ES2374233A1 - Aerogenerador resonante por vorticidad. - Google Patents

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Abstract

Aerogenerador que consiste en un anclaje al suelo o basamento y un mástil cuya frecuencia de oscilación natural se ajusta de manera deliberada a la frecuencia con la que aparecen los vórtices o remolinos de aire producidos tras la colisión de un flujo de aire laminar y estacionario sobre su superficie.La energía aeroelástica así absorbida se transforma en energía eléctrica gracias al uso de materiales con alto acoplamiento electromecánico.

Description

Aerogenerador resonante por vorticidad.
Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un nuevo instrumento para la generación de energía eléctrica.
El objeto de la invención consiste en un dispositivo de generación comprendido dentro de la industria de las energías renovables transformando la energía del viento en potencial eléctrico utilizable. En su diseño se integran tres principios físicos conocidos: el acoplamiento estructural a la frecuencia natural de oscilación, la generación de vórtices en fluidos y el acoplamiento electromecánico que presentan algunos materiales gracias, por ejemplo, al efecto ferroeléctrico o al efecto piezoeléctrico.
Se trata de un sistema cuya novedad reside en la integración coordinada de estos tres fundamentos en un dispositivo generador de energía eléctrica que sintoniza su frecuencia de oscilación natural a la frecuencia de generación de vórtices que de manera sincronizada se generan a lo largo de su estructura.
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Antecedentes de la invención
Dentro de las denominadas energías renovables, una de las más extendidas es la energía eólica cuya fuente de energía primaria es el viento.
Los dispositivos más utilizados para la transformación de la energía contenida en el viento en electricidad son los denominados aerogeneradores multipala. A pesar de las notorias e indiscutibles mejoras tecnológicas que se van alcanzando, estos sistemas presentan cuatro desventajas fundamentales:
a) Al contar con elementos mecánicos, engranajes, bobinados, etc., presentan costes de mantenimiento por su consumo de lubricantes, desgastes de piezas, degradación térmica de resinas aislantes y demás efectos vinculados al roce, al calentamiento por fricción, etc.
b) Basándose en los desarrollos teóricos realizados por Betz en 1927, los aerogeneradores multipala convencionales aumentan su rendimiento con el incremento de la velocidad de giro de los rotores. Esto, unido a que la cantidad de energía disponible en una superficie circular aumenta con el cuadrado de la longitud de las palas, hace que la velocidad en el extremo de las mismas sea muy alta por lo que suponen un importante peligro para la fauna avícola siendo muy numerosos los accidentes detectados.
c) Este incremento deliberado del tamaño se traduce en un incremento sustancial en la complejidad de su montaje aumentando los costes iniciales de instalación.
d) El subjetivo impacto visual de los molinos de viento es un hecho variadamente adjetivable pero, en cualquier caso, su presencia se acentúa por tener un amplio recorrido en su movimiento.
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Para tratar de mejorar estos aspectos la presente invención describe un dispositivo que se basa en tres principios o fundamentos físicos. Éstos, por separado, tienen una amplia aplicación en la industria:
El primer fundamento físico es el acoplamiento electromecánico. Este efecto lo presentan ciertos materiales en los que al aplicarse una fuerza entre dos de sus caras aparece una diferencia de potencial entre ellas. Como toda máquina eléctrica su comportamiento es inversible y la presencia de voltaje entre dos de sus caras produce una deformación. Entre ellos encontramos materiales ferroeléctricos (por ejemplo el Zirconato Titanto de Plomo y sus derivados) y los materiales piezoeléctricos (ciertos cristales como el cuarzo, etc.).
Los materiales que presentan algún tipo de acoplamiento electromecánico tienen una amplia gama de aplicaciones como actuadores (posicionadores, motores), altavoces (introduciendo energía eléctrica y obteniendo energía mecánica) y como sensores de presión, de posición, de contacto, de deformación y transductores de diversos tipos (a los que se les introduce energía mecánica obteniendo energía eléctrica).
