ES2225078T3 - Turbina accionada por un medio fluido. - Google Patents
Turbina accionada por un medio fluido.Info
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- Y02E10/70—Wind energy
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Abstract
Turbina accionada por un medio fluido para generar electricidad, que comprende un número de aletas (5) de una longitud, ancho y espesor adecuados, que tiene una forma hidrodinámica, cada aleta (5) se une con la parte superior de su eje (6) a una estructura (3) de soporte en forma de disco giratoria, que está conectada al eje (2) principal de las turbinas y al eje (6) longitudinal de las aletas (5) están principalmente en paralelo al eje (2) principal, caracterizada porque cada aleta (5) está equipada con un motor (8) de avance gradual que se usa para individualmente mover sobre pivote la aleta (5) alrededor de su eje (6) longitudinal, independientemente de cada una de las otras aletas (5), para obtener que la superficie principal de cada aleta (5) esté en un ángulo de ataque deseado relativo y absoluto con respecto a la dirección del medio (11) fluido.
Description
Turbina accionada por un medio fluido.
Esta invención se refiere a una turbina con
aletas ajustables, accionadas por un medio fluido, y un método para
producir energía eléctrica por el uso del mismo (por ejemplo el
documento US-A-43 68 392).
Durante mucho tiempo se han usado diferentes
tipos de equipo para utilizar la potencia en medios fluidos. Las
turbinas eólicas con un eje de rotación horizontal en las décadas
recientes se han desarrollado y desplegado en grandes números para
generar energía eléctrica. Sin embargo, se han gravado con un número
de desventajas, es decir ruido, contaminación medioambiental óptica,
altos costes por producción y despliegue. La mayoría de las turbinas
eólicas sólo pueden utilizar una pequeña cantidad de la energía
eólica disponible total.
También se han desarrollado turbinas eólicas con
un eje vertical. Estas tienen un número de ventajas sobre las
anteriormente mencionadas tales como menos ruido debido a una
velocidad periférica menor, estructuras de montaje más bajas, y por
tanto costes reducidos de instalación y operativos. No son
dependientes de la dirección del viento. Se ha mostrado que es
necesario ajustar el ángulo de las aspas de ataque al viento,
dependiendo de la resistencia del medio y velocidad. Son bien
conocidas las diferentes formas de ajustar el ángulo de ataque,
aunque ninguno que pretenda ajustarlo individual y
positivamente.
El documento US 4.052.134 describe una turbina
eólica que tiene un eje giratorio vertical que está provisto de
aspas que tienen un instrumento que busca ajustar las aletas de
nuevo a una posición estable en línea con la trayectoria de giro de
las turbinas.
El documento NO 302.590 describe una turbina
eólica con eje vertical, que tiene un instrumento que busca
neutralizar la tendencia de las aletas a alinearse con la dirección
aparente de los vientos.
El documento US 4.168.439 describe una turbina
eólica enorme, con un sistema complicado de motores eléctricos,
engranajes e instrumentación, para controlar aspas muy grandes,
principalmente para buscar el inicio y la parada del mecanismo.
El documento DK 164.294 describe un método para
modificar las aspas de la turbina eólica, uniendo cuerpos en forma
de torpedos flexibles en el extremo libre de las aspas.
Los documentos de US 2.950.765 y US 2.250.772
describen turbinas con eje vertical y aletas controladas. Las aletas
son todas guiadas simultáneamente por varillas que empujan o tiran
de las aletas a una posición determinado, guiadas por la dislocación
de una rueda de giro excéntricamente montada. El fin de estas
turbinas es lograr la propulsión de barcos.
Las turbinas para convertir la energía del agua
que fluye pertenecen a la técnica anterior. La mayoría de las
turbinas tienen en común que el flujo del agua debe ser orientado al
área de generación de energía de la turbina dentro de las
limitaciones en velocidad, dirección y cantidad. Es evidente por sí
mismo que la energía eléctrica generada es directamente proporcional
a la velocidad del medio que fluye, es decir un aumento en la
velocidad del agua en las áreas de generación de energía de la
turbina incrementará la cantidad de electricidad producida.
