ES2966308A1 - Aerogenerador de eje vertical - Google Patents

Abstract

Aerogenerador de eje vertical, que comprende una torre vertical (9) que superiormente soporta una góndola (7) en cuyo interior se aloja un generador eléctrico (8), por encima de la cual se sitúa un mástil central (10), estático y hueco, que aloja axialmente un eje de transmisión (2) que conecta el rotor del aerogenerador con el generador eléctrico (8), estando el rotor del este aerogenerador conformado por una serie de álabes verticales (1) unidos mediante brazos radiales (4) con al menos dos cojinetes (3, 6) dispuestos concéntricos y por el exterior de dicho mástil central (10), de los cuales, el cojinete (3) situado superiormente está unido a una placa giratoria (5) a la que se une el eje de transmisión (2) que mueve el generador eléctrico (8).

Description

DESCRIPCIÓN

Aerogenerador de eje vertical

Sector de la técnica

El sector en el que se encuadra la invención es el de la industria de los aerogeneradores o turbinas de aplicación eólica para producción de energía mecánica de generación de eléctrica renovable, con un eje de transmisión dispuesto de forma perpendicular al flujo de aire que impacta en el rotor. Más concretamente a turbinas eólicas de eje vertical. El mismo diseño sería válido para una turbina mareomotriz en la que el fluido sería agua en vez de aire.

Estado de la técnica

Se conocen varios tipos de aerogeneradores de eje vertical. Estos aerogeneradores, también denominados VAT por sus siglas en inglés, son aquellos cuyo eje es perpendicular al suelo y por tanto sus álabes o palas se fijan en un mástil central mediante unos brazos, de tal forma que operan con un eje de transmisión vertical, que es perpendicular a la velocidad del viento. Este mástil central, el eje de transmisión, los brazos y las palas están normalmente integrados en el llamado rotor para girar al unísono, estando todos ellos conectados al generador en la parte inferior del rotor, que se encuentra en la parte más alta de la torre.

Entre los generadores de eje vertical más conocidos se encuentra el denominado Darrieus, por el nombre de su inventor. Este aerogenerador dispone de varios álabes verticales unidos al eje por unos brazos horizontales fijos, con los álabes operando por fuerzas de sustentación.

Estos aerogeneradores presentan varias ventajas con respecto a los de eje horizontal (HAT en inglés); a saber, se pueden situar más cerca unos de otros ya que su estela turbulenta se recupera de forma más rápida, por lo que no ocupan tanta superficie, llevando a mayores densidades de potencia instalada; no necesitan un mecanismo de orientación respecto al viento incidente ya que son omnidireccionales; se pueden colocar más cerca del suelo lo cual facilita su instalación y mantenimiento; y son mucho más silenciosos que las HAT. No obstante, presentan dos importantes desventajas:

Por un lado, hay que rotar todo el rotor incluyendo el pilar central, que suele ser de bastante diámetro y por ello tener bastante masa, ya que éste está diseñado para soportar grandes cargas estructurales (tanto esfuerzos cortantes laterales como a solicitaciones de flexión) que le transmiten los álabes por su carga aerodinámica. Esto incrementa tanto la inercia del sistema como la fuerza de fricción inicial, lo que dificulta que la turbina de eje vertical empiece a girar (auto-arranque) necesitando para ello altas velocidades de viento. De hecho, esta incapacidad para empezar a rotar por sí misma ha sido un gran problema para las turbinas de eje vertical hasta la fecha.

Por otro lado, el hecho de disponer la turbina de un rotor de gran masa en movimiento sin un ensamblaje robusto en su base y conexión con el generador, provoca que haya oscilaciones laterales y excentricidades axiales en las cargas transmitidas al generador, las cuales no deberían existir para asegurar vidas útiles de unos 25 años, debido a que puede conllevar a fallos estructurales por cargas máximas o fallos por fatiga.

El documento WO2014023237A1 describe una turbina eólica de eje vertical cuyos álabes transmiten el par motor o torque a un eje central giratorio, a través de unos brazos superiores y medios. Inferiormente, los álabes transmiten externamente parte de la carga estructural a un eje central fijo, que es exterior a un eje central rotatorio, mediante un rodamiento. Esta turbina resuelve en parte el problema de auto-arranque que presentan este tipo de aparatos, no obstante, se agravan los problemas de oscilaciones y excentricidades puesto que la mayor parte del eje central giratorio lo hace en voladizo, lo que sin duda provoca grandes fluctuaciones de las cargas axiales sobre el generador.

