Aerogenerador carenado de doble entrada de aire
y doble sistema de álabes.
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un
aerogenerador carenado de doble entrada de aire y doble sistema de
álabes, que aporta esenciales características de novedad y notables
ventajas con respecto a los medios conocidos y utilizados para los
mismos fines en el estado actual de la técnica.
Más en particular, la invención está dirigida a
un molina aerogenerador carenado mediante el que se consigue
aprovechar la burbuja de aire caliente existente normalmente en todo
tipo de locales, naves, edificios, etc., que en virtud de la
diferencia de temperatura con el ambiente exterior, desarrolla una
corriente de aire capacitada para mover un aerogenerador y producir
una determinada cantidad de energía eléctrica. El aerogenerador
responde a un nuevo diseño de generador carenado con doble entrada
de aire y doble sistema de álabes, merced al cual permite aprovechar
no solo la corriente de convección originada por la diferencia de
temperatura ya comentada, sino que también aprovecha el impulso
derivado del movimiento del aire que circula por el exterior, siendo
también susceptible de aprovechamiento como extractor eólico. El
generador comprende un rotor portador de una multiplicidad de imanes
permanentes, mientras que el estator es de tipo lineal, arqueado,
equipado con medios de posicionamiento autoajustable respecto al
rotor. Una unidad de control estructurada en base a un procesador
apropiado, se encarga de recopilar todos los datos de funcionamiento
del conjunto, ejerciendo sobre éste un perfecto control posicional y
funcional en base al software de aplicación especifica cargado en
dicho procesador.
El campo de aplicación de la invención se
encuentra comprendido dentro del sector industrial dedicado a la
fabricación e instalación de aparatos, dispositivos y medios para la
generación de energía eléctrica a partir de otras fuentes
alternativas.
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Antecedentes y sumario de la invención
Es un hecho conocido el agotamiento progresivo
experimentado por los recursos naturales a nivel mundial como
consecuencia de la necesidad de energía de los países
industrializados o de los que están en vías de desarrollo. Los
combustibles fósiles utilizados como fuentes tradicionales de
energía, reducen sus niveles de reserva a una velocidad cada vez
mayor debido al incesante aumento de las necesidades energéticas
mundiales, circunstancias que junto con otras consecuencias adversas
del tipo del aumento global de temperatura que se está produciendo
como resultado del calentamiento ocasionado por la emisión de las
enormes cantidades de gases de efecto invernadero que se generan a
diario a nivel mundial, ha hecho que desde hace ya varias décadas se
estén realizando esfuerzos considerables por aprovechar otras
fuentes de energías limpias e inagotables como son las energías
alternativas. A tal efecto, las energías solar y eólica son las que
acaparan el interés principal, y como resultado son visibles en la
actualidad un sin fin de instalaciones que ocupan extensiones de
terreno considerables, con un impacto ambiental importante, pero en
las que se genera una cantidad de energía eléctrica que una vez
acondicionada es inyectada en la red eléctrica para su consumo en
cualquier lugar remoto. En la actualidad, la cantidad de energía
eléctrica generada mediante este tipo de instalaciones alternativas,
supone ya un porcentaje nada despreciable que en el caso de España,
por ejemplo, está en torno al 7-8% del total de la
energía eléctrica consumida.
Ahora bien, las instalaciones para
aprovechamiento de fuentes de energía renovables, solamente son
rentables cuando se diseñan para la generación de una cantidad de
energía por encima de unos niveles mínimos preestablecidos. El coste
de este tipo de instalaciones es elevado, y por lo tanto es
necesario que se cumplan unas exigencias mínimas de producción de
energía que justifiquen la inversión.
