ES2280260T3 - Torre eolica con aceleracion de flujo. - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a una torre eólica con un rotor de palas conectado a dispositivos para la conversión de la energía del viento en energía de otro tipo, que incorpora una conducción de encauzamiento del viento con un estrechamiento entre la parte de entrada y salida que, en una de sus posibles realizaciones, está situado en la parte central de la conducción con el rotor dispuesto a su vez en el centro del estrechamiento. Se propone así mismo una torre eólica con un rotor que barre una zona en forma de corona circular y unas conducciones de encauzamiento con estrechamientos apropiados para esa forma ú otras similares. La torre eólica puede incluir también un estimulador eólico en la boca de entrada de la conducción y medios de cierre de la misma.
Description
Torre eólica con aceleración de flujo.
La presente invención se refiere a
aerogeneradores destinados a captar la energía del viento y
transformarla en energía eléctrica, mecánica o de otro tipo.
En los aerogeneradores a los que se refiere la
presente invención, hay tres áreas problemáticas que han sido
objeto de diversas propuestas técnicas.
En primer lugar, la optimización del
aprovechamiento de la fuerza del viento ha conducido tanto a
propuestas de aerogeneradores en los que las palas de los rotores
tengan formas apropiadas para acercarse a los máximos niveles
potenciales de aprovechamiento de la energía del viento descritos en
la teoría de Betz, evitando especialmente los factores limitativos
debidos a las turbulencias, como a propuestas de aerogeneradores con
rotores de orientación variable para ajustarse a la dirección del
viento.
En segundo lugar, también se conocen diversos
tipos de soluciones para afrontar los problemas mecánicos planteados
especialmente en los aerogeneradores con rotores de palas de gran
tamaño y, de hecho, existen en la actualidad aerogeneradores con
diámetros de rotor comprendidos entre 60 y 80 m., que funcionan
satisfactoriamente.
En tercer lugar, la problemáticas de la
conversión de la energía del viento en, especialmente, energía
eléctrica ha sido objeto de diversas propuestas técnicas.
A pesar de que la técnica conocida ha logrado
aerogeneradores que, contra lo que se pensaba en un inicio, han
logrado niveles aceptables de rentabilidad para producir energía
eléctrica, tales aerogeneradores, especialmente los de gran tamaño,
implican instalaciones muy complejas y requieren inversiones muy
elevadas que limitan su aplicación.
La presente invención está dirigida a la
solución de esos inconvenientes. Mientras que las diversas
propuestas mencionadas ha actuado básicamente sobre uno de los
factores determinantes de la producción de energía: la superficie
de barrido de las palas del rotor, resolviendo los problemas
derivados de la utilización de mayores diámetros de rotores para
alcanzar mayores potencias, la presente invención propone actuar
sobre el otro factor: la velocidad del viento, acelerando su
flujo.
Este es también el propósito de los dispositivos
descritos en los documentos de patente FR 1 035 426 y FR 2 450 252.
En particular, FR 2 450 252 describe un dispositivo eólico que tiene
una hélice rotatoria o turbina dentro de un conducto de
canalización del viento.
Según el primer objeto de la invención, se
proporciona una torre eólica con rotores de palas que giran en un
eje horizontal conectados a dispositivos para la conversión de
energía del viento en energía de otro tipo, que incorpora una
conducción de encauzamiento del viento con un estrechamiento en su
parte central, donde se sitúa un rotor del tipo conocido que barre
una superficie circular en la parte central de dicho estrechamiento.
Con esa estructuración se provoca una aceleración del flujo del
viento que permite que con rotores de diámetros reducidos se
consigan resultados similares a los obtenidos, actualmente, con
rotores de diámetros mucho mayores. Por su parte, la incorporación
de la conducción simplifica considerablemente la problemática
derivada de la utilización de rotores de gran diámetro tanto en sus
aspectos mecánicos como en los aspectos ligados a los dispositivos
de conversión en energía eléctrica ú otro tipo de energía.
Se ha utilizado el término "torre eólica"
para nombrar el objeto de la presente invención, en lugar del de
aerogenerador u otros nombres utilizados para cualquier dispositivo
de transformación de la energía eólica en otro tipo de energía,
porque, aunque tienen fines similares, la incorporación de la
mencionada conducción le confiere un aspecto externo muy
diferente.
Según el segundo objeto de la invención se
proporciona una torre eólica que incorpora una conducción de
encauzamiento del viento con un estrechamiento en forma de corona
circular, en el que se sitúa un rotor cuyas palas están
configuradas de forma apropiada para actuar sobre una zona de
barrido en forma de corona circular.
