ES2573517T3 - Aerogenerador de eje vertical - Google Patents

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ES2573517T3 ES11806347.8T ES11806347T ES2573517T3 ES 2573517 T3 ES2573517 T3 ES 2573517T3 ES 11806347 T ES11806347 T ES 11806347T ES 2573517 T3 ES2573517 T3 ES 2573517T3
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Abstract

Aerogenerador de eje vertical, compuesto por un primer y segundo rotores (1 y 2) coaxiales independientes, en posición horizontal coincidentes, montados sobre un mismo eje (35) vertical, con facultad de giro en diferente sentido. El primero y segundo rotores (1 y 2) son portadores de palas (10 a 13) y (20 a 23) que van articuladas a dichos rotores según ejes verticales (16-26) no coincidentes. Las palas (10 a 13) y (20 a 23) presentan superficies activas curvas dirigidas en cada rotor en el mismo sentido, pero en sentido opuesto al de las palas del otro rotor.

Description

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DESCRIPCION
Aerogenerador de eje vertical
La presente invencion se refiere a un aerogenerador de eje vertical, constituido de modo que permita incrementar considerablemente la energia eolica captada, para una dimension de rotor dada, respecto de los aerogeneradores tradicionales de eje vertical.
Cabe recordar que, los VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) o aerogeneradores de eje vertical, tienen una serie de caracteristicas que los diferencian claramente de los aerogeneradores de eje horizontal. HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine), como son.
- No requieren de gran altura respecto al suelo, por lo cual pueden ser facilmente camuflados en el entorno y evitar asi el efecto visual que estos producen.
- El mantenimiento y la resolucion de averias es mucho mas sencillo que los HAWT ya que tanto el generador como el rotor se encuentran muy cerca del suelo.
- El impacto sobre las aves queda anulado.
- La dinamica de las palas es mucho mas sencilla y la estructura mas reducida, por tanto, mas economica.
- La velocidad de giro es mucho mas lenta que en el caso de los HAWT, lo que influye tanto en el desgaste de los mecanismos como en el ruido producido durante el giro. Incluso se podria eliminar este ruido haciendo que los rotores se soportasen con la fuerza MagLev (Magnetic Levitation).
- Con una configuracion correcta de los rotores y de los mecanismos de transmision del movimiento al generador, se podrian eliminar los mecanismos multiplicadores que tienen los HAWT, elementos mecanicos pesados y muy propensos a las averias.
- Los aerogeneradores VAWT tienen una velocidad de inicio de giro muy inferior y una velocidad de corte de seguridad superior a los HAWT, por lo cual se pueden aprovechar mucho mas los vientos existentes. Ademas, la configuracion mostrada en este documento, tiene la capacidad de poder plegar todas las palas y quedarse cerrado (sin ninguna pala que recoja viento) y evitar asi posibles danos cuando los vientos son excesivamente elevados, sin que esto comporte danar la estructura del aerogenerador ni de la estructura de soporte.
Dentro del concepto de aerogeneradores de eje vertical, dos son los modelos de referencia propuestos hasta ahora:
El modelo “SAVONIUS”, desarrollado por el ingeniero finlandes Sigurd J. Savonius en 1992. Este modelo, por la especial disposicion de las palas, presenta el problema de que en el sentido de retorno las palas inactivas ofrecen una gran resistencia al viento que contrarresta el efecto del viento sobre las palas activas.
El segundo modelo, modelo “DARRIEUS”, desarrollado por el ingeniero frances Georges Darrieus, solucionaba el problema del modelo “SAVONIUS”, pero el area excesivamente pequena encargada de recoger la accion del viento, lo hacian muy poco eficiente.
Los documentos EP 1096144 y FR 2913254 dan a conocer generadores eolicos de eje vertical que comprenden un primer y segundo rotores coaxiales independientes con facultad de giro en diferente sentido. Cada uno de los rotores comprende palas fijas dispuestas verticalmente. El segundo rotor se dispone superiormente al primero. Las palas de cada rotor recorren, por lo tanto, zonas distintas.
Los documentos ES 1065927U y ES 280117U dan a conocer generadores eolicos de eje vertical que comprenden un primer y segundo rotores coaxiales independientes con facultad de giro en diferente sentido. Cada uno de los rotores comprende palas abatibles segun un eje horizontal. Las palas de cada rotor recorren zonas distintas, siendo una de las zonas superior a la otra.
