ES2970155T3 - Turbina eólica Savonius - Google Patents

Abstract

En el pasado se ha observado que una turbina eólica Savonius tiene la capacidad de funcionar de manera más eficiente que otras turbinas de eje vertical de tipo arrastre cuando se construye de acuerdo con ciertos parámetros. La literatura anterior no ha visto la relación entre el diámetro del eje y el espacio disponible para que pase el viento en el centro como la relación crucial sobre la cual se pueden construir otras mejoras en este tipo de turbina. El diámetro de la cuerda y la distancia de superposición dependen del tamaño del eje central y su relación con los puntos extremos internos de las palas semicirculares superpuestas. Aquí se presentan los ratios para la máxima eficiencia. Estas relaciones eficientes también dependen para su ejecución de que la turbina gire a una relación ideal de velocidad punta. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Turbina eólica Savonius

Antecedentes de la invención

[0001] La presente invención se refiere a la mejora de la eficiencia de las turbinas eólicas de tipo Savonius.

[0002] En primer lugar, se identifican las partes de una turbina Savonius. El Savonius tradicional y más sencillo de la técnica anterior se muestra en la figura 1, que puede consultarse en https://www.google.com/search?q+picture+of+trad¡t¡onal+savon¡us+trub¡ne&rlz+1C1CH

BF enUS700US700&tbm=¡sch&source=iu&¡ctx=1&f¡r=vS16gAUd01cTMM%253A%25 2CSF0EbdC8Ke20YM%252C &usg=AI4 -kSNf2Rwpapo3G9bducB 845 gPwZQ&sa=X&ved=2ahUKEwic¡oW1waDeAhXR5p8 KHXHuCMIQ9QEwBHoECAYQDA#imgre=vS16gAUd0IcTMM:

[0003] Presenta cubiertas en la parte inferior (1) y parte superior (2) que son paralelas y de tamaño similar. A veces (1) y (2) son círculos completos. Las palas (4) son perpendiculares a las cubiertas y presentan forma circular, formando normalmente un semicilindro vacío. Todos giran alrededor de un eje central (3).

[0004] El eje (3) no sirve de soporte, ya que las dos cubiertas (1 y 2) se encargan de ello. En consecuencia, el eje suele ser pequeño en relación con el diámetro total de la turbina; en el ejemplo mostrado, es aproximadamente el 5 % del diámetro de la turbina. Las palas no se superponen necesariamente alrededor del eje. Hay dos palas, cada una con un borde interior (7) y un borde exterior (8). El viento entra en el espacio (5) entre el borde interior de una pala y el borde exterior del otro y circula por la turbina siguiendo la trayectoria (6).

[0005] La figura 2 es una vista en sección transversal. En la figura 2, cada pala (21 y su semicírculo enfrentado equivalente) presenta un borde interior (22) y un borde exterior (23). La pala se caracteriza por un diámetro, denominado técnicamente longitud de cuerda (29). Hay un eje central (24) caracterizado por un diámetro de eje (25) . (26) representa la distancia entre las palas que pasan por el centro del eje. El espacio libre en el centro es (26) menos (25). El diámetro de la turbina (30) es la distancia entre un borde exterior (23) y el borde exterior de la segunda pala.

[0006] La referencia (27) es la superposición o extensión del borde interior de la pala, y es una línea que se extiende directamente desde el borde interior más allá del punto medio. En este caso es recta.

[0007] Esta patente se refiere a relaciones novedosas del eje, el espacio entre las palas, la superposición y el diámetro de cuerda que conducen a una mayor eficiencia. La idea básica que subyace es que el paso del viento a través de la turbina requiere justo las condiciones adecuadas para ser más ventajoso. El concepto que subyace a esta solicitud es que el espacio libre en el centro es el elemento más importante, pero no está solo, ya que su relación con la superposición y con la longitud de cuerda están relacionadas con este espacio libre, de modo que el espacio libre en el centro no concentre demasiado el flujo y cree fricción y, por otro lado, no permanezca demasiado abierto y pierda el efecto de la recirculación del viento.

