ES2772140T3 - Sistema de generación de energía eólica y solar combinado - Google Patents

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ES2772140T3 ES15854688T ES15854688T ES2772140T3 ES 2772140 T3 ES2772140 T3 ES 2772140T3 ES 15854688 T ES15854688 T ES 15854688T ES 15854688 T ES15854688 T ES 15854688T ES 2772140 T3 ES2772140 T3 ES 2772140T3
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Abstract

Un sistema de generación eléctrica que comprende: al menos un motor térmico (250); un conjunto de recolección de energía solar (100); una turbina eólica de eje vertical (400) que comprende una serie de palas de molino de viento vertical (400) desplazadas lateralmente desde y giratorias alrededor de un eje central; y medios de generación de electricidad (205); en donde el conjunto de recolección de energía solar (100) comprende un conjunto de espejos parabólicos (116) dispuestos para recolectar y transmitir energía solar a dicho al menos un motor térmico (250), para accionar dicho al menos un motor térmico (250); la turbina eólica de eje vertical (400) está montada sobre el conjunto de recolección de energía solar (100); caracterizado por: un eje de transmisión de salida común (600) en el mismo eje que dicho eje central de dicho aerogenerador de eje vertical (400), conectado para ser accionado por dicho aerogenerador de eje vertical (400) y por cada dicho motor térmico (250); y los medios de generación de electricidad (205) están conectados a dicho eje de transmisión de salida común (600) para producir electricidad.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de generación de energía eólica y solar combinado
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
[0001] Esta invención se refiere a un generador de electricidad del sistema y de almacenamiento que utiliza el viento y la energía solar para producir electricidad.
[0002] En los últimos años, al hacerse más evidente la necesidad de soluciones de tecnología verde, instalaciones de sistemas de generación de electricidad han pasado por una evolución dramática lejos de los sistemas de generación industrial basado en carbono hacia soluciones de energía del viento y energía solar. Si bien las soluciones de energía solar y eólica tienen beneficios bien establecidos en lo que respecta a la reducción de emisiones de dióxido de carbono, la variabilidad de la electricidad generada por estos dispositivos ha sido una preocupación problemática para los gobiernos y otras organizaciones encargadas de tomar decisiones de infraestructura de generación de electricidad para equilibrar la demanda de electricidad con la disponibilidad de suministro. Un concepto importante en este contexto es la "capacidad de envío". Las fuentes de energía que se pueden enviar son recursos energéticos que pueden incrementarse o apagarse en un corto período de tiempo en respuesta a la demanda.
[0003] Es bien conocido que existe una correlación estadística negativa entre la energía eólica y la energía solar en todas las escalas de tiempo. Por ejemplo, en una escala de tiempo diaria, la energía solar solo se genera durante las horas del día, con una capacidad de generación máxima cuando el sol ha alcanzado su altitud máxima cerca de la hora del mediodía; mientras que la generación de energía eólica es posible durante todo el día, pero tiende a alcanzar su punto máximo a última hora de la tarde y fuera del día. En una escala de tiempo mensual, en un país del hemisferio norte como Canadá, la producción de energía solar alcanza su punto máximo en julio y es, como mínimo, en enero. Por otro lado, se observa que la energía eólica alcanza su punto máximo en los meses de invierno o en el clima más frío, cuando la densidad del aire es máxima y es mínima en los meses de verano, cuando las temperaturas son más altas y la densidad del aire es más baja.
[0004] De ello se deduce que combinar energía eólica y solar en un solo sistema podría tener ventajas significativas. Sin embargo, los sistemas de energía eólica y solar actualmente en uso tienden a estar separados. Los sistemas de energía eólica consisten principalmente en soluciones independientes de aerogeneradores de eje horizontal (HAWT) y soluciones independientes de aerogeneradores de eje vertical (VAWT). De manera similar, los sistemas de recolección solar consisten principalmente en soluciones fotovoltaicas independientes y soluciones de energía solar concentrada.
[0005] Ha habido algunas instalaciones de campo en las que se han combinado soluciones de aerogeneradores de eje horizontal autónomo y soluciones fotovoltaicas, y comparten área de bienes inmuebles. Los beneficios inherentes de tales instalaciones se han citado públicamente, fundamentalmente que se genera una mayor potencia por unidad de área, y que el impacto de las sombras de los molinos de viento en el rendimiento del colector solar es relativamente insignificante en comparación con la ganancia del beneficio de generación de energía. Sin embargo, estos sistemas tienden a no estar bien integrados entre sí y tienden a funcionar como si fueran unidades independientes que simplemente comparten el mismo inmueble.
[0006] Por ejemplo, la publicación de solicitud de patente de Estados Unidos n° US 2010/0133820 A1 (Tsao, Jason) muestra un "convertidor de energía solar y eólica" que tiene sistemas separados para capturar la energía solar y la energía eólica. Se describen ejes de transmisión de salida separados de cada sistema, y se utiliza un "subsistema de interconexión" para acoplar de manera desacoplable el eje principal del sistema de energía solar al eje principal del sistema de energía eólica.
[0007] Hasta la fecha, no parece haber sistemas eficaces que ofrecen un enfoque bien integrado hacia la combinación de la captura del viento y la energía solar.
BREVE RESUMEN DE LA INVENCIÓN
[0008] En la invención, se proporciona una solución integrada de viento y solar. Un conjunto de recolección de energía solar y una turbina eólica de eje vertical se combinan para proporcionar una salida de potencia integrada.
[0009] La turbina de viento de eje vertical está posicionada por encima de la captación de energía solar de montaje con el fin de aprovechar la correlación directa entre la velocidad del viento y la altura sobre el nivel del suelo.
[0010] La invención utiliza colectores de espejo solares concentrados, y un motor de calor usado para convertir la energía térmica recogida en movimiento rotativo. El motor térmico también tiene preferiblemente un elemento de almacenamiento térmico para almacenar energía y, de este modo, mejorar la capacidad de envío del sistema.
[0011] El movimiento rotatorio del motor térmico y de la turbina de viento de eje vertical están en la misma rotación del eje, para facilitar la compartición de carga entre estas dos fuentes a través de un eje de transmisión de salida común conectada a un generador.
[0012] Preferiblemente, un sistema de seguimiento de la alineación del panel solar de doble eje azimutal-altitud se utiliza con el fin de impulsar la capacidad de conversión de energía de los colectores de energía solar mediante el seguimiento general del sol.
[0013] Las formas de realización de la invención se pueden escalar hacia arriba o hacia abajo sobre una amplia gama. En una versión con espejos parabólicos circulares, se contempla que la altura desde la base de la zapata de hormigón a la parte superior de la parte superior del haz molino de viento será 11,23 metros, la anchura a través de la serie de colectores solares será de aproximadamente 10,0 m, y la profundidad desde la parte posterior de la pala del molino de viento hasta el contrapeso frontal del conjunto solar será de aproximadamente 8,74 m. La producción de energía estimada actualmente para tal instalación podría ser de 3700 kwh/mes o 45.000 kwh por año usando espejos circulares, o hasta 5000 kwh adicionales por año si en su lugar se usan espejos parabólicos rectangulares o cuadrados.
[0014] En otra versión, con espejos rectangulares o cuadradas, se contempla que la altura desde el nivel de suelo para la parte superior del haz de molino de viento superior será de aproximadamente 8,43 m, la anchura a través de la matriz de colectores solares rectangulares o cuadradas será de aproximadamente 5,38 m, y la profundidad desde la parte posterior de la pala del molino de viento hasta la parte delantera del espejo parabólico será de aproximadamente 4,80 m. Las estimaciones actuales de producción de energía para una instalación de este tipo serían de 15.300 kwH por año.
[0015] En una variación fotovoltaica, se contempla que la altura será de aproximadamente 8,20 m, la anchura a través de la serie de paneles solares fotovoltaicos será de aproximadamente 5,38 m, y la profundidad de la parte posterior de la pala de molino de viento a la parte delantera de los paneles fotovoltaicos serán de aproximadamente 5,56 m. Las estimaciones actuales de producción de energía para dicha instalación serían de 16.000 kwH por año. En esta variación, la energía solar generada utiliza una infraestructura eléctrica separada (por ejemplo, un inversor de cadena solar que convierte la energía de C-C generada en energía de CA).
[0016] Los beneficios de la invención pueden incluir, pero están no limitados a lo siguiente:
La generación de energía eléctrica donde las velocidades de viento son menos de 5 metros por segundo. Estas condiciones de viento tienen una probabilidad de ocurrencia de más del 50% del tiempo en muchas áreas y, aunque no se usan hoy en día con dispositivos independientes, se pueden usar para generar energía eléctrica de bajo nivel. Las aplicaciones independientes HAWT y VAWT normalmente no son capaces de operar de manera rentable a estas bajas velocidades del viento.
Mediante el uso de un enfoque de carga compartida, tanto la energía eólica como la energía solar producen una interfaz de movimiento giratorio común, y se combinan para elevar los niveles de eficiencia operativa del generador de inducción. La flexibilidad se puede mejorar aún más si el diseño incorpora un enfoque de generador de doble inducción, y se pueden tomar mejores procesos de decisión sobre cuándo activar un generador de inducción simple o doble.
Es posible lograr mayores niveles de capacidad de generación de energía por unidad de área mediante la adopción de estrategias cuidadosas de integración para compartir productos.
Se pueden desarrollar estrategias efectivas de mantenimiento de equipos rotativos diseñando en el acceso apropiado a los equipos clave que requieren mantenimiento continuo; y a través del desarrollo de todas las salvaguardas apropiadas del equipo.
Se puede incorporar fácilmente un elemento de almacenamiento térmico y escalar el tamaño para facilitar el envío de equipos eléctricos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
[0017]
La figura 1 es una vista en perspectiva de una realización preferida de la invención, que muestra un molino de viento de eje vertical colocado sobre un conjunto con colectores de espejo solar concentradores circulares, y que usa un motor térmico para impulsar un eje de salida.
La figura 2 es otra vista en perspectiva de la realización preferida, desde un ángulo diferente.
La figura 3A es una vista lateral de la realización preferida.
La figura 3B es una vista frontal de la realización preferida.
La figura 3C es una vista superior de la realización preferida.
La figura 3D es una vista lateral de la realización preferida, con el riel lateral del canal C retirado para mostrar la operación de enlace más claramente. Los espejos parabólicos se muestran en una posición de ángulo bajo o amanecer/anochecer.
La figura 3E es una vista lateral correspondiente a la figura 3D, pero con los espejos parabólicos en un ángulo alto o en una posición de mediodía.
La figura 4A es una vista frontal del sistema de ajuste de la articulación de la altitud o del eje horizontal para los colectores de espejos solares, que muestra los espejos en su posición de ángulo alto.
La figura 4B es una vista más detallada del área B de la figura 4A.
La figura 5 es una vista frontal que muestra la energía luminosa concentrada y redirigida a un compartimento de almacenamiento térmico.
La figura 6 muestra una realización alternativa de espejo con una forma cuadrada.
La figura 7 muestra el mecanismo interno del subconjunto del eje óptico principal.
La figura 8A muestra el subconjunto del eje óptico principal con el espejo en posición de amanecer y anochecer.
La figura 8B corresponde a la figura 8A y muestra el espejo en su posición más alta (medio día).
