ES2534683B1 - Turbina eólica - Google Patents
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Abstract
Turbina eólica.#Dispositivo compuesto por un eje central substancialmente vertical; dos o más aspas, teniendo cada una un cuerpo, un extremo superior y un extremo inferior, estando dichos extremos unidos directa o indirectamente a dicho eje, y estando dicho cuerpo dispuesto de forma substancialmente helicoidal alrededor de dicho eje y sustentado mediante al menos un brazo (40); teniendo la característica de porque dicha aspa (10) está formada a partir de una placa laminar con un hueco interior (30) y un corte que comunica dicho hueco interior (30) con el borde exterior (11a) y delimita una arista de extremo superior (12a) y una arista de extremo inferior (12b) confrontadas, estando dicha placa laminar deformada alejando dichas aristas de extremo superior e inferior (12a, 12b) verticalmente, obteniendo un segmento sustancialmente helicoidal, el cual presenta dos tramos a diferente altura con un área de captación resistente a un viento horizontal, diferenciada.
Description
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DESCRIPCION
TURBINA EOLICA
Campo de la tecnica
La presente invention concierne al campo de las turbinas eolicas, en concreto a turbinas eolicas de eje vertical de tamano pequeno y medio generadoras de electricidad, dotadas de aspas helicoidales.
Estado de la tecnica
Las turbinas eolicas de eje vertical son ampliamente conocidas, constando tlpicamente de un generador electrico acoplado a un eje vertical el cual esta conectado a unas aspas expuestas al viento que provocan el giro de dicho eje.
La forma y disposition de dichas aspas puede ser muy variada en funcion del tipo y rango de vientos de operation, la situation o la escala de la turbina, los materiales de fabrication, o sus costes.
En el caso que nos ocupa se trata de aspas helicoidales. Este tipo de aspas son conocidas por ejemplo a traves del documento WO2012041991, en el que se describe una turbina eolica de eje vertical con aspas helicoidales lineales de section en forma de ala de avion. Esta realization resulta costosa, al requerir de unas aspa de seccion variable, y por lo tanto de costosa fabricacion, y exponen poca superficie al viento.
El documento EP2115300 anticipa una turbina eolica de eje vertical con aspas laminares helicoidales, compuestas por la superposition vertical de segmentos laminares en forma de S unidos al eje por su centro, con una pequena desviacion angular en capa piso, consiguiendo asl un conjunto helicoidal. Esta realizacion resulta tambien onerosa al requerir la production de elementos con superficies complejas con suficiente precision como para la correcta union de una pluralidad de ellos.
Finalmente la realizacion anticipada en el documento WO2011042687 describe una turbina eolica de eje vertical en la que las aspas son de geometrla variable, partiendo de dos aspas laminares planas verticales unidas por su extremo inferior y superior al eje, en la que el extremo superior del eje puede girar respecto al extremo inferior, a la vez que se reduce la distancia entre ellos. Con este movimiento se consigue deformar las aspas verticales para que adopten una position helicoidal mas o menos acusada, variando asl la superficie
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expuesta al viento, permitiendo adaptarse a la velocidad de viento existente. Esta solucion requiere de cierta complejidad tecnica, y de ajustes manuales o automaticos, encareciendo asl su production y mantenimiento, y incrementando el riesgo de averlas.
Exposition de la invention
La invencion propuesta consta de una turbina eolica compuesta por un eje central substancialmente vertical, dos o mas aspas, teniendo cada una un cuerpo, una arista de extremo superior y una arista de extremo inferior, y estando dicho cuerpo dispuesto de forma substancialmente helicoidal alrededor de dicho eje.
Las citadas aristas de extremo superior e inferior estan unidas directa o indirectamente a dicho eje, y el cuerpo sustentado mediante al menos un brazo igualmente unido al eje por uno de sus extremos.
Dicha aspa esta formada a partir de una placa laminar plana dotada de un borde exterior a la que se ha recortado un hueco interior inscrito en su interior, que define un borde interior del aspa. Un corte comunica dicho hueco interior con el borde exterior y delimita una arista de extremo superior y una arista de extremo inferior confrontadas.
El aspa helicoidal es obtenida tras la deformation de dicha placa laminar plana alejando dichas aristas de extremo superior e inferior verticalmente, en una direction perpendicular al plano que forma la placa. Al realizar esa deformacion se consigue que la proyeccion vertical del objeto tridimensional obtenido, el aspa, presente una superficie expuesta, la en adelante llamada area de captation, que es la superficie sobre la que incide el viento.
