ES2402003B1 - Aerogenerador de eje vertical - Google Patents

Abstract

Aerogenerador de eje vertical.#El aerogenerador presenta la particularidad de estar constituido por dos rotores que giran sincronizadamente en sentidos inversos y que se constituyen a partir de sendos bujes (2, 2?) de los que se proyectan verticalmente correspondientes ejes (1, 1?) rematados por su extremo inferior en respectivas coronas (18, 18?) de gran diámetro, susceptibles de engranar con uno o más piñones (19) cuyo eje de salida (20) está previsto para accionar un generador eléctrico, una máquina, o para cualquier otro uso. De los bujes (2, 2?) emergen brazos radiales (3, 3?) en cada uno de los cuales va montado con carácter giratorio un cilindro (5, 5?), que es solidario un aspa (7, 7?), y entre ambos bujes (2, 2?) un cilindro de leva (12) orientable en giro por medio de una veleta (14) y capaz de orientar las aspas (7, 7?) para conseguir una máxima resistencia o una mínima resistencia al viento. Al girar los rotores en sentidos contrarios y sincronizadamente, se capta la potencia del viento a ambos lados del eje, con un máximo aprovechamiento.

Description

AEROGENERADOR DE EJE VERTICAL

5

DESCRIPCIÓN OBJETO DE LA INVENCIÓN

1 O

La presente invención se refiere a un aerogenerador de eje vertical, en donde las aspas giran en un plano horizontal, con la particularidad de que el aerogenerador comprende una turbina compuesta de dos rotores que giran sincronizadamente entre sí, en sentido inverso, al objeto de captar la potencia del viento a ambos lados del eje.

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ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

20

La creciente demanda energética y la subida constante del precio del petróleo y su contaminación, hace que constantemente se busquen otras fuentes de energía, y si es posible inagotable. En tal sentido, la energía eólica permite aprovechar la fuerza del viento que la naturaleza genera, sin contaminación de ningún tipo.

25

Como aprovechamiento de la energía eólica actualmente existen aerogeneradores que generalmente se montan con su eje en horizontal, es decir que sus aspas se mueven en un plano perpendicular al sentido de la dirección del viento.

Como es sabido, en los aerogeneradores de eje horizontal la correspondiente torre de montaje y soporte debe ser muy robusta, ya que tiene

5

que soportar en su extremo el generador y toda la maquinaria que requiere, por lo que resulta una instalación costosa, así como elevado costes en reparación y mantenimiento, independiente de que la torre de eje horizontal debe ser elevada con el fin de que las aspas al pasar por la zona baja no interfieran las turbulencias que se forman con el roce del aire en las cercanías del suelo.

1 O

Además, los aerogeneradores de eje horizontal en todos los casos accionan un generador de electricidad, estando muy limitados a la hora de utilizarse para otros fines.

15

No obstante, existen aerogeneradores de eJe vertical, y en tal sentido pueden citarse aquellos cuya turbina está formada por elementos alabeados, a modo de helicoide, en el que parte de la fuerza del viento se ve desaprovechada, al definirse una componente vertical de fuerza debida a la propia configuración de la turbina.

20 25

Asimismo, se conocen aerogeneradores de eje vertical basados en el conocido rotor Savonius, en el que dicho rotor está formado por dos mitades de forma semicilíndrica, cóncavas y enfrentadas entre si por su concavidad, de manera que presenta el inconveniente de que en el interior de las zonas cóncavas, al no poder salir el aire, se produce una sobrepresión, con la consiguiente disminución del rendimiento, aunque se ha intentado resolver el problema mediante la separación de las dos partes o aspas que forman el rotor, estableciendo un hueco entre las mismas para que exista un flujo de atre.

30

Ahora bien, debido a la gran resistencia del aire que ofrece esa especial configuración, el aerogenerador de eje vertical basado en ese principio solo puede ser utilizado a bajas velocidades, ya que el uso para

generación de energía eléctrica precisaría de multiplicadores de giro que reducirían el rendimiento, por lo que resulta útil para aplicaciones de tipo mecánico, como es el bombeo del agua.