El documento WO2019023005A1 hace referencia a una turbina eólica de eje vertical que cuenta con un mecanismo de seguridad tal, que hace que en vientos con gran velocidad que dan lugar a una potencia de salida por encima de un umbral determinado, se desvinculen las transmisiones y gire de forma descontrolada, para no transmitir cargas que podrían comprometer la seguridad. Este documento muestra cómo los álabes, por medio de los brazos superiores, están unidos rígidamente al eje central giratorio, transmitiendo el par motor, mientras que los brazos inferiores transmiten externamente las cargas estructurales a un eje central fijo, mediante un rodamiento.

El documento WO2005095794A1 divulga una turbina eólica de eje vertical que, si bien en ella el eje que gira es el exterior, apoyándose mediante rodamientos sobre uno interno y fijo, utiliza los brazos y álabes de la turbina para transmitir el momento de rotación o torque, al eje giratorio mediante una pieza superior unida rígidamente a éste.

El documento JP2013257045A muestra una turbina eólica de eje vertical que tiene un eje giratorio interno, y otro externo y fijo, al que se transmite de forma interna parte de la carga estructural de dicha turbina, mediante varios rodamientos.

En general, los dos problemas comentados anteriormente, en el auto-arranque de la turbina y de oscilaciones y excentricidades en las cargas transmitidas al generador, subsisten en todas las turbinas descritas en los documentos anteriores.

Explicación de la invención

Basándose en la técnica anterior, un objetivo de la presente invención es proporcionar un aerogenerador de eje vertical que resuelva los problemas citados anteriormente. Con el fin de alcanzar los objetivos propuestos, mencionados en el apartado anterior, la invención propone un aerogenerador de eje vertical, que tiene las características de la reivindicación 1.

Nuestra propuesta prevé un rotor móvil (álabes, brazos y eje de transmisión) desacoplado de un mástil central estático encargado de soportar las cargas estructurales. Dentro de este mástil central estático se aloja el eje de transmisión conectado al generador eléctrico, situado en una góndola que puede estar por debajo de la región en la que giran los álabes del aerogenerador o en otra posición dentro del mástil central. Los álabes se fijan mediante unos brazos radiales superiores que se unen en una placa situada justo encima del mástil central estático y en un cojinete que permiten su giro sobre dicho mástil central. Dicha placa superior está unida al eje de transmisión que mueve el generador eléctrico situado dentro de una góndola, por debajo de los álabes del aparato o en otra posición dentro del mástil central. Los álabes también se fijan mediante brazos radiales a un segundo cojinete de baja fricción montado sobre el mástil central estático, en la zona inferior del mismo. Los cojinetes superiores e inferiores se pueden unir con elementos estructurales para garantizar el giro al unísono.

Este diseño permite tener un rotor (que es el encargado del movimiento rotacional y de la transmisión de las cargas aerodinámicas) de mucha menor inercia; ya que se elimina la que supondría el mástil central (dado que en este caso no gira y por tanto la masa a desplazar queda reducida a la del eje de rotación, además de los álabes, cojinetes y la del propio generador) lo que facilita el auto-arranque. El eje de rotación es incluso más esbelto y de menor masa ya que solo soporta la transmisión del par. Este sistema de aligerar las partes móviles también disminuye las pérdidas debidas a la fricción, ya que son proporcionales a la masa que gira, al tiempo que elimina el movimiento lateral del eje de rotación y por ello las excentricidades axiales sobre el generador, ya que estas cargas las anula el mástil central estático. Por todo ello, se alarga la vida útil del aerogenerador y se logra que empiece a operar en bajos niveles de carga aerodinámica (baja velocidad de viento) ya que la fricción es mucho menor, lo cual también incrementa la eficiencia de la propia turbina de eje vertical por disminución de pérdidas mecánicas.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva un conjunto de dibujos en los que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La Fig. 1 muestra una vista en perspectiva de un aerogenerador de eje vertical realizado conforme a la invención.

La Fig.2 representa una sección según un plano vertical central de dicho aerogenerador.

La Fig. 3 representa una sección según un plano vertical central de un aerogenerador de eje vertical en el cual el generador se coloca en la zona inferior de la torre vertical (9).

Realización de la invención

Como se puede observar en la figura 1 la invención consiste en un aerogenerador de eje vertical que comprende una torre vertical (9) donde se monta un rotor en la parte superior formado por varios álabes verticales (1) unidos al rotor mediante brazos radiales (4) el cual está soportado por sendos cojinetes (3) y (6) que giran en torno al mástil estático del aerogenerador. De aquí se extrae la primera gran diferencia con respecto a los aerogeneradores de eje vertical convencionales ya que en estos es la parte superior del mástil la que gira conjuntamente con los brazos radiales (4) y los álabes (1).

