ES2359519A1 - Procedimiento y dispositivo de concentrador para turbinas eólicas. - Google Patents

Abstract

Procedimiento y dispositivo concentrador para turbinas eólicas. La energía eólica es una fuente renovable cuya transformación se ha visto sensiblemente mejorada bajo los puntos de eficiencia y durabilidad de los elementos transformadores. No obstante, de la multitud de equipos que operan en la actualidad, ninguno se aproxima al máximo coeficiente de potencia establecido por la Ley de Betz.La presente innovación actúa sobre las características termodinámicas del fluido de trabajo con la finalidad de convertir el máximo de energía ante cualquier condición de entrada (1).Las máquinas actuales presentan una evolución que se orienta hacia un aumento de la superficie de captación (2). Ello ha dado a lugar a equipos más costosos y complejos. La invención aquí tratada no impone como criterio de mejora la superficie de captación sino el tratamiento del fluido de trabajo y la adaptación de la geometría (2) (6) para que la eficiencia sea máxima.

Description

Procedimiento y dispositivo concentrador para turbinas eólicas.

Objeto de la invención

El objeto de la invención es la transformación de energía eólica en energía mecánica de rotación mediante la circulación de aire húmedo (1) a través de un sistema formado por tobera (2)-rotor (4)-difusor (6). Este sistema aprovecha el calor latente de cambio de estado del fluido y produce, por lo tanto, el mayor desequilibrio energético que se puede alcanzar entre las condiciones de entrada (1) y salida del sistema (7).

Antecedentes de la invención

El principio de funcionamiento de los generadores eólicos obedece a la Ley de Betz. Dicha ley establece que la potencia eólica máxima extraíble a una masa de aire en movimiento se produce cuando la velocidad de salida del elemento transformador es 1/3 la velocidad de entrada.

Los generadores eólicos de mayor implantación en el mercado son de eje horizontal y están constituidos por un número finito de palas que, por frenado, aprovechan sólo una parte de la energía cinética que contienen las masas de aire en movimiento. En todas ellas se mantienen relaciones de velocidades muy alejadas del valor estimado por la Ley de Betz, véanse las patentes ES2107324A1, ES2154595A1, ES2247948A1, ES2109173Al, ES2113266A1, ES2140358Al y ES2191982A1.

Tratándose de convertidores energéticos que utilizan como fuente de energía el aire atmosférico en movimiento, debe analizarse el contenido en agua tanto en lo que se refiere a humedad específica como a humedad relativa.

La energía que captura un convertidor eólico depende fundamentalmente de: área barrida por las palas en el movimiento de rotación, velocidad incidente del fluido sobre el captador y densidad del fluido. Las máquinas implantadas en el mercado incrementan, a medida que se mejoran las propiedades mecánicas de los materiales, la superficie de captación. Esto trae consigo un aumento considerable en el volumen del transformador implicando mayor complejidad constructiva e inestabilidad de funcionamiento.

No se actúa sobre el flujo incidente, siendo por lo tanto la velocidad del aire un parámetro que queda supeditado exclusivamente a las condiciones ambientales. De igual forma, la densidad del fluido viene impuesta por las condiciones ambientales locales sin que se realice una actuación sobre la misma.

En el estado actual de la técnica no se tiene constancia de transformación de energía eólica mediante un sistema que actúe sobre los parámetros termodinámicos de entrada y salida del elemento transformador persiguiendo una optimización máxima que se aproxime al coeficiente de potencia óptimo establecido por la Ley de Betz.

Descripción de la invención

Se propone un concentrador-generador eólico que transforme la energía cinética de las masas de aire húmedo en movimiento existentes en la atmósfera (1) en energía mecánica de rotación por medio de rotores de palas.

El principio de funcionamiento obedece a la Ley de Betz que establece el grado de eficiencia de una máquina eólica en función de la relación de velocidades del fluido entre la condición de entrada (1) y la de salida (7).

La relación óptima de velocidades en la máquina transformadora se logra actuando sobre la vena fluida aguas arriba y abajo de la misma. Para ello, se diseñará una tobera (2) que tenga un comportamiento termodinámico adecuado para el campo de velocidades donde va a trabajar.

El diseño de la tobera está caracterizado por las siguientes etapas:

1º Definición de las características ambientales de la región climática a captar la masa de aire. De entre las cuales se destaca la velocidad media del aire, humedad relativa, temperatura y presión atmosférica. Dichos parámetros nos permitirán definir la energía potencial, cinética e interna de acuerdo con el primer principio de la termodinámica.

2º Definición de la masa de aire a captar en función de la energía incidente y de las dimensiones de la instalación.