El documento WO 2004/079186 da a conocer un generador eolico de eje horizontal con rotores contrarrotatorios que presentan alabes con areas de barrido que coinciden parcialmente.
Generalmente, los aerogeneradores de eje vertical desarrollados hasta el momento han sido menos eficientes que los generadores de eje horizontal.
La presente invencion tiene por objeto eliminar los problemas expuestos, mediante un aerogenerador de eje vertical constituido de modo que permita lograr un considerable aumento de su rendimiento, haciendolo equiparable con los generadores de eje horizontal.
El aerogenerador de eje vertical de la invencion comprende una estructura que permite el giro de dos rotores de forma simultanea y en un mismo plano horizontal, en un sentido horario y en un sentido anti-horario. Este hecho permitira doblar, en el mismo espacio, la energia que el viento produce a su paso por el rotor. Para llevar a cabo este efecto, las palas del aerogenerador se plegaran o desplegaran segun la posicion de giro a la que se encuentren, de tal manera que mientras en un sentido las palas del rotor de giro horario se encuentran desplegadas, aprovechando todo el impulso proporcionado por la inercia del viento, las palas del otro rotor se encuentran
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plegadas con el fin de, en primer caso, no ofrecer resistencia al viento y, en segundo caso, no chocar con las palas del otro rotor que giran en sentido contrario.
El aerogenerador de eje vertical de la invencion comprende un primer y un segundo rotores coaxiales independientes, ambos de eje vertical. Estos dos rotores van montados sobre un mismo eje vertical con facultad de giro en diferente sentido. El primer y segundo rotores citados son portadores de palas que van articuladas a dichos rotores segun ejes verticales no coincidentes. Estas palas presentan una superficie activa curva que queda dirigida en cada rotor en el mismo sentido en todas las palas, pero en sentido opuesto al de las palas del otro rotor.
Esta estructura permite el giro de los dos rotores en forma simultanea, girando uno de los rotores en sentido horario y el otro en sentido anti-horario. De esta manera, se hace posible que la zona de barrido de las palas del primer rotor coincida, al menos parcialmente, con la zona de barrido de las palas del segundo rotor.
Para conseguir esto, preferentemente las palas del primer rotor van articuladas a dicho primer rotor mediante conexiones de articulacion que se situan a una altura superior a la altura a la que se encuentran las conexiones mediante las cuales las palas del segundo rotor van articuladas a dicho segundo rotor.
Mediante un mecanismo, por ejemplo a base de pinones, puede lograrse la accion de los dos rotores sobre un mismo eje de salida, que constituira el eje de toma de fuerza del aerogenerador.
Preferentemente, las palas de los dos rotores quedan relacionadas con el eje de giro de las mismas desde bordes verticales opuestos en uno y otro rotor.
Gracias a la articulacion de las palas, las palas de los dos rotores que en cada momento tienen la superficie conversa dirigida en sentido opuesto a la direccion del viento, adoptaran una forma plegada, no restando asi energia al rotor. Por el contrario, aquellas palas cuya superficie concava queda dirigida en sentido opuesto al de la accion del viento, quedan desplegadas para recibir todo el efecto del viento.
El plegado y desplegado de las palas se va efectuando de forma progresiva, conforme gira el rotor correspondiente y las palas van pasando desde posiciones de maxima orientacion activa a posiciones de minima orientacion activa.
Segun una forma preferida de realizacion, las palas del primer rotor van articuladas a dicho rotor a traves del extremo superior del eje de articulacion de estas palas, mientras que las palas del segundo rotor van articuladas a dicho segundo rotor a traves del extremo inferior del eje de articulacion de las palas de este segundo rotor.
Segun otra forma aun mas preferida de realizacion, las citadas conexiones de articulacion mediante las que se articulan las palas del primer y segundo rotores se situan en el punto medio de altura de las palas.
Estas disposiciones impiden que la palas de uno y otro rotor puedan chocar mediante las operaciones de plegado y desplegado de las mismas y al girar los dos rotores en sentidos opuestos.
En una realizacion del aerogenerador de la invencion, el primer rotor incluye un soporte anular superior, con el que va relacionado el eje de articulacion de las palas de este primer rotor, por ejemplo situandose en el mismo la conexion de articulacion de las palas del primer rotor. Por su parte, el segundo rotor comprende un soporte anular inferior, con el que va relacionado el eje de articulacion de las palas de este segundo rotor, situandose en el mismo la conexion de articulacion de las palas del segundo rotor.
