ES2882590T3 - Cicloturbina eólica - Google Patents

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ES2882590T3 ES17764288T ES17764288T ES2882590T3 ES 2882590 T3 ES2882590 T3 ES 2882590T3 ES 17764288 T ES17764288 T ES 17764288T ES 17764288 T ES17764288 T ES 17764288T ES 2882590 T3 ES2882590 T3 ES 2882590T3
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Abstract

Una turbina eólica, que comprende: una base de rotor que está acoplada a una superficie de soporte en general horizontal y que puede girar alrededor de un eje de base de rotor en general perpendicular a la superficie de soporte; una pluralidad de elementos de álabe que se extienden desde la base de rotor y que tienen partes de punta distal de álabe y partes de base de álabe opuestas a las partes de punta distal de álabe y acopladas a la base de rotor, teniendo cada elemento de álabe un ángulo de ataque respectivo, teniendo cada parte de base de álabe un eje de parte de base en general perpendicular a la base de rotor, pudiendo cada elemento de álabe girar alrededor de su eje de parte de base respectivo modificando así el ángulo de ataque respectivo de cada elemento de álabe respectivo; y un controlador acoplado a los elementos de álabe y configurado para girar cada elemento de álabe; caracterizada por que cada parte de punta distal de álabe tiene un dispositivo de control de vórtice de punta distal de álabe.

Description

DESCRIPCIÓN
Cicloturbina eólica
Antecedentes de la invención
Con el aumento constante de la demanda de energía limpia y renovable en todo el mundo, el uso de la energía eólica se está haciendo cada vez más atractivo. Combinada con avances en otras tecnologías, también se está volviendo económicamente competitiva con fuentes de energía más antiguas y más tradicionales. Se espera que esta tendencia se acelere hasta que las cuestiones medioambientales, la demanda de un uso más eficaz del espacio, la escasez de emplazamientos favorables y la economía del sistema pongan límites significativos a la explotación de la energía eólica.
A lo largo de siglos de explotación del viento para producir energía, ha habido una plétora de enfoques en cuanto al diseño de máquinas para este fin. Aunque una evaluación técnica de estos diversos conceptos podría ser interesante e incluso instructiva, la evidencia histórica muestra que pocos de ellos, si es que hay alguno, pueden adaptarse para una explotación eficaz y económica de fuentes disponibles de energía eólica en el entorno actual.
A juzgar por el predominio actual de sistemas que comprenden múltiples unidades cuyo diseño está basado en configuraciones de tipo ventilador, tales como la mostrada en la Figura 1, podría concluirse que este enfoque tiene muchas ventajas que serían difíciles de superar por cualquier otro sistema. Sin embargo, aún así sería beneficioso hallar tal sistema. En los documentos WO2005100785 y WO2011039404 se divulgan ejemplos de la técnica anterior.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se describen detalladamente ejemplos preferidos y alternativos de la presente invención con referencia a los siguientes dibujos:
La Figura 1 ilustra turbinas eólicas en el parque de Altamont Pass, California.
La Figura 2 ilustra una cicloturbina eólica a gran altura en una colina ventosa.
La Figura 3 es una vista de la parte inferior del sistema de rotor.
La Figura 4 presenta relaciones cinemáticas entre los álabes y la plataforma rotor como funciones de la velocidad del viento, la velocidad del rotor y la orientación de los álabes.
La Figura 5 ilustra una sección transversal de trayectorias de estelas de los álabes.
La Figura 6 ilustra una realización de la instalación de cicloturbina.
La Figura 7 muestra una tabla comparativa de características de sistema.
Las Figuras 8-9 son tablas que ilustran ventajas de la cicloturbina.
La Figura 10 ilustra conclusiones basadas en una realización de la invención.
La Figura 11 ilustra una realización de la invención.
La Figura 12 ilustra una realización de la configuración de una cicloturbina.
La Figura 13 ilustra cuestiones aerodinámicas.
La Figura 14 ilustra el almacenamiento de energía.