Es incluso de gran interés utilizar la energía en
fluidos que se mueven lentamente en la producción de energía
eléctrica. Esta invención hace esto posible en una forma barata y
simple.
La invención proporciona de este modo una turbina
accionada por un medio que fluye para generar electricidad, que
comprende un número de aletas de una longitud, ancho y espesor
adecuados, y que tienen una forma hidrodinámica según las
especificaciones de la norma NACA. Cada aleta se une con la parte
superior de su eje a una estructura de soporte en forma de disco,
giratoria que se conectan al eje principal de las turbinas y el eje
longitudinal de las aletas son principalmente paralelos al eje
principal, en el que cada aleta está equipada con un motor que se
usa para individualmente mover sobre pivote la aleta alrededor de su
eje longitudinal, independientemente de cada una de las otras
aletas, para obtener que la principal superficie de cada aleta sea
de un ángulo deseado de ataque relativo y absoluto con respecto a la
dirección del medio que fluye.
La turbina es adecuada para la producción de
energía eléctrica a partir del agua que fluye de velocidad
relativamente baja.
La fig. 1 es un dibujo en perspectiva esquemático
que muestra una turbina de eje vertical de cuatro aletas, según la
invención.
La fig. 2 es una vista en sección horizontal que
muestra una estructura de soporte en forma de disco con cuatro
aletas unidas.
La fig. 3 es una vista en sección vertical a
través de una aleta.
La fig. 4 es un dibujo que muestra los cuerpos
hidrodinámicos indicados en el extremo libre de la aleta.
El propósito de la invención es lograr una
turbina que facilite una utilización óptima de las fuerzas dinámicas
en un medio que se mueve con velocidad baja desde diferentes
direcciones.
El término "medio que fluye" se refiere a
todas las corrientes fluidas, tales como agua y gases que se mueven
naturalmente . El movimiento del agua comprende agua en arroyos y
ríos, agua transportada a una turbina a través de tuberías, en
conductos y recipientes similares, y olas de todo tipo encontrados
en lagos y océanos.
El término "aleta" se refiere a cualquier
perfil en forma de aspa con dos áreas de superficie externas
alargadas, curvadas, congruentes, que están conectadas a lo largo de
un eje de conexión, que en la dirección de la velocidad es
redondeada y en la parte posterior va disminuyendo hasta un borde
afilado. De este modo, las aletas tendrán una forma hidrodinámica.
Un número de aletas de diferentes formas se presentan en detalle en
las normas bien conocidas del Comité Asesor Nacional sobre
Aeronáutica (NACA).
Se pueden usar un número de formas de aletas y
como una forma preferida se puede ofrecer la aleta NACA 63.015.
Cada aleta tiene un eje excéntrico vertical en la
dirección longitudinal. Si la turbina es del tipo horizontal el eje
estará de acuerdo a la dirección horizontal. Una turbina de la
presente invención estará equipada con 2 a 10 aletas,
preferiblemente entre 4 y 8, más preferiblemente 5 aletas que están
conectados a la cara inferior de una estructura en forma de disco
giratorio de tal forma que la aleta estará en una posición vertical
aproximada. Todos las aletas se fijan a la estructura de soporte
espaciada en distancias aproximadamente iguales una de otra y a una
distancia aproximadamente igual desde el centro de la estructura
giratoria y aproximadamente paralela al eje de giro.
El tamaño de las aletas no se limita
particularmente siempre que puedan satisfacer el fin. El tamaño
dependerá de la densidad y velocidad del medio que fluye. Por tanto,
las aletas para usar en agua pueden tener una longitud vertical de 1
m a 100 m, preferiblemente entre 5 m y 20 m, más preferiblemente
alrededor de 10 m. El ancho de las aletas o corte horizontal, es
típicamente de 0,5 a 5 m, preferiblemente de 0,5 a 2 m, más
preferiblemente alrededor de 1 m. El grosor de la aleta está
típicamente entre 0,05 y 1 m, aunque dependerá del tipo elegido de
aleta.
