ES2632643T3 - Turbina eólica - Google Patents

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ES2632643T3 ES07717965.3T ES07717965T ES2632643T3 ES 2632643 T3 ES2632643 T3 ES 2632643T3 ES 07717965 T ES07717965 T ES 07717965T ES 2632643 T3 ES2632643 T3 ES 2632643T3
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Abstract

Una turbina (10) de fluido accionada por el viento o el agua, que comprende: un conjunto (20) de rotor que comprende un miembro (21) de cubo central giratorio y un miembro (22) de borde anular giratorio, estando dicho miembro (22) de borde unido a dicho miembro (21) de cubo y soportado por una pluralidad de miembros (23) de pala; comprendiendo cada uno de dichos miembros (23) de pala más de dos miembros (24) de cable y un miembro (25) de cubierta dispuesto sobre los mismos y que engloba dichos miembros (24) de cable, donde dichos miembros (24) de cable están unidos a dicho miembro (22) de borde y dicho miembro (21) de cubo, y donde dicho miembro (25) de cubierta y dichos miembros (24) de cable, combinadamente, definen una configuración tridimensional con ocupación de volumen, predeterminada, para dicho miembro (23) de pala, de forma que la fuerza de un fluido en movimiento desvía dichos miembros (25) de cubierta provocando la rotación de dicho conjunto (20) de rotor; caracterizado por que la turbina (10) comprende además medios ajustables (26) de montaje de cables, sirviendo los medios ajustables (26) de montaje de cables para: unir dichos miembros (24) de cable a dicho miembro (21) de cubo de forma que sean ajustables la posición de dichos miembros (24) de cable con respecto a dicho miembro (21) de cubo y el paso de dichos miembros (23) de pala; y/o unir dichos miembros (24) de cable a dicho miembro (22) de borde de forma que sean ajustables la posición de dichos miembros (24) de cable con respecto a dicho miembro (22) de borde y el paso de dichos miembros (23) de pala.

Description

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DESCRIPCION
Turbina eolica
Antecedentes de la invencion
La invencion se refiere en general al campo de las turbinas impulsadas por fluido, tales como turbinas eolicas o turbinas hidraulicas, en donde se genera ene^a electrica a partir del flujo de aire o el flujo de agua a traves de palas de rotor. Mas particularmente, la invencion se refiere a turbinas de este tipo en donde las palas se extienden desde un miembro de cubo o de arbol giratorio central hasta un miembro de anillo o de borde giratorio anular.
Las turbinas eolicas, tambien conocidas como molinos de viento, generadores eolicos, maquinas eolicas o similares, son dispositivos bien conocidos para producir energfa, tipicamente energfa electrica, aprovechando la ene^a del viento. Las turbinas eolicas que se utilizan para generar grandes cantidades de energfa son estructuras muy grandes, que se alzan decenas de metros y tienen palas de rotor que miden decenas de metros, estando las palas de rotor montadas en un cubo o arbol central. Se requieren grandes palas alargadas, ya que el area de barrido de la pala es proporcional a la potencia que puede producir una determinada turbina de viento. Este tamano acarrea el problema de que cada pala debe actuar como un voladizo capaz de soportar la pala alargada, y las palas deben ser progresivamente mas macizas a medida que disminuye la distancia al cubo central, para evitar que la pala se quiebre durante el uso. Aun utilizando materiales compuestos de alta tecnologfa, fibras de carbono y similares, se ha alcanzado un lfmite practico. Por ejemplo, la mayona de las grandes turbinas eolicas tienen tres palas, ya que se ha encontrado que ese es el diseno mas eficaz. El deseo de aumentar la longitud de la pala, con el fin de capturar mas viento, se ve compensado por la reduccion concomitante de las revoluciones por minuto (r.p.m.) del arbol. Las menores r.p.m. requieren cajas de cambio reductoras mas grandes, lo cual es indeseable. La disminucion del paso de la pala para aumentar las r.p.m. reduce el par, lo cual es indeseable. Por lo tanto, los disenos de turbinas eolicas conocidos siempre tienen que hacer sacrificios para equilibrar estos factores contrapuestos.