La Figura 15 ilustra gráficas relacionadas con una realización de la invención.
La Figura 16 ilustra un puntal de cojinete fijado a forma de marcha lenta de rotor.
La Figura 17 ilustra una disposición general de una realización de la invención.
La Figura 18 ilustra una configuración de subsuelo de una realización de la invención.
La Figura 19 ilustra una realización de la invención.
La Figura 20 ilustra una realización de la invención.
La Figura 21 ilustra otra realización más de la invención.
La Figura 22A ilustra otra realización de la invención.
La Figura 22B ilustra otra realización más de la invención.
La Figura 23 ilustra la sección B-B del soporte de rotor.
La Figura 24 ilustra opciones V-G y fuerza de superficie de control mbd.
La Figura 25A ilustra la realización del sistema marino (off-shore) de la invención.
La Figura 25B ilustra el par de contrarrotación.
La Figura 25C ilustra los sistemas marinos.
La Figura 26 ilustra otra realización más de la invención.
La Figura 27 ilustra otra realización más de la invención.
La Figura 28 ilustra la razón subcrítica de la invención.
Descripción detallada de la realización preferida
En una realización de la invención, la cicloturbina eólica es un sistema de dispositivo mecánico que extrae energía del viento por medio de álabes casi verticales montados de manera pivotante en un rotor plataforma que está enrasado con el suelo y que puede girar alrededor de un eje vertical. En los álabes se generan fuerzas de viento, que hacen que el rotor plataforma gire, generando así energía en el eje. Un generador eléctrico acoplado al rotor plataforma convierte la energía del eje en energía eléctrica, que luego se distribuye a través de medios de transmisión convencionales. La potencia de salida se maximiza para una determinada velocidad del viento controlando en función del ciclo cada rotación de álabe para interceptar el vector relativo del viento con el fin de crear fuerzas de álabe máximas a lo largo del ciclo periódico. Los ejes de los álabes están inclinados para ajustar la velocidad de rotación al gradiente de velocidad normal del viento predominante con el fin de mantener (n*h*D)/Vw constante en todos los niveles. La turbina está montada sobre un montículo de tierra adaptado para acelerar el flujo cerca del suelo con el fin de producir un perfil óptimo de velocidad del viento. La velocidad del rotor se controla para que coincida con la velocidad del viento dentro de unos límites estrechos con el fin de lograr una eficacia y una potencia de salida máximas. La cicloturbina genera menos ruido que la turbina de tipo ventilador de montaje en torre usual. Además, la cicloturbina incluye dispositivos de punta para minimizar el ruido y aumentar la eficacia aerodinámica. En una realización, este dispositivo es un espiroide (Spiroid), que redistribuye la vorticidad de la punta del álabe en una lámina continua que surge del borde de salida del álabe. Así, la interacción debida al cruce por parte de un álabe de una estela precedente producirá un ruido mínimo.
A la eficacia y la alta extracción de energía contribuye la programación del ángulo de ataque de cada álabe a través de un mecanismo de coordinación que puede estar subordinado al rotor plataforma. El sistema de control comprende un rotor de coordinación que gira alrededor de un centro desplazado con respecto al eje del rotor principal y unos enlaces adecuados. El rotor de coordinación está enlazado a cada álabe a través de un sistema de palanca doble concéntrica que es accionado por el rotor de coordinación. La amplitud del movimiento de los álabes puede ajustarse mediante un actuador proporcional montado en el rotor de coordinación.
El sistema de coordinación de álabes incluye las siguientes tres funciones:
1. Puesta en Bandera de los Álabes, mediante la cual es posible dirigir los álabes simultáneamente hacia el viento predominante detectado por un sistema de una realización, en condiciones estáticas.
2. Orientación Coordinada de Sistema, mediante la cual es posible poner el movimiento colectivo de los álabes en relación con el viento predominante detectado por un sistema de una realización, para un mayor rendimiento y para iniciar el funcionamiento.