[0008] Una revisión de la literatura anterior muestra que estas importantes relaciones se han descuidado y que el espacio libre en el medio no se ha definido, ni correctamente ni en absoluto.

[0009] Desde un punto de vista cualitativo, puede observarse que cuanto mayor es el espacio libre en https://www.google.com/search?q=picture+of+cfd+¡n+savon¡us+turb¡ne&rlz=1C1CHBF enUS700US700&tbm=isch&spurce=¡u&¡ctx=1&f¡r=FwFE5V4yy83HGM%253A%252 CvcScgaYDdYXzwM%252C &us+AI4_-kTFTwy1PXgxeW 7o-21zNKrlb58Q&sa=X&ved=2ahUKEw¡vnYmC36DeAhWI458KHQCJDFgQ9QEwA3oECAYQ Cg#imgre=z4ofoODpHRgs2M: es más eficaz que un espacio libre demasiado estrecho en https://www.google.com/search?q-picture+of+cfd-in+savonius+turbine&rlz=1C1CHBF enUS700US700&tbm=¡sch&source=iu&¡ctx=1&f¡r=FwFE5V4yy83HGM%253A%252 CvcScgaYDdYXzwM%252C &usg=AI4 -kTFTwy1PXgxeW 7o-21zNKrlb58Q&sa=X&ved=2ahUKEw¡vnYmC36DeAhWI458KHQCJDFgQ9QEwA3oECAYQ Cg#imgrc=FwFE5V4yy83HGM:

[0010] Tradicionalmente, la atención sobre la superposición se ha centrado en la relación de superposición, que se define como (superposición menos diámetro del eje)/diámetro de la pala [denominado longitud de cuerda o c en la presente solicitud; sd=diámetro del eje]. Un estudio (B.D. Altan, M. Atilgan,An experimental study on improvement of a Savonius rotor performance with curtaining, Experimental Thermal and Fluid Science32 (2008) 1673-1678) ha mostrado que la relación de superposición ideal es 0.15. (Obsérvese que esto difiere de la utilización que se hace en esta solicitud de la relación de superposición en las especificaciones, porque la presente “relación de superposición” se refiere a la distancia de superposición dividida entre el diámetro del eje, de modo que la utilización que se hace en la técnica anterior de la relación de superposición con los presentes parámetros ideales para una turbina de eje de 100 mm sería (20-100)/660, que es una cifra negativa porque en la técnica anterior se consideraba erróneamente que la superposición debía ser grande en relación con el diámetro del eje).

[0011] Otro estudio (V.J. Modi, N.J. Roth, M.S. Fernando, Optimum-configuration, studies and prototype design of a wind-energy-operated, irrigation system, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 16 (1984) 85 96.) ha demostrado que es 0.25. En nuestra opinión, tal variación de opiniones y resultados indica que existe otro factor que determina las condiciones de la relación de superposición ideal. Los estudios no definen su relación con la forma de la pala y no mencionan el componente clave del espacio libre. Sin embargo, investigaciones anteriores (véase,Arriban at the Optimum Ovarla Ratio for an Elliptical-Bladed Savonius Rotor,Nur Alom y Ujjwal K. Saha, ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, volumen 9: Oil and Gas Applications; Supercritical CO2 Power Cycles; Wind Energy, Charlotte, Carolina del Norte, EE. UU., 26-30 de junio de 2017 y Mahmoud, que da la superposición ideal como 0) no identifica la cantidad de espacio libre como un factor facilitador para que esto funcione; la presente condición de que el espacio libre sea 3.5*sd en la configuración ideal es una condición más fundamental para que otras relaciones funcionen.

[0012] Un estudio (F. Mahamarakkalage,On the Performance and Wake Aerodynamics of the Savonius Wind Turbine,a Thesis of Doctoral of Philosophy, Universidad de Peradenyia, Srilanka, 1980) demostró que ningún hueco es el más eficiente y encontró una eficiencia del 32 %. Se realizaron simulaciones con esa condición, sin utilizar una relación de aspecto ideal, como se ha explicado anteriormente, en todas las simulaciones a las que se hace referencia en la presente memoria para que el aspecto sea coherente, y se encontró una eficiencia máxima del 27 %, mientras que las presentes simulaciones con huecos, todas realizadas de forma coherente por la misma persona utilizando una programación similar, superaron el intervalo del 30 %.

