ES2234434A1 - Aerogenerador de sustentacion superconductora. - Google Patents

Abstract

Aerogenerador de sustentación superconductora. La presente invención introduce un nuevo concepto de aerogenerador que no necesita sistemas mecánicos de acoplamiento, como puede ser el sistema multiplicador del aerogenerador convencional, ya que se sustituye por un sistema donde la turbina o rotor se sustenta o levita en posición horizontal sobre una plataforma que hace las funciones de inducido o estator, además de alojar unos materiales superconductores que, a la temperatura adecuada y enfrentados a un campo magnético externo, producen el efecto de levitación, y por tanto de cojinete sin rozamientos mecánicos. La turbina con sus aspas se dispone de forma horizontal y todo el sistema está encerrado en una carcasa vertical, con una o más aberturas en su parte inferior para poder canalizar el aire hacia la turbina. Tal sistema es capaz de hacer las funciones de generador eléctrico, ya que la turbina dispone de imanes permanentes, que realizan las funciones de inductor o rotor.

Description

Aerogenerador de sustentación superconductora.

Sector de la técnica

Turbinas eólicas de pseudoeje vertical sustentadas por levitación magnética.

Estado de la técnica

La superconductividad se conoce desde 1912, pero incluso en la actualidad, tras el descubrimiento de las cerámicas superconductoras de alta temperatura en las décadas 80 y 90, no se han extendido aplicaciones para unos materiales con propiedades tan valiosas. Una de las posibles aplicaciones de la superconductividad es el uso de cojinetes sin rozamientos mecánicos en turbinas eólicas, asociados a las cerámicas superconductoras de alta temperatura (100 K) de tipo II.

Un cojinete es un elemento que permite el movimiento de una parte mecánica respecto a otra, como, por ejemplo, el movimiento de la rueda de un coche respecto a su eje fijo. En los cojinetes mecánicos convencionales, la continua rotación del elemento provoca a largo plazo un desgaste de los materiales que están en contacto tanto en el cojinete como en el elemento fijo, que se traduce finalmente en un desequilibrio del movimiento rotatorio e incluso en rotura de los cojinetes más pérdidas de energía motriz.

Existen varias técnicas para disminuir y prevenir el desgaste de las partes móviles en una máquina, que consisten en el empleo de lubricantes que se aplican como una delgada película entre las partes que giran a fin de reducir la fricción, el calor y el desgaste, o en la construcción de los cojinetes con materiales que ofrecen un coeficiente de rozamiento bajo.

También se han intentado realizar sistemas que mantienen en suspensión la parte móvil, que llamaremos rotor, y de forma independiente a la parte fija, que llamaremos estator, evitando así cualquier contacto físico, y en consecuencia, la fricción, el calor y el desgaste. Para ello se ha propuesto el uso de imanes permanentes cuyos campos magnéticos se repelan y mantengan las partes móvil y fija sin contacto. En tales aplicaciones, se montan alternadamente varios anillos de hierro y anillos magnetizados axialmente tanto en el rotor como en el estator en los que los polos de misma polaridad en el rotor y el estator están enfrentados y por lo tanto se repelen. Sin embargo, esta configuración tiene el problema de que pequeñas diferencias en los campos magnéticos generados por los imanes pueden provocar un gran desequilibrio del sistema.

El empleo de materiales superconductores ha permitido hallar una forma de mejorar la estabilidad de un sistema compuesto por un rotor que gira entre un estator fijo. Al confrontar un imán con un material superconductor a temperatura ambiente, las líneas de campo magnético del imán atraviesan el superconductor. Pero al refrigerar el material por debajo de una determinada temperatura, llamada crítica, el material presenta sus propiedades superconductoras y se produce el efecto Meissner, por el cual las líneas de campo magnético no pueden atravesar el material superconductor y el imán levita. Este principio ya se utiliza actualmente en los trenes de propulsión Maglev, como los que circulan en Japón, los cuales ofrecen grandes posibilidades en el transporte terrestre de alta velocidad.