3. Control Cíclico de Amplitud, mediante el cual es posible ajustar la amplitud del movimiento colectivo de los álabes y la velocidad del rotor para lograr un rendimiento óptimo dependiendo de la velocidad del viento y la dirección detectada por un sistema de una realización.
Las ventajas de la cicloturbina con respecto a otros tipos de turbinas, especialmente la ubicua turbina de tipo ventilador de montaje en torre, incluyen las siguientes:
Gran parte o la totalidad del equipo pesado está situada al nivel del suelo o debajo del mismo. Esto facilita la construcción, facilita el mantenimiento y reduce los costes totales.
El ciclo de generación de energía es más eficaz desde los puntos de vista aerodinámico y operativo. Combinado con ventajas estructurales, esto se traduce en 4 o 5 veces más energía generada por unidad de velocidad y área de captura del viento.
La configuración estructural es más adaptable a un tamaño grande por unidad, lo que influirá favorablemente en los costes por unidad y los aspectos económicos de los sistemas grandes.
La flexibilidad de las características de configuración permitirá una mayor gama de tamaños de unidad y aplicaciones. La versatilidad de ubicación del emplazamiento puede aumentar la eficacia de los sistemas de distribución de energía existentes y reducir las limitaciones de infraestructura.
Una realización de la invención incluye un sistema mecánico que comprende una plataforma rotor circular que puede girar alrededor de un eje vertical, que incluye varios álabes orientados casi verticalmente que pueden tener una estructura y un diseño a modo de alas. Estos álabes están montados en unos receptáculos en la plataforma rotor y pueden girar libre e independientemente alrededor de sus ejes. La plataforma rotor está enrasada con la superficie del suelo, que está contorneada para aumentar esta velocidad del viento cerca del suelo. Las fuerzas del viento que actúan sobre cada álabe hacen que la plataforma gire, generando así energía que se convierte a través de un generador eléctrico acoplado a la plataforma rotor. Éstos comprenden toda la maquinaria pesada, incluyendo la plataforma rotor, la estructura de soporte y las unidades de cojinete. El generador eléctrico mostrado está basado en tecnología de motor/generador lineal y componentes magnéticos dispuestos en forma circular. Este enfoque permite una gama considerable de control de frecuencia a través de estrategias de conmutación empleadas como una función de la velocidad del viento, la velocidad del rotor y la potencia de salida. La eliminación de unidades de caja de engranajes de gran tamaño mejora la fiabilidad y proporciona más flexibilidad en el control de frecuencia y una mejor correspondencia con sistemas de distribución de energía.
La orientación de los álabes se controla mediante un rotor de coordinación que gira en sincronía con la plataforma rotor. Esta disposición se muestra en la Figura 3, que es una vista desde la parte inferior de la plataforma rotor que describe los elementos esenciales del sistema de coordinación del ángulo de ataque de los álabes. El rotor, que está unido de manera pivotante a cada álabe, modula también el ángulo de ataque de los álabes para producir fuerzas de álabe que maximicen la potencia de salida para cada ciclo según sea adecuado para la velocidad y la dirección del viento y el estado de funcionamiento.
El estado de funcionamiento está definido por la razón entre la velocidad del rotor y la velocidad del viento, y el índice de inclinación de los álabes. El índice de inclinación de los álabes es el ajuste de posición del mecanismo de coordinación, que controla la amplitud de inclinación de los álabes y la variación cíclica. La razón de velocidad para la mayor eficacia está cerca de la unidad y el índice de inclinación correspondiente se ajusta independientemente para una potencia de salida máxima. Al aumentar la velocidad del viento más allá de un límite de funcionamiento determinado estructuralmente, la potencia de salida puede seguir aumentando según disminuye la eficacia. Esta tendencia puede continuar hasta el punto en que se excedan otros factores tales como la carga por álabe. El diagrama posterior ilustra el carácter esencial de la envolvente operativa.