En cualquier caso, éste tipo de dispositivos solo aprovechan la fuerza del aire que influye sobre su cara cóncava, de manera que sobre su cara convexa se ejerce una fuerza que si bien es menor, debido a su geometría, va en contra del sentido de giro del dispositivo, restándole potencia.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El aerogenerador de eJe vertical que se precomza ha sido concebido para resolver la problemática anteriormente expuesta, basándose en que el mismo comprende dos rotores que giran sincrónicamente en sentido inverso, lo que permite captar la potencia del viento a ambos lados del eje.

Cada rotor está formado por un buje del que se proyecta en vertical el correspondiente eje, de manera que ambos rotores, unos situado superiormente al otro, incluyen sendos ejes, siendo ambos ejes tubulares y discurriendo concéntricamente entre sí, de manera que el eje del buje superior discurre por el interior del buje y del eje inferior, con la especial particularidad de que entre ambos bujes va situado un sistema de giro para accionamiento de las correspondientes aspas dispuestas en horizontal sobre otros tantos cilindros montados en brazos radiales y horizontales que emergen de cada buje, de manera que cada cilindro está montado, a través de cojinetes, sobre el correspondiente brazo emergente del buje, con facultad de girar respecto de tal brazo, un ángulo comprendido entre 0° y 90°, estando limitado

ese g1ro por unos topes complementarios establecidos tanto en el brazo

emergente del buje como en el extremo correspondiente del cilindro, al que se

une, por su extremo opuesto, la correspondiente asa.

5

Entre ambos bujes va dispuesto el sistema de giro para las aspas,

pudiendo éste estar realizado de cualquier manera, aunque preferentemente

estará constituido por un cilindro vertical por el que discurre axial y

concéntricamente el eje del rotor, es decir del buje superior, y cuyo cilindro

presenta en sus extremos dos escotaduras que afectan a un sector de 180°,

1O

estando ambas escotaduras realizadas en oposición diametral y vinculado el

cilindro a una veleta o cualquier sistema robotizado convencional para que

gire el mismo de acuerdo con la dirección del viento, en orden a proporcionar

la adecuada orientación y giro de las aspas, al estar éstas también montadas

de forma giratoria sobre el cilindro emergente del brazo del buje

15

correspondiente.

Los dos ejes concéntricos y tubulares están acoplados a la

correspondiente torre, montada ésta sobre una base o bancada anclada en el

suelo, de manera que a través de ese acoplamiento de la torre, los ejes

20

discurren concéntricamente entre sí, para rematarse cada uno de ellos en una

corona de gran diámetro, de manera que entre ambas coronas se monta un

piñón cónico cuyo eje establece el medio de toma de fuerza para la utilización

que se crea oportuna, bien para accionar un generador eléctrico, bien para

mover una máquina, o para cualquier otro uso, con la particularidad de que

25

entre ambas coronas puede montarse una pluralidad de piñones y por lo tanto

conseguir otras tantas tomas de fuerza para otros tantos usos.

Mediante el aerogenerador de eJe vertical referido, y como se

habrá podido comprobar, las aspas se mueven en una dirección mas próxima

30

a la dirección del viento, obteniéndose con los dos rotores una potencia a

ambos lados del eje, aumentando por lo tanto el rendimiento con respecto a

los aerogeneradores de eje horizontal, de manera que su oposición al viento

varía en función de su posición angular, ofreciendo una mayor oposición en

correspondencia con la zona del eje en la que el viento se desplaza en el

5

sentido de desplazamiento de las hélices, mientras que en la otra mitad de

ciclo de giro las hélices adoptan una disposición de mínima oposición al

viento.