De acuerdo con el primer y segundo objetos de la
invención, el tercer objeto de la invención se refiere a la
inclusión adicional en las torres eólicas de medios de cierre de la
boca de entrada de la conducción de encauzamiento del viento y
medios de regulación de la velocidad de entrada del viento al efecto
de proporcionar a los rotores asociados a los correspondientes
medios de generación de energía un flujo de viento de velocidad
óptima para la transformación de la energía eólica en otro tipo de
energía.
Otras características y ventajas de la presente
invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue de
una realización ilustrativa, y en ningún sentido limitativa, de sus
objetos en relación con los dibujos que se acompañan.
La Figura 1 muestra vistas en alzado lateral, a
la izquierda, y en alzado frontal, a la derecha, de un aerogenerador
conocido en la técnica.
La Figura 2 muestra detalladamente los elementos
constitutivos de un aerogenerador conocido en la técnica.
La Figura 3 muestra vistas en sección vertical,
a la izquierda, y en alzado frontal, a la derecha, de una torre
eólica según el primer objeto, y también el tercero, de la presente
invención.
La Figura 4 es una vista en sección longitudinal
de la conducción de encauzamiento de la torre eólica según el
primer objeto, y también el tercero, de la presente invención.
La Figura 5 es una vista en sección longitudinal
de la conducción de encauzamiento de la torre eólica según el
segundo objeto de la presente invención, y también el tercero.
La Figura 6 es una vista frontal del rotor en
forma corona circular utilizado en la torre eólica según el segundo
objeto de la presente invención.
Las Figuras 7 y 8 muestras vistas análogas a las
de las Figuras 5 y 6 de una variante de realización de la torre
eólica según el segundo objeto de la presente invención.
Siguiendo las Figs. 1 y 2 puede observarse que
un aerogenerador (1), conocido en la técnica para la producción de
energía eléctrica, está formado por una torre de sustentación (2),
un rotor (3) con tres palas (5, 6, 7) y una barquilla (4) que
contiene los elementos necesarios para la generación de energía
eléctrica, incluyendo un generador (10) acoplado con el cubo (11)
del rotor (3) a través del eje (12) sobre el que también se sitúa
un multiplicador (13), y para el control de la orientación y el
movimiento del rotor (3), incluyendo unas unidades motorreductoras
(15) y una unidad hidráulica (16) para alimentar el freno y el
mecanismo de regulación del paso de las palas.
Describiremos seguidamente la torre eólica (20)
según el primer objeto de la invención siguiendo la Fig. 3 en la
que puede observarse que está formada por una estructura de
sustentación (21), un conducto (22) con una boca de entrada (23),
un estrechamiento central (24) y una boca de salida (25), una
barquilla (26), un rotor (30) con palas (31, 32, 33) y, según el
tercer objeto de la invención, un estimulador eólico (35), con
palas (36, 37, 38).
La diferencia fundamental entre el aerogenerador
conocido (1) y la torre eólica (20) según la invención reside en la
incorporación del conducto (22) con el estrechamiento central (24),
destinado a acelerar el flujo del viento en la zona en la que se
sitúa el rotor (30). La mencionada aceleración permite que, para
objetivos de potencia similares, el diámetro del rotor (30) de la
torre eólica (20) sea sensiblemente menor al del rotor (3) del
aerogenerador (1), lo que propicia una simplificación ventajosa de
la construcción de la torre eólica (20).
En ese sentido, debe observarse que las torres
de sustentación (2) de los aerogeneradores (1) conocidos deben ser
altas para captar el viento de mayor velocidad de los niveles
superiores y para que el extremo de las palas (5, 6, 7) pase a una
distancia prudencial del terreno, y esbeltas para evitar que las
palas puedan colisionar con ellas debido a la fuerte flecha de su
extremo pues tales palas funcionan estructuralmente como vigas en
voladizo de poco canto, por razones aerodinámicas, y su longitud
puede alcanzar, como hemos dicho, 30-40 m. Esas
exigencias de altura y esbeltez plantean, como bien se comprende,
problemas constructivos importantes. Por su parte, la menor
dimensión del rotor (30) permite una mayor velocidad angular de
rotación que podría eliminar la necesidad de los multiplicadores
(13) utilizados en los aerogeneradores conocidos.
Según se muestra en mayor detalle en la Fig. 4,
la conducción (22) está configurada para provocar una corriente de
viento, indicada mediante las líneas con flechas, de dirección
sensiblemente perpendicular al plano de barrido del rotor (30),
acelerando su velocidad respecto a la de entrada en la conducción,
distinguiéndose una primera zona (43) para recibir el viento, de
sección circular constante, una segunda zona (44), para acelerar el
flujo del viento, con una primera parte (45) de sección circular
progresivamente decreciente, una segunda parte (46) de sección
constante, al final de la cual se sitúa el rotor (30) y una tercera
y cuarta zonas (47, 48) para evacuar el viento, de configuración
sensiblemente simétrica a las mencionadas segunda y primera zona
(44, 43), respectivamente.
