ES2578428B1 - Sistema y método para obtener energía de un fluido - Google Patents

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Abstract

Sistema y método para obtener energía de un fluido que comprende un generador de vórtices, en el seno de un fluido, compuesto al menos por un cuerpo obstructor (2) y una palanca en voladizo (1) que se deforma por su extremo libre, anclado al cuerpo obstructor (2). El generador de vórtices oscila ayudado por un elemento favorecedor de la calle de vórtices de von Karman (3), que se puede colocar aguas arriba o aguas abajo del generador de vórtices, que puede estar adjunto al cuerpo obstructor (2) o no, siempre con el fin de favorecer la oscilación por aumento del coeficiente de arrastre de dicho cuerpo obstructor (2). La conversión de la energía mecánica en eléctrica se realiza con un generador eléctrico (18) donde el movimiento rotacional se logra a partir de elementos de transmisión que transforman dicha oscilación en rotación.

Description

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DESCRIPCIÓN
Sistema y método para obtener energía de un fluido.
5 SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se refiere a un sistema y un método para generar energía eléctrica, dentro del campo de las renovables, que se recoge del movimiento de un dispositivo que oscila en el seno de un fluido, a través de elementos de transmisión electro-mecánicos y de
10 un generador eléctrico.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Durante los últimos años el número de publicaciones y patentes centradas en la descripción
15 de nuevas tecnologías y métodos para el aprovechamiento y ahorro energético ha aumentado considerablemente. En este campo, la observación de los fenómenos naturales, que se dan continuamente, ha permitido el desarrollo de nuevas tecnologías centradas en la energía eólica, la solar, geotérmica, y la procedente de las olas, además de otras.
20 El creciente interés en nuevas fuentes de energía viene motivado, entre otras causas, por factores económicos, por la independización nacional de suministros extranjeros, y por la mejora del medioambiente. Las energías alternativas anteriormente citadas, son energías limpias e inagotables que acabarían con los problemas de contaminación que actualmente existen.
25 Además de las ya citadas energías renovables, nuevas fuentes energéticas están surgiendo como alternativas a las ya existentes energías renovables. Ejemplo de ello es la energía piezoeléctrica, o la electromagnética.
30 El hallazgo de nuevas fuentes energéticas puede encontrarse en fenómenos que en un principio pueden resultar indeseables como por ejemplo la aparición de vórtices en un fluido cuando un elemento obstructor bloquea el paso de un flujo laminar. En estos casos se produce un régimen turbulento que, en determinadas ocasiones, puede provocar daños estructurales en dicho elemento obstructor.
35 La versión más conocida de este fenómeno, es la calle de vórtices de von Karman
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caracterizada por el desprendimiento de vórtices regularmente, y de manera alterna, aguas abajo de un elemento obstructor, que producen unas fuerzas transversales sobre el mismo que hacen que oscile perpendicularmente a la dirección del flujo. La aparición de una calle de vórtices de Karman, resulta un problema cuando la oscilación del elemento obstructor se da a una frecuencia coincidente con la del desprendimiento de los vórtices, ya que puede causar roturas por fatiga en estructuras como chimeneas o puentes.
Esta oscilación producida de manera continua en un objeto puede ser tomada como una fuente de generación energética si se diseña un dispositivo que soporte oscilaciones ininterrumpidas, y que disponga de un sistema de cosecha y transformación de dicha energía mecánica en eléctrica.
De hecho, se conocen varias patentes que han diseñado elementos que entran en resonancia y comienzan a oscilar por la aparición de vórtices de von Karman aguas abajo de dicho elemento. La frecuencia de oscilación se utiliza para medir la velocidad de flujo. En US5708214 se describe un medidor de flujo que se utiliza para medir velocidades de flujo de los gases de escape de los motores de combustión de vehículos. En US4478087 se presenta un dispositivo que contiene un generador de vórtices y un detector que mide la frecuencia a la que los vórtices de von Karman aparecen aguas abajo de éste para medir la velocidad de flujo en un fluido.
También se han reportado patentes que han diseñado elementos que entran en resonancia y aprovechan el movimiento oscilatorio para generar energía eléctrica. Por ejemplo en US20110273032 se describe un generador de vórtices de von Karman que convierte la energía mecánica en eléctrica mediante el uso de imanes permanentes. En su diseño incluyen una lámina metálica que se mueve inducida por los vórtices creados en el generador de vórtices al que está unida. Dicha lámina se encuentra en el seno de un campo magnético y con su movimiento oscilatorio genera una corriente inducida.
En US20080048455, se utiliza un giroscopio que transforma la energía oscilatoria del cuerpo obstructor, que oscila transversalmente a la dirección de flujo, en energía eléctrica.
Un trabajo similar se presenta en WO2014/135551-A1, en el que se describe un elemento que entra en resonancia, y que lleva adjuntos en su estructura una serie de piezoeléctricos con terminales imantados que se activan por el movimiento oscilatorio de la estructura. Estos elementos piezoeléctricos, cuando el elemento se encuentra en resonancia, se
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desplazan de una posición inicial, a otra secundaria, porque su terminal imantado encuentra otro de signo opuesto, que lo deforma generando consecuentemente energía eléctrica.
No solo con fluidos gaseosos se crean vórtices de von Karman, de hecho en CA 2772905 se genera energía eléctrica a través de un dispositivo que crea una calle de vórtices de von Karman cuando una corriente de agua incide sobre un cuerpo produciendo un movimiento vibracional en un sistema piezoeléctrico.
Como se ha podido observar, en muchos de los casos descritos se utilizan elementos piezoeléctricos para convertir la energía mecánica oscilatoria en eléctrica. Otro ejemplo se puede encontrar en CA2640868 que protege la invención de un dispositivo, basado en piezoelectricidad, para recoger energía procedente de los flujos que se producen en las profundidades de los pozos de petróleo o de gas. Este dispositivo está compuesto por un cilindro localizado transversalmente al flujo que soporta en uno de sus extremos una viga en voladizo que oscila en respuesta al desprendimiento de vórtices de von Karman. De nuevo, el movimiento y deformación de la viga en voladizo compuesta por material piezoeléctrico es la causa de dicha corriente eléctrica generada.
