ES2277772B1

ES2277772B1 - Aerogenerador de eje vertical.

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Publication number: ES2277772B1
Application number: ES200502845A
Authority: ES
Inventors: Jorge Gines Guerrero
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-11-21
Filing date: 2005-11-21
Publication date: 2008-06-16
Anticipated expiration: 2025-11-21
Also published as: ES2277772A1

Abstract

Aerogenerador de eje vertical. El aerogenerador de la invención corresponde al tipo de eje vertical que comprende una pluralidad de palas verticales repartidas circunferencialmente respecto de un eje central vertical, cuyas palas son giratorias respecto a dicho eje central y son orientables respecto a su propio eje vertical según la dirección del viento. El rotor del aerogenerador de la invención consiste en una estructura rígida que soporta las palas espaciadas perimetralmente, las cuales están provistas de medios de desplazamiento giratorio alrededor del eje vertical y de medios de giro sobre su propio eje para su orientación y el estator consiste en una base sólida que está provista de medios de generación de energía. Cada pala incorpora un servomecanismo de posicionamiento de la misma en relación a la corriente incidente con un control óptimo de la orientación de las palas, que maximiza el par y la potencia.

Description

Aerogenerador de eje vertical.

Objeto de la invención

La presente invención tiene por objeto un aerogenerador de eje vertical, provisto de movimiento óptimo del ángulo de calado de las palas, que maximiza el rendimiento de este tipo de aerogeneradores.

Antecedentes de la invención

Actualmente se vive una creciente preocupación por el medio ambiente y un posible agotamiento no muy lejano de las energías tradicionales. Esta preocupación y la creciente influencia política de las organizaciones preocupadas por el medio ambiente han hecho que se mire hacia el campo de las energías alternativas para la producción de energía eléctrica. Dentro de las energías alternativas existen básicamente cuatro tipos: eólica, solar, geotérmica y mareomotriz. Cualquier otro tipo de energía derivada del reprocesamiento de desechos o explotación de alguna propiedad de los mismos no se incluye como una energía alternativa ya que no es una energía primaria.

La energía eólica no es nada novedosa, es una energía que ha sido explotada por diferentes civilizaciones, desde los grandes navegantes hasta los molinos de viento manchegos, holandeses y otros. Ahora se está viviendo un momento en el cual, la mejora de las tecnologías tanto en diseño como en producción posibilita que estas máquinas tengan rendimientos que facilitan la viabilidad comercial de su explotación. Técnicamente hablando, esto no es exactamente así en todos los casos. Esta creciente influencia, ha hecho que se haya propiciado un marco proteccionista de estas tecnologías. Esto podría enfocarse como negativo en algún caso pero en éste ha hecho que estas tecnologías lejos de estancarse, se desarrollen de una manera muy notable. Esto posibilitará que en un futuro inmediato muchas de estas tecnologías sean una alternativa económicamente viable, compitiendo con energías clásicas contaminantes.

En nuestros días las máquinas comerciales más competitivas se encuentran en torno a los 300 Euros/m^{2}. El interés repetidamente manifestado por los usuarios de estas tecnologías y particularmente por las compañías eléctricas de disponer de aerogeneradores de mayor tamaño unitario, llevó a la construcción de prototipos entorno a los 100 m de diámetro con el objetivo de escalar la tecnología existente. Actualmente se está construyendo un modelo de 5 MW y 120 m de diámetro enfocado hacia aplicaciones offshore.

En suma, la tecnología actual presenta un serio inconveniente. Así, hasta ahora se ha demostrado que este intento de escalado (aumento) de la potencia se ve contrarrestado por un incremento importante de los costes específicos. Las razones que llevan a este incremento de costes son físicas. Las cargas principales que actúan en un aerogenerador son función de D^{3}, diámetro, esto supone en primera aproximación que las masas específicas y consiguientemente los costes específicos de fabricación de los principales componentes se incrementan en relación a R^{3}, radio. La energía específica también se incrementa con el tamaño especialmente con el aumento de la altura, pero este hecho no compensa los incrementos de coste citados anteriormente. Así pues, parece razonable concluir que manteniendo los conceptos de diseño actualmente utilizados existe una limitación física que impide el alcanzar los mismos costes específicos para grandes aerogeneradores.