3º Cálculo de las principales secciones que definen la tobera. Para ello se definirá un procedimiento de caída de presión constante donde las secciones calculadas sean equidistantes. Se definirá también un proceso que origine la condensación de una parte del vapor de agua presente en el aire y, con este calor, potencie la energía cinética del aire seco restante. La última sección tendrá unas dimensiones que permitan alcanzar una humedad relativa del 100% y dimensiones aprovechables por el rotor.

4º Ajuste de una superficie que encierre las secciones anteriormente calculadas y permita el paso del fluido siguiendo el proceso anteriormente mencionado.

Además, se analizará la conveniencia de incrementar la humedad relativa en el interior de la tobera para alcanzar el estado de saturación y hacer intervenir de este modo el calor latente del cambio de estado. Bajo esta situación, la energía que posee la vena fluida que accede a los rotores (4) será máxima en referencia a las condiciones ambientales.

Aguas abajo de los rotores (5) se implementa en el sistema un difusor (6) cuya misión es provocar un incremento de presión, con la consiguiente disminución de velocidad, para que en los rotores se alcance, a cualquier condición de trabajo, el coeficiente de potencia máximo establecido por Betz definido por una relación de velocidades de 1/3.

Descripción de las figuras

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento se acompaña la figura en la que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se representa lo siguiente:

Figura 1. Concentrador eólico.

1.

Masa de aire ambiente entrante en tobera.

2.

Tobera.

3.

Masa de aire húmedo y agua saliente de tobera.

4.

Rotor.

5.

Masa de aire húmedo entrante en difusor.

6.

Difusor.

7.

Masa de aire húmedo saliente del difusor.

Descripción de una realización preferente

Partiendo de los datos de potencial energético de una zona terrestre determinada, puede estimarse el campo de aplicación de la máquina eólica para el rango máximo-mínimo de energía disponible.

Atendiendo a las características de velocidad, presión y humedad del aire atmosférico se configura una tobera subsónica que provocará la disminución de presión con el consiguiente aumento de velocidad y humedad relativa, llevada esta última hasta el estado de saturación. Para el cálculo de las secciones que definen la tobera se definirá un procedimiento de caída de presión constante donde las secciones sean equidistantes.

Además, la última sección de esta tobera tendrá unas dimensiones que permitan alcanzar una humedad relativa del 100% y sean compatibles con las dimensiones del rotor.

Este efecto provoca la liberación del calor latente de cambio de estado y, por lo tanto, un mayor desequilibrio energético en el fluido de trabajo. Dado que la humedad relativa es uno de los factores que más puede oscilar se adicionará agua pulverizada cuando sea necesario para alcanzar la saturación.

El aire saturado procedente de la tobera, que actúa como concentrador, se envía a los rotores que transforman la entalpía del fluido en energía de rotación para mover un generador eléctrico. Impuesta la velocidad del fluido incidente en el rotor, la velocidad de salida debe mantenerse en un tercio de la misma. Esta condición se debe cumplir en los rotores para que el coeficiente de potencia sea máximo.

Aguas abajo de los rotores se dispone un difusor. El difusor es un transformador de velocidad en presión cuya finalidad es adaptar la velocidad de salida del aire de los rotores para lograr el coeficiente de potencia máximo para que se cumpla una relación de velocidades de 1/3, así como restablecer las condiciones ambiente externa para impedir la recirculación del fluido.

Claims (2)

1. Dispositivo concentrador para turbinas eólicas que transforma la energía eólica en energía mecánica de rotación mediante la circulación de aire húmedo, caracterizado por un sistema formado por tobera (2)-rotor (4)-difusor (6) que aprovecha el calor latente de cambio de estado del fluido, produciendo el mayor desequilibrio energético que se puede alcanzar entre las condiciones de entrada (1) y salida del sistema (7).

2. Procedimiento para el diseño de un concentrador eólico, basado en el análisis del contenido energético del fluido existente en una región determinada de la atmósfera terrestre, caracterizado porque

Las etapas son cuatro:

A) A partir de la velocidad media del aire, humedad relativa, temperatura y presión atmosférica se definirá la energía potencial, cinética e interna de un estado de aire húmedo, de acuerdo con el primer principio de la termodinámica.

B) Definición de la masa de aire a captar en función de la energía incidente y de las dimensiones de la instalación.

C) Se realizará el diseño de las secciones de la tobera por medio de un proceso de caída de presión constante de secciones equidistantes que asegure alcanzar una humedad relativa del 100% y unas dimensiones aprovechables por el rotor.

D) Ajuste de una superficie que encierre las secciones anteriormente calculadas y permita el paso del fluido siguiendo el proceso anteriormente mencionado.