Entre los materiales superconductores existentes actualmente destacan los del tipo II de alta temperatura crítica (alrededor de 100 K). Estos materiales son especialmente interesantes porque si son sometidos a una determinada intensidad de campo magnético procedente de un imán, parte de dicho campo penetra en el superconductor, generando unos torbellinos de corriente conocidos como vórtices. Los defectos del material hacen que estos vórtices queden fijados en la red cristalina del material, permitiendo así un autocentrado del campo magnético. Como consecuencia, el flujo magnético que ha penetrado en el superconductor no puede variar, lo que provoca una fuerza de estabilización que permite que el imán quede flotando sobre el superconductor de manera estable.

Existen algunas patentes publicadas sobre diseños de cojinetes superconductores, tales como por ejemplo, la US6369476 (9/4/2002) o la US6608417 (19/8/2003). Incluso también hay algunas aplicaciones de la superconductividad en máquinas eléctricas cuyos rotores están basados en la fuerza sustentadora que ofrecen los materiales superconductores, como por ejemplo, las descritas en la patentes US4430589 (7/2/1984) o la US6489701 (3/12/2002). Estas máquinas básicamente están compuestas de un estator, un rotor que gira sin rozamiento dentro del conjunto estator y un sistema de refrigeración para mantener a la temperatura adecuada al material superconductor.

Por otra parte, los generadores eólicos hasta el presente se han basado en diseños en los que el rotor tiene una disposición vertical, tal como el desarrollado por Darrieus a principios del siglo XX, o una disposición horizontal, más extendida, tal como por ejemplo en los diseños presentados en las patentes P9701076 (16/2/2000) o P200200250 (16/10/2003). Tanto en un caso como en otro, los rotores de tales turbinas eólicas se mantienen en contacto mecánico con el estator, perdiendo por lo tanto parte de la energía recibida por el viento en forma de calor por rozamiento y produciéndose un desgaste físico de los materiales.

Asimismo, los aerogeneradores convencionales de eje horizontal presentan un problema de escalado a mayores potencias nominales que las actuales, debido en gran parte a la complejidad constructiva de su rotor.

Breve descripción de la invención

La presente invención introduce un nuevo concepto de aerogenerador que no necesita sistemas mecánicos de acoplamiento, como puede ser el sistema multiplicador del aerogenerador convencional, ya que se sustituye por un sistema donde la turbina o rotor se sustenta o levita en posición horizontal sobre una plataforma que hace las funciones de inducido o estator, además de alojar unos materiales superconductores que, a la temperatura adecuada y enfrentados a un campo magnético externo, producen el efecto de levitación, y por tanto de cojinete sin rozamientos mecánicos. La turbina con sus aspas se dispone de forma horizontal y todo el sistema está encerrado en una carcasa vertical, con una o más aberturas en su parte inferior para poder canalizar el aire hacia la turbina. Tal sistema es capaz de hacer las funciones de generador eléctrico, ya que la turbina dispone de imanes permanentes, que realizan las funciones de inductor o rotor.

Para una determinada potencia del aerogenerador, la energía cinética del viento necesaria para impulsar el rotor propuesto es menor que la necesaria para el rotor mecánico de eje horizontal, por lo que la turbina propuesta puede instalarse en zonas de menor potencial eólico, y creando un menor impacto ambiental. Además, al igual que los aerogeneradores de eje vertical, no tiene una dependencia acusada de la dirección del viento. Y con respecto a los de eje horizontal posee un menor par de arranque, incluso menor que el de las turbinas eólicas lentas convencionales.

Descripción de las figuras

Fig. 1: Vista superior que muestra la turbina eólica en el interior del conducto canalizador del viento incidente.

Fig. 2: Vista en alzado que muestra por transparencia la ubicación de la turbina eólica en el interior del conducto canalizador del viento incidente.

Fig. 3: Vista isométrica de la turbina eólica en el interior del conducto canalizador del viento incidente.