En la figura 2 se aprecia una realización preferente de dicho aerogenerador y en ella se observa cómo la torre vertical (9) superiormente soporta una góndola (7) en cuyo interior se aloja un generador eléctrico (8). Y, por encima de dicha góndola (7), un mástil central (10), estático y hueco, que aloja axialmente el eje de transmisión del par (2) que conecta el rotor del aerogenerador con el generador eléctrico (8). Como indicábamos anteriormente, el rotor del aerogenerador está conformado por una serie de álabes verticales (1) unidos mediante brazos radiales (4) con al menos dos cojinetes (3, 6) dispuestos concéntricos y por el exterior de dicho mástil central (10). Según una especial característica de la invención, en el cojinete superior (3), en el que se unen los brazos radiales (4), está unido a una placa giratoria (5), situada por encima del mástil central (10), a la que se une el eje de rotación (2) que mueve el generador eléctrico (8) situado dentro de una góndola (7) o en otra posición dentro del mástil central de la máquina.

De esta forma, al girar el rotor del aerogenerador y consecuentemente los cojinetes (3, 6), conjuntamente con el cojinete superior (3) gira la placa de unión (5) y el eje (2) que transmite este movimiento de giro al generador (8) situado en el interior de la góndola (7) o en otra posición dentro del mástil central de la máquina. En consecuencia, como el mástil central (10) permanece estático, fijado sobre la parte inferior del rotor, la masa del rotor que se mueve es sensiblemente menor que con respecto a un aerogenerador convencional.

Por otro lado, el eje de transmisión (2) se dispone axialmente en el interior de dicho mástil central, conectado en su extremo superior a la placa (5) e inferiormente al generador (8) por lo que está libre de oscilaciones laterales tanto de cargas como vibraciones. Además, en una opción alternativa de realización, se ha previsto disponer en el interior del mástil central (10) al menos un rodamiento (11) en el que gira y apoya el eje de transmisión (2).

En la Fig. 3 se ha representa una variante de realización en la cual el generador (8) se coloca en la zona inferior de la torre vertical (6), lo que permite aligerar la pared de dicho elemento estructural ya que de una parte no tiene que soportar el peso del generador, y de otra el movimiento del generador no se produce en altura, con lo cual no se producen vibraciones que pudieran afectar al material en el que se construye la torre (6).

En una realización alternativa el eje de transmisión (2) es hueco a fin de permitir sacar a través de él una conexión con un anemómetro que salga verticalmente por un hueco de la placa circular superior (5).

Una vez descrita la naturaleza de la invención, así como un ejemplo de realización preferente, resulta de manera evidente que la invención es susceptible de aplicación industrial, en el sector indicado.

Asimismo se hace constar a los efectos oportunos que los materiales, forma, tamaño y disposición de los elementos descritos podrán ser modificados, siempre y cuando ello no suponga una alteración de las características esenciales de la invención que se reivindican a continuación:

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. - Aerogenerador de eje vertical, que comprende:

- una torre vertical (9) que en cuyo interior se aloja un generador eléctrico (8) normalmente alojado en una góndola (7) en la parte superior de la torre (9) o dentro del mástil central (10),

- un mástil central (10), estático y hueco, fijado por encima de dicha góndola (7), que aloja axialmente un eje de transmisión (2) que conecta el rotor del aerogenerador con el generador eléctrico (8),

- un rotor conformado por una serie de álabes verticales (1) unidos mediante brazos radiales (4) con al menos dos cojinetes (3, 6) de baja fricción dispuestos concéntricos y por el exterior de dicho mástil central (10);

en el que el cojinete (3) en el que se unen los brazos radiales (4) superiores está unido a una placa giratoria (5), situada por encima del mástil central (10), a la que se une el eje de transmisión-(2) que mueve el generador eléctrico (8) situado dentro de una góndola (7) o dentro del mástil central (10).

2. - Aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 1, en el que en el interior del mástil central (10) se dispone al menos un rodamiento (11) en el que gira y apoya el eje de transmisión (2).

3. - Aerogenerador de eje vertical, según la cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el generador (8) se coloca en la zona inferior de la torre vertical (6).

4. - Aerogenerador de eje vertical, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que en el interior del mástil central (10) se dispone un eje de transmisión (2) conectado a un generador de eje hueco que permite sacar un anemómetro de forma vertical que salga de la placa circular superior (5) para la medición del viento incidente.