También US2011025880 y WO-2012/017106-A1 son ejemplos del uso de la aparición de vórtices de von Karman para generación eléctrica mediante el uso de piezoeléctricos. Mientras que el sistema descrito en US2011025880 está pensado para utilizarse en fluidos líquidos, el segundo está ideado para su uso en flujos gaseosos.
El método de conversión de la energía mecánica oscilatoria, generada por la calle de vórtices de von Karman, en eléctrica por piezoeléctricos también se encuentra en WO2012/017106-A1 y en WO2014/135551-A1. El sistema de recolección en ambas invenciones se localiza en la base de un mástil en forma de cono truncado cuyo diámetro superior se va escalando en función de la altura, según la ley de Hellman que relaciona el aumento de la velocidad del viento con la altura. La principal diferencia de WO2014/135551-A1 con respecto a WO-2012/017106-A1radica en el hecho de que la primera incluye imanes para aumentar la frecuencia de oscilación de los piezoeléctricos, aumentando así la generación global del sistema.
Hasta la fecha, el uso de elementos piezoeléctricos para generación eléctrica se ha limitado a aplicaciones de bajo consumo energético, como la carga de baterías para alimentación de sensores. Ejemplo de algunas de estas aplicaciones con piezoeléctricos son las patentes
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EP1275161, EP2763202 y EP1987551.
Patentes como WO-2012/017106-A1 y WO2014/135551-A1 sin embargo, hacen uso de elementos piezoeléctricos para generar energía cuando un mástil oscila por la aparición de una calle de vórtices de von Karman aguas abajo del mismo. Se insiste, en ambos trabajos, en que el sistema basado en piezoelectricidad resulta más rentable energéticamente que los convencionales que utilizan elementos de transmisión para activar un generador eléctrico como el que se encuentra en la mayoría de los aerogeneradores de palas.
Sin embargo, es objeto de la presente invención la creación de un dispositivo que genere grandes cantidades de energía, por lo que en esta patente se hace uso de elementos de transmisión que activan un generador eléctrico para generar energía con un dispositivo que oscila por el desprendimiento de vórtices que se da en un elemento obstructor que se encuentra en el seno de un fluido. La transformación de la energía oscilatoria mecánica en eléctrica, mediante elementos de transmisión, el control de los fenómenos aerodinámicos y de las frecuencias de oscilación del elemento obstructor, son motivos de la invención, no encontrados hasta la fecha en ningún trabajo previo.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Los inventores han diseñado un sistema y un método que permite recoger la energía de un fluido en movimiento mediante un dispositivo que oscila perpendicularmente a la dirección del flujo, por la acción de dicho flujo sobre el mismo. Este dispositivo no contiene palas, como las habituales turbinas eólicas, y no cuenta con elementos piezoeléctricos ni con ningún otro dispositivo reportado hasta la fecha en el estado de la técnica para transformar la energía mecánica oscilatoria, causada por el desprendimiento de vórtices, en eléctrica.
Con respecto a las tecnologías patentadas en WO-2012/017106-A1 y WO2014/135551-A1, la presente invención aporta una nueva metodología versátil que permite la generación en un rango de condiciones de flujo del fluido más amplio por la introducción de sistemas de regulación y de orientación en función del régimen y de la dirección de dicho flujo.
En esta invención se aporta conocimiento y tecnología en el área de la aerodinámica que presenta grandes ventajas en cuanto al rendimiento del funcionamiento de dicho dispositivo, no descritas en el estado de la técnica. El sistema que se describe comprende un elemento que oscila, denominado de ahora en
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adelante generador de vórtices, que está compuesto por al menos dos elementos fundamentales: un elemento flexible que actúa como una palanca en voladizo (1), y así se referirá a este elemento de ahora en adelante, y por un cuerpo obstructor (2) que provoca la generación de una calle de vórtices de von Karman aguas abajo del mismo. La palanca en voladizo (1) se encuentra fija en uno de sus extremos, y en su extremo libre se une el cuerpo obstructor (2).
Cuando el fluido, de régimen laminar, encuentra el cuerpo obstructor (2), aparece una fuerza de arrastre sobre dicho elemento causada por el desprendimiento de vórtices aguas abajo del cuerpo obstructor. Estos vórtices se crean porque dicho cuerpo obstructor (2) provoca la transición del flujo laminar en turbulento en forma de vórtices. Cuando la frecuencia de aparición de los vórtices es coincidente con la frecuencia de oscilación natural del elemento generador de vórtices formado por (1) y (2), el generador de vórtices comienza a oscilar. Mientras que (2) oscila, el movimiento es asumido por la palanca en voladizo (1) que se deforma en un sentido, y en el opuesto, perpendicularmente a la dirección del flujo del fluido. Un generador de vórtices que comprende al menos dos elementos, como el descrito en esta invención, que entra en resonancia por el desprendimiento de vórtices aguas abajo del mismo, es una de las diferencias de la presente invención con respecto a las patentes WO2012/017106-A1 y WO2014/135551-A1 que describen tan solo un elemento que oscila cuando se da una calle de vórtices de von Karman aguas abajo de él.
La aparición de una calle de vórtices de von Karman aguas abajo de un elemento obstructor en forma de cilindro está relacionada con el número de Reynolds. Este parámetro depende de la velocidad del fluido aguas arriba, del elemento obstructor cilíndrico y del coeficiente de viscosidad del fluido según la siguiente expresión:
=.
donde:
velocidad del viento [m/s]
Viscosidad cinemática [m2/s] d diámetro [m]
La aparición de una calle de vórtices de von Karman se da para números de Reynolds comprendidos entre 40 y 400. Para números de Reynolds superiores a 400, el régimen es demasiado turbulento y la calle de vórtices de von Karman desaparece. Son muchas las patentes que describen metodologías y soluciones para evitar la formación
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de calles de vórtices de von Karman aguas abajo de cuerpos obstructores, mediante la introducción de elementos adicionados a dichos cuerpos obstructores que interrumpen la formación de los vórtices desprendidos (US 6695540 B1, US 5517865 A, US 7905153 B2). Aunque otra estrategia para romper los vórtices aguas abajo de un elemento obstructor es la introducción de elementos que proporcionen una forma aerodinámica al cuerpo obstructor, de manera que se evite la separación del flujo y que este pueda continuar como laminar (US 7628569 B2).