Fig. 4: Corte vertical correspondiente al círculo señalado en la Fig. 2, que muestra con mayor detalle parte del estator, del rotor, la ubicación de las pastillas superconductoras junto con el canal de refrigeración de dichas pastillas, y los rodamientos del sistema de seguridad enclavados en las paredes de la carcasa del aerogenerador.

Fig. 5: Esquema de una aplicación en la que la turbina recibe un flujo de aire que tiene su origen en el efecto de calentamiento que produce el invernadero situado a los pies del tubo de canalización.

Fig. 6: Esquema de una aplicación en la que la turbina recibe un flujo de aire mediante un sistema de captación que sigue la dirección del viento incidente. Cerca de la base del tubo de conducción de la eólica se sitúa una abertura giratoria dotada de una veleta de orientación.

Fig. 7: Esquema de una aplicación en la que la turbina recibe un flujo de aire procedente de una dirección determinada del viento incidente.

Fig. 8: Esquema de una aplicación que muestra la sección vertical de una montaña o colina donde se ha representado un túnel por el que circulan corrientes de aire ascendentes, y en la que la turbina eólica se sitúa en la salida del túnel.

Descripción detallada de la invención

El aerogenerador propuesto permite aprovechar regímenes de vientos de baja intensidad utilizando superconductores e imanes de alta remanencia y coercitividad elevada.

El aerogenerador consiste en una turbina eólica de eje vertical paralelo a la dirección del viento encerrada en una carcasa o tubo exterior para la canalización del viento (4), como se muestra esquemáticamente en las Figs. 1, 2 y 3. Esta carcasa protege a la turbina del viento lateral y de condiciones meteorológicas desfavorables. La turbina no presenta ningún eje mecánico, de forma que se sustenta gracias a un sistema de cojinetes formado por material superconductor e imanes permanentes. El carenado con forma de anillo (1) que une los extremos de las aspas (2) del rotor proporciona solidez al conjunto y en él su ubican los imanes que forman parte del sistema de sustentación y del generador eléctrico.

La turbina eólica hace al mismo tiempo de rotor del generador, de forma que con esta disposición se consigue un único elemento compacto en el que el sistema de sustentación y el generador son uno solo. Esta configuración permite eliminar las pérdidas por rozamiento y minimizar los esfuerzos mecánicos.

De este modo, en primer lugar, se elimina cualquier necesidad de sistema multiplicador puesto que se aprovecha la elevada velocidad lineal del perímetro, situando en éste el propio generador, con lo que se consigue suprimir todo elemento de transmisión mecánico de la energía absorbida por el colector eólico. Gracias al sistema de levitación magnética que proporcionan los materiales superconductores de tipo II, el generador arrancará con vientos de baja intensidad, con lo que el rango de vientos susceptibles de ser aprovechados se amplía considerablemente.

La turbina eólica es un rotor carenado. El anillo exterior (1) que envuelve las palas (2) tiene la función básica de servir como soporte a dos series de imanes permanentes (6 y 11), tal como se aprecia en la Fig. 4. Estos imanes deben estar pegados a la eólica, ya que la primera serie de dichos imanes (6) se encarga de la sustentación, pues están enfrentados a las pastillas de material superconductor (7), y la segunda serie de imanes (11) constituye los polos del alternador del aerogenerador. Otra función de este anillo es ofrecer una guía de seguridad a la eólica en caso de que falle el sistema de sustentación a través de superconductores. El anillo tiene una forma tal que permite ubicar los imanes permanentes y al mismo tiempo ofrecer una superficie de contacto con las ruedas de seguridad (8) por si se produce un fallo en el sistema de sustentación. Estas ruedas (8) están sujetas convenientemente a la carcasa exterior (4).