Su aplicación en la generación de energía eléctrica está menos extendida pero ya existen pavimentos y suelos transitados por viandantes que transforman la energía de sus pisadas en energía eléctrica utilizable. Hay propuestas de ropa, calzado e incluso implantes de silicona que extraen la energía del movimiento del cuerpo y la utilizan en la recargar de dispositivos electrónicos portátiles. Desde hace tiempo se utilizan en encendedores de arco eléctrico para producir la chispa de encendido en los mecheros, teclados que recargan con las pulsaciones del usuario los equipos que los incorporan, etc. De manera análoga hay algún diseño de generador eléctrico que pretenden recoger la energía de carácter pulsante y turbulenta procedente de los golpes del oleaje o del viento.
Como segundo fundamento contemplamos la generación deliberada de vórtices turbulentos partiendo de un flujo laminar no turbulento. La denominada "calle de remolinos o vórtices de Karman" fue descrita por el húngaro Theodore von Karman en 1911 y su utilización tecnológica más difundida es la de un cierto tipo de caudalímetro, denominado caudalímetro de vórtice, que mide la cantidad de fluido que pasa por un conducto contabilizando el número de remolinos que se forman en su interior por la presencia de un elemento con geometría conocida. El conocimiento y modelización de este fundamento se utiliza también en los pronósticos atmosféricos y oceánicos.
Como tercer fundamento tenemos el referido a la frecuencia de oscilación natural de los cuerpos. Se aplica de manera deliberada en la fabricación de instrumentos musicales, en altavoces, en dispositivos electrónicos (resonadores), en algunas aplicaciones en el área de la microscopía ("tapping" en microscopios AFM, MRFM, etc., cuyo cantilever oscila armónicamente para mejorar la lectura de la punta), etc. Por otro lado es un efecto que se trata de evitar en otras áreas tecnológicas como en la automoción y la mecánica (Control de Acoplamiento Acústico Estructural), para reducir el ruido de los motores, en las pastillas de freno, etc. También es un efecto no deseado en arquitectura y en grandes estructuras como chimeneas o puentes (en el famoso y ejemplarizante puente de Tacoma Narrows o la chimenea de la central nuclear de Ferrybridge donde se involucraron también la generación de los mencionados vórtices de Karman), etc.
No se ha encontrado ningún dispositivo aerogenerador que, por su geometría, busque de manera deliberada sincronizar la aparición de los vórtices turbulentos que aparecen a lo largo de su estructura.
No se ha encontrado hasta el momento ningún generador eléctrico que busque de manera deliberada la oscilación natural de los cuerpos como principio de funcionamiento, Ninguno establece de manera controlada sintonizaciones o resonancias de ningún tipo entre su frecuencia de oscilación natural y la frecuencia a la que generan vórtices de carácter turbulento.
No se ha encontrado hasta el momento ningún generador eléctrico, de los basados en materiales con acoplamiento electromecánico, que tome como energía primaria la contenida en un flujo de aire laminar y estacionario.
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Descripción de la invención
El aerogenerador resonante por vorticidad aquí presentado es una solución a los problemas que presentan los aerogeneradores multipala convencionales y que se han descrito con anterioridad.
El aerogenerador resonante por vorticidad consiste en un dispositivo vertical, semirrígido y cimentado en la superficie del terreno. La parte más visible es un bloque vertical o mástil que al no tener partes móviles (reductoras, engranajes, ejes, rotores, etc.), no necesita de lubricación o cambio de piezas por desgaste o fatiga. Está fabricado parcialmente o en su totalidad por materiales con alto acoplamiento electromecánico.