Esta realization resulta extremadamente economica en su fabrication, ademas de resultar muy robusta y con un mantenimiento muy reducido.
Dichas turbinas de eje vertical siempre tienen, sea cual sea la direccion del viento, a un lado del eje presenta una mitad del area de captacion de las aspas que giran en la misma direccion del viento, giran a favor del viento, y al otro lado del eje la otra mitad del area de captacion de las aspas, que tienen que girar en contra de la direccion del viento, a contraviento, por eso estas turbinas no necesitan orientarse hacia el viento, pero requieren que las aspas tengan un comportamiento diferente frente al viento cuando giran a favor del viento, y cuando lo hacen a contraviento.
El aspa de la turbina propuesta dispondra de dos tramos a diferentes altura con un area de captacion expuesta a un viento horizontal diferenciada, de modo que al estar a diferente
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altura, y ser el aspa helicoidal, tambien estaran a diferente punto angular respecto al eje. Esta caracteristica evita que un mismo aspa tenga dos segmentos con igual area de captation a favor del viento y a contraviento simultaneamente, que se contrarresten el uno al otro, mejorando asi la eficiencia de la turbina, a la vez que permite funcionar de forma estable con velocidades de viento elevadas, o ante viento racheado, pues el area de captacion situada a contraviento estabiliza la velocidad de giro del eje, permitiendo asi un funcionamiento seguro con alta velocidad de viento o con viento racheado, y se alarga la vida util de la turbina.
Esta caracteristica puede obtenerse mediante una geometria tal de la placa laminar plana y/o del hueco interior que otorgue diferente area de captacion en unas zonas respecto a otras, como por ejemplo descentrando el hueco interior respecto al borde exterior de la placa laminar, o dotando a la placa plana o al citado hueco de un borde irregular o asimetrico.
Otra option alternativa o complementaria para reducir el area de captacion de algunas areas del aspa es la inclusion de orificios o aberturas en una fraction del cuerpo del aspa.
Las aristas de extremo superior e inferior del aspa pueden estar directamente fijadas sobre el eje, de tal modo que la inclination de una, otra o ambas aristas respecto a la vertical en el punto de fijacion sea de entre 0° y 45°. Para obtener esa inclinacion, se requiere que, al deformar la placa laminar, ademas de alejar dichas aristas de extremo superior e inferior se roten en direcciones opuestas. Al realizar esta operation se consigue que el cuerpo del aspa mas proximo a la arista de extremo rotada este mucho mas vertical, y por lo tanto con mayor area de captacion de viento, que un segmento del cuerpo mas alejado de dicha arista de extremo.
El cuerpo del aspa se sustenta en su tramo intermedio mediante al menos un brazo, que lo fija al eje. Dicho brazo dispone de una section en forma por ejemplo de ala de avion, o de cualquier otra geometria aerodinamica, lo que favorece la eficiencia de la turbina eolica en conjunto.
Segun una posible realization no limitativa el borde exterior y/o el interior del aspa estan doblados en seccion, para conformar una seccion en L o en C lo que otorga mayor rigidez al aspa, permitiendo utilizar una placa laminar mas delgada y ligera, lo que redunda en un accionamiento con un viento menor, y consiguiendo ademas diferenciar la captacion del viente del aspa en el lado a favor del viento respecto a la captacion en el lado a contraviento, lo que mejora el rendimiento.
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El generador electrico puede situarse opcionalmente a ras de suelo, para facilitar su mantenimiento, dentro de una carcasa o del mastil, y disponer un eje dentro del mastil lo suficientemente alto para alejar las aspas del suelo, por seguridad y eficiencia, u opcionalmente se puede disponer dicho generador en el extremo superior de dicho mastil, y situar el eje y las aspas inmediatamente por encima.