No se pueden construir aerogeneradores de mayor tamaño sin incrementar el coste unitario en gran medida. La alternativa es intentar cambiar la concepción de algunos elementos, o por lo menos, utilizar diseños innovadores. Esto ya se ha tratado de hacer con aerogeneradores de eje vertical de palas fijas que suministraban potencias entorno a los 4 Megavatios. Otro problema que surge en los aerogeneradores eólicos actuales es su falta de par de arranque. Los aerogeneradores se optimizan al máximo para su punto de funcionamiento pero esto, es prácticamente siempre, en detrimento del arranque. Este inconveniente existe, incluso en mayor medida en los aerogeneradores de tipo Darrieus que por concepción carecen de par de arranque. Los aerogeneradores de este tipo empiezan a generar par positivo a velocidades de giro muy altas a las que hay que lanzar el aerogenerador antes de empezar a producir energía. La tecnología hoy en día ofrece desarrollos muy diversos, pero en la actualidad la mayor parte de aerogeneradores instalados para la producción de energía eléctrica son de eje horizontal tri o bipala.

Los desarrollos en aerogeneradores de eje vertical son experimentales, tecnologías muy diversas que intentan mejorar la patente del Sr. Darrieus. Casi todos son intentos de mejorar a velocidades pequeñas los ángulos de incidencia de las palas sobre la corriente para generar un par no nulo como mecanismos de engranajes, sistemas de contrapesos etc.

Sumario de la invención

Los citados inconvenientes han sido totalmente eliminados mediante el aerogenerador de eje vertical objeto de la presente invención.

El aerogenerador de la invención corresponde al tipo de eje vertical, y que consiste en una estructura que comprende una pluralidad de palas esencialmente verticales repartidas circunferencialmente respecto de un eje central vertical, cuyas palas son giratorias respecto al citado eje central y son orientables respecto su propio eje vertical según la dirección del viento, y se caracteriza porque el rotor consiste en una estructura rígida que soporta al menos una pala repartidas perimetralmente y espaciadas, que están provistas de medios de desplazamiento y de medios de giro sobre su eje para su orientación, y porque el estator consiste en una base sólida y provista de los medios de generación de energía, estando provista la pala de un servomecanismo de posicionamiento de la misma en relación a la corriente incidente con un control óptimo de la orientación de las palas en función de características de cada pala, relativas a posición, velocidad angular, perfil y similares, que maximiza el par y la potencia.

Según la invención, la estructura rígida del rotor es solidaria de un eje vertical y se sostiene mediante un rodamiento central o perimetral que soporta las cargas de funcionamiento. Cada pala del rotor tiene un perfil constante, aunque eventualmente puede presentar cierta torsión para adaptarse a la diferencia de velocidad en aerogeneradores de gran altura y se orienta a la corriente incidente mediante el citado servomecanismo de posicionamiento. Asimismo, la falta de uniformidad de la corriente incidente en condiciones reales se corrige mediante dispositivos de
control.

Del mismo modo, la invención prevé que las palas incorporen medios de captación de energía solar tapizando las zonas expuestas al sol para alimentar el servomecanismo de posicionamiento de las palas.

Asimismo, puede incorporar escobillas y anillos para alimentar directamente los servomecanismos de posicionamiento de las palas y/o las baterías situadas en el rotor como contrapeso en el caso de que el rotor tenga las palas distribuidas sin simetría radial.

Por su parte, el rotor puede estar desprovisto de eje central incorporando un cojinete perimetral de levitación magnética para grandes instalaciones. En el caso de una aplicación off-shore o de sustentación en un lago las palas incorporan medios de flotación a modo de boya.