Un tipo alternativo de turbina eolica incorpora un anillo o borde anular externo que esta unido a las palas, de forma que las puntas de las palas ya no son autoportantes, y por lo tanto permite que las palas sean mas largas. Las palas se extienden desde el cubo o arbol giratorio central hasta el borde anular y, por lo tanto, estan soportadas en los dos extremos. En esta realizacion, tambien es conocido utilizar la energfa de rotacion del borde anular giratorio en lugar de la del cubo central, ya que el borde anular se desplaza a una velocidad mucho mayor. Se utilizan rodillos, ruedas, engranajes, imanes o similares para transferir la energfa de rotacion del borde a uno o mas mecanismos generadores o similares. Se muestran ejemplos de tales turbinas en la patente de EE.UU. n.° 4.319.865 de Richard, la patente de EE.UU. n.° 4.330.714 de Smith, la patente de EE.UU. n.° 4.350.895 de Cook, la patente de EE.UU. n.° 4.545.729 de Storm, la patente de EE.UU. n.° 4.729.716 de Schmidt y la patente de EE.UU. n.° 6.664.655 de Vann. A menudo, las turbinas eolicas de este tipo son mas pequenas y utilizan velas en lugar de palas para aumentar el numero de elementos captadores de viento, ya que el peso del borde anular anade problemas estructurales al diseno.
El documento EP 0016602 describe un rotor para generadores electricos accionados por el viento, donde las palas del rotor tienen pasos de pala fijos. La patente EP 0016602 no describe miembros de pala que tengan paso ajustable. El documento EP 0016602 tampoco describe ninguna forma de medios de montaje ajustables para miembros de cable de la pala.
El documento US 4204796 describe un aparato accionado por viento que tiene un rotor que, durante su uso, gira alrededor de un eje vertical. El documento US 2855179 describe una turbina de ceramica de alta temperatura que tiene alabes espaciados circunferencialmente.
El documento US 4276033 se refiere a un sistema de navegacion a vela que comprende un bastidor de montaje unido a una vela convexa circular; el documento US 4319865 describe un molino de viento que comprende una rueda de viento autorreguladora; y el documento US 243169 se refiere a un molino de viento construido con velas. El sistema de navegacion a vela y los molinos de viento de los documentos US 4276033, US 4319865 y US 243169 comprenden todos ellos velas en lugar de palas.
Es un objeto de esta invencion proporcionar una turbina eolica o turbina hidraulica de alta eficacia que permita maximizar caractensticas estructurales deseables, tales como longitud de pala incrementada, numero de palas incrementado, peso de pala reducido, coste de materiales rebajado, r.p.m. incrementadas, par incrementado, ruido reducido y control variable del paso de pala, entre otros. Es un objeto adicional proporcionar una turbina de este tipo en la que se reduzca el peso de las palas por el hecho de estructurar cada pala como un material de cubierta o laminar relativamente ligero, dispuesto sobre una pluralidad de miembros de cable que se extienden desde un cubo o arbol giratorio central hasta un borde anular externo, donde los miembros de cable realizan la funcion de soportar la cubierta de la pala y el borde anular externo. Es un objeto adicional proporcionar una turbina de este tipo donde, opcionalmente, se pueda ajustar el paso de las palas en funcion de las condiciones de flujo del viento.
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Compendio de la invencion
La invencion consiste, en general, en una turbina accionada por fluido, tal como una turbina eolica o una turbina hidraulica, donde el flujo de aire o el flujo de agua hacen girar un elemento de rotor en torno a un miembro de arbol o de cubo central, con lo cual la energfa de rotacion genera energfa electrica o similar, y donde el elemento de rotor comprende una pluralidad de miembros de pala que se extienden desde el miembro de cubo central giratorio hasta un miembro de borde anular giratorio. Los miembros de pala comprenden cada uno una pluralidad de miembros de cable o de riostra similares que se extienden desde el miembro de cubo hasta el miembro de borde y un miembro de lamina o cubierta relativamente ligero dispuesto sobre los miembros de cable, con lo cual el miembro de lamina soportado por los miembros de cable define un area de superficie deflectante relativamente grande, de forma que cuando el viento o el agua en movimiento golpean los miembros de cubierta, las palas y los miembros de borde y de cubo giran. Los miembros de cubierta realizan la funcion de desviar el fluido, y los miembros de cable en tension realizan la funcion de soportar los miembros de cubierta y los miembros de borde.
La energfa de rotacion creada por el elemento de rotor puede ser transferida desde el miembro de cubo central, pero preferiblemente es transferida desde el miembro de borde anular, ya que el miembro de borde gira a mayor velocidad que el miembro de cubo. La transferencia de energfa de rotacion desde el miembro de borde a medios generadores electricos se puede efectuar de diversas maneras conocidas, por ejemplo con rodillos, ruedas, engranajes, imanes o similares.