El estator está formado, por una parte, por un anillo fijo (5) soldado a la carcasa (4) mediante un soporte (15) y situado debajo del anillo (1). Por otro lado, también forma parte del estator otro elemento anular (10) sujeto a la carcasa (4) y situado en posición superior (ver Fig. 4), enfrentado verticalmente con una serie de imanes permanentes (11) colocados en el anillo exterior (1) de la turbina. Estos imanes (11) realizan la función de inductor sobre el estator. En el elemento anular (10) se arrollan las bobinas del estator (inducido). Además, en el estator se localiza el material superconductor que está dispuesto en forma de pastillas o cilindros (7) que reposan sobre el hueco dispuesto a tal fin en la parte superior de un conducto (13) por cuyo interior (12) circula un fluido refrigerante, tal como nitrógeno líquido. Este conducto tiene forma anular y está hecho de un material con elevada conductividad térmica (por ejemplo, cobre, aluminio, etc.). Se coloca justo debajo del anillo de la turbina eólica, en el que van enganchados los imanes permanentes para conseguir que se produzca la levitación gracias al efecto Meissner. Este conducto anular va recubierto por sus partes laterales e inferior de una o más capas de aislante térmico (14). La única parte del conducto no aislada es su parte superior sobre la que sitúan las pastillas superconductoras (7).

Esta turbina tiene varias ventajas respecto a las turbinas eólicas convencionales de eje horizontal. Por un lado, el viento ejerce sobre toda la turbina la misma fuerza, es decir, no existen áreas de la turbina que reciban solicitaciones distintas en determinados momentos. Por otro lado, el buje (3) no soporta el peso de la turbina, lo que permite diseñar un buje sencillo, con la única función de unir las palas de la turbina. Además el perfil de las palas (2) puede mantener sus proporciones y forma a lo largo de la longitud de las palas; es decir, su diseño es mucho menos complejo que el de las eólicas convencionales, lo que permite abaratar de forma muy considerable su coste de fabricación e incluso su producción a gran escala.

La turbina aquí propuesta levita por efecto de confrontar los imanes situados en el anillo externo de la misma con el material superconductor colocado en el estator. Sin embargo, el aerogenerador dispone de un sistema de seguridad mediante rodamientos y ruedas que permiten soportar el peso de la turbina eólica en caso de fallo del sistema de levitación. Este sistema de seguridad se basa en varias ruedas (8) colocadas en la periferia de la carcasa de conducción del viento (4) y sujetas a ésta, que tienen la función tanto de soportar el peso de la turbina en caso de caída de la misma como de evitar un hipotético levantamiento de la turbina por acción del viento incidente. Para ello, el anillo exterior (1) de la turbina tiene un perfil en U tumbada con la holgura suficiente como para que puedan entrar en él las ruedas de seguridad (8) sin rozarlo. Asimismo, existe un conjunto de ruedas o rodamientos (9) que evitan el descentraje lateral de la turbina. El uso de materiales superconductores de tipo II en las pastillas (7) contribuye también un autocentrado de la turbina por si misma.

La generación eléctrica se basa en los mismos principios físicos de un generador eléctrico rotativo, es decir, si mediante un imán o electroimán se genera un campo magnético y se atraviesan sus líneas por un conductor en movimiento, la variación del flujo magnético creado, que atraviesa ese conductor, induce una tensión en él llamada fuerza electromotriz o fem. Si se cierra el circuito del conductor, la fem origina un nuevo campo magnético que influirá en el campo que crea el imán. Por lo tanto si se varia la velocidad de movimiento del conductor, variará el flujo magnético que le atraviesa y por lo tanto la fem inducida en el conductor.

Si en el caso anterior mantenemos el conductor o espira en reposo, haciendo que sea el campo magnético el que experimente un movimiento giratorio relativo respecto al conductor, se produce igualmente una fem inducida en el conductor. Este es el principio básico de todo generador de corriente alterna o síncrono.

La ventaja que se obtiene estriba en que la corriente alterna se puede extraer de los bornes fijos y no de elementos sometidos al continuo rozamiento como las escobillas de las máquinas eléctricas de corriente continua. La corriente inducida se produce en este caso en los devanados con núcleo de hierro, que están en reposo y se encuentran distribuidos en la parte interior del estator o armadura, que es esencialmente un cilindro hueco con ranuras longitudinales en las que se alojan las bobinas del devanado de armadura. Estos devanados llevan la corriente suministrada por el generador síncrono.