Además de proporcionar formas más aerodinámicas a los elementos que producen calles de vórtices de von Karman para evitar su formación, se utiliza otra estrategia basada en la introducción de elementos que hacen que la capa límite se convierta en turbulenta antes de separarse del cuerpo obstructor. Esta propuesta se ha aplicado en las bolas de golf que cuentan con unos orificios en su superficie para crear una fina capa turbulenta próxima a la superficie de la pelota que pospone la separación del flujo de la pelota mejorando así el comportamiento aerodinámico de la misma, por reducción de la fuerza de arrastre. Este mecanismo de actuación se encuentra en las patentes EP0033023 y CA2131481.
Las técnicas, que hacen que un elemento sea más aerodinámico, o que posponen la separación de la capa límite de un objeto por la introducción de rugosidad en su superficie, son indeseables cuando el objetivo que se persigue es la creación de una calle de vórtices de von Karman. Por tanto, se puede favorecer que un objeto entre en resonancia diseñando el elemento obstructor de manera contraria a la propuesta en las patentes dedicadas a evitar las calles de vórtices de von Karman.
El coeficiente de arrastre (parámetro que determina la resistencia aerodinámica de un objeto) para un cilindro es de 0,49 mientras que para un cuerpo aerodinámico con la forma de las alas de un avión es de 0,09. Teóricamente, si se consigue aumentar el coeficiente de arrastre por encima del valor del cilindro, se consigue anticipar la separación de la capa límite laminar del cuerpo e incrementar el área de presión que se ejerce sobre el propio elemento obstructor, favoreciendo y magnificando su oscilación. Por ello, en la presente invención, se incluye un elemento encargado de aumentar el coeficiente de arrastre del cuerpo obstructor (2). Este elemento, de geometría variable, se puede colocar aguas arriba del cuerpo obstructor (2), o aguas abajo de él, separado del mismo, o adjunto a él, siempre con la intención de favorecer e incrementar el efecto de la calle de vórtices de von Karman. Las configuraciones no aerodinámicas, con respecto a las aerodinámicas, abren la estela cuando un fluido pasa a través de ellas produciéndose la transformación del flujo de laminar
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a turbulento, que es lo que se busca en este caso. El elemento (3), que favorece la formación de la calle de vórtices de von Karman, se denominará de ahora en adelante elemento favorecedor de la calle de vórtices de von Karman. La altura de este elemento viene determinada por el parámetro t donde t puede variar desde 0 (no incluido el 0) hasta dos veces el valor de (h-q-p)+H, que hace referencia a la altura del generador de vórtices, formado por el cuerpo obstructor (2) y por el elemento flexible (1) donde:
h: hace referencia a la longitud del elemento (1).
q: hace referencia a la longitud del elemento (1) que queda fija en uno de sus extremos.
p: hace referencia a la longitud que el elemento (1) que se encuentra dentro del elemento obstructor
H: hace referencia a la longitud del elemento obstructor
Cuando el elemento favorecedor de vórtices de von Karman (3) se encuentra adjunto al cuerpo obstructor (2), (3) experimenta el mismo movimiento que él (2). Cuando el favorecedor de vórtices (3) no se encuentra unido al generador de vórtices (2), este se mantiene quieto, no oscila. En ambos casos el elemento favorecedor (3) podría estar fabricado de un material rígido, ligero o pesado, según las dimensiones y la zona de instalación. A su vez, la superficie de este elemento podría ser rugosa o lisa. La forma de este elemento (3) incluye las geometrías cilíndricas y cónicas, y prismas de bases cuadradas, rectangulares, triangulares, trapezoidales, y poligonales (de n lados), conos truncados, prismas con bases geométricas de n ejes de simetría, como por ejemplo estrellas de 5 puntas y prismas con bases elípticas donde la relación entre el eje mayor y el eje menor es diferente de 1. El elemento (3), presentando cualquiera de las geometrías descritas, puede ser macizo o hueco.
Cuando el favorecedor de la calle de vórtices (3) se ubica aguas arriba del generador de vórtices, compuesto por (1) y (2), cumple una serie de características. Si el cuerpo obstructor (2) y el favorecedor de la calle de vórtices (3) se observan desde la posición en la que el primer objeto que se aprecia es el favorecedor de la calle de vórtices (3), y por tanto detrás se encuentra el generador de vórtices, el cuerpo obstructor (2) tiene que sobrepasar las dimensiones del favorecedor de la calle de vórtices (3). Esto significa que el cuerpo obstructor (2) debe de ser visto tras el favorecedor de la calle de vórtices (3). En cambio, si se observa desde la posición opuesta (aguas abajo) en la que el primer objeto que se ve es el generador de vórtices (1) + (2), y por tanto detrás de este se encuentra el favorecedor de la calle de vórtices (3), el favorecedor (3) no se observará ya que habrá quedado oculto por el cuerpo obstructor (2).
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Cuando el favorecedor de la calle de vórtices se ubica aguas abajo del generador de vórtices, compuesto por (1) y (2), las características que cumple son otras. Si el cuerpo obstructor (2) y el favorecedor de la calle de vórtices (3) se observan desde la posición en la que el primer objeto que se aprecia es el favorecedor de la calle de vórtices (3) (aguas abajo), y por tanto detrás se encuentra el generador de vórtices, el cuerpo obstructor (2) no tiene que sobrepasar las dimensiones del favorecedor de la calle de vórtices (3). Esto significa que el cuerpo obstructor (2) no debe de ser visto tras el favorecedor de la calle de vórtices (3). En cambio, si se observa desde la posición opuesta en la que el primer objeto que se observa es el generador de vórtices (1) + (2), y por tanto detrás de este se encuentra el favorecedor de la calle de vórtices (3) (aguas arriba), el favorecedor (3) se observará ya que el cuerpo obstructor (2) no lo cubre totalmente.