Los miembros de cable pueden estar montados en el miembro de cubo y el miembro de borde con diversas configuraciones y en distinto numero, de forma que los cables pueden estar unidos con un diseno lineal, curvo o tridimensional al miembro de cubo y al miembro de borde, de forma que se puedan escoger la configuracion superficial y el paso del miembro de pala al objeto de maximizar la eficacia. En una realizacion, los puntos de union para los miembros de cable pueden ser moviles, de forma que se puedan escoger configuraciones y pasos alternativos, ya sea individualmente o como un conjunto, en respuesta a condiciones de viento cambiantes.
La invencion consiste en una turbina de fluido accionada por viento o por agua que comprende un conjunto de rotor que comprende un miembro de cubo central giratorio y un miembro de borde anular giratorio, estando dicho miembro de borde unido a dicho cubo por una pluralidad de miembros de pala; comprendiendo cada uno de dichos miembros de pala mas de dos miembros de cable y un miembro de cubierta dispuesto sobre el mismo y que engloba dichos miembros de cable, donde dichos miembros de cable estan unidos a dicho miembro de borde y a dicho miembro de cubo, y donde dicho miembro de cubierta y dichos miembros de cable, combinadamente, definen una configuracion tridimensional con ocupacion de volumen, predeterminada, para dicho miembro de pala, de forma que una fuerza de fluido en movimiento desvfa dichos miembros de cubierta, provocando la rotacion de dicho conjunto de rotor.
Breve descripcion de los dibujos
La figura 1 es una vista lateral de la invencion, con una de las palas mostrada parcialmente expuesta, para descubrir los miembros de cable que se extienden desde el cubo hasta el borde.
La figura 2 es una vista frontal parcial del miembro de rotor, tambien con una de las palas mostrada parcialmente expuesta.
La figura 3 muestra miembros de cable unidos al cubo en una configuracion lineal.
La figura 4 muestra miembros de cable unidos al cubo en una configuracion curva.
La figura 5 muestra miembros de cable unidos al cubo en una configuracion tridimensional.
La figura 6 muestra miembros de cable unidos a un medio de montaje de cable ajustable que esta conectado al cubo de forma que permite modificar la posicion de los miembros de cable, y por lo tanto el paso de los miembros de pala, con respecto a las condiciones de viento.
La figura 7 muestra miembros de cable unidos a un medio de montaje de cable ajustable que esta conectado al borde anular de forma que permite modificar la posicion de los miembros de cable, y por lo tanto el paso de los miembros de pala, con respecto a las condiciones de viento.
La figura 8 es una vista en seccion transversal de la forma fija de la pala de la figura 3.
La figura 9 es una vista en seccion transversal de la forma fija de la pala de la figura 4.
La figura 10 es una vista en seccion transversal de la forma fija de la pala de la figura 5.
Descripcion detallada de la invencion
Haciendo referencia a los dibujos, se describira ahora en detalle la invencion con respecto al mejor modo y la realizacion preferida. En un sentido amplio, la invencion consiste en una turbina accionada por fluido, tal como una
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turbina eolica o una turbina hidraulica, donde el flujo de aire o el flujo de agua hacen girar un elemento de rotor en torno a un miembro de arbol o de cubo central, con lo cual la energfa de rotacion genera energfa electrica o similar, y donde el elemento de rotor comprende una pluralidad de miembros de pala que se extienden desde el miembro de cubo central giratorio hasta un miembro de borde anular giratorio. Para simplificar, en la presente memoria se describira la invencion empleando el viento como medio fluido, pero debe entenderse que la invencion funciona asimismo con un lfquido, tal como el agua, en movimiento.
Como se muestra en las figuras 1 y 2, la invencion consiste en una turbina 10 que comprende un conjunto 20 de rotor montado sobre un medio de soporte fijo, que se muestra de manera que comprende un miembro 11 de base y un miembro 12 de torre, con lo cual el conjunto 20 de rotor esta dispuesto para que tenga un eje de rotacion generalmente horizontal con el fin de capturar viento que pase a traves de la superficie de suelo. La turbina 10 puede tener cualquier tamano, y la estructura descrita en la presente memoria es adecuada para turbinas muy grandes, donde el diametro del conjunto 20 de rotor puede medir decenas de metros.