La invención, además, al tener toda la maquinaria sobre el suelo,

1O

es decir la bancada anclada al suelo y con los engranajes de coronas, piñones

y ejes de salida amarrados al suelo, hace que dicha maquinaria resulte mucho

más accesible que en los aerogeneradores convencionales, sin necesidad de

grúas para llevar a cabo su mantenimiento y reparaciones.

15

Así pues, la altura de la torre será mucho menor que la requerida

en los aerogeneradores de eje horizontal, resultando además mas fácil la

instalación.

Asimismo es de destacar el hecho de que la fuerza obtenida con el

20

aerogenerador puede aplicarse a cualquier máquina que necesite el giro para

su funcionamiento, y simultáneamente a varias y diferentes entre si, es decir

que puede aplicarse tanto para accionar un generador eléctrico como para

accionar máquinas de distinta índole, y aplicarse, por ejemplo, cuando se está

en el mar, para bombear agua para pantanos artificiales, etc.

25

Otra ventaja es que en contra de lo que ocurre con los

aerogeneradores convencionales que necesitan generadores de gran diámetro

y número de polos, con el aerogenerador de la invención tanto el diámetro

como el número de polos puede reducirse a la mitad, debido a que al girar el

30

inducido y el inductor que forman el generador en sentido inverso, dicha

velocidad entre ambos resulta duplicada con respecto a un alternador

convencional con estátor.

5

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

1 O

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un único dibujo en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

15

La figura única mostrada en la hoja de planos referida representa una vista esquemática del aerogenerador de eje vertical realizado de acuerdo con el objeto de la invención.

20 25

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN Como se puede ver en la figura referida, el aerogenerador de la invención comprende dos rotores que giran sincronizadamente en sentido inverso, estando cada rotor formado por un eje (1, 1 ') solidario a un buje (2, 2') respectivamente, estando dichos bujes (2, 2') de cada rotor situados axialmente de forma vertical y distanciados entre sí, de manera que de cada buje (2, 2') emergen varios brazos radiales (3, 3') sobre los que montan, con la interposición de cojinetes (4, 4'), respectivos cilindros (5, 5'), a los que son solidarios los brazos (6, 6') pertenecientes a respectivas aspas (7, 7'), de manera que en cada caso del brazo (3, 3') se deriva lateralmente un tope (8,

8'), de otro previsto en el extremo correspondiente del cilindro (5, 5'), tope

que es el referenciado con (9, 9') y que incluye además un segundo tope (1 O,

10') rematado en una especie de palanca (11, 11 '), en la que se establecerán

unos rodillos, para facilitar el desplazamiento del dispositivo.

5

Entre ambos bujes (2, 2') de los rotores descritos, va dispuesto un

sistema de transmisión de giro para las aspas (7, 7'), constituido, en el caso

representado, por un cilindro (12) en funciones de leva, cilindro que en

correspondencia con sus extremos presenta una escotadura o rebaje (13, 13'),

1 O

en oposición diametral, y que afecta a 180° del contorno circular del cilindro

(12), siendo girado y orientado en su giro este cilindro (12) por medio de una

veleta (14) solidaria lateral y radialmente al mismo, o por cualquier

mecanismo similar que oriente dicho dispositivo definiendo una imaginaria

línea de división entre los dos semi-ciclos de desplazamiento circunferencial

15

de las hélices en función de su posición a favor o en contra del viento.

Los ejes (1, 1 ')del aerogenerador se montan sobre una torreta (15)

dispuesta sobre una base o bancada (16) anclada al suelo, estableciéndose en

tal torreta (15) un medio de acoplamiento (17) para los ejes (1, 1 '), los cuales

20

incorporan en su extremo inferior, solidariamente al mismo, respectivas

coronas dentadas (18, 18') susceptibles de engranar simultáneamente con uno

o mas piñones cónicos (19) con un eje de salida (20) para cada uno de ellos,

al objeto de permitir el aprovechamiento de la fuerza del viento originada por

la impulsión de las palas (7, 7') en su accionamiento sobre los ejes (1, 1 ') y

25

por lo tanto sobre las coronas (18, 18'), para accionar ese piñón o piñones

(19) y utilizar la potencia obtenida en el accionamiento, a través del eje (20),

de cada piñón (19), en accionar, por ejemplo, un generador eléctrico, para

accionar una máquina, o para cualquier uso.