Sin embargo, como reconocen los expertos,
existen otras múltiples situaciones a nivel doméstico en las que se
generan cantidades apreciables de energía que no tienen
aprovechamiento alguno, y que con una inversión mucho más reducida,
podrían ser transformadas en energía eléctrica suficiente como para
atender determinadas necesidades internas, como por ejemplo,
iluminación de zonas comunes en edificaciones de cualquier tipo,
alimentación de bombas de agua o de bombas de gasoil para
calefacción central, alimentación eléctrica de alarmas, porteros
automáticos, etc. Éste es el caso, de por ejemplo, las corrientes de
convección asociadas a las "burbujas de aire caliente" que se
crean en el interior de estas edificaciones cuando existen
diferencias de temperatura entre el interior y el exterior de un
recinto. No se tiene conocimiento de la existencia en el mercado de
dispositivos que permitan realizar un aprovechamiento adecuado de
estas cantidades de energía, ahora vertidas indiscriminadamente a la
atmósfera y por tanto completamente desperdiciadas.
Teniendo en cuenta lo anterior, la presente
invención se ha propuesto como objetivo principal el desarrollo y
fabricación de un dispositivo aerogenerador, del tipo de un
generador eléctrico termodinámico, que responde a un nuevo concepto
de generador específicamente diseñado para el aprovechamiento de
tales burbujas de aire caliente, mediante el que resulte posible
generar energía eléctrica al ser accionado por las corrientes de
aire que se originan en conducciones tales como colectores de
evacuación de gases de edificios, huecos de escalera, huecos de
ascensores, y en general, en cualquier conducto preferentemente
vertical que comunique zonas del interior y del exterior, mientras
se mantenga una temperatura algo más elevada en el interior que en
el exterior. Este objetivo ha sido plenamente alcanzado mediante el
aerogenerador que va a ser objeto de descripción en lo que sigue,
cuyas características principales están recogidas en la porción
caracterizadora de la reivindicación 1 anexa.
En esencia, el aerogenerador propuesto por la
invención ha sido construido a partir de una base fija, preparada
para su fijación al conducto de evacuación del recinto en el que se
instale, a la que se encuentra acoplado un carenado de orientación
controlada en cuyo interior se alojan todos los elementos dinámicos
del aerogenerador, los conductos de paso de las corrientes de aire,
el alternador generador de electricidad, etc. Por su parte, el
generador está estructurado a partir de un rotor y un estator, de
los que el rotor comprende una corona rotatoria en la que se ha
incorporado, a lo largo de toda su periferia, una multiplicidad de
imanes permanentes, del tipo de imanes de los imanes de neodimio,
tierras raras o similares, con polaridades sucesivamente invertidas,
mientras que proyectados asimismo desde la circunferencia perimetral
externa de esta corona emergen una multiplicidad de álabes de
pequeño tamaño sobre los que incide la corriente de convección
procedente del interior del recinto para el inicio del movimiento
giratorio del rotor, estando el espacio interior de la corona
ocupado por álabes de mayor tamaño, sobre los que incide la
corriente de aire del exterior con el consiguiente aprovechamiento
cinético del viento. El estator adopta una configuración lineal,
arqueado, con una curvatura equivalente a la periferia del rotor,
compuesto por una o más porciones pivotables respecto a uno de los
extremos, y vinculadas por el extremo opuesto a un medio de
autoajuste de la distancia con respecto al rotor, estando dicho
medio de autoajuste formado por un servomotor que a través de un
husillo actúa sobre brazos que componen un paralelogramo deformable
a efectos de provocar el acercamiento/alejamiento del estator
respecto al rotor. El conjunto incluye además un dispositivo de
anemómetro y veleta para la obtención de datos en tiempo real
respecto a la velocidad y la dirección del viento con vistas a una
orientación correcta del carenado, estando todo ello controlado por
medio de una unidad de control que como se ha dicho, incorpora un
dispositivo procesador con un software de aplicación específica. La
energía eléctrica obtenida desde dicho generador, puede ser
almacenada en un conjunto de baterías, en el que las fases de carga
y descarga están asimismo optimizadas por la citada unidad de
control.