El ruido generado por una turbina de tipo ventilador, particularmente cuando se hace funcionar en un conjunto de muchas unidades, es un importante problema medioambiental, y la cicloturbina puede de hecho crear características objetables similares. Esto se debe al efecto de los álabes al cruzar las estelas de álabes precedentes. En cada álabe está instalado un dispositivo de punta para evitar interacciones significativas y también aumentar la eficacia aerodinámica del sistema mediante una difusión del vórtice de la punta del ala normal. Estos dispositivos pueden adoptar la forma de un dispositivo de punta alar (winglet) o un espiroide, que son más eficaces dado que el perfil es un bucle cerrado.
La Figura 1 muestra una disposición de 3 álabes que comprende álabes orientados verticalmente que pueden girar alrededor de su eje de envergadura montado en una plataforma rotor. La Figura 2 muestra que cada álabe 1 está colocado en un receptáculo 2 de cojinete, que permite un giro libre alrededor de su eje de envergadura. La plataforma rotor 3 puede girar alrededor de un eje vertical y está restringida en su órbita por medio de sistemas de cojinete en la periferia de la plataforma 4 y el puntal central 5 que proporciona un soporte vertical y radial a la plataforma.
Las fuerzas del viento que actúan sobre los álabes hacen que la plataforma gire alrededor de su eje a una velocidad limitada por el par de torsión del sistema generador eléctrico acoplado. La potencia de salida es proporcional al par de torsión multiplicado por las revoluciones por minuto del rotor. El generador es una adaptación de tecnología de generador/motor lineal, en la que un estator circular 6, concéntrico al rotor 3, que comprende circuitería de control y energía magnética y eléctrica adecuada permite la salida de potencia eléctrica del sistema. Un conjunto ordenado circular concéntrico de polos magnéticos 7, o permanentes o electromagnéticos, está fijado a la plataforma rotor para completar los elementos del sistema generador.
El par motor lo proporcionan los álabes 1, que están controlados en su inclinación alrededor de sus ejes de tal manera que se ajusten al viento relativo para crear una distribución óptima de fuerzas de álabe a lo largo del ciclo, maximizando así la potencia de salida. La Figura 3 es una vista de la parte inferior del sistema de rotor, que incluye un rotor de coordinación que controla completamente la inclinación de los álabes. En esta disposición, el rotor 8 de coordinación gira alrededor de un eje separado 9 y está acoplado a cada receptáculo de álabe a través de una palanca 10 que permanece paralela a la dirección del viento a lo largo de todo el ciclo. El rotor 8 de coordinación también está acoplado a cada álabe a través de una segunda palanca 11, cuyo movimiento se controla en función del ciclo por medio de una espiga ajustable 12 desplazada con respecto a cada cojinete 13 del rotor de coordinación. La amplitud del ángulo de álabe es proporcional a la dimensión del desplazamiento de la espiga, que puede ajustarse por medio de un actuador proporcional (eléctrico) de control.
La Figura 4 presenta relaciones cinemáticas entre los álabes y la plataforma rotor como funciones de la velocidad del viento, la velocidad del rotor y la orientación de los álabes. El rendimiento del sistema se muestra como dependiente de los siguientes parámetros:
Ttm P
Razón de Avance y u
Gradiente y Velocidad del Viento VndVw
Programa de Ángulo de Álabes (fi versus G)
Ángulo de Oblicuidad
Característica de Estela
Tamaño de Unidad
Para el intervalo típico de estos parámetros y las condiciones de funcionamiento, la potencia de salida se expresa como:
"™°° d°i*° 3°x°°»°i°«°° x°*™j SS°™8n"°"™Potencia de salida = [ ] Megavatios
Tamaño x U2
Tamaño = ?D = Área de Captura de Viento
La potencia suministrada puede compararse a una turbina de tipo ventilador de montaje en torre de tamaño similar, que normalmente viene dada como:
Potencia de salida
'Potencia de salida = [ ] Megavatios
Tamaño x U2
Figure imgf000005_0001
= Área de Captura de Viento
Esta solicitud de patente provisional está destinada a describir una o más realizaciones de la presente invención. Debe entenderse que el uso de términos absolutos, tales como “debe”, “deberá” y similares, así como cantidades específicas, ha de interpretarse como aplicable a una o más de tales realizaciones, pero no necesariamente a todas ellas. Como tales, las realizaciones de la invención pueden omitir o incluir una modificación de una o más características o funcionalidades descritas en el contexto de tales términos absolutos.