El conjunto 20 de rotor comprende un miembro 21 de cubo o de arbol giratorio central montado en el miembro 12 de torre de forma que el conjunto 20 de rotor puede girar con relacion a los medios de soporte fijos. El conjunto 20 de rotor comprende ademas un miembro 22 de anillo o de borde externo o periferico, estando el miembro 22 de borde unido al miembro 21 de cubo central por una pluralidad de miembros 23 de pala o, mas espedficamente, miembros
24 de cable internos que comprenden los miembros 23 de pala, siendo los miembros 23 de pala los medios para capturar la energfa del viento y traducir esa energfa a movimiento de rotacion.
Los miembros 23 de pala comprenden cada uno agrupaciones de mas de dos miembros 24 de cable o de riostra similares tensados, que se extienden desde el miembro 21 de cubo hasta el miembro 22 de borde, y un miembro 25 de lamina o de cubierta, relativamente ligero, dispuesto sobre, y encerrando o englobando, los miembros 24 de cable, con lo cual el miembro 25 de cubierta, soportado por los miembros 24 de cable, define la curva compleja predeterminada del miembro 23 de pala tridimensional que ocupa un volumen en el espacio y que tiene un area de superficie deflectante relativamente grande, de forma que cuando el viento o el agua que fluye golpean los miembros
25 de cubierta, los miembros 23 de pala, el miembro 22 de borde y el miembro 21 de cubo giran. La configuracion del miembro 23 de pala esta fijada y controlada, y no es libre de ondularse o relajarse a la manera de una vela. Los miembros 23 de cable pueden estar compuestos de diversos materiales que tengan propiedades de resistencia y no elasticas adecuadas, tales como metal, materiales sinteticos, Kevlar, etc. El miembro 25 de cubierta puede estar compuesto de distintos materiales ligeros tales como, por ejemplo, tela, laminas de material sintetico, materiales compuestos epoxfdicos, etc., ya que al miembro 25 de cubierta no se le exige que proporcione ningun soporte estructural al conjunto 20 de rotor, y actua solamente como superficie deflectante frente al viento.
Los miembros 24 de cable que se extienden desde el miembro 21 de cubo hasta el miembro 22 de borde pueden estar alineados u orientados con diversas configuraciones, definiendo la alineacion de union de los miembros 24 de cable la forma general de los miembros 23 de pala. Los miembros 24 de cable pueden estar alineados sobre el miembro 21 de cubo en una configuracion lineal, como se muestra en las figuras 3 y 8, en una configuracion curva, como se muestra en las figuras 4 y 9, o en una configuracion tridimensional, como se muestra en las figuras 5 y 10. De manera analoga, los miembros 24 de cable estan unidos al interior del miembro 22 de borde. La alineacion de union de los miembros 24 de cable al miembro 21 de cubo y al miembro 22 de borde puede ser la misma o distinta con respecto al paso, la distancia de separacion, la configuracion, etc. De esta manera, se pueden obtener un numero infinito de configuraciones de curvas complejas de seccion transversal para el miembro 23 de pala, variando la configuracion de union de los miembros 24 de cable, de forma que se pueda conseguir una forma optima para la eficacia del miembro 23 de pala con respecto al tamano del conjunto 20 de rotor, las condiciones de viento esperadas, etc.
En una realizacion alternativa, los miembros 23 de cable pueden estar montados en un medio 26 de montaje de cable ajustable que esta montado de forma movil en el miembro 21 de cubo, como se muestra en la figura 6, y/o en el miembro 22 de borde, como se muestra en la figura 7. Los medios 26 de montaje de cable ajustables pueden ser un miembro pivotante relativamente simple como se muestra, o bien pueden implicar mecanismos mas complicados para mover los miembros 24 de cable, ya sea individualmente o como un conjunto. Utilizando un medio 26 de montaje de cable ajustable, se pueden ajustar el paso y la forma de los miembros 23 de pala para conseguir una eficacia optima dependiendo de las condiciones de viento.
En una realizacion, la energfa de rotacion del conjunto 20 de rotor puede transferirse a medios generadores 30 a traves del miembro 21 de cubo central giratorio. Tales sistemas son bien conocidos. Sin embargo, se prefiere que la energfa de rotacion del conjunto de rotor se transfiera a los medios generadores 30 a traves de miembros 31 de rueda que estan dispuestos en contacto con el miembro 22 de borde anular giratorio, como se muestra en las figuras 1 y 2. Los miembros 31 de rueda pueden comprender ruedas, engranajes de rodillos, etc. En una realizacion alternativa, la energfa de rotacion del conjunto de rotor se transfiere a traves de una combinacion de imanes y bobinas. Se prefiere transferir la energfa desde el miembro 22 de borde, ya que la velocidad de desplazamiento del miembro 22 de borde es mucho mayor que la velocidad de desplazamiento del miembro 21 de cubo central, puesto que un punto del miembro 22 de borde recorre en cada revolucion una distancia mucho mayor que un punto del miembro 21 de cubo. Esto, junto con la ligereza inherente del miembro 23 de pala, permite utilizar un numero mayor de miembros 23 de pala, aumentando con ello la cantidad de aire capturado. Ademas, se puede aumentar
(hacer mas pronunciado) o disminuir (hacer mas plano) el paso de los miembros 23 de pala, para obtener la velocidad de pala deseada.