La figura 9 es una vista superior del motor térmico.
La figura 10A es una vista frontal del motor térmico.
La figura 10B es una vista detallada del área A de la figura 10A.
La figura 10C es una vista detallada del área B de la figura 10A.
La figura 11A muestra el conjunto del regenerador.
La figura 11B es una sección transversal en A-A de la figura 11A.
La figura 11C es una sección transversal en D-D de la figura 11B.
La figura 11D es una sección transversal en B-B de la figura 11A.
La figura 11E es una vista detallada del área C de la figura 11C.
La figura 12A muestra el conjunto del compartimento de almacenamiento del motor térmico.
La figura 12B es una sección transversal en A-A de la figura 12A.
La figura 12C es una vista detallada del área C de la figura 12B.
La figura 12D es una sección transversal en B-B de la figura 12A.
La figura 13A es una vista del lado izquierdo del conjunto de regenerador y cilindro.
La figura 13B es una vista detallada del área A de la figura 13A.
La figura 13C es una sección transversal en B-B de la figura 13A.
La figura 14A es una vista superior del conjunto de la plataforma de mantenimiento principal.
La figura 14B es una sección transversal en B-B de la figura 14A.
La figura 15A es una vista superior del conjunto principal de mástil y marco.
La figura 15B es una vista frontal del conjunto principal de mástil y marco.
La figura 16A es una vista en perspectiva del conjunto de brazo y pala de molino de viento de eje vertical. La figura 16B es una vista detallada del área A de la figura 16A.
La figura 16C es una vista detallada del área B de la figura 16A.
La figura 17 es una vista en perspectiva del conjunto del rotor de base con su placa base retirada para mostrar los componentes internos asociados con la rotación del eje azimutal.
La figura 18A es una vista superior del conjunto de placa base del rotor asociado con la figura 17.
La figura 18B es una vista inferior correspondiente.
La figura 19 es una vista en perspectiva que muestra una realización alternativa de un compartimiento colector de motor térmico, suponiendo la entrega de calor a través de un sistema de suministro de tubería de calor. La figura 20 es una vista en perspectiva que muestra una realización alternativa de una estructura de soporte de fijación de tubo de calor para montaje directo en el conjunto de marco de espejo parabólico.
La figura 21 es una vista en perspectiva de la realización preferida de la invención, pero usando espejos parabólicos cuadrados en lugar de circulares.
La figura 22 es una vista frontal correspondiente a la figura 21.
La figura 23 es una vista superior correspondiente a la figura 21.
La figura 24A es una vista lateral correspondiente a la figura 21.
La figura 24B es una vista lateral correspondiente a la figura 21, con el riel lateral de canal C eliminado para mostrar la operación de vinculación más claramente. Los espejos parabólicos se muestran en una posición de ángulo bajo o amanecer/anochecer.
La figura 24C es una vista lateral correspondiente a la figura 24B, pero con los espejos parabólicos en un ángulo alto o en una posición de medio día.
La figura 25A es una vista frontal de un motor Stirling dual de tipo beta alternativo y un mecanismo rotador central para la conversión del movimiento lineal en movimiento rotativo para el acoplamiento directo con la turbina eólica de eje vertical y la interfaz de aumento de velocidad.
La figura 25B es una vista superior correspondiente.
La figura 25C es una sección transversal en A-A de la figura 25B.
La figura 26A es una vista frontal de un subconjunto de eje óptico principal alternativo que controla el movimiento del conjunto de espejo hiperbólico y su subconjunto de espejo parabólico cuadrado emparejado individualmente, que muestra los espejos en su posición de medio día.
La figura 26B es una sección transversal en A-A de la figura 26A.
La figura 26C es una vista frontal similar a la figura 26A, pero con los espejos en sus posiciones de amanecer y anochecer.
La figura 26D es una sección transversal en B-B de la figura 26C.
La figura 27 es una vista en perspectiva del conjunto alternativo de la subestructura del rotador de la base con la placa base y el eje de transmisión cubiertos.
La figura 28A es una vista en perspectiva de un conjunto de brazo y pala de molino de viento alternativo con tres palas y un diseño de viga de perfil aerodinámico.
La figura 28B es una vista detallada del área A de la figura 28A.
La figura 29A es una vista detallada del área B de la figura 23.
La figura 29B es una sección transversal en C-C de la figura 29A, que muestra un mecanismo rotador central alternativo para la conversión del movimiento lineal en movimiento rotativo, para el acoplamiento directo con la turbina del viento del eje vertical y aumentador de velocidad que convierte las velocidades de rotación por encima de la velocidad síncrona del generador de inducción.
La figura 29C es un detalle del área dentro de un círculo en la figura 29B.
La figura 30 es una vista en perspectiva de una variación de la invención, utilizando un sistema de suministro solar fotovoltaico y una solución combinada de suministro de energía de turbina eólica de eje vertical superior.
La figura 31 es una vista frontal de la variación de la figura 30.
La figura 32 es una vista lateral de la variación de la figura 30.
La figura 33A es una vista lateral de la variación de la figura 30.
La figura 33B es una vista lateral de la variación de la figura 30, con el riel lateral del canal C retirado para mostrar la operación de enlace más claramente. Los paneles fotovoltaicos se muestran en una posición de ángulo bajo o amanecer/anochecer.
La figura 33C es una vista lateral correspondiente a la figura 33A, pero con los paneles fotovoltaicos en un ángulo alto o en una posición de medio día.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
Descripción general
[0018] Las figuras 1 a 3E muestran el sistema global. La matriz de captación solar 100 está soportada estructuralmente por el mástil principal y el marco de montaje 300. La energía solar concentrada se redirige a los compartimentos de almacenamiento motor térmico 290,290', que actúan como fuentes de calor para el calor del motor 250, montados en el montaje de plataforma de mantenimiento principal 200. La eficiencia del motor térmico aumenta significativamente con los regeneradores 275,275' incorporados en el diseño del motor térmico.
[0019] El mástil principal y bastidor de montaje 300 también proporciona un soporte estructural para la turbina de viento de eje vertical de montaje (molino de viento brazo y la cuchilla de montaje) 400. El molino de viento brazo y cuchilla de montaje gire en el principal eje de transmisión vertical 600. El momento estructural y apoyo axial del conjunto de mástil y marco principal es proporcionado por la placa de base del rotador 525. El eje vertical o control de acimut para todo el conjunto es proporcionado por el conjunto de rotador de base 500 que soporta la placa de base del rotador 525.
[0020] La electricidad se produce a partir de una inducción eléctrica del generador 205 (véase las figuras 14A y 14B) accionado por tanto el motor térmico 250 como la turbina eólica 400, como se explica en detalle a continuación.
Ensayo de colección solar
[0021] Las figuras 4A a 6 muestran una matriz de colección solar, es decir, una matriz de espejos parabólicos circulares 116 montada dentro de un bastidor rígido de montaje 119 con pesos de contrapeso 118. Los espejos y marco rígido de montaje giran alrededor de un eje horizontal 110. Este eje tiene un diámetro mayor, una porción de transferencia de torque en sus extremidades externas, y una porción central de menor diámetro para rotar el subconjunto del eje óptico 150. Este eje horizontal de rotación es el eje de ajuste de altitud, y está situado a una distancia apropiada desde los espejos parabólicos 116, es decir, a una distancia de los espejos que da como resultado la concentración de la luz solar desde los espejos parabólicos en los espejos hiperbólicos individuales 180, 181, 189 y 194 (ver Figura 4A y 4B), hasta un diámetro de concentración aproximado de 7,5 cm. Los espejos hiperbólicos se montan de manera fuera del eje, alineados de manera que los espejos hiperbólicos individuales reflejen y concentren aún más la energía de la luz en una de las dieciséis zonas diana de 5 cm situadas en una placa separadora de cobre del compartimento de almacenamiento de calor 290. Los espejos hiperbólicos individuales se incorporan individualmente en el subconjunto de eje óptico 150, cuya función se explicará más adelante. Los cuatro espejos hiperbólicos más a la izquierda están dirigidos a las dianas en la placa frontal 290 de almacenamiento de calor en el lado izquierdo, y los cuatro espejos hiperbólicos más a la derecha están dirigidos a las dianas en la placa frontal 290' de almacenamiento de calor en el lado derecho. Los compartimientos de almacenamiento de calor 290, 290' actúan como las fuentes de calor para el motor de calor 250, que convierte el movimiento lineal en movimiento giratorio en una interfaz rotativa común para el brazo del molino de viento y el ensamblaje de la cuchilla 400 justo debajo de los soportes de la brida pilotada del molino de viento 303, 303' (ver Figura 15). La interfaz rotativa común 263 (ver Figura 10) acciona un aumentador de velocidad 203 (ver Figuras 14A y 14B) que a su vez acciona un generador de inducción 205 produciendo electricidad. Fijado al generador hay un freno 206 para facilitar las condiciones de rotación detenidas. Todo el conjunto de nivel superior está soportado por un conjunto de rotador de base 500 que proporciona control de eje vertical o eje de acimut para todo el sistema.
Eje horizontal (control del ángulo de altitud de los colectores solares)
[0022] La figura 4A es una vista de un riel lateral del canal C 101 con la cubierta retirada para exponer el sistema de enlace que controla el ajuste del eje de altitud del sistema de captación solar. Los ejes del eje horizontal 110 están soportados por cojinetes de bloque de almohadilla de brida 122 montados dentro del riel lateral del canal C. Un motor eléctrico 104 con freno proporciona rotación a un reductor de engranaje 103 que reduce la velocidad de rotación y aumenta el par de salida del motor según sea necesario para rotar los ejes individuales del eje horizontal. El requisito de par se reduce por los contrapesos de contrapeso 118 que se incorporan en el conjunto de bastidor rígido 115,119,120.
[0023] La figura 3D es una vista lateral de la realización preferida, con el carril lateral del canal C 101 retirado para mostrar la operación de enlace más claramente. Los espejos parabólicos se muestran en una posición de ángulo bajo.
La figura 3E es una vista lateral correspondiente a la figura 3D, pero con los espejos parabólicos en una posición de ángulo alto.
[0024] Como se observa en la figura 4A, el riel de lado de canal C 101 está soportado por un miembro de bastidor 304, que es un elemento estructural clave del mástil principal y bastidor de montaje 300 (véase las figuras 15A y 15B). El miembro de bastidor 304 está orientado en un ángulo de 45 grados desde la horizontal.
[0025] El reductor de engranajes 103 está montado fuera del carril lateral de canal C 101, y está soportado estructuralmente por él. El eje de salida del reductor de engranajes reside dentro del riel lateral del canal C y gira la manivela 102 para impulsar el conjunto de articulación. La manivela comienza en la posición que se muestra en la figura 3D y se mueve en sentido antihorario en incrementos hasta que alcanza la posición que se muestra en la figura 3E. Luego se mueve en sentido horario en incrementos, de regreso a la posición de la figura 3D al final del día. La manivela a su vez impulsa el enlace secundario 105. El enlace secundario a su vez controla la rotación del primero de los cuatro enlaces de rotación 106, que a su vez controla rotacionalmente el eje horizontal más alto del eje 110”‘. El enlace secundario también está conectado y controla el movimiento del primer enlace del conector 107. El enlace del conector se conecta a un segundo enlace del conector 107' y también al segundo de los cuatro enlaces de rotación 106' que a su vez controla rotacionalmente el segundo eje del eje horizontal más alto 110”. A su vez, el segundo enlace del conector 107' se conecta al tercer y último enlace del conector 107” y también al tercero de los cuatro enlaces de rotación 106" que a su vez controla rotacionalmente el segundo eje del eje horizontal más bajo 110'. El tercer y último enlace del conector 107” está conectado solo al enlace de rotación final 106”‘ que a su vez controla rotacionalmente el eje 110 del eje horizontal más bajo.