El mecanismo de engranaje referido, es decir el formado por las

coronas (18 y 18'), que son de gran diámetro, y con los piñones (19), van protegidos y montados en un armazón (21 ), todo ello junto con la bancada

(16) anclado al suelo, lo que posibilita un fácil, cómodo, eficaz y óptimo montaje, desmontaje, reparaciones, mantenimiento, etc., permitiendo además que la torre ( 15) se sitúe a pequeña altura, en contra de lo que ocurre tradicionalmente.

Los ejes (1, 1') al ser tubulares, permiten alojar un tubo para cables o varillas para cualquier necesidad o uso.

Como es evidente, los bujes (2, 2') están separados una determinada distancia para permitir el paso de las aspas (7, 7') entre los dos y para que la interacción aerodinámica del viento en retroceso ayude a girar dichas aspas, con la particularidad de que los brazos (3, 3 ') de cada buje (2, 2') son radiales y equidistantes angularmente entre si, en el mismo plano horizontal.

Los topes (8-9 y 8' -9') establecidos complementariamente en los brazos (3, 3') y en los cilindros (5, 5'), establecen un tope en el giro limitado a un arco de 90° de los propios cilindros (5, 5') a los que van solidarias las aspas (7, 7'), y cuyo giro o arco de 90° corresponde al que se establece entre la posición horizontal y vertical de las propias aspas (7, 7'), oponiéndose al viento o presentando la mínimo oposición posible.

Por su parte, la palanca o manivela (11, 11 ') establecida en el cilindro (5, 5'), está prevista para que cuando en el giro de los cilindros (5, 5') tal palanca o manivela (11, 11 ') apoye primeramente sobre el borde extremo del cilindro (12) en funciones de leva, mientras que al alcanzar la escotadura

o rebaje (13), esa palanca o manivela (11, 11 ')caiga bruscamente al vacío de ese rebaje o escotadura (13, 13 '), limitando el giro del aspa desde la posición

horizontal que efectúa en el giro de 180° con apoyo de la manivela o palanca

(11, 11 ') sobre el borde extremo del cilindro de leva (12), hasta el recorrido

que realiza sobre el borde de la escotadura o rebaje (13, 13') de dicha

manivela (11, 11 '), y que corresponde a la posición vertical del aspa (7, 7'),

5

correspondiendo este recorrido de 180° al barrido que conlleva el tiempo

motriz del aerogenerador, es decir cuando mas resistencia ofrece el aspa (7,

7') al viento en su giro y posicionado, mientras que en la siguiente media

vuelta, el cilindro de leva (12) lleva consigo el giro del aspa (7, 7') hasta la

posición horizontal para presentar la mínima resistencia al viento, ya que se

1O

mueve en sentido contrario, y así sucesivamente para todas las aspas que

tienen los bujes (2, 2'), de manera que la disposición y montaje de los dos

rotores lleva consigo que éstos giren en sentido contrario, captando la misma

potencia eólica.

15

En el interior del cilindro (12) se han previsto unos cilindros

concéntricos y deslizantes, con facultad de desplazamiento axial hacia los

extremos, al objeto de que en este caso se reduzca la escotadura o rebaje (13,

13 ') hasta el mínimo, cuando los bordes de esos tubos internos coincidan con

el borde externo del tubo externo (12), coincidencia que corresponde a una

20

posición en que todas las palas (7, 7') están en posición horizontal. Para

desplazar los tubos o cilindros internos y deslizables, que varían el salto del

cilindro de leva (12), se utilizará preferentemente una varilla alojada en el

interior del eje concéntrico ( 1), si bien dicho mecanismo puede ser sustituido

por un sistema de regulación mas complejo, de manera que cuando el viento

25

sobrepase unos valores establecidos como de seguridad, las palas (7) adopten

en todo momento una disposición paralela al viento, en orden a evitar dañar el

dispositivo.