Las realizaciones de la invención pueden describirse en el contexto general de instrucciones ejecutables por ordenador, tales como módulos de programa, ejecutadas por un dispositivo de procesamiento que tenga una funcionalidad especializada y/o por medios legibles por ordenador en los cuales puedan almacenarse tales instrucciones o módulos. En general, los módulos de programa incluyen rutinas, programas, objetos, componentes, estructuras de datos, etc. que realizan tareas concretas o implementan tipos abstractos de datos concretos. La invención también puede ponerse en práctica en entornos informáticos distribuidos donde las tareas sean realizadas por dispositivos de procesamiento remotos enlazados a través de una red de comunicación. En un entorno informático distribuido, los módulos de programa pueden hallarse en medios de almacenamiento informático tanto remotos como locales, incluyendo dispositivos de almacenamiento en memoria.
Las realizaciones de la invención pueden incluir o implementarse en diversos medios legibles por ordenador. Los medios legibles por ordenador pueden ser cualesquiera medios disponibles a los que pueda accederse mediante un ordenador e incluyen medios tanto volátiles como no volátiles, medios extraíbles y no extraíbles. A modo de ejemplo, y no de limitación, los medios legibles por ordenador pueden comprender medios de almacenamiento informático y medios de comunicación. Los medios de almacenamiento informático incluyen medios volátiles y no volátiles, medios extraíbles y no extraíbles, implementados en cualquier método o tecnología para el almacenamiento de información, tales como instrucciones legibles por ordenador, estructuras de datos, módulos de programa u otros datos. Los medios de almacenamiento informático incluyen, pero no están limitados a, RAM, ROM, EEPROM, memoria rápida (flash) u otra tecnología de memoria, CD-ROM, discos versátiles digitales (DVD) u otro almacenamiento en disco óptico, casetes magnéticos, cinta magnética, almacenamiento en disco magnético u otros dispositivos de almacenamiento magnéticos, o cualquier otro medio que pueda utilizarse para almacenar la información deseada y al que pueda accederse mediante un ordenador. Los medios de comunicación representan típicamente instrucciones legibles por ordenador, estructuras de datos, módulos de programa u otros datos en una señal de datos modulada tal como una onda portadora u otro mecanismo de transporte e incluyen cualesquiera medios de entrega de información. El concepto “señal de datos modulada” significa una señal en la que una o más de sus características se han ajustado o cambiado de tal manera que codifiquen información en la señal. A modo de ejemplo, y no de limitación, los medios de comunicación incluyen medios alámbricos, tales como una red alámbrica o una conexión alámbrica directa, y medios inalámbricos, tales como medios acústicos, de radiofrecuencia, de rayos infrarrojos y otros medios inalámbricos. Dentro del alcance de los medios legibles por ordenador también deberían incluirse combinaciones de cualesquiera de los anteriores.
Según una o más realizaciones, la combinación de software o instrucciones ejecutables por ordenador con un medio legible por ordenador tiene como resultado la creación de una máquina o un aparato. De manera similar, la ejecución de software o instrucciones ejecutables por ordenador por un dispositivo de procesamiento tiene como resultado la creación de una máquina o un aparato, que puede diferenciarse del dispositivo de procesamiento mismo, según una realización.