Como se comprenderá, con una instalación como la
que ha sido descrita de manera resumida en lo que antecede, se logra
el objetivo de generar energía a partir de la burbuja de aire
caliente que se forma normalmente en el interior de cualquier tipo
local, nave, edificio, etc., cuando la temperatura del interior es
mayor que la del exterior, todo ello en base a un aerogenerador
concebido de forma sencilla y diseñado de manera que optimiza el
aprovechamiento de las corrientes de aire tanto si están ocasionadas
por el efecto de convección, como si se trata de las derivadas del
movimiento normal del aire del exterior.
Breve descripción de los dibujos
Estas y otras características y ventajas de la
invención se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la
descripción detallada que sigue de un ejemplo de realización
preferida de la misma, dado únicamente a título ilustrativo y no
limitativo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los
que:
La Figura 1 es una vista esquemática de un
ejemplo de realización de un aerogenerador conforme a la invención,
tomada en alzado lateral y parcialmente seccionada;
Las Figuras 2.1 y 2.2 son vistas esquemáticas en
perspectiva y alzado frontal, respectivamente, del aerogenerador de
la Figura 1;
Las Figuras 3.1 y 3.2 ilustran vistas
esquemáticas, en perspectiva, del dispositivo generador con el
estator en dos posiciones diferentes respecto al rotor;
La Figura 4 ilustra esquemáticamente una vista
representativa del conjunto de anemómetro y veleta utilizado en el
aerogenerador de la invención;
Las Figuras 5.1 y 5.2 son vistas de sendos
detalles de las representaciones de las 2.1 y 2.2, ilustrativas de
los medios de posicionamiento relativo del estator respecto al rotor
del aerogenerador de la invención;
La Figura 6 es una ilustración esquemática de
una instalación en base al aerogenerador de la invención, y
Las Figuras 7.1 y 7.2 representan
esquemáticamente ejemplos de aplicación del aerogenerador de la
presente invención.
Descripción de una forma de realización preferida
Tal y como se ha mencionado en lo que antecede,
la descripción detallada de la forma de realización preferida del
objeto de la invención, va a ser llevada a cabo en lo que sigue con
la ayuda de los dibujos anexos, a través de los cuales se utilizan
iguales referencias numéricas para designar las partes iguales o
equivalentes. Así, atendiendo en primer lugar a la representación
que aparece en la Figura 1, se puede apreciar una vista en alzado
lateral, parcialmente seccionada, de un aerogenerador diseñado según
los principios de la invención, mostrando ya algunas de las partes
que lo integran. De acuerdo con dicha Figura 1, el aerogenerador de
la invención incluye una base 1 fija, sobre la que aparece montado
un carenado 2 que, como se ha dicho, incluye en su interior los
diversos órganos funcionales del aerogenerador, siendo apreciable en
la Figura el rotor 3 del generador eléctrico, compuesto por una
corona giratoria que en su periferia externa incluye una
multiplicidad de álabes 4 de pequeño tamaño proyectados hacia el
exterior con una inclinación radial predeterminada. El carenado 2 es
susceptible de rotación con respecto a la base 1, con vistas a una
orientación apropiada del mismo, merced a la actuación de un
servomotor que en la Figura se ha señalado con la referencia
numérica 5. El generador eléctrico se ve así sometido a dos flujos
diferenciados, de los que una primera corriente señalada mediante
las lineas de flujo F_{1}, accede al carenado por una tobera de
entrada 6, y actúa sobre los álabes 4 de pequeño tamaño, para la
puesta en marcha del rotor 3, accediendo al exterior por medio de
una salida 6' separada, mientas que la corriente de aire del
exterior que llega al aerogenerador según indican las flechas de
flujo F_{2}, pasa por el interior de la corona incidiendo sobre
álabes de mayor tamaño, no visibles en esta Figura. Con ello, la
corriente F_{1} que incide sobre los álabes 4 de pequeño tamaño
ponen en rotación el rotor 3, de modo que los álabes centrales
mantienen un elevado momento de inercia que facilita el movimiento
del rotor dentro de un rango de velocidades muy amplio, con el
resultado de que ofrecen un aprovechamiento cinético muy superior al
de los molinos ya existentes.