Para el buen funcionamiento del aerogenerador, el g1ro de las

30

aspas (7, 7') debe ser rápido y hacerlo en la entrada y salida del viento,

posiciones que están determinadas por la posición del cilindro de leva (12) solidario a la veleta (14), haciendo ésta girar a ese cilindro de leva (12) hasta orientarle en la posición correcta con respecto a la dirección del viento.

Como es evidente, las aspas del rotor superior giran debajo de su eje (1 ), es decir quedan suspendidas de él, mientras que las aspas (7') del rotor inferior giran por encima del eje (1 '). Esto es para conseguir que la integración aerodinámica de los torbellinos del viento en retroceso faciliten el giro de las propias aspas (7, 7').

En cuanto a la configuración de tales aspas (7, 7'), podrá ser cualesquiera, siempre que sean apropiadas, pudiendo ser considerada como una configuración óptima la que se asemeja a un banderín, con el brazo (6, 6') en un lado longitudinal, haciendo de eje y la superficie en forma de canal cerrado en los extremos.

Sobre el brazo (3, 3') que emerge radialmente del buje (2, 2') se ha previsto un muelle (23, 23') para compensar el peso de las aspas (7, 7') y facilitar el giro. Cuando entre las coronas (18, 18') se disponen varios piñones (19) de toma de fuerza, se conseguirá una distribución de la potencia en vanos generadores eléctricos o en varias máquinas distintas, consiguiéndose así una regulación de potencia, accionando uno o vanos, según la demanda de energía y la velocidad del viento. Con esto se aumenta el tiempo de aplicación del aerogenerador, a mas amplia variación entre mínima y máxima intensidad del viento, y aunque dicha regulación se pueda hacer con un solo generador mas potente, ello exigiría una maquinaria mas robusta y por consiguiente aumentaría el momento de inercia que impediría el funcionamiento a bajas y a altas velocidades del viento, reduciéndose así el campo de aplicación.

Así pues, la inclusión de vanos generadores y mecamsmos de

conexión/desconexión de los mismos permite que el dispositivo no se embale

ante el incremento de la velocidad del viento, permitiendo optimizar de mejor

manera el rendimiento del dispositivo.

5

Paralelamente, cabe destacar el hecho de que la especial

configuración del inductor y el inducido, que giran por efecto de las palas en

direcciones opuestas, hace que la potencia generada sea doble,

indistintamente de si el dispositivo trabaja en corriente continua o en

1 O

corriente alterna.

Como resulta evidente, el peso del conjunto de las palas y sus ejes

descansará sobre la carcasa o bancada ( 16), no viéndose afectado por el

mismo la transmisión a través de la cual se accionan los distintos generadores.

15

De acuerdo con lo hasta aquí expuesto, durante el giro de cada

rotor, la correspondiente aspa cambia la dirección de su desplazamiento

continuamente con respecto a la dirección del viento, por lo que la superficie

de barrido del aspa varía de forma sinuosoidal entre O y máximo durante un

20

arco proporcional al radio, por lo que es necesario un radio grande para que la

superficie de barrido esté mas tiempo sometida al empuje del viento, lo que

da lugar a un aerogenerador potente y lento en revoluciones.

