elementos de ligação 9 são geralmente fixados aos tubos por soldagem direta entre as peças.

Os elementos tubulares que constituem a estrutura treliçada (diagonais e montante) montada entre as colunas da torre podem ser fixados entre si de diferentes formas, por meio de solda ou de elementos de fixação 10, tais como chapas de ligação, flanges, perfis "T", "U", T e Ή", cantoneiras, tubos e suas composições, os quais são unidos aos elementos tubulares por soldagem ou aparafusamento. Alguns exemplos de elementos de fixação 10 são mostrados nas figuras 6, 7A e 7B. A figura 6 mostra exemplos de flanges 10 com seção circular usados com tubos 8 de seção circular, e de flanges 10 com seção retangular usados com tubos 8 de seção retangular. Esses flanges são fixados às extremidades dos elementos tubulares e são dotados de furos que permitem que elementos tubulares adjacentes sejam aparafusados entre si ou a outros elementos estruturais da torre 1 , e até mesmo à coluna. As figuras 7 A e 7B mostram uma vista frontal e uma vista lateral de um elemento de fixação 10 na forma de perfil em T também soldado à extremidade do elemento tubular 8, e cuja aba mais longa do T se estende axialmente a partir do tubo. Essa aba mais longa pode ser dotada de furos para aparafusamento com outros componentes da estrutura ou elementos de fixação.

Preferencialmente serão empregadas ligações que facilitem e agilizem o processo de montagem, buscando soluções que garantam um bom desempenho durante a vida útil da estrutura. Por essa razão, são preferencialmente, empregadas ligações parafusadas, com chapas na forma de ligações flangeadas ou com chapas de topo, perfis "T" ou perfis Ί" descritos anteriormente, sempre com especial atenção aos efeitos da fadiga a que estas ligações podem estar sujeitas, o que não impede o emprego de ligações soldadas entre os elementos de ligação, quando se julgar mais adequado ao projeto.

A conexão treliçada entre os elementos tubulares 8 da estrutura pode ser feita em diferentes formatos de treliça. Exemplos de tipos de ligação entre os elementos tubulares usados na estrutura da presente invenção são ligações do tipo DK, K, KK, KT, N/ T, TT, DT, X, XX, Y e DY, não se excluindo outras formas de ligação e combinações das mesmas dentro da mesma estrutura de torre.

Na figura 8 é mostrada em seção transversal uma possível forma de fixação da torre 1 ao solo, não excluindo outras formas. O elemento tubular que constitui a coluna possui uma chapa de base 11 fixada à sua extremidade inferior, conforme pode ser visto nas figuras 9A, 9B e 9C. Em casos de tubos com seção retangular ou circular pode ser utilizada chapa 11 de seção retangular (Figuras 9A, 9B). Opcionalmente, para tubos de seção circular, pode ser empregada chapa 11 com seção circular (Figura 9C). Os elementos tubulares são normalmente soldados às chapas de base 11, e essas chapas são dotadas de perfurações que permitem o encaixe de barras rosqueadas (chumbadores).

Além disso, a torre 1 pode ser construída a partir de diversos módulos 12 que podem ser pré-montados individualmente e, em seguida, são montados e fixados um sobre o outro, conforme Figura 10.

A figura 5 mostra diversos exemplos de torres 101 , 102, 103, 104, 105 e 106 que possuem um segmento superior 13 e um segmento inferior 14 com geometrias diferentes. Como pode ser notado nas torres 101 , 102 e 103, , a torre pode ser constituída de tal forma que no segmento superior 13, os elementos tubulares são unidos por um tipo de treliçamento e no segmento inferior 14 os elementos tubulares são unidos por outro tipo de treliçamento. Essa variação de modalidades de treliçamentos pode ocorrer também em um segmento da torre. Já nas torres 104, 105 e 106, o mesmo tipo de treliçamento é usado desde a base até o topo da torre. Ainda nesse sentido, as torres da presente invenção também podem ser constituídas de tal forma que a base do segmento superior 13 apresenta um tipo de geometria, quadrada, triangular, octogonal, entre outras, e a base do segmento inferior 14 apresenta outro tipo de geometria diferente da parte superior. Assim, um exemplo de projeto dessa torre poderia apresentar um módulo 12 ou segmento inferior 14 com uma base quadrada, e um módulo 12 ou segmento superior 13 com base octogonal. Os formatos das bases da torre e o tipo de treliçamento empregado são determinados para cada projeto, podendo variar em função da resistência estrutural que a torre deve apresentar, sua altura, condições climáticas e geográficas do local de instalação, custos, entre outros.