En consecuencia, debe entenderse que un medio legible por ordenador se transforma almacenando en el mismo software o instrucciones ejecutables por ordenador. Asimismo, un dispositivo de procesamiento se transforma en el curso de la ejecución de software o instrucciones ejecutables por ordenador. Adicionalmente, debe entenderse que un primer conjunto de datos introducido en un dispositivo de procesamiento durante, o de otra manera en relación con, la ejecución de software o instrucciones ejecutables por ordenador por parte del dispositivo de procesamiento se transforma en un segundo conjunto de datos como consecuencia de dicha ejecución. Este segundo conjunto de datos puede posteriormente almacenarse, visualizarse o comunicarse de otra manera. Tal transformación, a la que se alude en cada uno de los ejemplos anteriores, puede ser consecuencia de, o involucrar de otra manera, la alteración física de partes de un medio legible por ordenador. Tal transformación, a la que se alude en cada uno de los ejemplos anteriores, puede también ser consecuencia de, o involucrar de otra manera, la alteración física de, por ejemplo, los estados de registros y/o contadores asociados con un dispositivo de procesamiento durante la ejecución de software o instrucciones ejecutables por ordenador por parte del dispositivo de procesamiento.
Tal como se usa en la presente memoria, un proceso que se realiza “automáticamente” puede significar que el proceso se realiza como resultado de instrucciones ejecutadas por ordenador y, aparte del establecimiento de preferencias de usuario, no requiere esfuerzo manual.
Una o más realizaciones de la invención pueden incluir álabes (giratorios) a modo de alas, que pueden incluir dispositivos de punta alar. Los álabes pueden ser sustancialmente rectos o pueden estar curvados a lo largo de sus longitudes. Una o más realizaciones de la invención pueden incluir un rotor base (con receptáculos de cojinete), que sea giratorio y pueda situarse bajo la superficie del suelo terrestre, pero hallándose sólo el rotor, y no los álabes, bajo el suelo. Una o más realizaciones de la invención pueden incluir un mecanismo de control configurado para controlar de manera cíclica los álabes. Una o más realizaciones de la invención pueden incluir un sistema generador de energía eléctrica.
Más específicamente, una o más realizaciones de la invención pueden incluir las siguientes características:
Diseño de Álabes
Álabes giratorios montados en una plataforma giratoria soportada por cojinetes de baja fricción desde una base fija.
Rotación cíclica de álabes para maximizar el par de torsión (variación del ángulo de ataque (“AOA”, por sus siglas en inglés) controlada).
Rotación cíclica de álabes para minimizar el esfuerzo por fatiga. Combinada con las siguientes opciones:
dos inversiones: generadores de torbellino/plano aerodinámico simétricos
una inversión: doble simetría de plano aerodinámico, dispositivos de máximo coeficiente de sustentación (“CLmax”)
cero inversiones: doble simetría de plano aerodinámico, superficies articuladas, generadores de torbellino (esquemas de accionamiento de AOA cíclicos para cada uno)
Ciclos controlados con un mecanismo para una adaptación a las condiciones del viento (velocidad y dirección). El mecanismo proporciona una variación del AOA controlada externamente para:
maximizar la eficacia
limitar las cargas por álabe y el esfuerzo por fatiga
minimizar el ruido
maximizar la extracción de energía
Alabes inclinados en ángulo para una adaptación de los gradientes de viento para:
máxima eficacia
potencia de salida
control óptimo
Opciones de configuración utilizando un dispositivo de punta alar o un espiroide para: máxima eficacia y potencia de salida
minimizar el ruido
adaptación a velocidades del viento altas
minimizar el peligro para la fauna
maximizar el uso de tierra disponible
Generadores de torbellino para maximizar el par de torsión y la potencia de salida, evitar las sacudidas
Plataforma de álabes y espesor diseñados a medida para una eficacia máxima Diseño de Sistema
Tecnología de generador eléctrico lineal empleada para:
evitar o excluir el uso de cajas de engranajes
minimizar el desgaste
optimizar el control de frecuencia
Sistema de puesta en bandera de los álabes ajustable para:
arranque a baja velocidad
parada con velocidades del viento altas
adaptación a la dirección y las variaciones de velocidad del viento Minimización de la fricción utilizando tecnología de cojinete magnético en algunos o en la totalidad de los cojinetes.
Dispositivos de punta alar para reducir el ruido y aumentar la eficacia. No peligroso para la fauna:
baja velocidad de los álabes
movimiento horizontal vs. rotación
Minimización de la “contaminación visible”
Montículo multiplicador de la velocidad del viento (es decir, instalación por encima del suelo/relleno al finalizar) Adaptable a selección de emplazamiento marino.