En las Figs. 3 y 4 se ha representado una
conducción (2) de sección transversal circular en todas sus zonas
pero la invención también comprende conducciones de secciones
transversales de cualquier forma apta para encauzar las corrientes
de viento de manera que en el estrechamiento central (30) su
dirección sea sensiblemente perpendicular al plano de barrido del
rotor (30).
La barquilla (26) albergaría medios similares a
los contenidos en la barquilla (4) del aerogenerador (1) conocido
en la técnica para la generación de energía y para controlarla
orientación y el movimiento del conjunto de la conducción (22) y el
rotor (30).
Se ha representado la estructura de sustentación
(21) de la torre eólica (20) en forma rectangular meramente para
indicar que no tendría los requerimientos de altura y esbeltez de
las torres de sustentación (1) de los aerogeneradores conocidos en
la técnica, pudiéndose emplear cualquier estructura conveniente.
Se estima que una torre eólica (20) según la
invención de 250 kW de potencia requeriría una conducción (22) con
una boca de entrada (23) de unos 8 metros de diámetro y un rotor
(30) con una superficie de barrido de unos 6 m de diámetro. Un
aerogenerador conocido (1) de 250 kW de potencia requiere un rotor
con una superficie de barrido de unos 30 m de diámetro.
Como segundo objeto de la invención se propone
una torre eólica en la que, siguiendo la Fig. 5, se observa que el
conducto (22) presenta un estrechamiento (51) en forma de corona
circular y un rotor (52) con una superficie de barrido de esa misma
forma.
El mencionado estrechamiento (51) se forma
mediante la presencia en el interior de la conducción (22) de un
cuerpo (55), formado por una parte central cilíndrica (56) y dos
partes exteriores de forma cónica (57, 58), delimitando en la
conducción una primera zona (60) de sección circular constante para
recibir el viento, una segunda zona (61) para acelerar el flujo del
viento, con una primera parte (62) de sección en forma de corona
circular de superficie progresivamente decreciente, y una segunda
parte (63) de sección constante en forma de corona circular, al
final de la cual se sitúa el rotor (52); y una tercera y cuarta zona
(64, 65) para evacuar el viento de configuración sensiblemente
simétrica a las mencionadas segunda y primera zona (61, 60),
respectivamente.
En la Fig. 6 se representa en mayor detalle el
rotor (52) pudiéndose apreciar que está formado por un soporte (70)
con una pluralidad de palas (71) capaz de girar respecto al eje (72)
mediante medios no representados, ubicado en la parte central del
(59) del cuerpo (55). El rotor (52) funciona de manera análoga a un
rotor convencional (3), para una superficie de barrido en forma de
corona circular.
El cuerpo (55), además de proporcionar un medio
para lograr el estrechamiento de la conducción (22), habilita el
espacio necesario para albergar medios similares a los contenidos en
la barquilla (4) del aerogenerador (1) conocido en la técnica para
la generación de energía y para controlar la orientación y el
movimiento del conjunto de la conducción (22) y el rotor (52).
La Fig. 7 muestra una variante del segundo
objeto de la invención en la que puede observarse que, junto con la
presencia de un cuerpo (85) de forma similar al cuerpo (55)
mencionado anteriormente, la conducción (22) presenta, en su parte
central, una zona de menor sección, delimitando el estrechamiento
(51) del conducto en forma de corona circular. Por su parte, la
Figura 8 muestra, análogamente a la Fig. 6, una vista frontal del
rotor.
El tercer objeto de la invención se refiere a la
inclusión adicional en las torres eólicas según el primer y segundo
objeto de la invención del estimulador eólico (35) representado en
las Figs. 3, 4, 5 y 7, constituido por palas (36, 37, 38) unidas a
un eje de giro, en forma similar a un rotor convencional, soportado
por medios convenientes, para proporcionar, en primer lugar, un
medio de regulación de la velocidad de la corriente de aire que
impulsa los rotores (30, 52) asociados a los correspondientes medios
de generación de energía. Variando la velocidad de rotación y/o el
ángulo de sus palas, mediante medios similares a los utilizados en
los rotores convencionales, se puede aminorar la variabilidad de la
velocidad de entrada del viento a la torre eólica y facilitar que
el flujo de viento que accede a los rotores (30 o 52) se aproxime a
la velocidad óptima para la producción de energía, sin grandes
variaciones en el tiempo.