Haciendo ahora referencia a las Figuras 2.1 y
2.2 de los dibujos, se puede ver el aerogenerador de la Figura 1
mediante representaciones esquemáticas en perspectiva y alzado
frontal, respectivamente. De acuerdo con ambas representaciones, se
aprecia que el carenado 2 está construido de modo que envuelve
periféricamente a la corona del rotor 3, mientras que presenta una
amplia abertura 2' para el paso del flujo F_{2} (Figura 1), a
través de la cual pueden apreciarse los álabes 7 de mayor tamaño del
rotor, dispuestos radialmente en el interior de la corona 3. Dichos
álabes 7 son alcanzados por el flujo F_{2} colaborando con ello en
la rotación del rotor y en la generación de energía eléctrica. La
vista frontal de la Figura 2.2 permite apreciar tanto los álabes 4
de pequeño tamaño distribuidos a lo largo de la circunferencia
periférica externa de la corona 3, como la integración en dicha
corona, a lo largo de toda su recorrido perimetral, de una
multiplicidad de imanes que se han señalado con la referencia
numérica 9. También aparece una porción de estator, señalada en
general con la referencia numérica 8, debidamente posicionada con
relación a dicho rotor.
Las Figuras 3.1 y 3.2 ilustran más claramente el
posicionamiento relativo entre ambos elementos de rotor y estator
del generador eléctrico incorporado en el aerogenerador de la
invención. Arribas representaciones ilustran la capacidad de
autoajuste posicional del estator 8 con respecto al rotor 3. El
estator 8 es de tipo lineal según se ha representado, contando con
una curvatura equivalente a la del propio rotor, y estando dotado de
una multiplicidad de bobinados 10 sucesivos. La porción de estator 8
representada es susceptible de pivotamiento respecto a un eje E
asociado a uno de sus extremos y solidario con el carenado 2,
mientras que por el extremo contrario está vinculado a un accionador
11 de autoajuste. Este accionador 11 puede hacer pivotar el estator
8 en el sentido correspondiente, para un mayor o menor acercamiento
entre el estator 8 y el rotor 3, con vistas a una optimización del
comportamiento operativo del conjunto bajo las distintas condiciones
funcionales a las que se vea sometido. Las Figuras 5.1 y 5.2
muestran con mayor detalle estos medios de autoajuste, e ilustran el
estator 8 en la condición de mayor separación y en la condición de
mayor acercamiento, respectivamente. Para ello, los medios de
autoajuste consisten en un servomotor 11a enlazado por medio de un
husillo 13 al punto de articulación común de dos brazos 12 que en
conjunto forman un paralelogramo deformable, estando uno de dichos
brazos 12 articulado por el otro extremo al estator 8. En la
posición de la Figura 5.1, el punto de articulación común de ambos
brazos 12 aparece en una posición alejada del servomotor 11a, con lo
que el estator 8 está separado del rotor 3 merced al pivotamiento
respecto al eje E asociado al extremo opuesto de este último. Sin
embargo, en la posición de la Figura 5.2, los brazos 12 ocupan una
posición prácticamente alineada entre si, merced a la actuación
sobre los mismos del husillo 13 accionado por el servomotor 11a, de
manera que el estator 8 está acoplado con el rotor 3 y por lo tanto
en su condición operativa. El detalle a mayor tamaño dentro del
circulo asociado a la Figura 5.2, muestra la posición relativa del
bobinado 10 con respecto a los imanes 9, dentro de la zona de
influencia magnética de estos últimos.