[0013] Otro estudio sobre rotores Savonius(Geometrical optimization of a swirling Savonius wind turbine using an open je t wind tunnel,Abdullah Al-Faruk *, Ahmad Sharifian, Computational Engineering and Science Research Centre (CESRC), Universidad de Southern Queensland, Toowoomba, Queensland 4350, Australia, recibido el 19 de marzo de 2015; revisado el 19 de junio de 2016; aceptado el 11 de julio de 2016, disponible en línea el 30 de julio de 2016), afirma: “ los resultados indican que la relación de superposición de palas, el diámetro de entrada de aire caliente y el estado de la placa del extremo superior influyen significativamente en los coeficientes de potencia y par...” Es otro ejemplo de cómo se desprecia el espacio libre como condición. Su resumen en la tabla 1 no menciona el espacio libre central en absoluto. Su turbina ideal tenía una superposición curva.

[0014] Un estudio experimental sobre la mejora del rendimiento de Savonius, por N.H. Mahmoud a, A.A. El-Haroun a, E. Wahba a, M.H. Nasef b, Alexandria Engineering Journal, recibido el 15 de julio de 2010; aceptado el 21 de noviembre de 2010 solo se refiere a las relaciones de superposición y a las relaciones de aspectos (altura con respecto a anchura).

[0015]Computational Fluid Dynamics Prediction of a Modified Savonius Wind Turbine with Novel Blade Shapes,Wenlong Tian, Baowei Song, James H. VanZwieten y Parakram Pyakurel, Energies 2015, 8, 7915-7929; doi:10.3390/en8087915 llega a la conclusión de que es preferible no tener ningún espacio de aire y da una eficiencia (denominada Cp, coeficiente de potencia) del 25 %.

[0016]A double-step Savonius rotor for local production of electricity: a design study, J.-LMenet, RenewableEnergy29 (2004) 1843-1862 no muestra ninguna fórmula o incluso dimensiones absolutas para el espacio de aire interno y ninguna relación con el tamaño del eje.

[0017]Review of Savonius Wind Turbine Design and Performancepor M. Zemamou, M. Aggour, and A. Toumi, Energy Procedia, 141 (2017), 383-388 menciona la relación de superposición, la relación de aspecto y la utilización de cortinas como relevantes para el rendimiento de Savonius, pero no dice nada sobre la relación eje-pala.

[0018] DESIGN AND DEVELOPMENT OF HYBRID VERTICAL AXIS TURBINE, Md. Jahangir Alam, M.T Iqbal, Facultad de Ingeniería y ciencia aplicada, Universidad Memorial de Newfoundland menciona la relación de velocidad de la punta y la relación de superposición como factores importantes. Esto es correcto, pero no son los únicos factores.

[0019] La solicitud EPO número 86907045.8 (Alvin Benesh, WIND TURBINE SYSTEM USING A SAVONIUS-TYPE ROTOR) señala en la página 7: “Aunque el eje 28 presenta preferiblemente un diámetro D3 = 0.1 Di, queda mucho espacio para un eje de tamaño aún mayor, si así se desea. Las pruebas realizadas por el solicitante han demostrado que un rotor similar no presentaba una pérdida apreciable de eficiencia debido a la constricción del paso del viento a través de las palas del rotor 21, 22 y 15 del tamaño del eje 28. Sin embargo, el solicitante ha observado que si se bloquea completamente el paso del aire en las proximidades del eje 28, se produce un descenso significativo de la eficiencia”. Solo relaciona el diámetro del eje con el diámetro de toda la turbina. Considera que no hay diferencia en cuanto a la eficiencia independientemente del espacio de aire libre, una conclusión diametralmente opuesta a la de la solicitud actual.