[0026] El enlace secundario 105 es responsable de traducir el movimiento de rotación suministrado por el reductor de engranajes 103 y el motor eléctrico 104 en una oscilación de rotación en eje horizontal 110 de 50 grados. Esto a su vez controla la rotación del conjunto de marco rígido 120 y los espejos parabólicos 116 que soporta, haciendo que el ajuste angular sea igual y común para todos los conjuntos de marco rígido y espejos parabólicos. El ángulo horizontal medio de los espejos parabólicos 116 en el diseño es de 45 grados, que coincide con el mismo ángulo horizontal del miembro de bastidor 304 que soporta el riel lateral del canal C 101. Dados los 50 grados de flexibilidad de movimiento de rotación del diseño, los espejos parabólicos 116 son así capaces de girar entre una altitud de 20 grados desde la horizontal hasta 70 grados desde la horizontal. Esto cumple con los requisitos de alineación de altitud impuestos geográficamente específicos del sitio de la mayoría de las instalaciones de paneles solares. Obviamente, el grado de rotación puede variar según se desee, con pequeños cambios de diseño dentro del alcance de la invención. El ángulo medio de 45 grados y los 50 grados de rotación son para este ejemplo específico.
[0027] En un ejemplo preferido, la manivela comienza en el amanecer en la misma posición que en la oscuridad. Gira de forma incremental en sentido antihorario a su posición de ángulo más alto (medio día), y luego hacia la derecha de nuevo a su posición de ángulo más bajo (anochecer/amanecer).
[0028] Alternativamente, la manivela podría pasar por una rotación completa de 360 grados, por lo que vuelve a la posición de 8:30 a 9:00 pm al anochecer. En tal versión, para completar un ciclo diario completo de rotación del sol desde el anochecer hasta el amanecer, el reductor de engranajes 103 solo necesita completar una revolución de 360 grados.
[0029] Tiempos de inicio y parada para el funcionamiento del motor eléctrico 104 están controlados por un controlador programable, programado para girar el motor en sólo unos pocos milisegundos a la vez cada 15 minutos o así a lo largo del día. La secuencia diaria de las horas de inicio y finalización variará según las necesidades específicas del sitio y la hora y fecha en particular cuando se produce el seguimiento solar. El freno incorporado en el motor eléctrico 104 ayuda a mejorar la precisión de la secuencia de arranque y parada. En un ejemplo de la invención, la manivela 101 tiene aproximadamente 41 cm de largo (punto de pivote a punto de pivote), y el enlace secundario 105 es de aproximadamente 52 cm, de modo que la relación entre la longitud de la manivela y la longitud del enlace secundario es de aproximadamente 0,79. En otro ejemplo, las dimensiones respectivas son de aproximadamente 58 cm y 70 cm, y la relación es de aproximadamente 0,83. En general, las relaciones adecuadas pueden estar en el rango de 0,75 a 0,85. Estas dimensiones y proporciones controlan el ángulo de rotación de los espejos parabólicos. En el primer ejemplo (la realización de la figura 1 a 20), hay 50 grados de rotación. En el segundo ejemplo (la realización de la figura 21 a 29), hay 74 grados de rotación. Variar las dimensiones y las proporciones varía el rango de rotación.
Redirección de energía luminosa al compartimento de almacenamiento del motor térmico
[0030] La Figura 5 ilustra cómo el conjunto de espejos parabólicos 116 enfoca y redirige la luz a los compartimientos de almacenamiento del motor térmico 290. La luz de los espejos parabólicos 116, 116' enfoca la energía en los espejos hiperbólicos del individuo 180,181 que redirigen y concentran aún más la luz hacia el compartimento de almacenamiento del motor térmico 290.
Configuración alternativa del espejo
[0031] Las Figuras 6 y 21 a 24C muestran un espejo cuadrado 116A como alternativa a los espejos parabólicos circulares 116. Estos espejos se pueden usar básicamente dentro del mismo factor de forma del equipo. La ventaja es que el 27% más de energía de la luz por el espejo puede ser capturado y redirigido hacia el compartimiento de almacenamiento de motor térmico 290. Se debe entender que los espejos rectangulares no cuadrados se podrían utilizar con el mismo efecto, siendo cuadrado simplemente un caso especial de rectangular. Cuando se usa la palabra "rectangular" en esta especificación, debe interpretarse para indicar un cuadrado rectángulo o no cuadrado a menos que el contexto indique lo contrario.
Espejos hiperbólicos y discusión cinemática del subconjunto del eje óptico
[0032] Haciendo referencia a las figuras 7 a 8b, el subconjunto de eje óptico principal 150, situado en el eje horizontal o de alineación de altitud, es responsable de redirigir la energía solar desde los espejos parabólicos rotativos 116 a la ubicación fija de los objetivos individuales en el compartimento de almacenamiento de calor 290. El subconjunto del eje óptico principal 150 se fija en posición lateralmente, sostenido en su lugar por el rígido conjunto de bastidor 115,119,120. De manera similar, los objetivos individuales en el compartimento de almacenamiento de calor 290 están fijos en su posición. En consecuencia, no hay necesidad de ninguna variación en la posición axial de los espejos hiperbólicos (180,181,189 y 194 de la figura 4), y pueden montarse en posiciones fijas.
[0033] En cuanto a los movimientos radiales del eje horizontal de alineación, puesto que los espejos parabólicos 116 están moviendo radialmente alrededor del eje horizontal, y dado que los objetivos individuales en el compartimiento de almacenamiento de calor 290 permanecen en una posición fija, hay una necesidad de un ajuste de compensación en la posición angular de los espejos hiperbólicos. Suponiendo que la posición de reflexión de los espejos hiperbólicos se encuentra en el eje horizontal de alineación, la cantidad de ajuste de compensación es equivalente a la mitad del movimiento angular del espejo parabólico 116. Este ajuste de compensación se realiza de forma automática y continua utilizando el mecanismo incorporado dentro del subconjunto del eje óptico principal 150.
[0034] Las Figuras 7 y 8 ilustran la función de este subconjunto de eje óptico 150. El dispositivo está sostenido estructuralmente por el eje principal óptico 151,152 que tiene sus extremos externos fijados estructuralmente al conjunto de marco rígido 119,120. Los extremos internos del eje principal óptico 151,152 están fijados estructuralmente a la cubierta del equipo óptico 159.
[0035] Dentro de la cubierta de la parte óptica 159 reside el equipo necesario para facilitar el ajuste de la compensación. Dos cojinetes de brida ligeros 157 soportan el eje del espejo óptico con llave 153, que puede girar libremente e independientemente de la rotación del eje principal óptico 151 y el eje principal óptico 152. Este eje del espejo óptico con llave 153 puede ser, pero no necesariamente, colineal con el eje principal óptico 151, 152. También montado en el eje del espejo óptico 153 hay un componente de rueda dentada de accionamiento síncrono 156 con 32 dientes de rueda dentada. También montados en dos ejes de piñón pequeños fijos individualmente 154 y 154' hay dos componentes de piñón de accionamiento síncrono adicionales 155 y 155' cada uno con dieciséis dientes de piñón. Montada entre las tres ruedas dentadas hay una transmisión de correa serpentina síncrona de doble cara 158. El eje de rueda dentada pequeña más externo 154 ubicado en el borde externo de la cubierta del equipo óptico 159 está estructuralmente fijado a una placa lateral 160. Esta placa lateral 160 también proporciona guía lineal para un dispositivo de apriete de correa dentada 161 que facilita el apriete del accionamiento de correa síncrona de doble cara 158.
[0036] Haciendo referencia a la Figura 8A, un espejo hiperbólico claramente diseñado 180 también está montado en el eje de espejo óptico 153 y se fija axialmente por collares de eje y fijado radialmente por la naturaleza enchavetada del eje de espejo óptico 153.
[0037] Los detalles de construcción descritos anteriormente resultan en una trayectoria de movimiento radial del espejo hiperbólico 180 que está en la dirección contraria y es una media del movimiento angular del eje principal óptico 151, 152. Por lo tanto, durante cualquier día dado, podría haber una rotación de 50 grados del eje principal óptico 151, 152, el espejo hiperbólico 180 vería un ajuste igual y opuesto de hasta 25 grados.
[0038] Las extensiones de este nivel de rotación se observan por las dos posiciones de espejo observadas en la figura 8A y 8B. El círculo exhibido en el espejo hiperbólico 180 es una indicación de la extensión de la energía de luz 116 del espejo parabólico que se concentra hasta un diámetro de 7,5 cm en el espejo hiperbólico 180, y donde residiría en el espejo hiperbólico en diferentes momentos del día, dependiendo de la posición angular de espejos parabólicos 116 probable en ese punto en el tiempo.
Diseño del motor térmico y convertidor de movimiento lineal a giratorio
[0039] Las figuras 9, 10A, 10B y 10C proporcionan una descripción detallada del diseño completo del motor térmico 250. Las figuras 11A a 11E proporcionan una descripción más completa del conjunto regenerador 275 usado en el motor térmico. Las figuras 12a a 12D proporcionan una descripción más completa del conjunto del compartimento de almacenamiento del motor térmico 290'. Las figuras 13A a 13C proporcionan una descripción más completa del conjunto de regenerador y cilindro utilizado dentro del diseño del motor térmico 250.
[0040] Comenzamos la discusión sobre el diseño del motor térmico 250 discutiendo el diseño del montaje de compartimento de almacenamiento de motor térmico 290' como se detalla en la figura 12A a 12D.
[0041] Como se discutió anteriormente, los espejos parabólicos 116,116' concentran la luz solar sobre los espejos hiperbólicos individuales (180 y 181 respectivamente de la figura 4A) a un diámetro de concentración aproximada de 7,5 cm. Los espejos hiperbólicos individuales reflejan y concentran aún más la energía de la luz en una de las dieciséis zonas diana de 5 cm situadas en la placa separadora de cobre descrita como la placa frontal del compartimiento de almacenamiento de calor 267'.