Según se ha dicho, la posición de los imanes 9
está sucesivamente invertida. Esta disposición es apreciable en el
detalle a mayor tamaño encerrado en el círculo de la Figura 5.2, de
manera que con el giro del rotor, los bobinados 10 se ven sometidos
alternativamente a la influencia de las polaridades norte y sur de
los imanes a los que se enfrentan, generando con ello una corriente
alterna de frecuencia variable dependiente de la velocidad de giro
del rotor.
Haciendo ahora referencia al contenido de la
Figura 4, se puede ver una representación de un conjunto de veleta
14 y anemómetro 15, sustentados por un eje 16 común de soporte,
aunque posicionados a diferentes alturas con el fin de que ninguno
de ellos interfiera con el otro. Ambos dispositivos de veleta 14 y
anemómetro 15 incorporan sensores apropiados para realizar las
funciones convencionales de detección de la dirección y la velocidad
del viento, y disponen además de medios para enviar a la unidad de
control los datos relativos a los valores detectados, a cuyo efecto,
según aparece representado en la Figura 6, ambos dispositivos de
veleta 14 y anemómetro 15 están conectados eléctricamente a la
citada unidad de control 17 por medio de conductores eléctricos 18
apropiados. En esta última Figura se aprecia además que el
aerogenerador está asimismo conectado eléctricamente a la unidad de
control 17 a través de cables eléctricos 19, existiendo una conexión
eléctrica 20 adicional entre la unidad de control 17 y el grupo de
baterías de almacenaje de carga. Con esta disposición, la corriente
alterna generada por el aerogenerador como consecuencia del giro del
rotor 3 respecto al estator 8, es rectificada en la unidad de
control 17 y enviada desde ésta al conjunto de baterías 21. La
unidad de control mantiene en todo momento un perfecto control sobre
los distintos parámetros funcionales del aerogenerador, y en base a
los datos de dirección y velocidad del viento recopilados a partir
del conjunto de veleta 14 y anemómetro 15, determina la orientación
precisa del aerogenerador con vistas a una optimización del
funcionamiento de las fases de carga y descarga de las baterías 21,
estando todo el proceso regulado por medio de un software de
aplicación especifica gestionado por el hardware de la unidad
de
control.
Hasta ahora, la descripción anterior ha sido
realizada en base al funcionamiento del aerogenerador de la presente
invención en su faceta de alternador-generador de
corriente que se almacena en baterías para su posterior consumo. Sin
embargo, una característica importante del aerogenerador consiste en
que el mismo puede ser aprovechado también como extractor eólico
para el local en el que esté instalado. Esta capacidad adicional es
inherente al propio movimiento del rotor, el cual se pone en marcha
en virtud del empuje ejercido sobre los álabes pequeños 4 por el
flujo ascendente que entra por la tobera de admisión 6 y que incide
sobre los propios álabes, de manera que una vez en marcha, la propia
presión que ejerce la burbuja, junto con la orientación
semi-tangencial de la salida de gases, mantiene el
movimiento circular del conjunto. Además, según se ha expuesto con
anterioridad, una vez que el rotor 3 se ha puesto en marcha, los
álabes 7 centrales de mayor tamaño, en virtud de su construcción y
merced al carenado 2, mantienen un elevado momento de inercia que
facilita el movimiento en una gama de velocidades amplia, con un
aprovechamiento cinético mejorado respecto a los molinos
convencionales. El carenado 2 permite también discriminar arribos
flujos F_{1} y F_{2} administrados por el dispositivo,
eliminando la generación de torbellinos rotacionales resonantes en
el borde de los álabes 7 de mayor tamaño, los cuales son muy
perjudiciales debido a que actúan como freno aerodinámico y
contribuyen además a la fatiga de los materiales.