En segundo lugar, dando a las palas (36, 37 y
38) una forma mediante la cual su superficie conjunta sea igual a
la del círculo que barren se proporciona un medio de cierre de la
boca de entrada, que resulta conveniente cuando la velocidad del
viento es inapropiada para el funcionamiento de la torre eólica.
Alternativamente, el medio de cierre puede estar constituido por
una compuerta similar a las utilizadas en las tuberías de agua, en
cuyo caso, la función del estimulador eólico (35) se limitaría a la
mencionada regulación de la velocidad de entrada del flujo de
viento.
Aunque se han descrito y representado como
realizaciones concretas de los dos primeros objetos de la invención
torres eólicas con conducciones y estrechamientos simétricos
respecto a un plano central, el experto en la materia comprenderá
que la invención no está, limitada estrictamente a esas
configuraciones y que comprende torres eólicas en las que el
estrechamiento no estuviese ubicado en la parte central de la
conducción y que ésta no estuviera formada por partes simétricas.
Tampoco es imprescindible que el rotor esté situado en el centro
del estrechamiento ni que el eje sea horizontal. En relación al
segundo objeto de la invención, el experto en la materia también
comprenderá que los estrechamientos pueden tener tanto la forma de
corona circular como otras formas diferentes determinadas por
conducciones y cuerpos interiores de secciones distintas de la
circular. Finalmente, hay que señalar que el estimulador eólico al
que se refiere el tercer objeto de la invención podría disponer de
medios de accionamiento para que pudiera actuar en ausencia de
viento para conseguir que incluso en esa circunstancia, la torre
eólica siga funcionando.
También podrían incluirse otras modificaciones
comprendidas dentro del alcance de la invención según las
reivindicaciones siguientes.
Claims (10)
1. Aerogenerador con un rotor de palas que gira
conectado a dispositivos para la conversión de la energía del
viento en energía de otro tipo que incorpora una conducción (22) de
encauzamiento del viento con una zona de entrada del viento y una
zona de salida del viento, en el que:
- a)
- la zona de entrada del viento está constituida por una primera área (43, 60) para recibir el viento, con sección transversal constante; una segunda área (44, 61) para acelerar el flujo del viento, con una primera parte (45, 62) de sección transversal progresivamente decreciente, una segunda parte (46, 63) de sección transversal constante, al final de la cual se sitúa el rotor (30, 52); estando dichas áreas configuradas de tal forma que el flujo acelerado del viento tendrá una dirección perpendicular al plano de barrido del rotor (30, 52);
- b)
- la zona de salida de viento está constituida por una tercera área (47, 64) con una primera parte de sección transversal constante, una segunda parte de sección transversal progresivamente creciente y
caracterizado
por
una cuarta área (48, 65) de sección transversal
constante, siendo la forma de dichas tercera y cuarta áreas
apreciablemente simétrica con respecto al plano de barrido del rotor
con respecto a la segunda y primera áreas de la zona de entrada de
viento, respectivamente.
2. Un aerogenerador según la reivindicación 1,
caracterizado porque todas las áreas de conducción de
encauzamiento del viento tienen sección transversal circular y el
rotor (30) barre un área circular.
3. Un aerogenerador según la reivindicación 1,
caracterizado porque las primera y cuarta áreas (60, 65)
tienen sección transversal circular, la segunda y tercera áreas
(61, 64) tienen una sección transversal de corona circular y el
rotor (52) barre un área con forma de corona circular.
4. Un aerogenerador según la reivindicación 3,
caracterizado porque la conducción (22) de canalización del
viento incluye un cuerpo interior (55, 85) formado por una parte
central cilíndrica (56) y dos partes exteriores de forma cónica
(57).
5. Un aerogenerador según la reivindicación 4,
caracterizado porque la conducción (22) de canalización del
viento tiene una forma cilíndrica.
6. Un aerogenerador según la reivindicación 5,
caracterizado porque la conducción (22) de canalización del
viento tiene una forma cilíndrica con un estrechamiento central.
7. Un aerogenerador según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque comprende
medios de cierre de la boca de entrada (23) de la conducción
(22).
8. Un aerogenerador según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque también
comprende un estimulador eólico (35) situado en la boca de entrada
(23) de la conducción (22) constituido por una pluralidad de palas
(36, 37, 38) unidas a un eje de giro, dimensionadas para que su
superficie de barrido se corresponda con la superficie de la
mencionada boca de entrada (23).
9. Un aerogenerador según la reivindicación 8,
caracterizado porque la superficie conjunta de las palas (36,
37, 38) es igual a la del círculo que barren.
10. Un aerogenerador según la reivindicación 8,
caracterizado porque el estimulador eólico dispone de medios
de accionamiento distintos del viento.
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