Bajo ciertas condiciones del aire (velocidad, número de Reynols, etc.), el viento incidente en su superficie produce aguas abajo una serie de remolinos o vórtices de carácter turbulento, que le transmiten a su estructura dos tipos de fuerza. Una, denominada de arrastre, en la misma dirección del viento y que en caso de ser laminar y estacionario produce una torsión fija en el tiempo (fuerza no aprovechable) y otra, denominada fuerza de sustentación, que se produce en dirección perpendicular a la dirección del viento y cuyo sentido varía alternativamente de signo, manteniéndose constante su dirección (fuerza aprovechable). Si contamos con un flujo laminar y estacionario, la frecuencia en la que cambia de sentido esta fuerza por la aparición de nuevos vórtices viene descrita por la siguiente fórmula de Karman:
1
En ella F_{v} es la frecuencia de aparición de vórtices, V es la velocidad del aire, h la longitud característica de la geometría del obstáculo (por ejemplo, el diámetro en caso de hablar de una sección circular) y S el número adimensional de Strouhal del fluido.
Como todo elemento sólido o estructura, el dispositivo objeto de la invención tiene varios modos espaciales de oscilación. Para un mástil fijado en un extremo al suelo, el denominado primer modo de oscilación es aquel en el que un extremo se mantiene estático y el extremo opuesto, el más elevado, sufre un recorrido máximo. El valor de su frecuencia viene dado por:
2
En ella f_{n} es la frecuencia de oscilación natural para su n-ésimo armónico, I es el momento de inercia seccional, E el módulo de Young del material, d_{l} es la densidad de la barra por unidad de longitud, K_{n} es el n-ésmio modo de oscilación de la barra y a es una constante de amortiguamiento.
Si esta frecuencia de oscilación natural del mástil f_{n} coincide con la frecuencia F_{v} en la que él mimo genera en el aire los vórtices, la estructura y el régimen turbulento se sintonizan, entrando el conjunto en resonancia maximizando así su capacidad de absorción energética. Esta sintonización de la frecuencia de oscilación natural y la frecuencia de generación de vórtices puede ser peligrosa en ciertas estructuras como puentes o chimeneas pero en nuestro caso es el objetivo buscado.
Los materiales con acoplamiento electromecánico obtienen un rendimiento en el proceso de transformación energética muy variable en función de la calidad del material. Hoy en día es difícil encontrar materiales con rendimientos superiores al 75% debido a que siempre hay una importante cantidad de energía que se transforma en energía potencial elástica. En el caso resonante (cuando el material oscila a su frecuencia de oscilación natural) buena parte de esta energía potencial elástica se recupera y el rendimiento se acerca más a al 100%. De este modo si, en nuestro caso, el mástil o algún objeto solidario a él presenta un acentuado acoplamiento electromecánico (de tipo ferroeléctrico o piezoeléctrico), la transformación de energía mecánica en energía eléctrica se optimiza.
Como hemos visto la frecuencia de oscilación de un cuerpo depende de su densidad, de su momento de inercia seccional y su constante de rigidez elástica o módulo de Young. Dado que la frecuencia de aparición de los vórtices depende de la velocidad del aire (que no está controlada y es variable en el tiempo), para sintonizar o igualar ambas frecuencias (de oscilación natural y de generación de vórtices) puede modificarse cualquiera de los parámetros de control de los que depende la frecuencia de oscilación natural del mástil, preferiblemente a todos los demás, el módulo de Young. Esto puede conseguirse modulando externamente el voltaje al que se encuentran sometidos los materiales con acoplamiento electromecánico que lo conforman. Para ello el aerogenerador resonante por vorticidad cuenta con un equipo electrónico dedicado a gestionar un lazo de control en donde salida es el valor de voltaje al que se someten los materiales con acoplamiento electromecánico y la entrada es la velocidad del viento. Su valor puede obtenerse con un anemómetro estándar o mejor aún, utilizando la propia torsión estacionaria del mástil del aerogenerador generada por la fuerza de arrastre. Otro de sus cometidos es el de filtrar y acondicionar la energía generada por el dispositivo antes de ser suministrada a las siguientes etapas de inversión y filtrado que permitan introducirla en la red eléctrica.
La ubicación más natural del equipo electrónico de control y regulación será aquella que no interfiera en el flujo natural de aire.