Breve descripcion de los dibujos
Las anteriores y otras ventajas y caracterlsticas se comprenderan mas plenamente a partir de la siguiente descripcion detallada de un ejemplo de realizacion con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a tltulo ilustrativo y no limitativo, en los que:
la Fig. 1A es una vista en alzado lateral de una turbina eolica de eje vertical de tres aspas segun un primer ejemplo de realizacion;
la Fig. 1B es una vista en alzado lateral de una turbina eolica de eje vertical de tres aspas segun un segundo ejemplo de realizacion, con parte de las aspas perforadas;
la Fig. 1C es una vista en planta de la turbina eolica mostrada en la Fig.1A;
la Fig 2 es una vista en planta de una placa laminar plana, a partir de la cual se conforma un aspa, antes de ser deformada, con un borde exterior circular, un hueco interior circular descentrado y orificios en una mitad del cuerpo del aspa para reducir su area de captacion;
la Fig. 3 es una vista en planta de una placa laminar plana, a partir de la cual se conforma un aspa, antes de ser deformada, con un borde exterior circular, y un hueco interior circular descentrado;
la Fig. 4 es una vista en planta de una placa laminar plana, a partir de la cual se conforma un aspa, antes de ser deformada, con un borde exterior cuadrangular, y un hueco interior circular descentrado;
la Fig. 5 es una vista en planta de una placa laminar plana, a partir de la cual se conforma un aspa, antes de ser deformada, con un borde exterior cuadrangular, y un hueco interior cuadrangular descentrado;
la Fig. 6 es una seccion transversal de un brazo de soporte del aspa;
la Fig. 7 es una seccion transversal de un aspa con el borde exterior doblado, confiriendo al aspa una seccion en L; y
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la Fig. 8 es una seccion transversal de un aspa con el borde exterior e interior doblados, confiriendo al aspa una seccion en C.
Description detallada de un ejemplo de realization
Segun un primer ejemplo de realizacion mostrado en la Fig. 1A y 1B, la turbina eolica dispone de tres aspas 10 helicoidales, cada una sustentada por una pluralidad de brazos 40, aunque resultana evidente una turbina similar dotada de dos, cuatro o mas aspas.
El aspa 10 siempre tiene un grosor constante, al estar confeccionada a partir de una placa laminar plana, pero en el ejemplo de realizacion mostrado en esta primera figura, el ancho de su seccion es variable, para conseguir que el area de captation del viento sea igualmente variable, concentrandose en algunas zonas preferidas.
Ese aspa 10 esta confeccionada a partir de la placa laminar mostrada en la Fig. 3, definida por un borde exterior 11a circular, y por un hueco interior 30 tambien circular inscrito en dicho borde exterior 11a y definiendo un borde interior 11b. El borde exterior 11a e interior 11b no son concentricos, de modo de el ancho de la seccion es variable.
Un corte comunica el hueco interior 30 con el borde exterior 11a, y define dos aristas enfrentadas, la arista de borde superior 12a y la arista de borde inferior 12b.
En esta realizacion preferida este corte no se realiza por el plano de simetrla de la placa laminar, ni por el punto con una seccion menor, sino en un plano con un desplazamiento angular respecto a esos puntos. Esta caracterlstica permite asegurar que una primera mitad del aspa 10 tendra una superficie mayor que una segunda mitad del aspa 10, y por lo tanto una mayor area de captacion, de este modo el area de captacion de la segunda mitad del aspa 10 situada a contraviento no contrarrestara el area de captacion de la primera mitad del aspa 10 situada a favor del viento, situation que se muestra en la citada Fig. 1C.
Otras geometrlas que dispusieran de las mismas caracterlsticas serlan posibles, como por ejemplo las mostradas en las Fig. 4 y 5, u otra no mostrada.
Opcionalmente dicha mitad con menor area de captacion puede adicionalmente disponer de orificios o aberturas 50 como por ejemplo los mostrados en la Fig. 1B y Fig. 2 para maximizar ese efecto, pero manteniendo suficiente area de captacion para mantener la propiedad de estabilizar la velocidad de giro frente a vientos fuertes o racheados.
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Tal como se muestra en la Fig. 1A y 1B en una realization preferida la fijacion del aspa 10 al eje 20 se realiza fijando directamente la arista de extremo superior 12a al extremo superior del eje 20, y la arista de extremo inferior 12b a una portion inferior del eje 20. Ademas dichas aristas de extremo superior e inferior 12a y 12b, se fijan con una orientation cuasi vertical, obteniendo asl una mejor superficie de union para realizar por ejemplo una soldadura, y consiguiendo ademas que al menos una portion del aspa proxima a dichas aristas de extremo superior e inferior 12a y 12b presenten una area de captation mayor al situarse en una position mas vertical y por lo tanto mas expuesta. Adicionalmente, unos brazos 40 que sostienen el cuerpo del aspa y lo unen al eje 20, pueden alterar la geometrla helicoidal de dicho cuerpo del aspa 10, haciendola mas irregular para maximizar el area de captation, esta alteration de la geometrla helicoidal puede apreciarse en la Fig. 1B, especialmente si se compara con la Fig. 1A en la que no se ha producido esta alteracion.