Claims (4)

1. REIVINDICACIONES

2. 13 .-Aerogenerador de eje vertical, que basándose en la fuerza del

   viento para impulsar unas aspas en giro y llevar a cabo el accionamiento de

   5

   un sistema de engranajes para conseguir una potencia resultante aplicable en,

   por ejemplo, el accionamiento de un generador eléctrico, o bien en el

   accionamiento de cualquier tipo de máquina o para cualquier uso, se

   caracteriza porque comprende dos rotores en disposición vertical y con giro

   sincronizadamente en sentidos inversos, con captación de potencia de viento

   1 O

   a ambos lados de lo que es considerado eje general del aerogenerador;

   habiéndose previsto que los ejes (1, 1')de los dos rotores sean concéntricos y

   estén unidos por su extremo superior a un rotor (2, 2 '), y por su extremo

   inferior a una corona dentada (18, 18') de gran diámetro, que a su vez

   engranan con uno o varios piñones (19) con toma de fuerza (20) en su eje de

   15

   salida para cualquier uso, con la particularidad de que las aspas (7-7') están

   dotadas de medios de basculación para las mismas en sentido de mayor o

   menor oposición al viento en función de su posición relativa al viento con

   respecto del eje de giro.

   20

   23 .Aerogenerador de eJe vertical, según reivindicación 1,

   caracterizado porque cada rotor está constituido a partir de un buje (2, 2') del

   que es solidario el extremo superior del respectivo eje (1, 1 '), presentando

   cada buje (2, 2') unos brazos laterales y radiales (3, 3') sobre los que montan

   respectivos cilindros giratorios (5, 5'), a los que están solidarizadas las

   25

   correspondientes aspas (7, 7') del aerogenerador, de manera tal que el

   conjunto de los rotores superior e inferior están relacionados entre sí con un

   sistema de giro materializado en un cilindro de leva vertical (12) que es axial

   y por el que el pasante el eje (1) del buje (2) correspondiente al rotor superior,

   emergiendo lateralmente de dicho cilindro de leva (12) una veleta (14) para la

   30

   orientación en giro de tal cilindro de leva (12) y conseguir los

   posicionamientos en vertical o en horizontal de las propias aspas (7, 7') en combinación con el giro que éstas sufren al girar el cilindro (5, 5') sobre el correspondiente brazo (3, 3') emergente radialmente de los bujes (2, 2').
3. 3.-Aerogenerador de eje vertical, según reivindicación 2, caracterizado porque los cilindros (5, 5') montados giratoriamente sobre los brazos (3, 3 ') de los bujes (2, 2'), están montados sobre correspondientes cojinetes (5, 5') y cuentan con topes (9) complementarios de otros topes (8) previstos lateralmente en los brazos (3, 3'), determinando una limitación en giro de 90° del respectivo cilindro (5, 5') para conseguir la orientación apropiada del aspa (7, 7'); habiéndose previsto además que los cilindros (5, 5') cuenten con una palanca o manivela (11, 11 ') deslizante sobre el borde extremo del cilindro de leva (12), durante 180°, con el concurso de unos rodillos, mientras que en el giro de éste de otros 180°, la manivela o palanca (11, 11 ')apoya sobre el borde correspondiente a una escotadura o rebaje (13, 13 ') prevista en un sector de los restantes 180° correspondiente a los extremos del cilindro de leva (12), para conseguir la posición vertical u horizontal de las aspas (7, 7') y con ello la orientación apropiada para ofrecer la máxima o mínima resistencia al viento.
4. 3.-Aerogenerador de eje vertical, según reivindicaciones 2 y 3, caracterizado porque las aspas (7, 7') están relacionadas y solidarizadas a los respectivos cilindros (5, 5') a través de un brazo (6, 6') de aquellas, que se fija, mediante valonas (22, 22') a otras previstas en el extremo correspondiente a los cilindros giratorios (5, 5').

   Y.-Aerogenerador de eJe vertical, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los ejes (1, 1') de los bujes (2, 2') correspondientes a los rotores, son tubulares y concéntricos entre sí, acoplándose a la correspondiente torre (15) prevista en una bancada (16) anclada en el suelo; con la particularidad de que los ejes concéntricos (1, 1') de los rotores se extienden hasta la parte inferior correspondiente a un armazón (21) como medio de montaje y protección tanto de las coronas (18, 18') en que se rematan los ejes (1, 1 ') como en el piñón o piñones (19) que engranan entre dichas coronas (18 y 18').