El anclaje al suelo se efectúa con una cimentación o basamento sólido de material conglomerante típico como hormigón, cemento, yeso, mortero o argamasa. Es de elevado peso y debe proporcionar una sujeción al terreno firme y estable.
Ya hemos mencionado que para el óptimo funcionamiento del aerogenerador resonante por vorticidad es necesario que incida sobre él un flujo de aire laminar y estacionario. Es conocido que la cercanía al suelo produce regímenes turbulentos por lo que una elevada altura del mástil resulta de interés. Además, la energía contenida en el viento es proporcional a su velocidad al cubo. Esto motiva la necesidad de aumentar la altura del mástil.
Resulta evidente que para el correcto funcionamiento del dispositivo el mástil debe recibir en todas sus secciones (a cualquier altura) las fuerzas de sustentación de manera sincronizada y así oscilar. La denominada ley exponencial de Hellmann expresa cómo se incrementa esta velocidad según nos alejamos del suelo:
3
En ella z es la altura a la que se quiere conocer la velocidad del aire, h es la altura en la que la velocidad del aire es conocida y V_{z} y V_{h} son respectivamente las velocidades del aire desconocida y conocida.
Como la frecuencia de generación de vórtices depende de la velocidad del aire debemos introducir la ley exponencial de Hellmann y la fórmula de Karman en su geometría incrementando su diámetro en función de la velocidad del aire esperada o lo que es lo mismo, ajustando su diámetro con la altura.
Éste nuevo sistema de aerogeneración puede ser utilizado en zonas susceptibles de ser explotadas por sistemas convencionales y, por sus características, puede utilizarse en entornos (urbanos e industriales) generalmente vedados a los aerogeneradores tradicionales.
Dada su simplicidad estructural, el transporte, almacenaje e instalación del equipo es muy sencilla sobre todo si la comparamos con los requerimientos de instalación de aerogeneradores convencionales. De hecho, si hoy en día la industria eólica es capaz de instalar turbinas de una gran dimensión, no hay impedimento para que, con medios semejantes o inferiores, se puedan instalar aerogeneradores resonantes por vorticidad de igual o mayor dimensión.
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Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una representación esquemática de una sección del alzado correspondiente al aerogenerador resonante por vorticidad.
Figura 2.- Muestra una gráfica que representa, a modo de ejemplo, la variación del grosor del mástil frente a su altura (en base a la ley exponencial de Hellmann y fórmula de Karman). Al ser en este caso su sección circular se da la medida del radio R en metros frente a la altura H también en metros.
Figura 3.- Muestra una representación esquemática del denominado "camino de vórtices de Karman" y las fuerzas que este efecto produce sobre el objeto que lo genera.
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Realización preferente de la invención
A la vista de las figuras se describe a continuación un modo de realización preferente del aerogenerador objeto de la invención.
El aerogenerador resonante por vorticidad no tiene engranajes, rodamientos, etc., por lo que su montaje consiste en colocar los componentes físicamente solidarios en la posición descrita y en contacto físico o eléctrico entre ellos.
Se efectúa un agujero sobre el terreno (12) de dimensiones suficientes para acoger el basamento (1) realizado de cemento u hormigón como cualquier cimiento de una edificación o estructura. Se fija el mástil (4) al basamento (1) unido a éste por su parte inferior en una zona de anclaje (5) dejando que la parte más elevada del mástil (4) pueda oscilar libremente sin otro impedimento que el propio de la elasticidad del material. Desde el punto de vista eléctrico el mástil (4), conformado por elementos con elevado acoplamiento electromecánico (13), se conecta al equipo electrónico de control y regulación (3) situado en el hueco estanco (2) con el que cuenta para tal efecto el basamento (1). Dicha conexión la realizan unos conductores eléctricos (7) introducidos por un paso o conducto (6) también realizado en el basamento (1). La conexión con la red eléctrica de la instalación (8) se efectúa con unos cables de conexionado (9) que irán canalizados por una zanja realizada en el terreno (12) y que son extraídos del basamento (1) por medio de elementos de paso estanco o prensaestopas (10). El acceso al hueco estanco (2) se realiza por una tapa (11) que permite acceder a su interior y realizar intervenciones de montaje y mantenimiento.