Los polos generadores del campo magnético se encuentran en la parte giratoria o rotor del generador eléctrico. Normalmente los polos del rotor se crean con electroimanes alimentados con corriente continua suministrada desde el exterior, mediante anillos rozantes y escobillas o desde una fuente instaladas sobre el eje. Dicha corriente continua recibe el nombre de corriente de excitación del devanado de campo.

En el aerogenerador de la presente invención, el rotor lo compone la propia turbina eólica o palas, y el devanado de campo o electroimanes del rotor se sustituyen por imanes permanentes (11). Por lo tanto, los polos que generan el campo magnético son los propios imanes permanentes, los cuales no necesitan ningún tipo de alimentación o corriente de excitación. Dichos imanes van pegados al anillo (1) solidario a las palas (2).

Ya que la velocidad del viento es variable, el generador de corriente alterna síncrono ha de funcionar a velocidad variable, por lo que el acoplamiento entre el alternador y la red eléctrica de frecuencia fija se establece mediante un convertidor de frecuencia, situado directamente entre el estator y la red.

Modo de realización preferente de la invención

Entre las diferentes maneras de aplicar esta invención, se plantean a modo de ejemplo cuatro posibilidades:

La primera aplicación (Fig. 5) se trata de una central eólico-solar que comprende la turbina eólica descrita con su carcasa externa (4) que actúa de chimenea, apoyada sobre unos pilares en el suelo (16). Al pie de la carcasa hay dispuesto un invernadero (17). El aire calentado por el Sol bajo el invernadero produce un flujo ascensional (18) hacia la chimenea. Este flujo atraviesa la turbina eólica y la hace girar produciendo electricidad. El suelo bajo el invernadero actúa de acumulador de calor. De esta forma, la producción de energía no se limita a las horas de sol, sino que aprovechando la acumulación de calor del suelo, se puede extender su producción durante la noche, aunque con un rendimiento sensiblemente inferior. Se pueden prever también aplicaciones sobre el mar o lagos del tipo off-shore.

En la segunda aplicación (Fig. 6), se dispone de un armazón interior (23) que realiza la función de estructura, al que se fija el conducto de aire (4). Este conducto está dividido en dos secciones, dejando un espacio (21) en medio de estas dos secciones, en que se instala una abertura giratoria que permite el paso del aire y que se orienta con la dirección del viento a través de una veleta (19). En esta aplicación, la abertura que permite el paso del aire se encuentra en una banda giratoria (20) de, por ejemplo, material plástico ligero. Esta banda gira sobre la parte inferior del tubo de conducción de aire mediante un sistema de cojinetes realizado uniendo tiras de tejido deslizante y disponiéndolas a lo largo del perímetro del tubo de conducción. Esta aplicación está orientada a localizaciones en las que no exista una dirección predominante del viento, es decir en zonas con vientos cambiantes.

A partir de esta aplicación, puede plantearse otra alternativa (Fig. 7) que es una variante simplificada de la anterior. El aerogenerador se instala en una zona donde exista una dirección de viento predominante haciendo pasar el flujo de aire a través de una abertura fija en el tubo de conducción exterior encarada en dicha dirección. De esta forma se elimina la necesidad de la banda giratoria (22) y de la veleta (19), dejando únicamente una abertura fija (21) en la carcasa exterior (4).

Por último, esta invención puede aplicarse aprovechando accidentes geográficos como colinas, valles, túneles (Fig. 8), etc. para situar la turbina, de tal manera que se consiga un efecto acelerador del viento. El aprovechamiento de dichos accidentes naturales presenta dos ventajas: primera, una mayor velocidad del viento, lo que se traduce en un mayor potencial eólico, y segunda, no hace necesario el uso de una carcasa artificial para la conducción del viento, ya que dichos accidentes geográficos tienden a concentrar el flujo de aire, y además, el impacto visual es prácticamente nulo. Igualmente, en el mismo sentido, la invención puede emplearse en edificios de media o elevada altura.