[0042] En las figuras 12A a 12D, el compartimento de almacenamiento de motor térmico se define adicionalmente. Las dieciséis zonas diana individuales de luz solar están distribuidas uniformemente en la placa de distribución de cobre 267'. La placa separadora 267' está unida metalúrgicamente a la aleta plegada de cobre 292' que actúa como mecanismo de transferencia de calor para las sales solares situadas dentro del compartimento de almacenamiento de calor. La composición de sal solar que se utilizará en el área de almacenamiento se optimizará para tener la temperatura de líquido más baja, una composición como la siguiente (Li - 33% mol, K-48% mol y Na - 19% mol). La cámara de almacenamiento galvanizada 291' alberga la composición de sal solar. La cámara de almacenamiento galvanizada 291' está encerrada en un material aislante adecuado 296' en tres lados. Hay una placa de acceso de extracción 294' en la cámara de almacenamiento galvanizada 291' para acceder a la cámara y llenar con la composición de sal solar. Se puede acceder a esta placa de acceso de extracción 294' solo después de retirar el compartimento de material de aislamiento separado 295' por encima de ella. La cámara de almacenamiento galvanizada 291' tiene un diseño escalable, que puede hacerse más grande si el cliente requiere una mayor capacidad de almacenamiento térmico, y más pequeña si se requiere una menor capacidad de almacenamiento térmico. Con referencia a la figura 9, un pistón caliente de 251,251” presurizado con gas helio reside dentro de cada uno de los dos compartimientos de almacenamiento de calor 290,290'. Durante el ciclo de compresión del pistón caliente, el gas helio calentado sale del pistón caliente y pasa a través del tubo de salida aislado caliente 261,261', luego a través del conjunto regenerador 275,275' que actúa como un dispositivo de almacenamiento de calor temporal. El helio caliente comienza a enfriarse pasando a través del tubo no aislado 252,252' al pistón frío 251',251'”. El pistón frío 251',251'” tiene un agresivo conjunto de disipador de calor de aleta plegada 258,258' unido metalúrgicamente a él. A medida que la pala de turbina eólica de eje vertical 400 pasa por el pistón frío 251',251”‘, inicia una presión localizada condición de caída que resulta en el desarrollo de la velocidad del flujo de aire que pasa a través del conjunto de disipador de calor de aleta plegado, enfriando así el pistón frío y aumentando significativamente la diferencia de temperatura entre el pistón caliente y el pistón frío. A medida que el pistón frío 251',251'” completa su ciclo de compresión, el gas helio enfriado en el pistón regresa a través de la tubería no aislada 252,252' y regresa a través del conjunto regenerador 275,275', donde el calor almacenado comienza a recalentar el gas helio. El gas calentado luego pasa a través del tubo de salida aislado en caliente 261,261' y una vez más en el pistón caliente 251,251”. El conjunto regenerador 275,275' juega un papel de mejora de eficiencia en este motor térmico 250; cuanto mayor sea la efectividad del regenerador 275,275' en el calentamiento y enfriamiento del gas helio, mayor será la eficiencia del diseño del motor térmico.
[0043] El motor térmico se compone de dos pares de pistón caliente 251,251”, 2 ensamblajes regenerador 275,275' y dos pares de pistones frías 251'251'“.
[0044] El vástago de pistón 253 que sale de cada uno del pistón caliente 251,251” y del pistón frío 251'251'” está conectado a un enlace de cilindro rotador 254,254'255,255'. Los cuatro enlaces del cilindro rotador están conectados a un pasador rotador del motor Stirling 263 situado entre las ruedas rotatorias del motor térmico superior e inferior 256,256'. El cubo central de la rueda giratoria 256 del motor térmico superior se conecta directamente con el eje de transmisión principal 600. La rueda giratoria 256' del motor térmico inferior se conecta directamente al eje de entrada del aumentador de velocidad 203. Esto describe la interfaz de movimiento giratorio para la turbina eólica de eje vertical 400 y el conjunto colector solar 100.
[0045] Las Figuras 13A a 13C describen mediante el uso de una vista superior y una vista detallada y en sección describe con más detalle la función del regenerador y el conjunto de cilindro. El motor térmico 250 está compuesto por dos de estos dispositivos de accionamiento de movimiento lineal. Comenzando desde el extremo del vástago del pistón frío 253', el vástago del pistón 253' pasa a través de un casquillo 267' que está soportado por la placa delantera del pistón frío 269. Una serie de 8 barras de tensión 268', 268” proporcionan una carga de compresión en el la placa delantera del pistón frío y la placa trasera del pistón frío 262', asegurando que se mantenga un sello presurizado. El vástago del pistón 253' entra luego en el cuerpo del pistón frío 251'. El pistón frío 251' está soportado por dos estructuras de soporte de pistón frío 257”‘, 257"“. El extremo de la turbina eólica del pistón frío 25 l' contiene una cubierta envuelta 258' que abarca un disipador térmico de aleta plegada agresivamente construido 271 que está unido metalúrgicamente al pistón frío 251'. La placa posterior del pistón frío 262' tiene aberturas configuradas en la placa para garantizar que el flujo de aire desde el aerogenerador de eje vertical 400 no esté obstruido y pueda pasar libremente a través del disipador de calor de aleta plegada agresivamente construido 271. La salida del pistón frío 251' está conectada al tubo de retorno no aislado 252. Situado junto al conjunto regenerador 275 hay un manómetro 259 y una válvula 260 para presurizar el conjunto regenerador y cilindro con gas helio. Adyacente a la válvula 260 se encuentra el conjunto regenerador 275, seguido por el tubo de retorno aislado 261, que se encuentra en la entrada del pistón caliente 251. La placa posterior del pistón caliente 272 reside en la placa posterior del pistón caliente 251. que está encerrado en material aislante para minimizar la pérdida de calor. Adyacente a esta placa posterior del pistón caliente 272 se encuentra el conjunto del compartimiento de almacenamiento de calor 290. En el extremo opuesto del pistón caliente 251 reside la placa delantera del pistón caliente 270. Una serie de 8 barras de tensión 268 proporcionan una carga de compresión en la placa delantera del pistón caliente 270 y placa posterior 272. La placa frontal del pistón caliente 270 soporta un casquillo 267 que soporta el vástago del pistón 253 que sale del pistón caliente 251.
[0046] Las Figuras 10A a 10C describen la vista frontal del diseño de cuatro pistones del motor térmico 250 y describe algunas características detalladas del diseño en mayor medida que las otras vistas.
[0047] El detalle A muestra la placa separadora de cobre con las dieciséis zonas diana de luz solar 267', que es la fuente de calor para el conjunto del compartimento de almacenamiento de calor 290'. Un termopar incrustado dentro de la placa separadora de cobre 267' monitorea las temperaturas de la placa separadora durante todo el día. Cuando la temperatura de la placa separadora alcanza un cierto umbral de temperatura mínima, se activa el actuador lineal 265', y la placa frontal aislante 266' se eleva linealmente para cubrir la placa separadora de cobre 267'. Esta acción minimiza las pérdidas de calor dentro del conjunto del compartimento de almacenamiento de calor 290. Del mismo modo, un termopar también está incrustado dentro de la placa frontal del aislador 266' en una ubicación estratégica, y cuando el termopar alcanza una cierta temperatura umbral mínima, el actuador lineal 265' vuelve a estar activo y la placa frontal del aislante 266' se baja linealmente, exponiendo así la placa separadora de cobre 267'. Este proceso descrito anteriormente identifica una estrategia para minimizar las pérdidas de calor del compartimento térmico durante los períodos vespertinos y los períodos de alta capa de nubes que surgen durante las condiciones de captación solar variables experimentadas.
[0048] El detalle B muestra una vista frontal parcial del dispositivo que convierte el movimiento lineal en movimiento giratorio. El conjunto del pistón frío delantero del motor térmico cubre la región central, sin embargo, lo que se observa es la conexión 255 del cilindro rotador con el pasador 263 del rotor térmico. La vista de Detalle B también comunica parcialmente cómo el espacio general, aparte del pasador rotador de motor Stirling 263, es claro y sin obstrucciones entre la rueda giratoria superior 256 y la rueda giratoria inferior 256' para no restringir la rotación de los cuatro componentes del enlace del cilindro rotador 254,254',255,255' conectados a ella.
[0049] Las Figuras 11A a 11E proporcionan una vista en sección y detallada de la construcción del conjunto regenerador 275,275'. El regenerador es un componente clave del diseño del motor térmico. Debe ser eficaz para almacenar temporalmente el calor de los gases de helio calientes que entran y salen de la unidad durante el ciclo de compresión del pistón caliente; y a su vez debe ser eficaz para recalentar los gases de helio fríos durante el ciclo de compresión del pistón frío al regresar a través del regenerador. La caída de presión también es una consideración apropiada para determinar el diseño de este dispositivo, ya que la caída de presión también disminuirá la eficiencia del motor térmico.
[0050] El regenerador conjunto está encerrado en aislamiento 276 alrededor de su circunferencia. Además, las unidades finales están encerradas en Aislamiento 280,280'. El conjunto regenerador 275,275' tiene una entrada de tubería estándar que se transita en el conjunto de tapa final 281,281' a medida que los gases se enrutan circunferencialmente alrededor de un núcleo central regenerador de cobre 279. El núcleo regenerador de cobre se mantiene en posición concéntricamente mediante dos soportes de suspensión del regenerador 282,282' ubicado dentro de la región del conjunto de tapa final 281,281' de cada extremo. Una aleta plegada de aluminio (o cobre) altamente densa 278 se une metalúrgicamente al núcleo central regenerador de cobre 279. El núcleo central regenerador de cobre 279 y la aleta doblada altamente densa 278 se mantiene en su lugar mediante un tubo exterior 277 que está soldado al conjuntos de tapa de extremo y presurizados para garantizar que no haya fugas gaseosas.
Conjunto de plataforma de mantenimiento principal
[0051] La Figura 14A es una vista superior del conjunto de plataforma de mantenimiento principal 200.
[0052] El objetivo principal de esta plataforma de montaje principal 200 es proporcionar el acceso humano a equipo de máquina térmica 250 y equipo de rotación a fin de facilitar las necesidades de mantenimiento en curso del nivel superior de montaje. El acceso humano se proporciona a través de la abertura de acceso 207 donde el acceso se logra a través de una escalera desplegable.
[0053] La seguridad humana se logra a través de la restricción de acceso a la escalera de la tracción a través del uso de una cerradura. Cuando se retira la cerradura y cuando se baja la escalera, un sensor de proximidad recibe una alerta, que completa una de tres acciones; i) activa el freno 206 que restringe la rotación de la turbina eólica de eje vertical 400, ii) activa un segundo sensor de proximidad que asegura que la pala 400 del eje vertical del molino de viento no bloquea ningún acceso a la plataforma exterior definida por las paredes de seguridad del perímetro 216, 217 y 218, y iii) energiza el motor 104 que acciona el eje horizontal o de altitud y el motor 506 que acciona el eje vertical o acimutal, y ordena a estos motores que se estacionen en un modo que minimice las actividades de recolección solar. El objetivo de estas acciones sería apagar todos los equipos rotativos antes de que el humano llegue a la plataforma, colocando así la seguridad humana como una prioridad sobre las actividades de recolección de energía.
[0054] La seguridad humana también se consigue a través del uso de la protección de apertura de accesos 208 protegiendo el humano del equipo de rotación, las paredes de seguridad perimetrales 210,211,212,213,214,215,216,217,218, 219 y 220) alrededor de casi toda la plataforma, y proporcionando una placa de paso a paso de mantenimiento de cojinete (no mostrado en la los dibujos adjuntos) que cubren el mecanismo que traduce el movimiento lineal en movimiento giratorio, y proporciona acceso a los cojinetes de soporte de la turbina eólica de eje vertical 303,303' (ver Figura 1).