Los dos soportes anulares son paralelos y coaxiales. Como ya se ha indicado, la conexion de las palas con el soporte anular correspondiente podra realizarse, por ejemplo, a traves del punto medio del eje de articulacion, a traves del extremo superior de dicho eje para el soporte superior y a traves del extremo inferior para el soporte inferior.
Las palas presentaran por un lado una superficie concava y por el opuesto una superficie convexa. Las palas pueden ser por ejemplo de superficie cilindrica de eje vertical, con igual curvatura todas, estando relacionadas a traves de uno de sus bordes verticales rectos con el eje de articulacion con el rotor correspondiente, opuesto este borde en las palas de uno y otro rotor.
Las palas de los dos rotores pueden ir dispuestas en posiciones angulares coincidentes en los dos rotores.
Con la constitucion descrita se dispone de un aerogenerador de eje vertical que incluye un sencillo mecanismo sensor que permite plegar las palas cuando estas hacen el recorrido de retorno, ofreciendo una resistencia cero al viento, mientras que se despliegan cuando las palas tienen de cara el efecto del viento, ofreciendo una resistencia total. El mecanismo sensor comentado puede consistir en la simple articulacion de las palas al rotor en la forma ya descrita. Aprovechando que las palas en el 50% aproximado del recorrido se encuentran plegadas y en el otro 50% aproximadamente desplegadas, permite que se incluyan en el mismo mecanismo los dos rotores cuyas palas se pliegan y despliegan en momentos o posiciones inversas, aumentando de este modo la efectividad del
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aerogenerador aproximadamente en el 100 por 100 del recorrido de las palas o giro del aerogenerador. Asimismo, las palas pueden ser accionadas mediante otro tipo de mecanismos sensores, servomotores, guias, etc.
Para su mejor comprension se adjuntan, a titulo de ejemplo explicativo pero no limitativo, unos dibujos de unas realizaciones del aerogenerador objeto de la presente invencion.
La figura 1 es una perspectiva esquematica del aerogenerador de la invencion, con los dos rotores que lo conforman axialmente separados entre si.
La figura 2 es una perspectiva similar a la figura 1 con los dos rotores acoplados en posicion horizontal coincidente.
Las figuras 3 y 4 representan de forma esquematica el giro de los dos rotores en sentido anti-horario y horario, respectivamente.
La figura 5 representa de forma esquematica el giro de los dos rotores acoplados en posicion horizontal coincidente.
La figura 6 muestra en perspectiva una posible constitucion del aerogenerador de la invencion, con los dos rotores situados a igual altura.
La figura 7 es una vista en planta del aerogenerador de la figura 6.
La figura 8 muestra una realizacion alternativa en la que las palas se articulan al rotor a traves de una union situada en el punto medio de las palas.
La figura 9 muestra una realizacion similar a la de la figura 8, pero con distintos niveles, reforzando el aprovechamiento del dispositivo con respecto al de la figura 8.
La constitucion y caracteristicas del aerogenerador de la invencion podran comprenderse mejor con la siguiente descripcion de unos ejemplos de realizacion mostrados en los dibujos antes relacionados.
En la figura 1 se muestran en perspectiva un primer rotor -1- y un segundo rotor -2-, que entran a formar parte del aerogenerador de la invencion y que estan axialmente separados entre si. Por motivos didacticos y de claridad, se han representado ambos rotores exageradamente separados, de tal manera que las zonas de barrido de las palas de ambos rotores no interfieran entre si. El primer rotor 1 incluye una serie de palas -10-, -11 -, -12-, -13-, cuatro en el elemento representado. Por su parte, el rotor -2- incluye igual numero de palas, -20-, -21-, -22-, -23-. Las palas de los dos rotores son de superficie curva y en el ejemplo representado son de superficie cilindrica, estando la concavidad de las palas del rotor -1- dirigidas en sentido opuesto a las palas del rotor -2-. El rotor -1- gira en sentido anti-horario y el rotor -2- en sentido horario, segun se presenta por las flechas correspondientes.
El rotor -1- incluye un soporte anular -14- al cual van articuladas las palas, a traves de uno de sus bordes verticales -15-, segun un eje vertical de giro o conexion de articulacion -16-. Por su parte, el rotor -2- incluye un soporte anular -24- con el que quedan relacionadas las palas -20-, -21-, -22-, -23- del rotor -2-, a traves de uno de sus bordes verticales -25-, segun un eje vertical de giro o conexion de articulacion -26-.