Las aletas pueden ser fabricadas de cualquier
material adecuado, preferiblemente elegido del grupo que comprende
acero, aluminio y compuestos de polímero tales como resina (GUP) de
poliéster insaturada reforzada de fibra. Los criterios dimensionales
están determinados por la selección del material.
Con referencia a las figuras, la fig. 1 ilustra
una turbina con un eje 1 vertical conectado a un eje 2 giratorio al
cual está conectada una estructura 3 de soporte en forma de disco.
Sobre la estructura de soporte están unidos un número de aletas 5.
Cada aleta tiene un eje 6 longitudinal que permite el movimiento
sobre pivote de la aleta. El extremo superior del eje está conectado
a la estructura 3 de soporte. Cada una de las aletas 5 está
conectada a un motor 8 giratorio, más preferiblemente un motor de
avance gradual. Con el motor 8 la aleta puede pivotar alrededor de
su eje 6 longitudinal, que está principalmente alineado con el eje 2
de turbina, de tal forma que la aleta se puede girar en cualquier
posición pertinente al medio fluido. El rendimiento de la aleta 5
será hasta cierto grado dependiente de la turbulencia creada
alrededor de los extremos 9 libres de la aleta 5. La invención
utiliza este conocimiento para aplicar a objetos 15 en forma plana u
objetos 10 en forma de torpedo siendo de un tamaño de 1 a 50 veces
el área cuadrada de las aletas 5, más preferiblemente 2 veces el
área cuadrada de las aletas 5; o cuerpos 14 elípticos cuidadosamente
conformados, cuya forma está definida como la mitad del perfil de la
aleta y cuyo tamaño está en la región de 1 a 50 veces el ancho de la
aleta 5, más preferiblemente que sea del mismo tamaño que la aleta
5, aplicado al extremo 9 libre de la aleta 5. La estructura de
soporte consiste en un objeto 3 en forma de disco, y las aletas 5 se
colocan en una posición cerca de la periferia de la placa. Durante
la operación las aletas 5 tendrán por lo tanto una trayectoria 12
circular céntrica alrededor del eje 2 de la turbina. Esta
trayectoria 12 circular define el diámetro externo de la turbina. En
la estructura 4 principal de la turbina hay un dispositivo, el cual
transforma el movimiento de giro del eje a una dinamo 7, permitiendo
la producción de energía eléctrica.
La fig. 2 es un dibujo que muestra la turbina con
un eje 2 de turbina y cuatro aletas 5 unidas a la estructura 3 de
soporte, que consiste en una placa en forma de disco, en la cual las
aletas 5 están conectadas de forma pivotable cerca de la periferia
de la placa, la cual facilita a las aletas 5 una trayectoria 12
concéntrica alrededor del eje 2 de turbina. Se indica de que forma
un motor 8 está colocado sobre las aletas 5. Un número de flechas
indican la dirección del flujo 11 y el giro de la turbina 13.
La fig. 3 es un dibujo a través de la aleta 5 en
el eje longitudinal del ancho de la aleta. Se indica la forma en la
que el eje 6 longitudinal se incorpora a la aleta 5, la forma de la
aleta 5 incluye el extremo 9 libre de la aleta 5.
La fig. 4 es un dibujo de la aleta 5 y de las
formas alternativas del extremo 9 libre de la aleta 5.
La fig. 4a es un dibujo de la aleta 5 y un cuerpo
14 elíptico cuidadosamente conformado, cuya forma se define como la
mitad del perfil de la aleta.
La fig 4b es un dibujo de la aleta 5 de un objeto
15 de forma plana. El objeto es de una forma 15 en paralelogramo con
la diagonal como el centro de la aleta 5. El paralelogramo excederá
las dimensiones de la aleta 5 igualmente en ambos lados de la aleta
5. El grosor del paralelogramo 15 no es crítico y por lo tanto no se
indica.
La fig. 4c es un dibujo de la aleta 5 y de un
objeto 10 en forma de torpedo, el cual excederá las dimensiones de
la aleta 5 en todos los lados. El objeto 10 en la forma de torpedo
no se ha aplicado previamente en la aleta 5 verticalmente
instalada.