[0055] El montaje de plataforma de mantenimiento 200 también proporciona acceso de mantenimiento para el aumentador de velocidad 203 que multiplica la turbina de viento de eje vertical 400 y entradas de velocidad de rotación del motor térmico 250, y los aumenta a un rpm que está por encima de la velocidad de deslizamiento síncrona del generador 205. El freno 206 se incorpora en el extremo posterior del generador 205. Un acoplamiento 204 conecta el incrementador de velocidad 203 con el generador 205.
[0056] El molino de viento funcionará mejor dentro de un cierto intervalo de relaciones de velocidad de la punta. La relación de velocidad de la punta se define como la relación entre la velocidad tangencial de la punta de una pala y la velocidad real del viento. La relación de velocidad de la punta está relacionada con la eficiencia, y la óptima varía con el diseño de la pala. En este ejemplo, una relación de velocidad de punta de 3 a 6 es el objetivo preferido, y un rango de velocidades de operación entre 120 y 180 rpm. Cuanto más grande es la unidad y el diámetro del molino de viento, más lentas se vuelven las rpm de funcionamiento de la unidad. Las rpm de operación pueden variar en el diseño a un costo de cambio relativamente bajo.
[0057] El diseño de la plataforma de mantenimiento facilita un generador dual opcional, mediante la incorporación de una región de acceso de mantenimiento más baja como se describe por 202. Como resultado, el incrementador de velocidad 203, el acoplamiento 204 y el generador 205 pueden ser duplicados. En tal aplicación, el incrementador de velocidad 203 necesitaría tener un diseño de eje de doble salida, y requeriría un embrague electromecánico entre el incrementador de velocidad superior 203 y el incrementador de velocidad inferior 203', de modo que la activación o desactivación del aumentador de velocidad inferior podría ser controlado por un software de control de generación de energía.
[0058] Teniendo en cuenta esta opción de generador dual 205,205' (como se observa en la figura 14B), en los períodos pico de captación de energía cuando hay un período de velocidades de viento extremadamente altas, puede ser accionado el diseño de control de generador dual 205,205', lo que facilita un mayor nivel de producción de electricidad. Las decisiones relacionadas con cuándo activar o desactivar el segundo variador podrían automatizarse y programarse en el software de control.
Conjunto de mástil principal y marco
[0059] Las figuras 15A y 15B describen el conjunto de mástil principal y marco 300 utilizado en este diseño. Este elemento del diseño es el esqueleto estructural fundamental del conjunto de nivel superior. Dos columnas cuadradas verticales del mástil principal 301,301' proporcionan la conexión inferior principal al conjunto de rotador de base 500 (véase la Figura 18).
[0060] Los miembros colgantes inferiores del mástil principal soportan el miembro de marco 304',304. El miembro de bastidor 304,304' proporciona el soporte estructural primario para el conjunto de colectores solares y el subconjunto de riel lateral del canal C 100 como se indica en la Figura 1.
[0061] Como se discutió anteriormente, el compartimiento de almacenamiento de motor térmico 290 por la Figura 1 se encuentra en un ángulo de 45 grados desde la horizontal, de manera que sea perpendicular a estos miembros de bastidor 304,304'. Esta orientación facilita mejor el proceso de transferencia de calor del colector solar.
[0062] Los elementos estructurales identificados como 305,305',307,307',306,306',308,308',309 y 310 son los elementos de bastidor estructurales que proporcionan apoyo general al subconjunto de plataforma de mantenimiento principal 200 (ver Figura 14).
[0063] El tubo cilindrico 302 y cojinetes de brida pilotados 303,303' son los elementos estructurales primarios que soportan el eje de transmisión 600 conduciendo el molino de viento del brazo y de la lámina de montaje 400 (véase la Figura 16), y facilita su rotación. A través de la rotación, el brazo de molino de viento y el montaje de pala 400 se deriva par mecánico de energía eólica mediante el uso de un componente del eje de transmisión intermediario 600.
Brazo de molino de viento y conjunto de pala
[0064] Las Figuras 16A a 16C muestran un brazo del molino de viento de cuatro palas y el montaje de pala 400.
[0065] El diseño tiene dos conjuntos de placa de soporte de brazo de molino de viento 403,403'. El conjunto de soporte superior del brazo del molino de viento 403 soporta rígidamente cuatro vigas superiores del brazo del molino de viento 402 y también facilita los ajustes de equilibrio estático y dinámico del conjunto completo del brazo del molino de viento y la pala 400. La viga superior del brazo del molino de viento 402 a su vez soporta un conjunto de soporte interno de la pala 410 que tiene ajustes de la función de ángulo de inclinación de la pala incorporados en el diseño. El conjunto de soporte interno de la pala 410 a su vez está sujeto a las palas del molino de viento 401 en la parte superior.
[0066] Entre los dos conjuntos de placa de soporte de brazo de molino de viento 403,403' se encuentra un tubo de soporte de molino de viento 404 que proporciona una función de soporte estructural provisional para el brazo de molino de viento completo y conjunto de pala antes de su final de la instalación. Los dos conjuntos de placa de soporte del brazo del molino de viento 403,403' tienen una interfaz concéntrica con llave con un eje de transmisión con llave 600 que pasa a través del conjunto completo y que es estructuralmente sostenido por los cojinetes de brida pilotados 303,303' como se indica en el conjunto de mástil principal y marco 300 (ver Figura 15). El extremo opuesto del eje tiene una conexión con chaveta con la rueda giratoria superior 80 (indicada en el Detalle B de la figura 10A), transfiriendo el torque generado desde el conjunto del brazo y la pala del molino de viento a esta rueda giratoria superior 256.
[0067] El montaje de placa de soporte de brazo de molino de viento inferior 403' soporta rígidamente cuatro vigas del brazo de molino de viento inferior 405. El montaje de placa de soporte de brazo de molino de viento 403' también facilita los ajustes estáticos y dinámicos de equilibrio como fue el caso en la parte superior de montaje. La viga inferior del brazo del molino de viento 405 a su vez soporta un conjunto de soporte interno de la pala 410 que también tiene ajustes de la característica del ángulo de inclinación de la pala. El conjunto de soporte interno de la pala 410 a su vez soporta la pala del molino de viento 406.
[0068] En la base de las palas del molino de viento, la pala de molino interior 406 está conectada rígidamente al montaje de soporte interior de pala inferior 411. Esta pala inferior interior de soporte de montaje se fija al haz de brazo del molino de viento inferior 407, que también tiene una conexión del perímetro exterior al conjunto de soporte externo de la pala 410. El conjunto de soporte externo de la pala 410 está a su vez sujeto a las palas externas del molino de viento 401 en la parte inferior.
[0069] Preferiblemente, las palas de molino de viento tienen un perfil aerodinámico para optimizar el rendimiento.
[0070] El diseño de este brazo de molino de viento y el montaje de pala ofrecen varias ventajas de diseño en el implementador. Se describen a continuación:
El perfil de pala tiene características de alto coeficiente de elevación frente a características de coeficiente de arrastre para instalaciones de rendimiento de superficie aerodinámica que operan en números de Reynolds que se aproximan al ámbito de las instalaciones independientes de aerogeneradores de eje vertical de esta naturaleza.
El diseño de conexión de la pala ofrece un diseño de conexión de la pala relativamente limpia y sin obstrucciones y no requiere ningún requisito de conexión de tramo medio, lo que, si existiera, podría impedir significativamente el rendimiento de la turbina eólica.
El diseño de conexión de la pala facilita la flexibilidad de los diferentes ángulos de inclinación de la pala, lo que es útil para optimizar el rendimiento del diseño. El diseño del conjunto de soporte del brazo del molino de viento facilita los ajustes de equilibrio estático y dinámico al conjunto del brazo y la pala del molino de viento, minimizando así las preocupaciones vibratorias asociadas con el desequilibrio.
El conjunto de brazo y pala del molino de viento proporciona un diseño de doble pala que ofrece tres beneficios funcionales: 1) aumenta el rendimiento de generación de torque de la pala, 2) mantiene el área del plano de piso asociada al área de ensamblaje de la plataforma de mantenimiento principal principalmente libre de problemas de seguridad asociados con el molino de viento giratorio y 3) el diseño interior de la pala actúa como una ayuda funcional para facilitar la eliminación de calor dentro del diseño del pistón frío, aumentando de este modo las diferencias de temperatura entre el calor y pistones fríos, y aumentando la eficiencia operativa del motor térmico.
Conjunto de rotador de base que facilita el control del eje vertical o azimutal
[0071] La Figura 17 describe el conjunto de rotador de base 500 con el conjunto de placa de base de rotador 525 retirado. Las Figuras 18A y 18B describen el conjunto de placa base del rotador 500 y su función.
[0072] El montaje de rotador base 500 describe un suelo de hormigón 501 que puede incluir pilas o postes de hormigón que se extienden más profundamente en el suelo.
[0073] Colocados en la parte superior del suelo de hormigón 501 son dos marcos de pared de canal C 502 que están fijados al suelo de hormigón. Sentados dentro de la pared, los marcos de canal en C 502 residen en una multitud de secciones de pared de base 503 que rodean todo el perímetro de la base de hormigón y oculta el equipo interno del conjunto de rotador de base. En la parte superior de los marcos del canal C de la pared 503 reside un marco superior del canal C de la pared 511 que soporta la porción superior de los marcos del canal C de la pared 503. Partes del marco superior del canal C 511 son extraíbles, lo que facilita la extracción de algunas de las secciones de pared base 503 facilitando el acceso al equipo de infraestructura para fines de mantenimiento.
[0074] Dentro del montaje de rotador base 500 reside una gran placa de base fundamental 510 que es capaz de resistir un momento estructural significativo. Un eje vertical 504 con una salida con llave facilita la rotación del cubo soldado con llave 530 del conjunto de placa base del rotor (ver Figura 18). El eje vertical con la salida con llave está soportado por dos cojinetes de bloque de almohada 515,515' que están dimensionados para resistir el momento estructural del conjunto de nivel superior. El eje vertical con una salida con llave 504 es accionado por una rueda dentada síncrona grande 508 a través de la transmisión de correa síncrona 509 que se envuelve alrededor de una rueda dentada síncrona más pequeña 516. La rueda dentada síncrona más pequeña 516 es accionada por el eje de salida del reductor de engranajes 505; el reductor de engranajes 505 es accionado por la entrada del motor eléctrico 506. El aflojamiento y el apriete del accionamiento de correa síncrona 509 se ve facilitado por un marco de recogida 507 que mueve el reductor de engranajes 505 y el motor 506 hacia el eje vertical 504 para aflojarlos y alejarlos para el apriete.
[0075] Una estructura alternativa se utiliza para la gestión del peso de infraestructura significativo del montaje de nivel superior. Tres miembros de la base estructural con la placa base del muñón y las columnas 515,515',515" se montan en la base de hormigón 501 en tres ubicaciones centradas radialmente de 120 grados. En la parte superior de la placa base del muñón y las columnas 515,515',515" se asienta un rodamiento fijo de bloque de almohada 513,513',513" y un rodamiento de rodillos con cojín de rodillos flotantes 514,514'514". Entre los dos cojinetes reside una rueda de muñón 512,512',512" montada en un eje que se extiende entre los dos cojinetes de rodillos de bloque de almohada 513 y 514. Las tres ruedas de muñón 512,512',512" están orientadas de modo que puedan girar tangencialmente en la dirección del movimiento del eje vertical con salida con llave 504.