En las disposiciones preferenciales que se patentan se tiene un generador de vórtices que comprende al menos un cuerpo obstructor (2) que podría estar unido a la palanca en voladizo (1), que a su vez tiene su extremo opuesto bloqueado. El cuerpo obstructor (2) puede presentar diferentes configuraciones geométricas como la cilíndrica o la de cono truncado en aquellos casos en los que el favorecedor de la calle de vórtices (3) no está anclado al cuerpo obstructor. En aquellas realizaciones en las que el favorecedor de vórtices
(3) se encuentra unido al cuerpo obstructor (2), la geometría resultante de la unión de (3) y de (2), tiene un coeficiente de arrastre mayor que el obtenido para la configuración cilíndrica, tal y como ocurre cuando el favorecedor de la calle de vórtices (3) no está unido al cuerpo obstructor (2).
Es novedad en la invención igualmente la variación de la relación de longitudes de la palanca en voladizo (1) y el cuerpo obstructor (2). Se ha definido la longitud de la palanca en voladizo (1) como h, y la longitud del cuerpo obstructor (2) como H. El cuerpo obstructor (2), en su interior contiene un eje centrado que lo atraviesa a lo largo de la longitud del cilindro H, y que alberga parte de la palanca en voladizo (1). La longitud del elemento (1) que se encuentra dentro del cuerpo obstructor (2) se ha definido con el parámetro p, donde p puede ser ajustado en función de la velocidad del viento para delimitar la amplitud del movimiento oscilatorio, así como para variar la frecuencia de oscilación del generador de vórtices compuesto por (1) y (2).
Por tanto, el factor derivado de la relación (h-q-p)/H es el parámetro que ajusta la frecuencia de oscilación del generador de vórtices, así como la amplitud de dicha oscilación, en función de la velocidad del viento. Este parámetro es clave para controlar el correcto funcionamiento
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del dispositivo, no solo para mantener la eficiencia de la generación eléctrica, debida a la oscilación del generador de vórtices, sino también para bloquear la oscilación en condiciones de viento extremo. En este último caso el valor de p sería igual a H.
La altura total que toma el generador de vórtices es el resultado de la suma de (h-q-p)+H, donde el resultado puede variar desde 0,01 metros hasta 100 metros o más, y donde la relación (h-p-q)/H puede variar desde H=p hasta p=0. Otro aspecto técnico a considerar es que cuando la forma del cuerpo obstructor (2) es de cono truncado, la relación de radios superior (a) y menor (b) (a/b) es siempre mayor que 1.
La palanca en voladizo (1) que compone el generador de vórtices, puede estar fabricada de materiales caracterizados por una alta resistencia mecánica a la rotura y bajo módulo de Young, como por ejemplo la fibra de carbono. A su vez, la superficie de este elemento podría ser rugosa o lisa. La forma de este elemento (1) incluye las geometrías cilíndricas y cónicas, y prismas de bases cuadradas, rectangulares, triangulares, trapezoidales, y poligonales (de n lados), conos truncados, prismas con bases geométricas de n ejes de simetría, como por ejemplo estrellas de 5 puntas y prismas con bases elípticas donde la relación entre el eje mayor y el eje menor es diferente de 1. El elemento (1), presentando cualquiera de las geometrías descritas, puede ser macizo o hueco.
En cuanto al cuerpo obstructor (2) puede estar hecho de material rígido o flexible. Posee un eje central hueco que lo atraviesa a lo largo de su altura total H y contiene parte del elemento (1). Por otro lado el peso total del elemento (2) debe permitir la recuperación elástica del elemento (1). Es decir, que en condiciones de viento el elemento (1) debe ser capaz de recuperar su posición inicial (no deformado) tras haber sufrido una deformación.
Los inventores han considerado la capacidad de orientación del dispositivo con la dirección del flujo del fluido. Por tanto, se ha implementado un dispositivo que rota los elementos necesarios con la dirección del flujo del fluido para asegurar que la oscilación del generador de vórtices (del cual se obtiene la energía eléctrica) siempre se dé. El dispositivo cuenta con una veleta (4) colocada en la parte más alta del elemento (3), por ejemplo. Esta veleta informa a un dispositivo de control (9), que se encuentra localizado en la base, de la dirección que debe tomar el conjunto. La rotación de los elementos se puede realizar por medio de un engranaje (6) movido por un motor (24) con una caja reductora acoplada (23) con la función de reducir el número de revoluciones de motor (24). El dispositivo de control (9), con la información recibida procedente de la veleta (4), indica al motor el número de
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revoluciones que debe experimentar. El engranaje (6), con su rotación, mueve al engranaje
(5) que contiene en su superficie todos los elementos que se deben orientar con la dirección del viento.
Los elementos que se deben orientar con la dirección del viento varían en función de que el elemento (3) se encuentre adjunto al cuerpo obstructor (2) o no. Si el cuerpo obstructor (2) tiene una geometría cilíndrica o de cono truncado, con el cambio de la dirección del fluido se producirá un cambio en la dirección de oscilación, por tanto no es necesaria su reorientación si el favorecedor de la calles de vórtices (3) no está adjunto a él. En cambio, si el favorecedor (3) se une al cuerpo obstructor (2), este ya no es igual en toda su superficie, y por tanto, deberían orientarse con el viento ambos para asegurar la formación de la calle de vórtices de Karman.
De manera concreta, los elementos que se orientan con la dirección del viento, y que por tanto se encuentran asociados al engranaje (5), en el caso en el que el favorecedor de calles de vórtices (3) no está unido al cuerpo obstructor (2), son el favorecedor de calles de vórtices (3), el sistema de protección del dispositivo (13), y el sistema para convertir la energía mecánica oscilatoria del generador de vórtices, (1) y (2), en energía eléctrica (10, 11, 12, 14, 15, 16, 17, 18 y 19). El engranaje (5), entre otras configuraciones, podría rotar sobre, por ejemplo, una pieza circular (8) que por su extremo opuesto podría estar unida a otro elemento (7) fijo al terreno.