La invención incorpora un control de posición instantáneo en función de la velocidad para corregir las posibles variaciones y anisotropía de la corriente incidente, y unos anemómetros instantáneos colocados en cada pala en las secciones apropiadas que dan lecturas individualizadas a cada pala para orientarse exactamente en cada momento independientemente que todo el aerogenerador sea bañado por una corriente uniforme.

Según una realización de la invención, presenta un tren de palas distribuidas a lo largo de un recorrido de vías convencionales, y en su caso de levitación magnética con generadores posicionados a lo largo del recorrido engranados al movimiento lineal del tren de palas.

Estas y otras características se desprenderán mejor de la descripción detallada que sigue, para facilitar la cual se acompañan cuatro láminas de dibujos en las que se ha representado un caso práctico de realización que se cita solamente a título de ejemplo no limitativo del alcance de la presente invención.

Descripción de los dibujos

En los dibujos:

Las figuras 1 a), b) y c) ilustran sendos ejemplos de aerogeneradores de eje vertical según la técnica conocida (prior art) relativos a modelos de Gyromill, Evans y Lagarde, respectivamente.

Las figuras 2 a), b) y c) ilustran sendos ejemplos de la técnica conocida (prior art) según diseños españoles.

La figura 3 es una representación esquemática de una vuelta completa del aerogenerador según la presente invención.

La figura 4 es un diagrama que muestra una serie de variables en relación con la orientación de las palas según la invención.

Las figuras 5 a), b) y c) ilustran las curvas analíticas de coeficientes medio de par, instantáneo de potencia, y medio de potencia, respectivamente.

Las figuras 6 a) y b) ilustran las soluciones numéricas del sistema para una corriente incidente escalón, correspondientes al par instantáneo y a la potencia media (por vuelta), respectivamente.

La figura 7 ilustra una gráfica del coeficiente de potencia en función de la relación de velocidades, en la que se representan los rangos de funcionamiento de los aerogeneradores según las tecnologías conocidas, y el correspondiente a la presente invención.

La figura 8 es una vista en planta esquemática de una forma de realización preferida del aerogenerador de eje vertical según la presente invención.

La figura 9 es una vista en perspectiva de otra forma de realización preferida del aerogenerador de eje vertical de la invención a base de dos palas formando ángulo con el eje actuador central.

La figura 10 es una vista en planta esquemática de la realización de la figura 9.

La figura 11 es una vista en planta esquemática de un tren de palas.

Descripción detallada de una forma de realización preferida

De conformidad con los dibujos, se pone de relieve los intentos tecnológicos en todos los tiempos, desde los molinos de viento manchegos y holandeses, hasta nuestros días, de desarrollar la captación de la energía eólica, una energía limpia y no contaminante, y que en según las zonas geográficas, debido a la orografía, son muy abundantes, especialmente sistemas montañosos, como en los valles fluviales y en el mar, próximos en muchos casos a montañas o a grandes extensiones de terreno plano.

Las figuras 1a), b) y c) ilustran de modo esquemático los desarrollos de aerogeneradores de eje vertical desarrollados, respectivamente, por Gyromill, Evans y Lagarde, mostrando las distintas orientaciones y estructuras de las palas, todo ello según la técnica conocida.

Por su parte, las figuras 2a), b) y c) ilustran tres diseños españoles de la técnica conocida, para aerogeneradores de eje vertical y horizontal.

La presente invención tiene por objeto aglutinar las ventajas de los dos tipos de aerogeneradores de eje vertical y horizontal conocidos, y eliminar al propio tiempo los inconvenientes que presentan unos y otros, al objeto de optimizar al máximo un aerogenerador de eje vertical.