[0076] El montaje de placa de base rotador 525 vista inferior (véase la figura 18A y 18B) está montado en la base de los rotadores de montaje 500 de tal manera que el eje vertical con salida enchavetada 504 (ver figura 17), se coloca dentro de la llave de cubo soldada 530 en la placa de base 526, y proporciona el par de apriete necesario para rotar el conjunto de placa base del rotador 525, y por lo tanto proporciona un eje de acimut o control de eje vertical al conjunto de nivel superior. Las tres ruedas de muñón 512,512',512" también proporcionan soporte plano para el conjunto de placa base del rotor 525 y cada rueda de muñón 512,512',512" gira a medida que gira la placa. El punto de contacto de las ruedas de muñón 512,512', 512" está en la banda circunferencial plana identificada como 526 en la vista inferior.
[0077] En la vista superior del montaje de placa de base rotador 525, las grandes placas de soporte de momento base 527,527' residen y están estructuralmente soportadas por una multitud de pernos hexagonales estructurales 528.
Estas grandes placas de soporte de momento base 527,527' sostienen las dos columnas cuadradas verticales del mástil principal 301,301' que se observan en el conjunto principal de mástil y marco 300 (ver Figura 15A y 15B).
[0078] El montaje de rotador base 500 es responsable de proporcionar azimut de control de ejes para el nivel superior de montaje. Siendo el componente más bajo, también es responsable de la gestión del peso estructural y momento estructural asociado con la estructura completa. Dado que el peso de la infraestructura de un generador combinado de energía eólica y solar como este es significativamente más alto que los pesos estándar de un dispositivo de energía solar independiente, el diseño ha sido radicalmente revolucionado diseñado para cumplir con el desafío de peso de este dispositivo.
[0079] Con el fin de activar el control de eje de azimut para todo el sistema, el sistema tiene que girar menos de una completa revolución para todo el ciclo diario. Para facilitar la precisión de su control angular, el reductor de engranajes 505 y el accionamiento síncrono (508,509,516) reducen la velocidad de salida a una baja velocidad de revolución. Para lograr un control angular, este sistema debe activarse solo durante unos pocos milisegundos cada 5 o 10 minutos, por lo que el ciclo de trabajo en los componentes de transmisión de potencia es extremadamente bajo.
Realización alternativa que utiliza tubos de calor como mecanismo de transferencia de calor en lugar de espejos hiperbólicos.
[0080] La figura 19 y la figura 20 comunican realizaciones alternativas usando tubos de calor que podrían usarse en lugar de un espejo hiperbólico para transferir energía térmica derivada del espejo parabólico concentrado 116 al compartimento de almacenamiento de calor 290A que acciona el pistón caliente 251 del motor térmico. 250. Las tuberías de calor son un dispositivo de cambio de fase que comienza con un material líquido, que cuando se calienta se convierte en un material gaseoso. Los niveles extremadamente altos de tasas de transferencia de calor son posibles con tuberías de calor 181A, 182A, posiblemente tan altas o superiores a 200.000 vatios por metro Kelvin (W/Mk). Esto se compara con la capacidad de transferencia de calor de elementos metálicos como el cobre, que tiene el mayor nivel de transferencia de calor, pero está limitado a tasas de transferencia de calor de 400 W/Mk. Las tuberías de calor funcionan mejor en un entorno donde el calor necesita viajar a una elevación más alta, y el líquido que surge durante el enfriamiento puede viajar por gravedad a la posición más baja. Estas condiciones ambientales están presentes en los conceptos generales de diseño de la invención actual.
[0081] La figura 19 identifica un conjunto de tubos de calor 181A, 182A que se inician en el punto focal de los espejos parabólicos 116 (véase la figura 4) y terminan en el compartimento de almacenamiento del motor térmico 290A. Los tubos de calor 181A, 182A recogen el calor a una elevación más baja y lo transportan al compartimiento de almacenamiento del motor térmico que está elevado en relación con los espejos parabólicos 116. Los tubos de calor 181A, 182A están encerrados en una capa circunferencial de aislamiento 181B, 182B, para minimizar las pérdidas de transferencia de calor. El compartimento de almacenamiento del motor térmico 250A está soportado por un diseño de jaula estructural 277A que se montaría en el panel principal del piso de mantenimiento. El compartimento de almacenamiento del motor térmico 250A proporcionaría la fuente de calor requerida para calentar los gases calientes del pistón que se colocarían en su pistón central 291A.
[0082] La figura 20 identifica una estructura de soporte de fijación de tubo de calor para el montaje del tubo de calor 181A para el bastidor rígido espejo parabólico de montaje 119 (véase la Figura 4). En esta figura, el tubo de calor 181A se expone y se coloca en la región donde se sitúa el punto focal del espejo parabólico 116. El aislamiento 181B rodea el tubo de calor para minimizar las pérdidas de transferencia de calor. Se utiliza un marco estructural especial 151A para sujetar el tubo de calor 181A y el aislamiento 181B. Cuatro abrazaderas flexibles 156A, 156A', 156A" y 156A"' están envueltas alrededor de la circunferencia del aislamiento 181B y lo soporta rígidamente contra el marco estructural 151A. La base del marco estructural 151A tiene un dispositivo de fijación 152A, 153A que se monta directamente en el marco de soporte rígido del espejo parabólico 119.
[0083] Haciendo referencia a las Figuras 21 a 24C, un sistema híbrido alternativo se describe que se compone de una matriz de captación solar con control de eje de altitud 100-A, que está soportado estructuralmente por un mástil principal y bastidor de montaje 300-A. La energía solar concentrada se redirige a la zona de orientación solar del motor térmico 290-A, 290'-A que actúa como fuente de calor para el motor térmico 250-A; en esta realización no se observa ninguna plataforma de mantenimiento principal en el diseño. La eficiencia de motor térmico 250-A,250'-A se incrementa significativamente mediante la incorporación de un regenerador de montaje 275-A, 275'-A que es idéntica en diseño a detalles de la figura 11A a 11E. El conjunto principal de mástil y marco 300-A, también proporciona soporte de superestructura para el conjunto de brazo y pala de molino de viento 400-A, y elimina la necesidad de soporte de alambre guía. El conjunto de brazo y pala de molino de viento 400-A facilita la rotación a través del eje de transmisión vertical principal 600-A. El momento estructural y el soporte axial del conjunto principal de mástil y marco 300-A se facilita mediante la placa base del rotor 525-A, placas de conexión de momento 527-A, así como un nuevo elemento de conexión de viga torsional 531-A. El eje vertical o control de acimut para todo el conjunto es proporcionado por el conjunto de rotador de base 500-A que soporta la placa de base de rotador 525-A.
Diseño de motor térmico dual de tipo beta 250-A, 250'-A
[0084] La figura 25A a 25C indica una vista superior y en sección del diseño de motor térmico dual de estilo beta que se utiliza en el sistema híbrido alternativo, cada motor comprende un pistón caliente y un pistón frío alojados dentro de un núcleo común, con un circuito de conexión separado que incluye el conjunto regenerador del motor térmico.
[0085] En la Figura 25A se describe un calor alternativo de construcción del motor que es considerablemente más compacto, y económico en el diseño que el calor de estilo alfa motor descrito en las figuras 9, 10, 11 y 13. En este diseño, tanto el núcleo de pistón caliente 298-A, 298'-A como el núcleo del pistón frío 297-A, 297'-A residen dentro de uno de los dos cilindros de pistón 251-A, 251'-A, respectivamente; en contraste, el diseño del motor térmico de estilo alfa tenía cuatro cilindros de pistón: 251,251'251” y 251”‘.
[0086] En la Figura 25A a 25C, el movimiento lineal del motor dual calor de estilo beta 250-A, 250'-A se describe en la siguiente manera. Comenzando con el vástago de pistón frío 253'-A,253"'-A, pasa a través de un casquillo 267-A, 267'- A que está soportado por la placa delantera del pistón frío 269-A, 269'-A. Una serie de 8 barras de tensión, 268 proporcionan una carga de compresión en la placa frontal del pistón frío combinado 269-A, 269'-A y la placa posterior del pistón caliente 272-A, 272'-A, asegurando que se mantenga un cierre hermético a presión. La varilla de pistón 253'-A, 253”‘-A luego se conecta al pistón frío 297-A, 297'-A. Un disipador de calor de aleta plegada de aluminio fuertemente empaquetado 271-A, 271'-A está posicionado linealmente a cada lado del núcleo del pistón frío, y está metalúrgicamente unido al pistón frío 251-A, 251'-A. Estos elementos de aletas plegadas 271- A, 271'-A actúan, en combinación con un flujo de aire asistido por un molino de viento para enfriar activamente el pistón frío y aumentar el gradiente de temperatura observado entre el pistón caliente 298-A, 298'-A y el pistón frío de acoplamiento 297-A, 297'-A, mejorando así la eficiencia operativa y el rendimiento del motor térmico. El pistón frío 297-A, 297'-A empuja el aire frío en la tubería de retorno sin aislamiento 252-A, 252'- A respectivamente. Este tubo de retorno pasa por una válvula 260 utilizada para presurizar el regenerador y calentar el conjunto del motor con gas helio. Adyacente a la válvula 260 hay un manómetro 259. Adyacente al manómetro 259 se encuentra el conjunto regenerador 275-A, 275-A' con la construcción como se describe en la Figura 11. A medida que el gas frío pasa a través del regenerador se calienta. Luego pasa a través de un tubo caliente aislado 261-A que devuelve los gases calientes al núcleo del pistón caliente 298-A, 298'-A, expandiendo la cámara caliente. Estos gases son calentados por la energía solar que se concentra direccionalmente en el cilindro caliente, y se expande hasta que alcanza su punto de expansión máximo. El núcleo del pistón caliente está conectado a una varilla de conexión de pistón caliente 253-A, 253"-A que tiene un espacio libre con el vástago del pistón frío 253'-A, 253”‘-A, que permite que el vástago del pistón caliente 253-A, 253"-A funcione con un movimiento que es independiente del vástago del pistón frío. Cuando el núcleo del pistón caliente 298-A, 298'-A alcanza su punto de expansión pico, se invierte la dirección forzando los gases a seguir un ciclo inverso hacia el núcleo de pistón frío 297-A,297'-A.
[0087] La figura 25A a 25C no indica la presencia de un compartimiento de almacenamiento de calor de montaje 290 como se indica en el detalle A de la figura 10 y se describe en las figuras 12A a 12D del diseño inicial. El dispositivo de almacenamiento térmico es visto para ser equipo opcional en el diseño, y no es probable que estén presentes en diseños pequeños basados en energía.
[0088] Las figuras 26A a 26D muestran una realización alternativa del espejo hiperbólico y el subconjunto del eje óptico con una función similar a la descrita en figura 7 y figuras 8A y 8B. Esta realización difiere de varias maneras.
[0089] La cubierta de equipo óptico 159-A se ha diseñado de una forma más compacta y simple de fabricar en un intento de minimizar el efecto de sombra de la cubierta en el espejo parabólico de cuadrado de apareamiento 100-A, y reducir costes de fabricación.