En la figura 2 se muestran los dos rotores -1 - y -2- en posicion horizontal coincidente, es decir, de tal manera que las areas de barrido de las palas del primer rotor -1- y del segundo rotor -2- coinciden con los soportes -14- y -24- paralelos y dispuestos en posicion coaxial.
Suponiendo que el viento incida en la direccion -F-, girando el rotor superior -1- en sentido anti-horario -A- y el rotor inferior -2- en sentido horario -B-, la pala -10- del rotor -1- sera la que ocupe la posicion de maximo desplegado, con la superficie concava opuesta a la direccion -F- del viento. Conforme va girando el rotor -1-, las palas se van plegando progresivamente, ocupando la pala -11- una posicion intermedia de plegado, la pala -12- una posicion proxima a la de plegado total y la pala -13- una posicion de plegado o abatida total sobre el rotor -1 -. Por el contrario, en el rotor -2- que gira en sentido -B-, la pala -20- ocupara una posicion de plegado total, la pala -21- una posicion de casi plegado o abatimiento total, la pala -22- una posicion de desplegado parcial y la pala -23- una posicion de desplegado total. De este modo, el viento con la direccion -F- actuara de forma efectiva sobre las palas -23- y -22- del rotor -2- y sobre las palas -10- y -11- del rotor -1-, que giraran en sentido opuesto. Las palas -20- y -21- en posicion plegada no ofreceran resistencia al viento, como tampoco lo haran las palas -12- y -13- del rotor -1-.
En la figura 3 se representa el movimiento del rotor -1- de giro anti-horario, partiendo de la posicion de la figura 1, asi como el plegado y desplegado sucesivo de las palas -10-13-, con el aire actuando en la direccion -F- de la figura 2.
Del mismo modo, en la figura 4 se representa el movimiento del rotor -2-, de giro en sentido horario, con las posiciones sucesivas de plegado y desplegado de las palas -20-23-, partiendo de la posicion de la figura 1 y con el viento actuando en la direccion -F- de la figura 2.
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En las figuras 3 y 4 se indica la posicion del eje vertical de giro -16- y -26- de las palas de los rotores -1- y -2-, respectivamente.
En la figura 5 se representa el movimiento de los dos rotores -1- y -2- a la vez, el rotor -1- con las palas -10- a -13- con giro anti-horario y el rotor -2- con palas -20- a -23- en sentido horario. En la figura 5 se referencian las palas -10- a -13- y -20- a -23- de los dos rotores, asi como los correspondientes ejes -16- y -26- de giro.
En las figuras 6 y 7 se representa una posible forma de realizacion del aerogenerador, compuesto por los rotores -1- y -2-, cada uno con su correspondiente soporte anular -14- y -24-. Con el soporte -14- van relacionadas las palas -10- a -13- a traves del extremo superior del eje de articulacion vertical -16- de dichas palas. Con el soporte -24- van relacionadas las palas -20- a -23- a traves del extremo inferior del eje vertical de giro -26- de dichas palas. De este modo, las palas -10- a -13- del rotor -1- van articuladas por el extremo superior del eje de articulacion correspondiente, mientras que las palas -20- a -23- del rotor -2- van articuladas por su extremo inferior, eliminando asi el riesgo de choque entre palas de los dos rotores durante las operaciones de plegado y desplegado de las mismas.
Segun se muestra en las figuras 6 y 7, los soportes anulares -14- y -24- pueden ir dentados y engranar con ruedas -30-, -31- cuyos ejes son portadores de una pareja de ruedas -32- que engranan entre si, todo ello debido a que los soportes anulares -16- y -26- giran en sentido contrario. Con esta disposicion cualquiera de los ejes -33- o -34- pueden servir como ejes de salida de toma de fuerza del aerogenerador.
Los soportes anulares -14- y -24- son paralelos y coaxiales y pueden ir montados sobre un mismo eje central -35-.
En el ejemplo descrito las palas de los dos rotores son de superficie cilindrica, de eje vertical, todas con igual curvatura y van relacionadas a traves de uno de sus bordes verticales rectos con el eje de articulacion correspondiente. Estando este borde vertical de articulacion en posiciones opuestas en las palas de uno y otro rotor.