Según la presente invención, el rotor (R) consta de una estructura rígida que soporta una o más palas (1) repartidas perimetralmente y espaciadas según conveniencia (ver figuras 3, 4, 8, 9, 10). Según la invención, dicho rotor (R) puede ser solidario de un eje vertical (3), como se ilustra en las figuras 9 y 10, o bien carecer del citado eje vertical y sostenerse mediante un rodamiento perimetral (4) que soporta las cargas funcionales y se desplaza sobre rodamientos (4'), como se ilustra en la figura 8.

La presente invención prevé que cada pala con la referencia (1) del rotor (R) puede presentar un perfil constante, o presentar una cierta torsión, lo cual le permite adaptarse a la diferencia de velocidad en el caso de aerogeneradores de gran altura, y se orienta a la corriente incidente mediante un servomecanismo de posicionamiento, el cual se basa en un principio de movimiento que maximiza el par y la potencia. Más adelante se expondrán las ecuaciones, parámetros y variables del citado principio de movimiento según la presente invención.

En condiciones reales la corriente no es uniforme, cuyas desviaciones de las condiciones teóricas se corrigen a base de dispositivos de control. Todo lo cual ensancha la curva de potencia y maximiza el par de arranque.

En este orden, la figura 3 ilustra esquemáticamente en una vuelta completa del aerogenerador, como se orientan las palas (1) en cada posición en un instante dado y para una velocidad de rotación dada, que no sea nula.

Según la invención, las variables y parámetros más importantes analizados son:

q: Posición de la pala

q': Velocidad Angular de pala

V: Velocidad de la corriente incidente (vector)

l: Velocidad específica del aerogenerador

\alpha: Ángulo que forma la velocidad del aire relativo a la pala con la dirección de la velocidad absoluta del aire.

i: Ángulo de incidencia de la pala respecto al viento incidente.

Curva o Coeficiente de Par

Curva o Coeficiente de Potencia

En la figura 4 se ilustra un diagrama del primer cuadrante con las variables consideradas.

Según la presente invención, la fuerza tangencial, es decir, la excitación del sistema se puede expresar en función de: \alpha, \chi_{i}, \chi_{2}, \theta, \theta', V e i.

Teniendo en cuenta que el parámetro G que modifica la velocidad incidente en función de la potencia que se está extrayendo del aire incidente, dicho parámetro G tiene el valor aproximado G= \sigma*0.0955* \lambda^{2}.

\newpage

La citada fuerza diferencial que en realidad es el diferencial de la fuerza tangencial es:

Ecuación 1.dF_{t} = \frac{1}{2}\rho c V^{2}\left(\lambda^{2} + 2sin(\theta) + 1 \right)x(C_{d}(i)cos(\chi_{1}) + C_{S}(i)cos(\chi_{2}))

Siendo:

\rho = densidad del aire

c = cuerda del perfil de la pala.

C_{d} = coeficiente de arrastre del perfil.

C_{s} = coeficiente de sustentación del perfil.

A partir de la ecuación 1 se puede hallar:

Ecuación 2 a) y b)\frac{\partial F_{t}(\lambda, \theta, i)}{\partial i} = 0

\hskip1cm

i_{óptimo} = f(\theta, \lambda)

Obteniendo el valor óptimo de funcionamiento y del calado de la pala (1) en función de todos los demás parámetros.

Como se observa en la figura 4, el ángulo i está medido respecto a alfa (ángulo con el que la pala ve al aire incidente).

De lo anterior se llega a las expresiones de par y potencia y se obtienen las correspondientes curvas de par y potencia adimensionales, que caracterizan el aerogenerador de la presente invención.

Así, las figuras 5 a), b) y c) ilustran las curvas de los coeficientes de par medio por vuelta, de potencia instantáneo, y de potencia medio por vuelta.

De la ecuación 1 se puede plantear la ecuación diferencial dinámica del sistema, llegando a:

Ecuación 3M_{t}(\theta, \dot{\theta}, sin(\theta), C_{d}(\theta), C_{s}(\theta)) = I\ddot{\theta}

Siendo:

Mt = par o momento de la eólica aplicada en el rotor.