[0090] El eje principal óptico 151-A y 152-A ha sido reconfigurado de un solo diseño de eje a un doble diseño de soporte del eje con mayor nivel de rigidez estructural, tanto en la flexión como en la transferencia de par de torsión. Este diseño más estructural se ha logrado sin ningún aumento en el efecto de sombra en el espejo parabólico. El eje de rotación del eje principal óptico 151-A y 152-A también se ha alejado del centro de la cubierta del equipo óptico 159-A hacia su perímetro exterior. Esto forma parte de un esfuerzo por reposicionar el eje de rotación más cercano al centroide del espejo hiperbólico 180-A.
[0091] La forma de los elementos de espejo hiperbólico 180-A también se ha rediseñado para facilitar nuevos puntos de focalización solares de motor térmico sobre el pistón caliente 250-A, 250'-A. Los elementos del espejo hiperbólico 180-A también se han rediseñado para que los espejos giren principalmente fuera de la cubierta del equipo óptico, 159-A, a fin de minimizar las restricciones de límites impuestas por el nuevo diseño de la cubierta del equipo óptico más pequeño 159-A. Los elementos del espejo hiperbólico 180-A se han recortado en tamaño, de modo que la única parte del espejo presente en el diseño se requiere para el reflejo reflejado de los rayos solares que emanan de su espejo parabólico cuadrado de acoplamiento 100-A.
[0092] Las figuras 26A y 26B muestran las extensiones de rotación de este diseño que facilita la rotación del espejo parabólico desde una posición de altitud solar de medio día de 17 grados sobre la horizontal. Las figuras 26C y 26D reflejan los grados de rotación del diseño alternativo desde una posición de altitud del sol al amanecer o al anochecer de 93 grados. En este diseño, se logra una rotación de altitud total de 76 grados con el espejo parabólico 100-A, y una extensión contrarrotativa de 38 grados para el subconjunto del eje óptico 150-A, que refleja las posiciones máximas del sol solar en latitudes superiores a 40 grados norte. La posición anterior de amanecer o atardecer de 90 grados prohíbe la acumulación de nieve o lluvia en el espejo parabólico en condiciones nocturnas, minimizando así las condiciones operativas perjudiciales que pueden surgir especialmente en climas invernales debido a las condiciones de acumulación de nieve. La figura 27 describe el conjunto de rotador de base alternativo 500-A con el conjunto de placa de base de rotador 525-A retirado. Esta subestructura alberga el equipo rotativo de eje azimutal y el equipo de control solar de doble eje.
[0094] Fijado a tres bases de hormigón y estructuras de columnas 501-A hay un marco estructural de forma triangular 502-A que proporciona soporte estructural general para la estructura alternativa completa. Pegadas al marco estructural se encuentran las secciones de pared base 503-A que rodean completamente el equipo cerrado. En los tres vértices triangulares internos de la estructura de soporte general 502-A, se colocan tres columnas estructurales 515-A. Sentada en la parte superior de cada una de las tres columnas estructurales 515-A, hay una placa base y un rodamiento de rodillos con almohadilla fija 513-A y un rodamiento de rodillos con almohadilla flotante 514-A. Entre los dos cojinetes reside una rueda muñón 512-A montada sobre un eje que corre entre los dos cojinetes de rodillos Pillowblock 513-A, 514-A. Cada una de las tres ruedas de muñón 512-A están orientadas de tal manera que puedan girar tangencialmente en la dirección de movimiento del eje vertical central 504-A. Estos tres ruedas de muñón proporcionan el soporte estructural para el peso muerto de la totalidad de la estructura y del conjunto de placa base del rotador 525-A (como se observa en las Figuras 21 a 24C).
[0095] Un reductor de velocidad engranado y el motor 505-A se monta en la base del compartimiento interno del montaje de rotador base 500-A. Fijado al eje de salida del reductor de velocidad de engranajes y el motor 505-A hay un acoplamiento espaciador 520-A que se conecta directamente al eje vertical central 504-A que proporciona capacidad de rotación azimutal al diseño. El eje vertical central 504-A está soportado por un rodamiento de rodillos de bloque de almohada flotante superior 517-A y un rodamiento de rodillos de bloque de almohada fijo inferior 518-A. El rodamiento de rodillos de bloque de almohada flotante superior 517-A está soportado por una viga de soporte estructural 510-A que está conectada a dos de las tres columnas estructurales 515-A. El rodamiento de rodillos de bloque de almohada fijo inferior está soportado por una segunda viga de soporte estructural 510'-A que está conectada también a dos de las tres columnas estructurales 515-A. Los dos rodamientos de rodillos internos con bloque de almohada 517-A, 518-A son responsables del soporte del eje vertical, del soporte del peso del eje y de la resistencia del momento estructural asociado principalmente con el peso muerto apalancado del conjunto de colectores solares, y cualquier carga de viento o de nieve asociada con las condiciones ambientales de operación. Los rodamientos de rodillos del bloque de almohada 517-A, 518-A están orientados de una manera que aseguran que las cargas radiales primarias sean resistidas por la base o los cuerpos laterales de los rodamientos de rodillos del bloque de almohada 517-A, 518-A.
[0096] Un armario de control enmarcado por separado 522-A se coloca en la parte delantera del montaje de rotador base 500-A. Este armario de control 522-A aloja la porción del motor del reductor de velocidad de engranajes y el motor 505-A, todo el cableado eléctrico que emana del motor de engranaje de control de altitud 104, y del generador de inducción 205-A. Este armario de control 522-A también alberga el equipo de control PLC que controla el movimiento de la invención giratorio de doble eje.
[0097] Las Figuras 28A y 28B describen un conjunto de brazo y pala de molino de viento de tres palas 400-A usada en el diseño alternativo.
[0098] Hay dos conjuntos de placa de soporte de brazo de molino de viento 403-A, 403'-A. El conjunto de soporte superior del brazo del molino de viento 403-A soporta rígidamente 3 vigas superiores del brazo del molino de viento 402-A, y también facilita los ajustes de equilibrio estático y dinámico del conjunto completo de brazo y pala de molino de viento 400-A. La viga superior del brazo del molino de viento 402-A a su vez soporta un conjunto de soporte interno de la pala 410-A que tiene incorporados ajustes de la característica del ángulo de inclinación de la pala en el diseño. El conjunto de soporte interno de la pala 410-A a su vez está sujeto a las palas del molino de viento 401-A en la parte superior.
[0099] Entre los dos conjuntos de placa de soporte de brazo de molino de viento 403-A, 403'-A reside un tubo de soporte de molino de viento 404-A que proporciona cierta rigidez y soporte para el conjunto completo. Los dos conjuntos de placa de soporte del brazo del molino de viento 403-A, 403'-A tienen una interfaz concéntrica con llave con el eje de transmisión con llave 600-A que reside dentro del tubo de soporte del molino de viento 404-A. El eje de transmisión con llave 600-A está estructuralmente soportado por una estructura de soporte de bloque de almohada fija y flotante que reside dentro del ensamblaje principal de mástil y marco 300-A.
[0100] El conjunto de placa de soporte de brazo de molino de viento inferior 403'-A soporta rígidamente tres vigas de brazo de molino de viento inferiores 405-A. El conjunto de placa de soporte del brazo del molino de viento 403'-A también facilita los ajustes de equilibrio estático y dinámico, como es el caso con el conjunto superior. La viga inferior del brazo del molino de viento 405-A a su vez soporta un conjunto de soporte interno de la pala 410-A que también tiene ajustes de la característica del ángulo de inclinación de la pala. El conjunto de soporte interno de la pala 410-A a su vez está sujeto a la pala interna del molino de viento 406-A.
[0101] En la base de las palas del molino de viento, la pala interna del molino de viento 406-A está conectada rígidamente al conjunto de soporte interno de la pala 411-A. Este conjunto de soporte interno de la pala 411-A está conectado a la viga inferior del brazo del molino de viento 407-A que también tiene una conexión perimetral exterior al conjunto de soporte de la pala 410-A. El conjunto de soporte de la pala 410-A está a su vez sujeto a la pala del molino de viento 401-A en la parte inferior.
[0102] La base del eje de transmisión 600-A tiene una conexión con llave con la rueda giratoria superior 256-A (Ver Figura 29B), transfiriendo el par generado desde el brazo del molino de viento y el conjunto de pala 400-A a esta rueda giratoria superior 256-A.
[0103] El diseño mecánico de este conjunto alternativo de brazo y pala de molino de viento ofrece varios beneficios de diseño además de los ya mencionados anteriormente.
El diseño de tres palas dobles facilita un diseño de infraestructura de soporte interno, como el soporte de rodamiento de rodillos dobles del mástil principal y el ensamblaje del bastidor 300-A, eliminando así la necesidad de cables guía en el diseño.
La viga de soporte superior del molino de viento 403-A y la viga de soporte inferior del molino de viento 407-A también han adaptado un diseño de perfil de pala, mejorando así el coeficiente de potencia del conjunto global de brazo y pala de molino de viento 400-A mejorando su rendimiento.
La viga de soporte del molino de viento inferior 407-A funciona en concierto con los elementos de aletas plegadas 271-A, 271'-A en el diseño de motor térmico dual 250-A, 250'-A, proporcionando flujo de aire asistido por molino de viento para enfriar activamente el pistón frío y aumentar el gradiente de temperatura observado entre el pistón caliente 298-A, 298'-A y el pistón frío de acoplamiento 297-A, 297'-A, mejorando así la eficiencia operativa y el rendimiento del diseño del motor térmico 250-A, 250'-A.
[0104] Las Figuras 29A y 29B proporcionan una vista en sección más completa del conjunto de rotor alternativo y cómo está acoplado a la turbina eólica de eje vertical y al aumentador de velocidad que acciona el generador de viento solar. La Figura 29C es una vista de primer plano del área dentro de un círculo en la Figura 29B, que muestra la multitud de elementos de aletas de intercambio de calor plegados.
[0105] En la Figura 29B, se describe el conjunto del rotador, que tiene la función de traducir los movimientos lineales del motor de calor dual de estilo beta 250-A, 250'-A en movimiento rotativo con características idénticas al movimiento rotativo observado por el eje de transmisión de potencia principal 600-A, y el aerogenerador de eje vertical 400-A al que está conectado.
[0106] Conectada al eje de transmisión de la turbina eólica 600- A está la rueda rotadora superior 256-A. La interfaz con la rueda giratoria superior es un pasador rotador de motor térmico especialmente diseñado 263-A que tiene la calidad de tener un pasador montado en la parte superior, que está radialmente desplazado del pasador montado en la parte inferior por una diferencia angular fija, y con una placa de conexión intermedia. especialmente diseñada para garantizar que no surjan condiciones de interferencia durante una rotación normal de 360 grados de la turbina eólica de eje vertical 400-A. La articulación del cilindro rotador 254-A y la articulación del cilindro rotador 255'-A están conectadas de manera holgada al pasador montado en la parte superior del pasador rotador del motor térmico 263-A.
La articulación del cilindro rotador 254'-A y la articulación del cilindro rotador 255-A están conectadas de forma holgada al pasador montado en la parte inferior del pasador rotador del motor térmico 263-A.