Haciendo ahora referencia a las Figuras 7.1 y
7.2 de los dibujos, se pueden ver representaciones esquemáticas
relativas a algunas posibilidades de posicionamiento operativo y
funcional del aerogenerador propuesto por la presente invención. Tal
y como se ha mencionado en lo que antecede, el aerogenerador de la
invención resulta especialmente adecuado para en azoteas de
edificios, como en los ejemplos que se indican mediante la letra
"A" en la Figura 7.2, en los tejados de casas unifamiliares,
como en los ejemplos que se indican mediante la letra "B" en la
Figura 7.1, y en general en cualquier conducto relacionado con
fábricas, naves industriales o lugares cerrados en los que la
temperatura del interior sea superior a la del exterior y que
generen una burbuja de gases calientes ascendentes, acumulándose
éstos en las zonas más altas.
Tal y como se desprende de la descripción
anterior, el movimiento rotacional del generador se puede iniciar de
dos maneras distintas: mediante el flujo F_{1} de evacuación de
los gases procedentes del interior del recinto y que inciden sobre
los álabes 4 pequeños de la periferia del rotor 3, o mediante el
flujo F_{2} de aire del exterior que pasa a través del rotor 3
incidiendo sobre los álabes 7 grandes (ambos flujos son visibles en
la Figura 1 de los dibujos). La acción de ambos flujos puede ser
independiente o conjunta.
Además, en los edificios más modernos existen
colectores comunes de evacuación de gases conocidos como "sum",
que funcionan por el efecto "chimenea", tales como los
señalados con la referencia numérica 22 en la Figura 7.2, que pueden
ser aprovechados para la colocación de dispositivos aerogeneradores
"A" del tipo que se ha descrito en lo que antecede. Existen
otras conducciones que pueden ser igualmente utilizadas para el
aprovechamiento cinético de los caudales ascendentes que circulan a
través de las mismas, tal como los huecos de escaleras o los de
instalación de ascensores, del tipo de los que se han señalado con
23 en la Figura 7.2 de los dibujos, mediante la instalación de los
aerogeneradores de la invención para la producción de energía
eléctrica susceptible de almacenamiento en grupos de baterías 21
(véase la Figura 6), para su posterior utilización preferente en
servicios comunes, luz de paso, bombas para los servicios de
calefacción, o cualquier otra aplicación en la que se precise.
En la exposición realizada a lo largo de la
presente descripción, el aerogenerador carenado con flujo de entrada
discriminado, que funciona además como extractor, ha sido
considerado como un dispositivo que incorpora un generador de
corriente eléctrica, de tipo alternador, compuesto por un rotor 3 y
un estator 8. Esta forma constructiva responde únicamente a un
ejemplo de realización que se considera el más preferido por ser el
que presenta mejores prestaciones funcionales y operativas. Sin
embargo, no debe ser entendida como la única forma de realización
del aerogenerador de la presente invención, dado que también admite
otras formas alternativas. Por ejemplo, en una versión modificada,
el aerogenerador carenado con flujo de entrada discriminado puede
ser utilizado con un generador de corriente separado, por ejemplo un
alternador o una dinamo independiente, exterior a la estructura
carenada del aerogenerador, de manera que el movimiento de giro
desde la corona 3 de rotación puede ser transmitida al generador de
corriente eléctrica externo con la ayuda de engranajes, correas, o
por cualquier otro medio de transmisión convencional y conocido en
el estado de la técnica sin que ello suponga ninguna alteración de
los principios que aquí se han descrito.
No se considera necesario hacer más extenso el
contenido de la presente descripción para que un experto en la
materia pueda comprender su alcance y las ventajas que de la misma
se derivan, así como llevar a cabo la realización práctica de su
objeto.
No obstante lo anterior, y puesto que la
descripción realizada corresponde únicamente con un ejemplo de
realización preferida, se comprenderá que dentro de su esencialidad
podrán introducirse múltiples modificaciones y variaciones de
detalle, asimismo comprendidas dentro del alcance de la invención, y
que en particular podrán afectar a características tales como la
forma, el tamaño o los materiales de fabricación, o cualesquiera
otras que no alteren la invención según ha sido descrita y según se
define en las reivindicaciones que siguen.