ES2359519B1 - Procedimiento y dispositivo concentrador para turbinas eólicas. - Google Patents

Procedimiento y dispositivo concentrador para turbinas eólicas. Download PDF

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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 (3)

  1. REIVINDICACIONES
    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. 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.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 200802888
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 13.10.2008
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : F03D5/06 (2006.01)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    GB 2464604 A (VETCO GREY INC) 28.04.2010, página 1, líneas 4-21; página 2, 1
    línea 6 – página 4, línea 32; página 6, línea 11 – página 8, línea 37; página 9,
    línea 26 – página 12, línea 16; figuras 1-5.
    Y
    2
    Y
    US 5323173 A (SAKUMA YASUAKI et al.) 21.06.1994, columna 1, líneas 4-14; columna 1, 2
    línea 32 – columna 2, línea 37; columna 3, línea 21 – columna 4, línea 12; columna 4,
    línea 67 – columna 10, línea 7; figuras 4,5.
    A
    FR 2281508 A1 (TURBOMACHINES INC) 05.03.1976, página 1, línea 1 – página 5, línea 15; 1
    página 6, línea 32 – página 7, línea 2; página 9, línea 21 – página 13, línea 9; página 13,
    línea 30 – página 14, línea 10; figuras 1-7.
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 15.04.2011
    Examinador M. Fernández Rodríguez Página 1/5
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) F03D, G06T Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC
    OPINIÓN ESCRITA
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 15.04.2011
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1, 2 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1, 2 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    OPINIÓN ESCRITA
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    GB 2464604 A (VETCO GREY INC) 28.04.2010
    D02
    US 5323173 A (SAKUMA YASUAKI et al.) 21.06.1994
  3. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    La reivindicación independiente 1 presenta las siguientes características técnicas: Dispositivo concentrador para turbinas eólicas, que transforma la energía eólica en mecánica de rotación, mediante la circulación de aire húmedo, tal que tiene 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). (Las referencias entre paréntesis corresponden a la solicitud).
    El documento D01 (ver documento D01, página 1, líneas 4 -21; página 2, línea 6 -página 4, línea 32; página 6, línea 11 página 8, línea 37; página 9, línea 26 -página 12, línea 16; figuras 1 -5) divulga un dispositivo concentrador para turbinas eólicas, que puede transformar, por ejemplo, la energía eólica en mecánica de rotación, mediante la circulación de un fluido, agua, aire, etc.; de manera que tiene un sistema formado por tobera (14) -aspa o paleta, superficie aerodinámica (2)-difusor
    (7) buscándose las condiciones de máxima eficiencia energética. (Las referencias entre paréntesis corresponden al documento D01).
    El documento D01 no divulga, a diferencia de la solicitud, que al dispositivo concentrador entre específicamente vapor, ni que exista un rotor, sino una superficie aerodinámica que oscila, que representa un equivalente mecánico. Se considera que a la vista del estado de la técnica (ver por ejemplo el documento FR2281508) estas diferencias representan una opciones de diseño evidentes para un experto en la materia.
    El documento D01 explica que las condiciones buscadas son las de máxima eficiencia energética, entendiéndose que quedan así implícitas las características reivindicadas, referentes a que se produzca el mayor desequilibrio energético que se puede alcanzar entre las condiciones de entrada y de salida del sistema.
    Por tanto, se considera que la reivindicación independiente 1 no tiene actividad inventiva (Art. 8 L11/86).
    La reivindicación independiente 2 presenta las siguientes características: 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, tal que 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 seccione 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. El documento D01 describe que: -A partir de la velocidad media del fluido, la presión, etc., se determina la eficiencia energética de la transformación de energía eólica en energía mecánica (transformación de energía cinética en energía potencial). Determinando un estrecho rango de valores de velocidad para el cual la eficiencia es máxima. -Las variaciones de la eficiencia en función de las dimensiones de la superficie oscilante (2). -Se produce una caída de presión entre los dos canales (22, 24).
    El documento D01 no anticipa las demás características reivindicadas.
    El problema técnico es el diseño de unas secciones equidistantes de la tobera por medio de un proceso de caída de presión constante, que asegure alcanzar una humedad relativa del 100% y unas dimensiones aprovechables al rotor; así como el ajuste de una superficie que encierre las secciones anteriormente calculadas y permita el paso del fluido siguiendo el proceso anteriormente mencionado.
    OPINIÓN ESCRITA
    El documento D02 (ver documento D02, columna 1, líneas 4 -14; columna 1, línea 32 -columna 2, línea 37; columna 3, línea 21 -columna 4, línea 12; columna 4, línea 67 -columna 10, línea 7; figuras 4, 5) divulga un programa de dibujo asistido por ordenador, que parte unos valores de temperatura, presión, etc., obtenidos por medio de un sensor, a partir de los cuales se generan unas secciones. Además, mediante unas constantes pueden generarse secciones equidistantes y con unas condiciones de contorno, la superficie evolvente de dichas secciones.
    Resultaría evidente para un experto en la materia, la combinación de las características anticipadas por en documento D02 con las anticipadas por el documento D01, para obtener el procedimiento objeto de la reivindicación 2. Por tanto, se concluye que la reivindicación 2 carece de actividad inventiva (Art.8 L11/86).
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