Se entiende que pueden ser obvios para los expertos en la tecnica equivalentes y sustituciones de ciertos elementos expuestos en lo que antecede y, por lo tanto, el verdadero alcance y definicion de la invencion debe ser como se 5 establece en las reivindicaciones siguientes.

Claims (9)

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    REIVINDICACIONES
    1. Una turbina (10) de fluido accionada por el viento o el agua, que comprende:
    un conjunto (20) de rotor que comprende un miembro (21) de cubo central giratorio y un miembro (22) de borde anular giratorio, estando dicho miembro (22) de borde unido a dicho miembro (21) de cubo y soportado por una pluralidad de miembros (23) de pala;
    comprendiendo cada uno de dichos miembros (23) de pala mas de dos miembros (24) de cable y un miembro (25) de cubierta dispuesto sobre los mismos y que engloba dichos miembros (24) de cable, donde dichos miembros (24) de cable estan unidos a dicho miembro (22) de borde y dicho miembro (21) de cubo, y donde dicho miembro (25) de cubierta y dichos miembros (24) de cable, combinadamente, definen una configuracion tridimensional con ocupacion de volumen, predeterminada, para dicho miembro (23) de pala, de forma que la fuerza de un fluido en movimiento desvfa dichos miembros (25) de cubierta provocando la rotacion de dicho conjunto (20) de rotor;
    caracterizado por que la turbina (10) comprende ademas medios ajustables (26) de montaje de cables, sirviendo los medios ajustables (26) de montaje de cables para:
    unir dichos miembros (24) de cable a dicho miembro (21) de cubo de forma que sean ajustables la posicion de dichos miembros (24) de cable con respecto a dicho miembro (21) de cubo y el paso de dichos miembros (23) de pala; y/o
    unir dichos miembros (24) de cable a dicho miembro (22) de borde de forma que sean ajustables la posicion de dichos miembros (24) de cable con respecto a dicho miembro (22) de borde y el paso de dichos miembros (23) de pala.
  2. 2. La turbina (10) segun la reivindicacion 1, que comprende ademas medios generadores (30), y donde se transfiere fuerza de rotacion desde dicho miembro (21) de cubo a dichos medios generadores (30).
  3. 3. La turbina (10) segun la reivindicacion 1, que comprende ademas medios generadores (30), y donde se transfiere fuerza de rotacion desde dicho miembro (22) de borde a dichos medios generadores (30).
  4. 4. La turbina (10) segun la reivindicacion 3, que comprende ademas miembros (31) de rueda en miembro (22) de borde, y donde se transfiere fuerza de rotacion desde dicho miembro (22) de dichos miembros (31) de rueda, a dichos medios generadores (30).
    configuracion lineal sobre dicho miembro (21) de cubo.
  5. 6. La turbina (10) segun la reivindicacion 1, donde configuracion lineal sobre dicho miembro (22) de borde.
  6. 7. La turbina (10) segun la reivindicacion 1, donde configuracion curva sobre dicho miembro (21) de cubo.
  7. 8. La turbina (10) segun la reivindicacion 1, donde configuracion curva sobre dicho miembro (22) de borde.
  8. 9. La turbina (10) segun la reivindicacion 1, donde configuracion tridimensional sobre dicho miembro (21) d
  9. 10. La turbina (10) segun la reivindicacion 1, donde configuracion tridimensional sobre dicho miembro (22) de borde.
    contacto con dicho borde, a traves de
    dichos
    miembros (24) de cable estan alineados en una
    dichos
    miembros (24) de cable estan alineados en una
    dichos
    miembros (24) de cable estan alineados en una
    dichos
    miembros (24) de cable estan alineados en una
    dichos e cubo.
    miembros (24) de cable estan alineados en una
    dichos
    miembros (24) de cable estan alineados en una
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