\Theta'' = aceleración angular de la pala.

I = momento de inercia.

que para el caso de dos palas y un desfase de 90° entre ellas se obtienen las curvas de par y potencia representadas en las figuras 6 a) y b), respectivamente, que son soluciones análogas a las representadas en las figuras 5 b) y c) respectivamente.

A continuación de ilustra un cuadro comparativo que representa, en respectivas columnas, las características de los aerogeneradores de eje horizontal, de eje vertical conocidos, y el aerogenerador de eje vertical según la presente invención.

\newpage

Cuadro comparativo

5

La figura 7 ilustra un gráfico del coeficiente de potencia (ordenadas) en función de la relación de velocidades a (abscisas) en el que se ilustran los rangos de distintas soluciones de aerogeneradores, y el de la presente invención que solapa todas las tecnologías existentes con una curva que sale fuera de la gráfica del rango de funcionamiento de cualquier tecnología de generación actual conocida.

En el gráfico de la figura 7 las distintas gráficas correspondientes a los rangos de distintas soluciones de aerogeneradores, corresponden a:

I.-: Multipla Americano (Savonius-Rotor).

II.-: Molino Holandés

III.-: Rotor Darrieus

IV.-: Tripala

V.-: Bipala

VI.-: Monopala

VII.-: L/D = \infty

VIII.-: Aerogenerador según la invención (Aerogenerador de eje vertical con control óptimo de orientación de palas).

Las figuras 8, 9 y 10 ilustran sendas realizaciones preferidas de aerogeneradores de eje vertical, según la presente invención, en las que se ilustran esquemáticamente los componentes principales relativos al rotor y al estator.

La figura 8 ilustra en planta una forma de realización preferida del aerogenerador de eje vertical según la presente invención, en la que el rotor (R) presenta una estructura rígida de configuración en estrella, en cuyos extremos de los brazos (2) presenta las respectivas palas (1).

Por un lado, la citada estructura de rotor (R) puede incorpora centralmente el eje vertical (3), al cual se unen los extremos superiores de las palas (1) mediante los radios (R') correspondientes, tal como se ilustra esquemáticamente en las figuras 9 y 10. Asimismo, la invención prevé que la estructura rígida del rotor (R) esté desprovista del eje vertical (3) y que las palas (1) estén soportadas por un rodamiento perimetral (4) previsto en los extremos de los brazos (2) que se desplaza sobre un a modo de carril o similar (4'), lo cual se ilustra a trazos en la figura 8.

Por otro lado, el estator (E) consiste en una base sólida (5) y está provisto de medios de generación de energía que transforma la energía eólica en energía eléctrica mediante la disposición rotor-estator convencional.

\newpage

Las palas (1) del aerogenerador de la presente invención pueden presentar un perfil constante, o bien pueden presentar cierta torsión para adaptarse a la diferencia de velocidad, en los aerogeneradores de gran altura, y cada pala se orienta a la corriente incidente mediante un servomecanismo de posicionamiento, siguiendo un movimiento que maximiza el par y la potencia.

Normalmente, en condiciones reales la corriente incidente no es uniforme y se aparta del modelo teórico, y ello se corrige mediante unos dispositivos de control. Todo lo cual, ensancha la curva de potencia y maximiza el par de arranque.

La invención prevé que las palas (1) incorporen en las zonas expuestas al sol, una serie de plaquetas para la captación de energía solar, que permite alimentar el servomecanismo de posicionamiento de las palas.

Las palas pueden incorporar medios de flotación a modo de boya.

Las palas pueden definir un ángulo apropiado teniendo en cuenta las diferencias de magnitud y dirección del viento en función de la altura.

El rotor, en ausencia de eje central, puede estar provisto de un cojinete perimetral de levitación magnética para grandes instalaciones.

La figura 10 ilustra otra forma de realización preferida de la invención, que consiste en un tren de palas (1) a lo largo de vías convencionales (6), y en su caso, de levitación magnética con generadores posicionados a lo largo del recorrido engranados al movimiento lineal del tren de palas.