Esta invención utiliza el mismo tipo de motor 8
para cada una de las aletas 5. El motor puede ser un motor de avance
gradual, preferiblemente un motor de avance gradual del tipo de
avance gradual diferencial, motor de avance gradual de placa o motor
de avance gradual ordinario.
Cada aleta 5 está provista del mismo sistema de
regulación que permite un control completo de cada posición
pivotable de la aleta 5. El motor 8 ofrece por lo tanto una
posibilidad de controlar el ángulo absoluto y relativo de la aleta 5
al medio que fluye. Las aletas 5 se mueven en una trayectoria
circular, en consecuencia la posición de la aleta relativa y
absoluta, debe ser ajustada en una forma dinámica.
Con referencia a la fig. 2, se describirá ahora
el ciclo de giro de la turbina. Cuando las aletas 5 se ponen en una
posición básicamente vertical en un fluido de la corriente, debido a
la unión pivotable, tenderán a alinearse en la mínima forma de
resistencia, es decir en línea con el medio que fluye. Para obtener
un giro de la turbina y por tanto una producción de electricidad,
cada aleta 5, unida a su motor 8 respectivo sobre la estructura 3 de
soporte en forma de disco, se convertirá en un ángulo absoluto y
relativo al flujo. El motor 8 girará la aleta en un ángulo entre 5º
y 50º. Por lo tanto, esto ejercerá una fuerza sobre la superficie de
las aletas 5 y pondrá la turbina en movimiento. El movimiento
giratorio hará que las aletas 5 tengan un cambio en el ángulo de
ataque al flujo y el motor 8 se regulará para girar las aletas 5 en
un ángulo de ataque según se indica anteriormente. La exactitud del
ángulo de ataque de la aleta 5 al flujo depende de la capacidad del
motor 8 para encontrar y mantener su posición. Se realizarán los
ajustes adecuados durante la trayectoria circular de la aleta 5. Por
lo tanto, la aleta 5 generará una fuerza durante aproximadamente la
trayectoria circular total, la cual dará una producción óptima de
energía.
Es preferible que el extremo sin filo de la aleta
5 sea el borde conductor a través del flujo. Haciendo referencia a
la fig. 2, y como se indica por las flechas que muestran los
movimientos de giro 16 y de flujo 11, el borde sin filo de la aleta
5 será el borde conductor. La posición de las aletas será la misma
con independencia de la naturaleza del medio fluido.
Puesto que la posición pivotable de las aletas 5
es individualmente ajustable por los motores 8 la turbina se puede
poner en marcha y detener prescindiendo de la velocidad del medio
fluido sin originar una avería del mecanismo.
El movimiento pivotable de las aletas 5 con su
sistema de regulación permite una posición de las aletas 5 que
mantendrán estable la turbina, permitiendo el trabajo de
mantenimiento y reparación.
Las aletas 5 harán que gire la estructura 13 de
soporte en forma de disco con velocidad limitada, preferiblemente
entre 5 y 60 RPM, más preferiblemente de 5 a 20. La velocidad de
giro se puede controlar por la posición de la aleta 5 en el
flujo.
La cantidad de fuerza generada por la turbina
depende de la altura, ancho y longitud de las aletas 5 junto con el
caudal unitario. Las aletas 5 de baja velocidad son más convexos y
tienen un área de superficie mayor que las de alta velocidad. La
superficie debería estar preparada para alentar el flujo laminar del
medio.
El rendimiento máximo de la turbina se logrará
mejor utilizando un programa de regulación, preferiblemente
electrónico, para pivotar las aletas en la posición más favorable,
teniendo en cuenta la mejor combinación de velocidad y fuerza.
Las turbulencias del extremo 9 libre de la aleta
5 producirá una reducción en el rendimiento teórico de la
turbina.
El rendimiento de la turbina 2 no depende de la
dirección del flujo siempre que éste no se desvíe demasiado de la
perpendicular sobre el eje principal de la turbina 2.