Na figura 12, é mostrada uma versão da torre estaiada 107 para aerogeradores, a qual possui estais 17 na parte inferior conectando a estrutura da torre 107 à fundação. Essa torre estaiada 107 pode também ser concebida com a mesma seção transversal ao longo de toda ou quase toda a sua extensão.

A torre 1 pode ser concebida com diferentes inclinações das colunas em diferentes segmentos verticais, para ajustar a sua frequência natural aos limites requeridos pelo equipamento, evitando, assim, interferência no funcionamento do aerogerador (equipamento de geração de energia eólica).

No exemplo mostrado na figura 14, a torre pode ser constituída com três segmentos com diferentes inclinações das colunas:

- um segmento inferior 14 cujas colunas 3 formam um primeiro ângulo de inclinação 141 com o plano horizontal,

- um segmento superior 13 cujas colunas 3 formam um segundo ângulo de inclinação 131 com o plano horizontal, e

- um segmento de transição 15 entre o segmento inferior 14 e o segmento superior 13, formando um ângulo de transição 151 com o plano horizontal.

Nesse exemplo, o ângulo 151 formado pela coluna 3 com o plano horizontal no segmento de transição 15 é menor do que o ângulo correspondente no segmento inferior 14 e no segmento superior 13. Porém, esses ângulos podem ser ajustados de acordo com as necessidades do projeto.

O exemplo mostrado na figura 13 é um caso extremo da torre mostrada na figura 14, onde o ângulo das colunas 3 com o plano horizontal é reto (90°) no segmento inferior 14 e no segmento superior 13. Por consequência, o ângulo com o plano horizontal do segmento de transição é de 0 ^o . Nesse caso, o segmento inferior 14 possui um diâmetro maior do que o segmento superior 13. Assim, o segmento de transição 15 possui vigas horizontais interligando o segmento inferior 14 e o segmento superior 13.

Em outras modalidades, os ângulos 131 , 141 , 151 das colunas 3 de todos os segmentos 13, 14, 15 podem ser iguais.

A torre 1 pode ser montada de diversas formas. Por exemplo, inicialmente, pelo menos um elemento tubular de cada uma das colunas 3 da torre é fixado no solo. Podem ser fixados inicialmente diversos elementos tubulares juntos que compõem cada coluna. Em seguida, os elementos tubulares que constituem o treliçamento 4 e/ou o pórtico são fixados entre as colunas 3.

Os elementos tubulares diagonais e montantes que fazem parte da estrutura treliçada 4 podem ser conectados entre si in loco, durante a montagem da torre. Outra opção é que a estrutura treliçada 4 seja dividida em módulos, os quais podem ser pré-montados in loco, e em seguida, cada módulo é montado sobre o módulo imediatamente inferior.

Em situações onde o transporte não é o gargalo do processo de montagem da torre, os elementos tubulares de menores dimensões poderão ser devidamente conectados nas fábricas de estruturas, compondo assim módulos 12 de maiores dimensões, tais como segmentos da estrutura treliçada e/ou as composições 7 de elementos tubulares 8 usadas nessa estrutura. Tais peças de maiores dimensões deverão, assim, ser transportadas do local de sua fabricação até o local de implantação da torre, onde serão montadas na estrutura da torre 1 através dos mesmos equipamentos e com menor consumo de homem/hora no campo.

Essa etapa de conectar os elementos tubulares constituindo peças maiores pode ser realizada antes mesmo do início do processo de montagem da torre e da fixação das colunas no solo.

Quando a torre for constituída por diversos módulos 12 montados juntos, o processo é realizado com etapas separadas de montagem de módulos de torre seguidas de etapas de fixação dos módulos 12 de torre um sobre o outro. Esses módulos 12 de torre são constituídos por segmentos de colunas e elementos tubulares diagonais e montantes montados em forma de treliça ou elementos aporticados entre as colunas, conforme mostrados na Figura 10.

Essas etapas podem ser realizada com auxílio de gruas 2 ou guindastes sobre rodas ou esteiras. Estas facilidades e possibilidades diversas de composição das peças estruturais e de montagem das torres 1 poderão minimizar a necessidade de utilização de equipamentos mais pesados no processo de implantação dos parques eólicos, podendo estes equipamentos ser empregados, quando necessários, apenas na fase de montagem dos aerogeradores.

Outra opção do processo de montagem é de se utilizar equipamento auxiliar de montagem, a ser instalado no topo da torre, capaz de erguer e montar as partes que compõem o aerogerador e suas pás.

Tendo sido descrito exemplos de concretizações preferidos, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitados tão somente pelo teor das reivindicações apenas, aí incluídos os possíveis equivalentes.