Los elementos 5, 7 y 8 presentan un espacio hueco a través del cual la palanca en voladizo
(1) pasa hasta anclarse en el terreno, puesto que como ya se ha indicado, en este caso no se orientaría el generador de vórtices (1) y (2).
En el caso en el que el favorecedor de calles de vórtices (3) está unido al cuerpo obstructor (2), el generador de vórtices (1) y (2), debe orientarse con la dirección del flujo del fluido. Además del generador de vórtices, el favorecedor de la calle de vórtices (3) también se orienta (puesto que está unido al cuerpo obstructor), el sistema de protección del dispositivo (13), y el sistema para convertir la energía mecánica oscilatoria del generador de vórtices (1) y (2) en energía eléctrica (10, 11, 12, 14, 15, 16, 17, 18 y 19). Obviamente si el generador de vórtices se orienta según la dirección del viento, se encuentra anclada la palanca en voladizo (1) al engranaje (5), en lugar de al terreno.
La obtención de la energía eléctrica se realiza por conversión de la energía mecánica rotacional con elementos de transmisión que se anclan al elemento (1) del sistema. Los vórtices de von Karman se desprenden creando una presión sobre el cuerpo obstructor (2) que produce su oscilación perpendicularmente a la dirección del flujo. Esta oscilación es absorbida por el elemento (1) que es flexible y que se deforma solidariamente al movimiento del cuerpo obstructor (2). La deformación máxima del elemento (1) viene regida por la siguiente ecuación:
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=3�
donde:
es la fuerza que se aplica en el extremo libre de la palanca en voladizo [N] l es la longitud de la palanca en voladizo [m] E es el módulo de Young [N/m2] I es el momento de inercia [kg·m2]
Para convertir la deformación que experimenta el elemento (1), en un movimiento rotacional, se podría utilizar un mecanismo de biela-manivela compuesto por (11) y (12). La manivela
(11)
podría ser un elemento rígido fabricado en metal como acero inoxidable que se encontraría unido al elemento (1), y la biela (12) (o un conjunto de ellas), fabricadas de por ejemplo un acero inoxidable igualmente, podría tener una forma de campana para aplicar inercia al movimiento y favorecer el movimiento rotacional. Una vez obtenido el movimiento rotacional se podría transferir directamente desde la biela hasta un engranaje (14) que se colocaría detrás de la biela (12) de tal manera que transmitiera ese movimiento hasta la base del sistema (5) mediante por ejemplo correas de distribución (15). La correa de distribución (15) conectarían el engranaje (14) con, por ejemplo, un engranaje secundario
(16)
que compartiría su eje central con una caja multiplicadora (17), unida a un generador
(18)
para multiplicar el número de revoluciones en el generador.
Una realización de la invención incluye una doble funcionalidad del elemento (3), que podría albergar parte, o completamente, el sistema de conversión del movimiento oscilatorio en rotacional, y que a su vez, trabajaría como favorecedor de la calle de vórtices de von Karman. En esta realización, el elemento (3) no estaría adjunto al cuerpo obstructor (2), se podría localizar aguas arriba o aguas abajo del generador de vórtices.
La energía generada por el generador eléctrico (18) se puede utilizar directamente, almacenar en baterías o se puede usar para alimentar a la red eléctrica a través del elemento (19) que adecua la energía generada por el generador (18) para ser inyectada en
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red. El dispositivo incluye una cubierta (13) soportada sobre el engranaje (5), que protege todos los elementos de transmisión y equipos localizados sobre el engranaje (5). La cubierta incluye un orificio que permite el movimiento que experimenta la palanca en voladizo (1). Como el elemento (1) puede tener una longitud variable en función de la parte que se 5 encuentre dentro del cuerpo obstructor (2), la altura que presenta la cubierta (13) es regulable desde H=p hasta p=0, que es el caso en el que la cubierta (13) quedaría reducida a la protección de los elementos sobre el engranaje (5). Los dientes del engranaje (5) también se protegen con una cubierta (13A) que se encuentra fija al elemento (8), así como el engranaje (6) se encuentra también protegido por un sistema de protección adicional
10 (13B).
En algunas de las realizaciones de la invención el sistema mecánico que absorbe la deformación que experimenta la palanca en voladizo se podría localizar bajo tierra o incluso en el interior del cuerpo obstructor (2) con la intención de disminuir el impacto visual.
15
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que de la presente invención y con el fin de facilitar la comprensión de las características de la invención, se adjuntan una serie de esquemas, 20 como parte integrante de dicha descripción, con carácter ilustrativo y no limitativo, donde:
La figura 1 muestra una vista de la sección frontal del dispositivo de la invención completo en la que se puede apreciar el sistema de absorción de la energía mecánica oscilatoria para su conversión en un movimiento rotacional.
25 La Figura 2 muestra una vista de la planta del sistema en la cual se observa el mecanismo de orientación del dispositivo con la dirección del viento.
Las Figuras 3, 4 y 5 muestran vistas laterales y traseras del dispositivo de la invención.
30 La Figura 6 muestra una vista isométrica de una de las realizaciones, con el sistema de protección, que presenta una hendidura que permite el movimiento de la palanca en voladizo (1).
35 La Figura 7 muestra un esquema con las dos posiciones que puede adoptar el generador de vórtices cuando este entra en resonancia.
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La Figura 8 muestra un diagrama de flujo que representa la calle de vórtices de von Karman generada aguas abajo del generador de vórtices (1) y (2) en función de la presencia del favorecedor de la calle de vórtices de von Karman (3) separado del cuerpo obstructor (2).
La Figura 9 muestra un diagrama de flujo que representa la calle de vórtices de von Karman con el favorecedor de la calle de vórtices de von Karman (3) unido al cuerpo obstructor (2).
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
En la Figura 1 se puede ver la sección de una de las realizaciones preferentes de la invención. Por un lado se observa el generador de vórtices que comprende un cuerpo obstructor (2) con la forma de un cono truncado, y una palanca en voladizo (1) con forma cilíndrica que se ancla al suelo por uno de sus extremos. El extremo opuesto de (1) se introduce dentro del cuerpo obstructor (2), que tiene un orificio que lo atraviesa completamente.