El arranque con una velocidad del viento baja está asegurado mediante un programa de AOA de álabes automático para una adaptación a las condiciones del viento.
Una realización, que puede denominarse Cicloturbina Eólica en la presente memoria, representa un nuevo concepto en la generación de energía eólica. El sistema de Cicloturbina Eólica comprende una plataforma circular giratoria (el rotor) sobre la que varios álabes de tipo ala están montados verticalmente y pueden girar independientemente alrededor de cada eje de álabe. El rotor puede estar enrasado con el suelo y, cuando el rotor gira, cada álabe puede controlarse y manipularse de manera continua para que intercepte óptimamente el vector de viento resultante, con el fin de proporcionar el par de torsión máximo disponible a lo largo de todo el ciclo. El rotor está acoplado a un generador eléctrico bajo el nivel del suelo para completar el sistema.
Un análisis fundamental de cuestiones clave y características de rendimiento muestra que la Cicloturbina puede producir de cuatro a cinco veces la energía de una combinación de generador y turbina de tipo ventilador convencional de montaje en torre, para las mismas condiciones del viento. Esta comparación se aplica a dos máquinas que interceptan la misma área de sección transversal de flujo del viento. Otras ventajas incluyen un mayor ahorro de tamaño que permite una mayor potencia de salida por unidad, flexibilidad en cuanto al emplazamiento, más facilidad de acceso y mantenimiento, menos impacto medioambiental, etc.
Un sistema generador de energía eléctrica basado en la Cicloturbina Eólica se propone como una alternativa viable al sistema generador de energía de tipo ventilador convencional de montaje en torre actualmente de uso generalizado en todo el mundo.
El concepto de Cicloturbina Eólica según una realización
El sistema de energía de Cicloturbina Eólica representa una desviación de la combinación de turbina de tipo ventilador y generador eléctrico predominante, que es prácticamente el único medio utilizado actualmente para la generación de energía eólica en todo el mundo. La configuración mostrada en la Figura 2 anterior puede ser una unidad de gran tamaño, que puede ser parte de un conjunto ordenado en un parque de tales sistemas.
El sistema de energía de Cicloturbina Eólica representa una desviación de la combinación de turbina de tipo ventilador y generador eléctrico predominante, que es prácticamente el único medio utilizado actualmente para la generación de energía eólica en todo el mundo. La configuración mostrada en la Figura 2 anterior puede ser una unidad de gran tamaño, que puede ser parte de un conjunto ordenado en un parque de tales sistemas.
Es evidente que cada álabe cruza las estelas de los álabes que van delante del mismo en el ciclo. Es de esperar que la interacción produzca “perturbaciones” de la fuerza y algo de ruido asociado con las mismas. Sin embargo, en su mayor parte, estos cruces de estela suponen una penetración gradual, debido al ángulo de oblicuidad del álabe. Además, la vorticidad de la estela es bastante débil, lo que tiene como resultado perturbaciones mínimas. Sin embargo, cerca de la punta del álabe la vorticidad puede ser grande, lo que puede tener como resultado cierta perturbación significativa del flujo y algo de ruido. Una atención especial al diseño de la punta del álabe puede minimizar este efecto. Finalmente, la estela de vórtice produce ángulos de flujo inducido en cada álabe que se tienen en cuenta en la optimización del ciclo.
Cuestiones estructurales
Debido a las cargas por álabe cambiantes a lo largo de todo el ciclo, la cuestión de la fatiga puede ser algo preocupante. Aunque la frecuencia de rotación puede ser bastante baja (por ejemplo, 10 revoluciones por minuto); la dirección de la carga sobre el álabe se invierte dos veces durante cada ciclo. Esto corresponde a aproximadamente 5 x 106 inversiones al año para un funcionamiento casi continuo. Para adaptarse a esta situación pueden emplearse materiales compuestos para la estructura de los álabes y niveles de carga de trabajo bajos. Aunque el uso de cargas de trabajo menores puede afectar negativamente al peso estructural, la configuración del sistema y la concentración de las partes macizas al nivel del suelo pueden tender a minimizar el efecto del peso del componente en el rendimiento.