Claims (10)

1. Máquina de energía eólica que comprende una turbina eólica de pseudoeje vertical paralelo a la dirección del viento, encerrada en una carcasa o tubo exterior para la canalización del viento, y caracterizada porque no presenta ningún eje mecánico, de forma que se sustenta por levitación magnética gracias a un sistema de cojinetes formado por la repulsión que se produce entre un conjunto de elementos compuestos de material superconductor refrigerado por debajo de su temperatura crítica y un conjunto de imanes permanentes, dispuestos ambos conjuntos, respectivamente, en un anillo inferior (5) y un anillo superior (1), y estando enfrentados horizontalmente, constituyendo el anillo inferior parte del estator de la máquina eólica y el anillo superior parte del rotor de dicha máquina.

2. Máquina de energía eólica según la reivindicación 1, caracterizada porque la turbina está dispuesta horizontalmente y formada por un buje y un conjunto de palas de perfil simple y uniforme y carenada por un anillo exterior al cual los extremos de las palas están unidas, y porque dicha turbina actúa de rotor del generador eléctrico por medio de una serie de imanes permanentes ubicados en posición vertical en el anillo exterior (1), enfrentados al inducido del estator.

3. Máquina de energía eólica según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque el estator está formado por un elemento anular (10) en el cual están enrolladas las bobinas del inducido del generador eléctrico, y que está sujeto a la carcasa y enfrentado verticalmente con una serie de imanes permanentes (11) colocados en el anillo exterior (1) que actúan de inductor.

4. Máquina de energía eólica según las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque dispone de un sistema de seguridad formado por dos series de rodamientos o ruedas sujetos a la carcasa, una serie en posición vertical (8) y otra serie en posición horizontal (9), que topan con el anillo exterior (1) de la turbina eólica en caso de fallo del sistema de sustentación magnética o de descentraje lateral, respectivamente.

5. Máquina de energía eólica según las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el anillo exterior (1) de la turbina tiene un perfil en U tumbada con la holgura suficiente como para que puedan entrar en él las ruedas de seguridad (8) sin rozarlo cuando el rotor está girando suspendido por levitación magnética.

6. Máquina de energía eólica según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque en el estator se localiza el material superconductor que está dispuesto en forma de pastillas o cilindros (7) que reposan sobre el hueco dispuesto a tal fin en la parte superior de un conducto (13) por cuyo interior (12) circula un refrigerante que permite mantener al material superconductor por debajo de su temperatura crítica como para producir levitación por efecto Meissner, y porque tal conducto tiene forma anular, construido con un material de elevada conductividad térmica, y recubierto por sus partes laterales e inferior de una o más capas de aislante térmico (14).

7. Máquina de energía eólica según las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque la abertura de entrada de aire puede estar situada lateralmente a través de una rendija practicada sobre la carcasa.

8. Máquina de energía eólica según las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque el aire puede entrar por la parte inferior de la carcasa, la cual se sostiene sobre unos pilares apoyados en el suelo y hay dispuesta una serie de cubiertas transparentes a la radiación solar incidente en la base de la carcasa y rodeando a la máquina, que actúan de invernadero y canalizan el viento resultante hacia el interior de la carcasa por su parte inferior.

9. Máquina de energía eólica según las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque la carcasa puede disponer de un armazón interior que realiza la función de estructura, al que se fija el conducto de aire que está dividido en dos secciones, dejando un espacio en medio de estas dos secciones, en el que se instala una abertura giratoria que permite el paso del aire y que se orienta con la dirección del viento a través de una veleta.

10. Máquina de energía eólica según las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque la turbina puede instalarse en el interior de túneles verticales artificiales o naturales con una o más entradas y una salida de aire, lo cual no hace necesario el uso de una carcasa para la conducción del viento.