En otra posible realización, no mostrada en las figuras, se tiene un generador de vórtices compuesto de una única pieza, donde el extremo de (1) ya no se introduce en (2), y por tanto, la regulación de alturas que se da con el generador de vórtices compuesto por (1) y
(2) en este caso, se realiza aumentando o disminuyendo el valor de q, que hace referencia a la longitud del elemento que queda fija en su extremo inferior.
El favorecedor de la calle de vórtices de Karman (3), se localiza aguas arriba del generador de vórtices, y se ha representado como un prisma de base trapezoidal. En su parte superior hay una veleta (4) que indica la dirección del flujo. Este dato se transmite hasta un dispositivo de control (9) que envía la orden a un motor (24), localizado bajo tierra, que mueve un engranaje (6), un número específico de vueltas, necesarias para orientar el sistema con la dirección de flujo. Los elementos que se orientan con la dirección de flujo están colocados sobre el engranaje (5) que rota sobre una pieza circular (7) que por su extremo opuesto está unida a una segunda pieza (8) que se encuentra anclada en el terreno.
El sistema de conversión del movimiento oscilatorio en rotacional se ha representado mediante un mecanismo de biela-manivela que se ancla al elemento (1). El movimiento que recibe la manivela (12) a través de la biela, se comunica a un engranaje (14) que hay colocado detrás de ella, que mediante una correa de distribución (15), hace girar un
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segundo engranaje (16). Este engranaje (16) se localiza en la base (5), y mueve el rotor de un generador (18) que posee una caja multiplicadora de vueltas (17). En esta Figura también se aprecia el sistema para recuperar la energía generada (19) y el sistema de protección (13).
En la Figura 2 se muestra el generador de vórtices (2) y el favorecedor de la calle de vórtices (3), localizado aguas arriba del generador (2), y formando un ángulo de 90⁰ con el generador de vórtices y el sistema de absorción. El sistema de absorción se compone de una biela (12)-manivela (11), la correa de distribución (15), y los engranajes (14) y (16). Se observa igualmente la conexión del generador (18) con el sistema de almacenaje de energía (19), mediante cables (10), y finalmente, el mecanismo para orientar todos los elementos que comprende el engranaje (5), el engranaje (6), y la veleta (4).
En las Figuras 3, 4 y 5 se muestran diferentes vistas del dispositivo en las que se aprecia con mayor claridad el mecanismo de transformación de la energía mecánica oscilatoria en rotacional para activar un generador y producir finalmente energía eléctrica. Se muestra el engranaje (5) que rota en función de la dirección del viento orientando el sistema. En la imagen, los elementos que se encuentran sobre el engranaje (5) y que por tanto rotan, son el favorecedor de la calle de vórtices (3), aguas arriba del generador de vórtices (1) y (2), y todos los elementos de transmisión y conversión del movimiento oscilatorio así como el generador y los sistemas de almacenamiento de la energía (10, 11, 12, 14, 15, 16, 17, 18 y 19) y la cubierta del sistema (13).
En la Figura 6 se representa una de las realizaciones de la invención que incluye los sistemas de protección para asegurar su durabilidad. Los elementos sobre el engranaje (5) se protegen con la cubierta (13), que incluye una hendidura que permite la oscilación del generador de vórtices. Esta cubierta se encuentra sobre el engranaje (5), por lo que igualmente rota para reorientarse con la dirección del viento. La cubierta (13A) protege los dientes del engranaje (5), y la cubierta (13B) proporciona una protección al engranaje (6) que se encuentra fijo al elemento (8).
En la Figura 7 se representa el movimiento oscilatorio que se produce en el generador de vórtices en una de las formas preferentes de la realización. La presión de arrastre originada por el desprendimiento de vórtices aguas abajo del cuerpo obstructor (2), proporciona una oscilación en dicho cuerpo obstructor (2), representado como un cono truncado. Esta oscilación deforma el elemento (1) que actúa como una palanca en voladizo en su extremo
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libre. El otro extremo se encuentra anclado al terreno, y por tanto (1) se deforma perpendicularmente a la dirección del fluido, de izquierda a derecha, con la misma frecuencia a la que los vórtices se desprenden.
En la Figura 8 se aprecia la influencia de la geometría del cuerpo obstructor (2) en la aparición de la calle de vórtices de von Karman, aguas abajo del generador de vórtices. En la Figura 8 a) se representa el esquema de flujos que se da cuando un flujo laminar incide sobre el cuerpo obstructor (2) visto como un cilindro. El flujo laminar se convierte en turbulento aguas abajo de (2) en forma de una calle de vórtices de von Karman. En la Figura 8 b) se observa el mismo flujo laminar aguas arriba del cuerpo obstructor (2), que tiene una geometría cilíndrica igualmente. Sin embargo, en este caso, la presencia del elemento favorecedor de la calle de vórtices (3), no adjunto al cuerpo obstructor (2), se separa una distancia pequeña de tal manera, que a efectos prácticos, se da la modificación de la geometría del cuerpo obstructor (2) hacia una segunda configuración con una geometría de mayor coeficiente de arrastre que la cilíndrica. Se ha definido el diámetro del cilindro con el parámetro (a), y el favorecedor de la calle de vórtices (3) se ha representado como un prisma de base trapezoidal, cuya base mayor (c) se encuentra enfrentada completamente al cuerpo obstructor (2), donde la longitud de c es menor que la de (a).
En la Figura 8 a) se aprecia que la posición desde la cual comienzan a desprenderse los vórtices de von Karman se encuentra adelantada con respecto al caso en el que el favorecedor de la calle de vórtices (3) se encuentra presente (Figura 8 b). Concretamente, se observa cómo los vórtices en el caso a) se desprenden pasado el ecuador del cuerpo obstructor (2), y cómo en el caso b) el desprendimiento de vórtices se da antes de la zona intermedia del cuerpo obstructor (2). Esto indica que el favorecedor de la calle de vórtices
(3) adelanta, y por tanto favorece, la transición del paso de laminar a turbulento, y el desprendimiento de vórtices alternativo. Además, una consecuencia de que el favorecedor de la calle de vórtices (3) efectivamente actúa proporcionando una geometría al cuerpo obstructor de mayor coeficiente de arrastre es que la estela de vórtices se abre en el caso b) donde se ha instalado el favorecedor de la calle de vórtices (3).