Dichos brazos 40 pueden tener una section en forma de ala de avion, como la mostrada en la Fig. 6, permitiendo asl mejorar su comportamiento tanto a favor del viento como a contraviento, ayudando asl a mejorar la eficiencia del conjunto.
Opcionalmente se podra anadir un doblez a la section del aspa, para conferirle una section en forma de L o C como por ejemplo la mostrada en las Fig. 7 y 8, u otra diferente que proporcionara los mismos resultados. Esta section permite incrementar la rigidez del aspa, lo que permite utilizar una placa laminar mas delgada y ligera, y por tanto apta para girar con velocidades de viento menores, ademas de mejorar sensiblemente su capacidad de captation del viento a favor del viento, a la vez que reduce su capacidad de captation a contraviento, consiguiendo asl una mejora en la eficiencia.
Otra option adicional es conferir un tratamiento superficial diferenciado a las dos caras de las aspas 10, para dotar la cara que queda expuesta al viento a contraviento de menor rugosidad que la cara contraria, consiguiendo asl incrementar igualmente la eficiencia del conjunto.
Claims (10)
- 510152025REIVINDICACIONES1. - Turbina eolica que dispone de:• un eje central substancialmente vertical• dos o mas aspas, teniendo cada una un cuerpo, un extremo superior y un extremo inferior, estando dichos extremos unidos directa o indirectamente a dicho eje, y estando dicho cuerpo dispuesto de forma substancialmente helicoidal alrededor de dicho eje y sustentado mediante al menos un brazo (40);caracterizado por que dicha aspa (10) esta formada a partir de una placa laminar con un hueco interior (30) y un corte que comunica dicho hueco interior (30) con el borde exterior (11a) y delimita una arista de extremo superior (12a) y una arista de extremo inferior (12b) confrontadas, estando dicha placa laminar deformada alejando dichas aristas de extremo superior e inferior (12a, 12b) verticalmente, obteniendo un segmento sustancialemente helicoidal, el cual presenta dos tramos a diferente altura con un area de captation resistente a un viento horizontal, diferenciada.
- 2. - Turbina eolica segun reivindicacion 1 caracterizada por que dicha area de captacion resistente al viento diferenciada se obtiene a partir de la position descentrada del citado hueco interior (30) respecto al borde exterior (11a).
- 3. - Turbina eolica segun reivindicacion 1 o 2 caracterizada por que dicha area de captacion resistente al viento diferenciada se obtiene a partir de la realization de orificios o aberturas que ocupan una parte de las citadas areas resistentes al viento.
- 4. - Turbina eolica segun reivindicacion 1, 2 o 3 caracterizada por que la arista de extremo superior (12a) y/o la arista de extremo inferior (12b) estan directamente conectadas al eje y su inclination es de entre 0° y 45° respecto a la vertical.
- 5. - Turbina eolica segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizada por que dicho borde exterior (11a) y/o dicho borde interior (11b) estan redondeados y/o curvados respecto a la section transversal del aspa (10).
- 6. - Turbina eolica segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizada por que el borde exterior (11a) del cuerpo bidimensional que forma el aspa (10) es circular en planta.
- 7. - Turbina eolica segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 precedentes caracterizada por que la arista de borde exterior (11a) del cuerpo bidimensional que forma el aspa (10) es cuadrangular en planta.
- 8. - Turbina eolica segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizada 5 por que la arista de borde interior (11b) del cuerpo bidimensional que forma el aspa (10) escircular en planta.
- 9. - Turbina eolica segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 precedentes caracterizada por que la arista de borde interior (11b) del cuerpo bidimensional que forma el aspa (10) es cuadrangular en planta.10 10.- Turbina eolica segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizadapor que dicho corte del material laminar que define las aristas de extremo superior (12a) e inferior (12b) no se encuentra en el plano de simetrla del cuerpo de material laminar y/o tampoco en el punto de mayor proximidad entre la arista de borde interior (11b) y la arista de borde exterior (11b).15 11.- Turbina eolica segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizadapor que dichos brazos (40) de soporte tienen una seccion transversal de grosor variable definiendo una arista delgada y un extremo ancho romo.
- 12.- Turbina eolica segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes caracterizado por que el mecanismo generador electrico se encuentra en la base del mastil, y esta unido a 20 las aspas mediante un eje de transmision.
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