Para definir aspectos dimensionales y sabiendo que el mástil (4) es de sección circular (15) para no depender de la dirección de procedencia del viento y de radio R variable en función de la altura H, en la figura 2 se grafica cómo para un mástil de 4 metros de altura y una frecuencia de oscilación natural deseada, por ejemplo, de 8 hercios (determinada entre otras cosas por el módulo de Young del material que lo conforma) se pasa de una sección (15) de 82,9 mm. de radio a 1 metro de altura respecto del terreno (12) hasta 105,3 mm a 4 metros. Esta geometría producirá una aparición sincronizada de vórtices en toda la longitud del mástil (4) para el caso de un viento regido con un valor del coeficiente exponencial de Hellmann p = 0,16 y un valor promedio de velocidad del aire a 10 metros de altura de 6,5 m/s.
En cuanto al fluido, el viento de carácter laminar y estacionario (14) incide sobre el mástil (4) produciendo una fuerza de arrastre (18) no utilizable y una fuerza de sustentación (19) cuyo sentido y magnitud varía en el tiempo. Cualquiera de las posibles secciones circulares (15) realizadas al mástil (4) con un plano perpendicular a su eje principal, generan una serie de vórtices (16) de carácter alternativo que, en el caso estacionario, circulan entre ellos a una distancia constante (17). Las fuerzas de sustentación (19) son producto de estos vórtices (16). Si cambia la velocidad del viento, el equipo de control y regulación (3) modula de manera activa el módulo de Young o módulo de elasticidad del mástil (4) variando las tensiones eléctricas a las que están sometidos los elementos con alto acoplamiento electromecánico (13) que lo componen, sintonizando así su frecuencia de oscilación natural con la frecuencia de aparición de los vórtices (16).
La red eléctrica de la instalación (8) recoge la energía aportada por uno o varios aerogeneradores resonantes por vorticidad y puede ser de carácter equipotencial (corriente continua). Se encarga de enviar toda la energía a una subestación eléctrica que la transforma y acondiciona según los requerimientos de la compañía eléctrica o centro que reciba dicha potencia eléctrica.
Para la distribución en el terreno de los aerogeneradores son pocos los requerimientos. Además de realizar un correcto anclaje al suelo, la interferencia aerodinámica de unos sobre otros deberá minimizarse espaciándolos para mejorar su rendimiento.
Con el objetivo de reducir su impacto visual los aerogeneradores resonantes por vorticidad pueden mimetizarse con un color acorde con el terreno circundante, si bien, en la realización preferente, se aconseja el uso de pinturas refractarias (blancos, plateados, etc.) para reducir la degradación originada por la radiación solar.

Claims (2)

1. Aerogenerador resonante por vorticidad que comprende un anclaje o basamento que lo fija al terreno, un equipo electrónico para el control y la regulación de sus diferentes parámetros de funcionamiento y un elemento encargado de captar la energía del viento, caracterizado porque el elemento encargado de captar la energía del viento es un sólido longitudinal o mástil (4) conformado por una pluralidad de elementos con alto acoplamiento electromecánico (13), cuya sección (15) y configuración geométrica (Fig. 2) transforma de manera deliberada el flujo de aire estacionario y laminar (14) en un flujo de carácter turbulento en donde los remolinos o vórtices (16) aparecen de manera sincronizada (17) por toda la longitud del mástil (4).
2. Aerogenerador resonante por vorticidad, según reivindicación 1, caracterizado porque el equipo electrónico de control y la regulación (3) modula de manera activa la frecuencia natural de oscilación del mástil (4) para igualarla o sintonizarla con la frecuencia de aparición de vórtices (17).
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