En el esquema representado en la Figura 8 c) el favorecedor de la calle de vórtices (3) se localiza aguas abajo del cuerpo obstructor (2). Su geometría es diferente a la que presenta el elemento favorecedor de la calle de vórtices localizado (3) aguas arriba. Con el fin de llegar a una geometría de mayor coeficiente de arrastre que la cilíndrica, el favorecedor de la calle de vórtices (3) localizado aguas abajo debe sobrepasar la dimensión correspondiente al diámetro a del cuerpo obstructor (2) representado con forma de cilindro. Por ello, el lado de mayor longitud en la base del favorecedor de la calle de vórtices (con geometría de prisma de base rectangular) representado como (c), es mayor que el diámetro del cilindro a. Tanto la situación representada en b) como la representada en c), proporcionan el mismo
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5 efecto, un adelantamiento del desprendimiento de los vórtices de von Karman, y una estela de la calle de vórtices más abierta.
En la Figura 9 se representan otras realizaciones que incluyen el favorecedor de la calle de vórtices de von Karman (3) unido al cuerpo obstructor (3). En a) el favorecedor (3) está 10 aguas arriba del cuerpo obstructor (2), por lo que siguiendo las mismas condiciones explicadas en el párrafo anterior, en el que el favorecedor se encontraba localizado aguas arriba del generador de vórtices, la dimensión c es menor que la del diámetro del cilindro del cuerpo obstructor a. En b) se ha representado el favorecedor de la calle de vórtices (3) aguas abajo del generador de vórtices, y adjunto a él. En este caso la dimensión c es mayor 15 que la dimensión a, al igual que ocurría en el caso en el que el favorecedor de la calle de vórtices (3) se localiza aguas abajo y separado del cuerpo obstructor (2). El efecto que proporciona el elemento favorecedor de la calle de vórtices (3) adjunto al cuerpo obstructor (2), es el mismo que el obtenido en el caso en el que se encuentra separado de este. La principal diferencia radica en el hecho de que al estar adjunto, el favorecedor de la calle de
20 vórtices (3) oscila junto con el generador de vórtices, y por tanto es necesaria la orientación del generador de vórtices (1) y (2) con la dirección del viento. En el caso de estar separado el favorecedor de la calle de vórtices (3), ni es necesaria la orientación con el viento del generador de vórtices (1) y (2), ni el favorecedor (3) oscila junto al generador de vórtices (1) y (2).
25 Por otro lado, y según el otro aspecto de la invención, se recoge el método de obtención de energía de un fluido recogido en las reivindicaciones 18 a 23.

Claims (20)

  1. imagen1
    REIVINDICACIONES
    1. Sistema para obtener energía de un fluido que comprende: -Un generador de vórtices que oscila por el desprendimiento de dichos 5 vórtices cuando sobre él incide el fluido, y
    - Un sub-sistema para convertir la energía oscilatoria del generador de vórtices en energía eléctrica que a su vez comprende:
    i. Elementos de transmisión mecánica y
    ii. al menos un generador eléctrico.
    10 caracterizado por que adicionalmente comprende: al menos un elemento favorecedor (3) de la formación de una calle de vórtices de von Karman que modifica la geometría aerodinámica del generador de vórtices para aumentar su coeficiente de arrastre.
    15 2. Sistema para obtener energía de un fluido según reivindicación primera, caracterizado por que comprende un sistema electro -mecánico para posicionar y orientar el generador de vórtices y/o el elemento favorecedor (3) de forma óptima respecto a la dirección del flujo del fluido.
    20 3. Sistema para obtener energía de un fluido, según reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que el generador de vórtices comprende:
    a. Un cuerpo obstructor (2), que provoca la separación de un fluido laminar cuando este pasa a través de él, convirtiéndose en turbulento en forma de una calle de vórtices de von Karman, aguas abajo de dicho cuerpo obstructor
    25 (2).
    b. Una palanca en voladizo (1), fija en uno de sus extremos, donde su extremo libre se encuentra unido a dicho cuerpo obstructor (2) de forma que, cuando dicho cuerpo obstructor (2) comienza a oscilar, se transmite una fuerza perpendicular a la dirección del viento sobre el extremo libre de dicha palanca
    30 en voladizo (1), que provoca su deformación.
  2. 4. Sistema para obtener energía de un fluido según reivindicación 3, caracterizado por que el cuerpo obstructor (2) tiene forma de cono truncado o cilíndrico, y por que presenta un eje que lo atraviesa de base a base, que aloja parte del elemento (1).
    35
  3. 5. Sistema para obtener energía de un fluido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que al menos un elemento favorecedor (3) de la calle
    imagen2
    de vórtices de von Karman :
    - Esta separado de dicho generador de vórtices; y por que
    - Tiene una altura t mayor que 0 y hasta 2 veces la altura del generador de
    5 vórtices.
  4. 6. Sistema para obtener energía de un fluido según reivindicación 5, caracterizado por que al menos un elemento favorecedor (3) de la calle de vórtices de von Karman está localizado aguas arriba del generador de vórtices y el cuerpo obstructor (2)
    10 sobrepasa las dimensiones del favorecedor (3) de la calle de vórtices.
  5. 7. Sistema para obtener energía de un fluido según reivindicación 5, caracterizado por que al menos un elemento favorecedor (3) de la calle de vórtices de von Karman está localizado aguas abajo del generador de vórtices y el cuerpo obstructor (2) no
    15 sobrepasa las dimensiones del favorecedor (3) de la calle de vórtices.
  6. 8. Sistema para obtener energía de un fluido según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que al menos un elemento favorecedor (3) de la calle de vórtices de von Karman:
    20 -Esta unido al cuerpo obstructor (2) del generador de vórtices; y por que -Tiene una altura t mayor que 0 y hasta la altura del generador de vórtices.