Economía del sistema
La cuestión de la economía del sistema en relación con otras alternativas desempeña en última instancia un papel muy importante a la hora de determinar su ventaja competitiva. Una consideración seria de las ventajas de la Cicloturbina Eólica puede indicar el resultado probable de tal evaluación, que figura a continuación.
Ventajas
Economía
Alta eficacia aerodinámica
Alta densidad de energ ía M egavatios de potenc ia su m in is tra d a
5Área de intercepción x (velocidad del v ien to ) 3
Componentes pesados junto al suelo o bajo el suelo
Facilidad de mantenimiento
Diseño de generador lineal (no se requieren cajas de engranajes)
Compatibilidad de instalación múltiple
Menor inversión por megavatio
Flexibilidad de dimensionamiento
Adaptabilidad en cuanto al emplazamiento
Ajustado al gradiente del viento (ángulo de oblicuidad del álabe)
Adaptabilidad a la topografía del emplazamiento
Amplificación de la velocidad del viento con contorneado del suelo
Adaptabilidad a la velocidad y la dirección del viento
Aceptable desde el punto de vista medioambiental
Controlado en cuanto al ruido (diseño de álabes)
Bajo impacto visual (aceptable para conjuntos ordenados múltiples)
“Huella” del sistema reducida
Estas ventajas tienden a eclipsar las de una instalación de turbina eólica de tipo ventilador. Su importancia puede variar en relación con la configuración específica del sistema de energía eólica seleccionado para la comparación. Sin embargo, se espera que las conclusiones globales tengan validez general.
Un atractivo de una realización de la Cicloturbina Eólica se deriva de ciertas características físicas únicas que contribuyen a las ventajas siguientes en relación con otras formas de generación de energía eólica:
Mayor eficacia (más energía para un tamaño y una velocidad de viento determinados)
Menos inversión fija por megavatio de potencia suministrada (menor tamaño, mejor utilización del emplazamiento)
Adaptable a cualquier tamaño y entorno de flujo
Diseñada para la fiabilidad y durabilidad
Facilidad de acceso y mantenimiento
Aceptable desde el punto de vista medioambiental en conjuntos ordenados múltiples (menor “huella”, menos ruido e impacto visual).

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Una turbina eólica, que comprende:
una base de rotor que está acoplada a una superficie de soporte en general horizontal y que puede girar alrededor de un eje de base de rotor en general perpendicular a la superficie de soporte;
una pluralidad de elementos de álabe que se extienden desde la base de rotor y que tienen partes de punta distal de álabe y partes de base de álabe opuestas a las partes de punta distal de álabe y acopladas a la base de rotor, teniendo cada elemento de álabe un ángulo de ataque respectivo, teniendo cada parte de base de álabe un eje de parte de base en general perpendicular a la base de rotor, pudiendo cada elemento de álabe girar alrededor de su eje de parte de base respectivo modificando así el ángulo de ataque respectivo de cada elemento de álabe respectivo; y
un controlador acoplado a los elementos de álabe y configurado para girar cada elemento de álabe; caracterizada por que cada parte de punta distal de álabe tiene un dispositivo de control de vórtice de punta distal de álabe.
2. La turbina de la reivindicación 1, que comprende además un generador de energía eléctrica acoplado a la base de rotor.
3. La turbina de la reivindicación 2, en donde:
la superficie de soporte está conformada dentro de un hueco de una superficie terrestre,
dicha base de rotor está sustancialmente enrasada con la superficie terrestre; y
la totalidad del generador está dispuesta dentro del hueco y bajo la superficie terrestre.
4. La turbina de la reivindicación 1, en donde cada dispositivo de control de vórtice de punta distal de álabe comprende un dispositivo de punta alar, winglet, o un espiroide, spiroid.
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