Esta invención se describe, estando en una
posición vertical en un flujo de agua, aunque funcionará igualmente
bien en una horizontal, y en otros flujos tal como viento, etc.
La dinamo 7 es siempre estacionaria. La turbina
puede tener el eje en una posición vertical, aunque puede también
tener el eje en una posición horizontal, Si la turbina va a ser
usada en agua se unirá a una unidad de anclaje y flotación o a una
unidad fija al fondo del mar. El eje de la turbina puede estar
montado en todos los lados de la unidad. Si la turbina se va a usar
en el aire, se montará sobre una base, pedestal o equivalente.
Una turbina, según la invención, es adecuada para
la instalación sobre unidades sumergidas o flotantes ancladas al
cauce del río, fondo del mar o costas. Los elementos de flotación
adecuados son pontones, flotadores, balsas, embarcaciones, barcazas,
plataformas, "semisumergibles", "plataformas de patas
tensoras" o construcciones hechas para un fin determinado. La
turbina se puede también montar a una estructura fija, tales como
camisas, GBS, estructuras submarinas, fabricadas en hormigón, GUP,
acero u otro metal. Estas estructuras fijas pueden también ser
hechas con un fin determinado.
La construcción de la turbina permite unidades
grandes o pequeñas. La turbina puede ser instalada como una unidad
de plataforma única o en una construcción múltiple, con un diseño
que aliente la utilización óptima del flujo disponible. Las
instalaciones pueden ser fabricadas y situadas sin impacto
importante sobre el medio ambiente. La turbina puede ser instalada
en el océano, por debajo de la superficie del mar, y por tanto no
producir ninguna impresión visual o impedir el transporte marítimo.
Igualmente los métodos de instalación se aplican a los ríos y
mares.
Claims (10)
1. Turbina accionada por un medio fluido para
generar electricidad, que comprende un número de aletas (5) de una
longitud, ancho y espesor adecuados, que tiene una forma
hidrodinámica, cada aleta (5) se une con la parte superior de su eje
(6) a una estructura (3) de soporte en forma de disco giratoria, que
está conectada al eje (2) principal de las turbinas y al eje (6)
longitudinal de las aletas (5) están principalmente en paralelo al
eje (2) principal, caracterizada porque cada aleta (5) está
equipada con un motor (8) de avance gradual que se usa para
individualmente mover sobre pivote la aleta (5) alrededor de su eje
(6) longitudinal, independientemente de cada una de las otras aletas
(5), para obtener que la superficie principal de cada aleta (5) esté
en un ángulo de ataque deseado relativo y absoluto con respecto a la
dirección del medio (11) fluido.
2. Turbina según la reivindicación 1,
caracterizada porque el motor (8) de avance gradual es del
tipo de avance gradual diferencial, de avance gradual de placa o
motor de avance gradual ordinario.
3. Turbina según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 2, caracterizada porque el extremo (9)
libre de cada aleta está equipado con un objeto (15) conformado en
paralelogramo plano que está en una posición perpendicular al eje
longitudinal de la aleta (5).
4. Turbina según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 2, caracterizada porque el extremo (9)
libre de cada aleta está equipado con un objeto (10) en forma de
torpedo en una posición perpendicular al eje longitudinal de la
aleta (5).
5. Turbina según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 2, caracterizada porque el extremo (9)
libre de cada aleta está equipado con un cuerpo (14) elíptico en una
posición perpendicular al eje longitudinal de la aleta (5).
6. Turbina según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el motor (8) de
avance gradual está fabricado para acoplar cada aleta (5)
individualmente y con potencia individual, y para ser controlado por
una unidad central.
7. Turbina según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque la aleta (5) y
los motores (8) de avance gradual están montados sobre una
estructura de soporte en forma de disco.
8. Turbina según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque el eje de giro
está en una posición principalmente vertical.
9. Turbina según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque el eje de giro
está en una posición principalmente horizontal.
10. Turbina según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque el medio fluido
es agua.
Applications Claiming Priority (4)
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| NO990039 | 1999-01-06 | ||
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Publications (1)
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