  7. 9. Sistema para obtener energía de un fluido según reivindicación 8, caracterizado por que al menos un elemento favorecedor (3) de la calle de vórtices de von Karman
    25 está localizado aguas arriba del generador de vórtices y el cuerpo obstructor (2) sobrepasa las dimensiones del favorecedor (3) de la calle de vórtices.
  8. 10. Sistema para obtener energía de un fluido según reivindicación 8, caracterizado por que al menos un elemento favorecedor (3) de la calle de vórtices de von Karman
    30 está localizado aguas abajo del generador de vórtices y el cuerpo obstructor (2) no sobrepasa las dimensiones del favorecedor de la calle de vórtices (3).
  9. 11. Sistema para obtener energía de un fluido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un sistema para absorber la energía
    35 mecánica producida por la oscilación de la palanca en voladizo (1) del generador de vórtices y convertir dicho movimiento oscilatorio de la palanca en voladizo (1) en rotacional para mover el generador eléctrico.
    imagen3
  10. 12. Sistema para obtener energía de un fluido según reivindicación 11, caracterizado por que, el sistema para absorber la oscilación de la palanca en voladizo (1) está
    a. Anclado a la parte superior de la palanca en voladizo (1); o 5 b. En su parte inferior bajo tierra; o
    c. En su parte intermedia entre el suelo y la parte superior.
  11. 13. Sistema para obtener energía de un fluido según reivindicación 11, caracterizado por que, el sistema para absorber la oscilación de la palanca en voladizo (1) se
    10 encuentra al menos parcialmente albergado en el elemento favorecedor (3) de la calle de vórtices de Karman (3),
  12. 14. Sistema para obtener energía de un fluido según cualquiera de las reivindicaciones 2
    a 13, caracterizado por que el sistema electro – mecánico para orientar el generador 15 de vórtices y/o el elemento favorecedor (3) comprende:
    a.
    Al menos una veleta (4).
    b.
    Un dispositivo electrónico (9) que recibe la señal de la veleta (4) y envía la orden a un motor (10) que mueve un engranaje (6) un número específico de vueltas necesarias para adoptar la correcta orientación con el flujo del
    20 sistema; y.
    c. Un segundo engranaje (5) que se mueve por el engranaje (6), rotando sobre una pieza (7) que por su extremo opuesto se encuentra anclada a otra pieza
    (8) anclada al suelo.
    25 15. Sistema para obtener energía de un fluido según reivindicación 14, caracterizado por que comprende una caja multiplicadora (17) asociada al generador (18) para aumentar el número de vueltas y un sistema de almacenaje o adecuación de la energía (19) para su utilización de forma directa para ser alimentada a red están localizados sobre el engranaje (5).
    30
  13. 16. Sistema para obtener energía de un fluido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 14 o 15, caracterizado por que comprende un sistema de protección de los sistemas localizados sobre el engranaje (5), su caja multiplicadora (17) y el sistema de almacenaje/adecuación de la energía (19), que se encuentra sobre el engranaje
    35 (5) y por tanto se orienta con la dirección del fluido y que a su vez comprende al menos una hendidura que permite la oscilación del generador de vórtices.
    imagen4
  14. 17. Sistema para obtener energía de un fluido según cualquiera de las reivindicaciones
    anteriores 14 a 16, caracterizado por que comprende: 5 a. Una cubierta (13A) que protege los dientes del engranaje (5); y
    b. Una (13B) el engranaje (6).
  15. 18. Método para obtener energía de un fluido caracterizado por que comprende: -Instalar un generador de vórtices que comprende un cuerpo obstructor (2) 10 que oscila por el desprendimiento de dichos vórtices cuando sobre él incide el fluido: -Instalar un sub-sistema para convertir la energía oscilatoria del generador de vórtices en energía eléctrica que a su vez comprende; e -Instalar al menos un elemento favorecedor (3) de la formación de una calle de
    15 vórtices de von Karman que modifica la geometría aerodinámica del generador de vórtices para aumentar su coeficiente de arrastre.
  16. 19. Método para obtener energía de un fluido según reivindicación 18, caracterizado por que comprende instalar un sistema electro – mecánico para posicionar el generador
    20 de vórtices y/o el elemento favorecedor (3) de forma que estos se orienten de forma óptima respecto a la dirección del flujo del fluido.
  17. 20. Método para obtener energía de un fluido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que al menos un elemento favorecedor (3) de la calle
    25 de vórtices de von Karman se instala separado del cuerpo obstructor (2) del generador de vórtices.
  18. 21. Método para obtener energía de un fluido según reivindicación 20, caracterizado por
    que: 30
    -cuando el elemento favorecedor (3) de la calle de vórtices de von Karman se instala aguas arriba del generador de vórtices el cuerpo obstructor (2) sobrepasa las dimensiones del favorecedor (3) de la calle de vórtices; y
    -cuando el elemento favorecedor (3) de la calle de vórtices de von Karman 35 está localizado aguas abajo del generador de vórtices, el cuerpo obstructor
    (2) no sobrepasa las dimensiones del favorecedor (3) de la calle de vórtices.
    imagen5
  19. 22. Método para obtener energía de un fluido según cualquiera de las reivindicaciones 18 o 19, caracterizado por que al menos un elemento favorecedor (3) de la calle de
    5 vórtices de von Karman se instala unido al cuerpo obstructor (2) del generador de vórtices.
  20. 23. Método para obtener energía de un fluido según reivindicación 22, caracterizado por
    que: 10
    -cuando el elemento favorecedor (3) de la calle de vórtices de von Karman se instala aguas arriba del generador de vórtices el cuerpo obstructor (2) sobrepasa las dimensiones del favorecedor (3) de la calle de vórtices; y
    -cuando el elemento favorecedor (3) de la calle de vórtices de von Karman 15 está localizado aguas abajo del generador de vórtices, el cuerpo obstructor
    (2) no sobrepasa las dimensiones del favorecedor (3) de la calle de vórtices.
    20
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