[0020]Experimental investigations on single stage, two stage and three stage conventionalSavonius rotor, M. A. Kamojil, S. B. Kedarel and S.V.Prabhu, Int. J. Energy Res. 2008; 32:877-895 no tiene en cuenta las relaciones entre el eje y el espacio libre.

[0021]Experimental investigations on single stage modified Savonius rotor,M.A. Kamoji a, S.B. Kedare a, S.V. Prabhu, Applied Energy 86 (2009) 1064-1073 tampoco menciona nada sobre los parámetros estudiados: “los parámetros estudiados son la relación de superposición, el ángulo de arco de las palas, la relación de aspecto y el número de Reynolds. El rotor Savonius modificado con una relación de superposición de 0.0, un ángulo de arco de las palas de 124_ y una relación de aspecto de 0.7 presenta un coeficiente máximo de potencia de 0.21 con un número de Reynolds de 1,50,000, que es superior al del rotor Savonius convencional (0.19). Se desarrolla una correlación para un rotor Savonius modificado de una etapa para un intervalo de números de Reynolds estudiados”.

[0022]A review on the performance of Savonius wind turbinespor Joao Vicente Akwaa, Horácio Antonio Vielmo, Adriane Prisco Petry, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) 3054- 3064 confirma la opinión predominante de que el eje central con espacio de aire es una interferencia de la que se puede prescindir.

[0023] Definición: las turbinas eólicas presentan una velocidad angular de w (o frecuencia de

[ d de punta (TSR, mostrada como lambda) es por tanto

[0025] Es decir: la relación entre la velocidad tangencial de la punta de una pala y la velocidad real del viento. Esto es importante como determinante de la eficiencia y varía con el diámetro y el diseño de la turbina. Otros ejemplos de soluciones de la técnica anterior están disponibles en los documentos US9347428B2, US2009/285689A1, US3918839A.

Breve sumario de la invención

[0026] La presente invención aborda con éxito las deficiencias de las configuraciones actualmente conocidas proporcionando una configuración mejorada de los parámetros aerodinámicos de una turbina eólica de tipo Savonius.

[0027] Se divulga ahora por primera vez una turbina de eje vertical, que comprende dos palas similares, sustancialmente semicirculares en un plano horizontal para cualquier sección transversal a lo largo de la altura de la turbina, con un eje central en la dirección vertical, cuyos lados cóncavos se enfrentan parcialmente entre sí, cada uno con un diámetro de cuerda de distanciac,que se refiere a la distancia en la cara interior de las palas, pasando dichas palas espaciadas a una distanciaaen línea recta por el eje de diámetrosd,desde un punto de extremo interior del semicírculo de la primera pala hasta un punto de extremo interior del semicírculo de la segunda pala, estando la ubicación del punto de extremo interior enfrentada a la pala opuesta a menos de la mitad de la distancia de la cuerda desde el punto de extremo interior de la pala opuesta hasta un punto de extremo exterior de la pala opuesta, que comprende:

• la distanciaaes sustancialmente de 3 a 4 vecessd.

[0028] Según otra forma de realización, la distanciaaes aproximadamente 3.5 vecessd.

[0029] Según otra forma de realización,ces de 6 a 7.2 veces a.

[0030] Según otra forma de realización,ces aproximadamente 6.6 veces a.

[0031] En una forma de realización, el sistema comprende además

• una superposición denominadab,que es una extensión en el extremo de los puntos de extremo interiores de ambas palas, sustancialmente perpendicular en un plano horizontal a la línea virtual que une los dos puntos de extremo interiores y el centro del eje, comprendiendo dicha superposición un cuerpo sustancialmente recto que se extiende desde el punto de extremo interior de cada pala, siendo dicha superposición de 0 a 0.25 veces a.

[0032] Según otra forma de realización, dicha superposición es aproximadamente 0.2 veces a.

[0033] Según otra forma de realización, las palas no presentan cubierta superior conectada a las palas en las puntas superiores.

[0034] Según otra forma de realización, las palas no presentan base de conexión inferior.