La figura 8 muestra, esquematicamente, una realizacion alternativa a la mostrada en las figuras 1 a 7. Esta realizacion esta dirigida a disminuir las tensiones que se producen en las conexiones de articulacion -16-, -26- de las palas -10-, -20- con sus respectivos soporte anular superior perteneciente al primer rotor -1- y soporte anular inferior perteneciente al segundo rotor -2-. Como puede verse en la figura, la conexion se realiza en el punto medio de las palas -10-, -20-, de tal manera que queda una porcion de pala superior -10”-, -20”- por encima de la union y una porcion de pala inferior -10’-, -20”- por debajo. Como puede observarse, la zona de barrido de la porcion inferior -10’- de las palas -10- del rotor superior -1- coincide, al menos parcialmente, con la zona de barrido de la porcion superior -20’- de las palas -20- del rotor inferior -2-. Sin embargo, como puede observarse, el aprovechamiento del area en esta realizacion no es del 100% como en la realizacion anterior, sino del 67%.
Este efecto puede ser minimizado mediante la colocacion de rotores sucesivos, como se puede observar en la figura 9, en el que elementos similares a los de la figura 8 han sido senalados con identicos numerales. En este caso, el aprovechamiento de la superficie lateral es del 86%. Los diferentes niveles del aerogenerador han sido delimitados con rectangulos en linea discontinua. Como puede observarse, el aerogenerador tambien puede entenderse como un aerogenerador segun el ejemplo de las figuras 1 a 7 en el que las palas del anillo de soporte quedan unidas por su borde inferior al borde superior de la pala del anillo de soporte superior del nivel inferior y las palas del anillo de soporte inferior quedan unidas por su borde superior al borde inferior de la pala del anillo de soporte inferior del nivel superior.

Claims (9)

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    REIVINDICACIONES
    1. Aerogenerador de eje vertical, que comprende un primer y un segundo rotores coaxiales independientes montados sobre un mismo eje vertical, con facultad de giro en sentidos contrarios entre sf, presentando dichos primer y segundo rotores palas articuladas a dichos rotores, presentando las palas una superficie activa curva que esta dirigida en cada rotor en el mismo sentido en todas las palas, pero en sentido opuesto al de las palas del otro rotor, caracterizado porque las palas van articuladas a dichos rotores segun ejes verticales no coincidentes, de tal manera que la zona de barrido de las palas del primer rotor coincide, al menos parcialmente, con la zona de barrido de las palas del segundo rotor.
  2. 2. Aerogenerador, segun la reivindicacion 1, caracterizado porque las palas del primer rotor van articuladas a dicho primer rotor mediante conexiones de articulacion que se situan a una altura superior a la altura a la que se encuentran las conexiones mediante las cuales las palas del segundo rotor van articuladas a dicho segundo rotor.
  3. 3. Aerogenerador, segun la reivindicacion 2, caracterizado porque las palas del primer rotor van articuladas a dicho rotor a traves del extremo superior del eje de articulacion de dichas palas, mientras que las palas del segundo rotor van articuladas a dicho segundo rotor a traves del extremo inferior del eje de articulacion de dichas palas.
  4. 4. Aerogenerador, segun las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque las citadas conexiones de articulacion mediante las que se articulan las palas del primer y segundo rotores se situan en el punto medio de altura de las palas.
  5. 5. Aerogenerador, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el primer rotor comprende un soporte anular superior en el que se situa la conexion de articulacion de las palas de dicho primer rotor; y porque el segundo rotor comprende un soporte anular inferior en el que se situa la conexion de articulacion de las palas de dicho segundo rotor, siendo ambos soportes anulares paralelos y coaxiales.
  6. 6. Aerogenerador segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las palas presentan por un lado una superficie concava y por el contrario una superficie convexa.
  7. 7. Aerogenerador, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las palas son de superficie cilmdrica de eje vertical, con igual curvatura y van relacionadas a traves de uno de los bordes verticales rectos con el eje de articulacion con el rotor, siendo dicho borde opuesto en las palas de uno y otro rotor.
  8. 8. Aerogenerador, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las palas de uno y otro rotor van dispuestas en posiciones angulares coincidentes en ambos rotores.
  9. 9. Aerogenerador, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque presenta un mecanismo sensor para plegar las palas cuando estas hacen en recorrido de retorno y desplegarlas cuando tienen de cara el efecto del viento.
ES11806347.8T 2010-07-16 2011-07-15 Aerogenerador de eje vertical Active ES2573517T3 (es)

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