Por supuesto, las palas están constituidas a base del material más idóneo.

La invención, dentro de su esencialidad, puede ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran solo en detalle de la indicada únicamente a título de ejemplo, a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba. Podrá, pues, realizarse este aerogenerador de eje vertical con los medios, componentes y accesorios más adecuados, pudiendo los elementos componentes ser sustituidos por otros técnicamente equivalentes, por quedar todo ello comprendido dentro de las reivindicaciones.

Claims

1. Aerogenerador de eje vertical, del tipo de que consiste en una estructura que comprende una pluralidad de palas (1) esencialmente verticales repartidas circunferencialmente respecto de un eje central vertical (3), cuyas palas son giratorias respecto al citado eje central y son orientables respecto a su propio eje vertical según la dirección del viento, caracterizado porque el rotor (R) consiste en una estructura rígida que soporta al menos una pala (1) que están espaciadas perimetralmente, en el que cada pala está provista de medios de desplazamiento giratorio alrededor del eje vertical (3), y de medios de giro sobre su propio eje para su orientación, y porque el estator (E) consiste en una base sólida (5) y provista de los medios de generación de energía, estando provista cada pala (1) del rotor de un servomecanismo de posicionamiento de la misma en relación a la corriente incidente con un control óptimo de la orientación de las palas (1) en función de características de cada pala, relativas a posición, velocidad angular, perfil y similares, que maximiza el par y la potencia.

2. Aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 1, caracterizado porque la estructura rígida del rotor (R) es solidaria de un eje vertical (3).

3. Aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 1, caracterizado porque la estructura rígida del rotor (R) se sostiene mediante un rodamiento perimetral (4, 4') que soporta las cargas de funcionamiento.

4. Aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 1, caracterizado porque cada pala (1) del rotor (R) es de perfil constante, y eventualmente con cierta torsión para adaptarse a la diferencia de velocidad en aerogeneradores de gran altura y se orienta a la corriente incidente mediante el citado servomecanismo de posicionamiento.

5. Aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 1, caracterizado porque la falta de uniformidad de la corriente incidente en condiciones reales se corrige mediante dispositivos de control.

6. Aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 1, caracterizado porque el estator (E) consiste en una base sólida (5) y está provisto de medios de generación de energía.

7. Aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 1, caracterizado porque las palas (1) incorporan medios de captación de energía solar tapizando las zonas expuestas al sol para alimentar el servomecanismo de posicionamiento de las palas.

8. Aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 1, caracterizado porque incorpora escobillas y anillos para alimentar directamente los servomecanismos de posicionamiento de las palas y/o las baterías situadas en el rotor como contrapeso en el caso de que el rotor tenga las palas distribuidas aleatoriamente a lo largo del perímetro del rotor.

9. Aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 1, caracterizado porque el rotor (R) está desprovisto de eje central y un cojinete perimetral de levitación magnética para grandes instalaciones.

10. Aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 1, caracterizado porque las palas (1) incorporan medios de flotación a modo de boya para posible aplicación off-shore.

11. Aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 1, caracterizado porque las palas (1) presentan un ángulo apropiado para optimizar su movimiento teniendo en cuenta las diferencias de magnitud y dirección del viento en función de la altura en cada sección del aerogenerador.

12. Aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 1, caracterizado porque incorpora un control de posición instantáneo en función de la velocidad para corregir las posibles variaciones y anisotropía de la corriente incidente, y unos anemómetros instantáneos colocados en cada pala (1) en las secciones apropiadas que dan lecturas individualizadas a cada pala para orientarse exactamente en cada momento independientemente que todo el aerogenerador es bañado por una corriente uniforme.

13. Aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un tren (T) de palas (1) distribuidas a lo largo de un recorrido de vías convencionales (6), y en su caso de levitación magnética con generadores posicionados a lo largo del recorrido engranados al movimiento lineal del tren de palas.