[0107] Las conexiones de montaje de rotador individuo se describen como sigue:
Para el pasador montado superior de pasador de rotador de motor térmico 263-A: Enlace de cilindro rotador 254-A es el pasador conectado a la varilla conectora de pistón caliente del lado izquierdo 253"-A, permitiendo de ese modo que el cilindro rotador 254-A gire libremente en relación con la varilla de pistón frío linealmente fija 253”‘-A. Enlace de cilindro rotador 255'-A está conectado por pasador a la varilla del pistón frío del lado derecho 253'-A de una manera que permite el enlace de cilindro rotador 255'-A para girar libremente en relación con la varilla 253'-A de pistón frío linealmente fija.
[0108] Para el pasador montado en la parte inferior del rotador del motor térmico 263-A: el enlace del cilindro rotador 255-A está conectado al pasador del pistón frío del lado izquierdo 253”‘-A, permitiendo así que el cilindro del rotador 255-A gire libremente en relación con la varilla de pistón frío linealmente fija 253”‘-A. La articulación del cilindro rotador 254'-A está conectada por pasador a la varilla del pistón caliente del lado derecho 253-A de una manera que permite que la articulación del cilindro rotador 254'-A gire libremente en relación con la varilla de conexión del pistón caliente 253-A fijada linealmente del pasador rotador del motor térmico 263-A se conecta luego a la rueda del rotador inferior y al subconjunto del eje 256'-A.
[0110] Un acoplamiento 204-A del tamaño de par apropiado conecta la rueda del rotor inferior y el subconjunto del eje 256'-A al aumentador de velocidad de engranaje del tamaño apropiado 203-A. Una unidad de correa síncrona se conecta al incrementador de velocidad 203-A al generador de inducción 205-A. Un freno de retención de tamaño apropiado 206-A se monta en el lado de entrada del generador de inducción 205-A, para facilitar las condiciones de parada del molino de viento en ambientes excesivamente de alta velocidad del viento.
Control sistémico de la invención
[0111] Si bien es deseable que el molino de viento sea de diseño autónomo, este no es un aspecto esencial de la invención. Del mismo modo, el motor térmico no contiene necesariamente ningún elemento de control de velocidad. En las versiones de la invención descritas aquí, el molino de viento y el motor térmico no se mueven de forma independiente, es decir, funcionan de manera conjunta.
[0112] Una forma preferida de control sistémico, aunque no necesariamente la más económica, es mediante el uso de un accionamiento regenerativo para controlar el generador de inducción. Las unidades regenerativas están equipadas con una unidad de suministro activa, capaz de acondicionar la señal de la electricidad de salida. El variador regenerativo permite un flujo de potencia total tanto en modo motor como en modo generativo, y está disponible como una solución para voltajes que varían de 208V a 690V, trifásicos, y en tamaños de módulos tan pequeños como 5,5 kW. Un ejemplo de un producto comercialmente disponible es el ACS800-11 ABB Industrial Regenerative Drive. El accionamiento regenerativo facilita un diseño de molino de viento de velocidad variable. El mérito de un diseño de molino de viento de velocidad variable es que la velocidad de operación del molino de viento se puede ajustar para facilitar relaciones óptimas de velocidad de punta y eficiencias operativas a diferentes velocidades del viento; de hecho, la velocidad del viento podría tratarse como un factor de entrada en el control del accionamiento en tal situación. El accionamiento también facilita el frenado regenerativo en situaciones de apagado de alta velocidad del viento, ofreciendo ahorros de energía en comparación con otros métodos de frenado, como el frenado mecánico.
[0113] Una forma más rentable de control sistémico que podría usarse en aplicaciones monofásicas, es mediante el uso de un motor de inducción controlado por unidad industrial y una unidad de embrague independientes que podrían usarse para iniciar la generación de electricidad en el generador de inducción. En esta situación, el generador de inducción se aceleraría a una velocidad que excede la velocidad síncrona más el deslizamiento del motor. En el caso del típico generador de inducción de cuatro polos, dicha velocidad probablemente sería superior a 1.850 rpm. Mientras que un motor de inducción típico que funciona a través de la línea a 60 Hz funcionaría a su velocidad síncrona menos la velocidad de deslizamiento del motor, o aproximadamente a 1750 rpm, el accionamiento industrial estándar que lo controla podría funcionar a una frecuencia de 64 Hz y proporcionar la velocidad necesaria para iniciar la generación de electricidad. El motor y la unidad de embrague podrían programarse adecuadamente para activarse y engancharse cuando la velocidad alcanzara un punto mínimo de operación. En tal situación de control, el molino de viento funcionaría como un diseño de velocidad fija, ofreciendo quizás un nivel de eficiencia de funcionamiento general más bajo.
Solución fotovoltaica
[0114] Haciendo referencia a las Figuras 30 a 33C, se describe un segundo sistema híbrido alternativo que consiste en una matriz de recolección solar con control de eje de altitud 100-B, que está soportado estructuralmente por un conjunto de mástil principal y marco 300-A. En esta realización, la energía solar fotovoltaica se genera mediante dos filas individuales de cinco paneles fotovoltaicos 100-B, y la electricidad de CC generada se redirige a un inversor de cadena solar de CC a CA 590-B para la conversión a electricidad de CA. El conjunto principal de mástil y marco 300-A continúa brindando soporte de superestructura para el conjunto de brazo y pala de molino de viento 400-A y la matriz de recolección solar 100-B, y elimina la necesidad de soporte de cable guía. El conjunto de brazo y pala de molino de viento 400-A gira sobre el eje de transmisión vertical principal 600-A. El momento estructural y el soporte axial del conjunto principal de mástil y bastidor 300-A se realiza a través de la placa base del rotador 525-A, las placas de conexión de momento 527-A, así como un nuevo elemento de conexión de viga torsional 531-A. El eje vertical o control de acimut para todo el conjunto lo proporciona el conjunto de rotador de base 500-A que soporta la placa de base de rotador 525-A. Este segundo diseño alternativo comparte muchos de los elementos de diseño del primer diseño alternativo, y el control del eje de altitud de las filas individuales de paneles fotovoltaicos se maneja de manera similar. No hay necesidad de un motor térmico 250-A, 250'-A en este diseño, por lo que estos elementos de diseño se han eliminado. La Figura 33A es una vista lateral de la variación de la figura 30. La Figura 33B es una vista correspondiente, pero con el riel lateral del canal C eliminado para mostrar la operación de enlace más claramente. Los paneles fotovoltaicos se muestran en una posición de ángulo bajo. La Figura 33C es una vista lateral correspondiente a la Figura 33B, pero con los paneles fotovoltaicos en una posición de ángulo alto. Esta es esencialmente la misma disposición y mecanismo de enlace para el ajuste del ángulo vertical que en la realización previa.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de generación eléctrica que comprende:
al menos un motor térmico (250);
un conjunto de recolección de energía solar (100);
una turbina eólica de eje vertical (400) que comprende una serie de palas de molino de viento vertical (400) desplazadas lateralmente desde y giratorias alrededor de un eje central; y
medios de generación de electricidad (205);
en donde el conjunto de recolección de energía solar (100) comprende un conjunto de espejos parabólicos (116) dispuestos para recolectar y transmitir energía solar a dicho al menos un motor térmico (250), para accionar dicho al menos un motor térmico (250);
la turbina eólica de eje vertical (400) está montada sobre el conjunto de recolección de energía solar (100); caracterizado por:
un eje de transmisión de salida común (600) en el mismo eje que dicho eje central de dicho aerogenerador de eje vertical (400), conectado para ser accionado por dicho aerogenerador de eje vertical (400) y por cada dicho motor térmico (250); y
los medios de generación de electricidad (205) están conectados a dicho eje de transmisión de salida común (600) para producir electricidad.
2. Un sistema según la reivindicación 1, en donde el conjunto de espejos parabólicos comprende al menos una fila generalmente horizontal, y en donde cada fila es giratoria alrededor de un eje generalmente horizontal (110) en un marco (119), y en donde el marco es giratorio alrededor de un eje generalmente vertical, y en donde la rotación alrededor de estos ejes es controlada y programable para hacer que los espejos parabólicos generalmente sigan al sol.
3. Un sistema según la reivindicación 2, en donde cada fila es giratoria mediante un conjunto de enlace (102, 105, 106, 107) accionado por un motor (104) conectado a una manivela (102), que a su vez se conecta a un enlace secundario (105), que a su vez se conecta a los enlaces del conector (107) conectados a los enlaces de rotación (106), que a su vez están conectados a dichos ejes horizontales para producir la rotación a medida que dicho motor opera dicha manivela.
4. Un sistema según la reivindicación 3, en donde la relación de la longitud del cigüeñal a la longitud del enlace secundario está en el rango de 0,75 a 0,85.
5. Un sistema como en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde cada espejo parabólico enfoca la energía solar en un espejo hiperbólico respectivo (180, 181, 189, 194) colocado sobre cada espejo parabólico, los espejos hiperbólicos a su vez dirigen la energía solar hacia al menos un elemento central de almacenamiento de calor (290), cada elemento de almacenamiento de calor proporciona calor a al menos un motor térmico para impulsar dicho al menos un motor térmico, cada motor térmico impulsando dicho eje de transmisión de salida común mediante la conversión de movimiento lineal de un pistón en cada uno de dichos motores térmicos al movimiento giratorio de dicho eje de transmisión de salida común.
6. Un sistema según la reivindicación 5, en donde dicho elemento de almacenamiento de calor (290) incluye una cámara de almacenamiento (291') que contiene una composición de sal.
7. Un sistema según la reivindicación 1, donde las palas del molino de viento están soportadas en los extremos superior e inferior de las mismas por puntales de soporte del molino de viento.
8. Un sistema como en la reivindicación 1 o la reivindicación 7, donde hay palas de molino de viento internas (406) y externas (401).
9. Un sistema como en la reivindicación 7 o la reivindicación 8, donde al menos uno de: (a) las palas del molino de viento; y (b) los puntales de soporte del molino de viento; tiene/tienen forma de superficie aerodinámica.
10. Un sistema según la reivindicación 9, en donde el conjunto de espejos parabólicos comprende al menos una fila generalmente horizontal, y en donde cada fila es giratoria alrededor de un eje generalmente horizontal (110) en un marco (119), y en donde el marco es giratorio alrededor del mismo eje generalmente vertical que el eje vertical de la turbina eólica, y en donde la rotación alrededor de estos ejes es controlada y programable para hacer que los espejos parabólicos sigan generalmente al sol.
11. Un sistema según la reivindicación 10, en donde cada fila que puede girar es mediante un conjunto de enlace (102, 105, 106, 107) accionado por un motor (104) conectado a una manivela (102), que a su vez se conecta a un enlace secundario (105), que a su vez se conecta a enlaces de conector (107) conectados a enlaces de rotación (106), que a su vez están conectados a dichos ejes para producir rotación a medida que dicho motor opera dicha manivela.
12. Un sistema según la reivindicación 11, en donde la relación de la longitud del cigüeñal a la longitud del enlace secundario está en el intervalo de 0,75 a 0,85.
13. Un sistema según la reivindicación 7, en donde una pala interior inferior o puntal de soporte está configurado para facilitar el flujo de aire a través de disipadores de calor (271) alrededor de un pistón frío (251) del motor térmico.
14. Un sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en donde los espejos parabólicos (116) son circulares.
15. Un sistema como en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en donde los espejos parabólicos (116A) son rectangulares o cuadrados.
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