[0035] En una forma de realización, la turbina comprende además:

• una variación del diámetro del semicírculo a lo largo de la mayor parte de la altura vertical de las palas inferior al 15 %.

[0036] En una forma de realización, la turbina comprende además:

• una relación de velocidad de punta comprendida entre 0.475 y 0.546 veces el diámetro del eje en milímetros para una turbina con un diámetro de eje de 100 mm, duplicándose dicha relación de velocidad de punta aproximadamente por cada duplicación del diámetro del eje, y proporcionalmente para tamaños intermedios, y reduciéndose aproximadamente a la mitad, y proporcionalmente a la mitad para tamaños intermedios, por cada reducción a la mitad del diámetro del eje, y para otros diámetros de eje proporcionalmente a esta relación.

[0037] Según otra forma de realización, las dos palas presentan forma de doble curva.

[0038] Se divulga ahora por primera vez un procedimiento para realizar una turbina de eje vertical, que comprende dos palas similares, sustancialmente semicirculares en un plano horizontal para cualquier sección transversal a lo largo de la altura de la turbina, con un eje central en la dirección vertical, cuyos lados cóncavos se enfrentan parcialmente entre sí, cada uno con un diámetro de cuerda de distanciac,que se refiere a la distancia en la cara interior de las palas, pasando dichas palas espaciadas a una distanciaaen línea recta por el eje de diámetrosd,desde un punto de extremo interior del semicírculo de la primera pala hasta un punto de extremo interior del semicírculo de la segunda pala, estando la ubicación del punto de extremo interior enfrentada a la pala opuesta a menos de la mitad de la distancia de la cuerda desde el punto de extremo interior de la pala opuesta hasta un punto de extremo exterior de la pala opuesta, proporcionando las etapas de:

• elegir un diámetro de eje,

• hacer que la distancia entre el interior de una pala y el interior del otro que pasa por el centro del eje sea aproximadamente 3.5 veces el diámetro del eje, con un intervalo de 3-4,

• realizar superposiciones de aproximadamente el 20 % del diámetro del eje, con un intervalo entre el 0 % y el 25 %, •

• hacer longitudes de cuerda de aproximadamente 6.6 veces el diámetro del eje, con un intervalo entre 6 y 7.2.

[0039] En una forma de realización, el procedimiento comprende además las etapas de:

• hacer variar la orientación de las palas de semicircular a cuarto de círculo de forma proporcional, y establecer la distancia entre las palas de aproximadamente 3.5 a 4 veces el diámetro del eje según el número de grados de cambio, y establecer la relación de superposición según la línea establecida en la figura 5 de 0 a 4 veces el diámetro del eje según el número de grados de cambio, y establecer el diámetro de cuerda según el gráfico establecido en la figura 6 de aproximadamente 6.6 a 30 veces el diámetro del eje.

Breve descripción de diversas vistas de los dibujos

[0040] La invención se describe en la presente memoria, únicamente a título de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es un diagrama de una turbina Savonius tradicional.

La figura 2 es un diagrama de las partes significativas de una turbina Savonius en sección transversal.

La figura 3 es un diagrama del flujo de aire a través de una turbina Savonius.

La figura 4 es un diagrama de un cuarto de círculo Savonius.

La figura 5 es un gráfico de la relación de superposición en un cuarto de círculo Savonius.

La figura 6 es un gráfico de la relación de cuerda en un cuarto de círculo Savonius.

Descripción detallada de la invención

[0041] Los principios y el funcionamiento de una turbina eólica según la presente invención pueden comprenderse mejor con referencia a los dibujos y a la descripción adjunta.

[0042] Haciendo ahora referencia a los dibujos, las figuras 1 y 2 muestran los diferentes parámetros que ya se identificaron. En la figura 2, el eje presenta un porcentaje superior al 10 % del diámetro de la turbina. Esto permite una mayor resistencia y eficiencia. En la figura 1, técnica anterior, el eje estaría más cerca del 5 % del diámetro de la turbina.

[0043] Cabe destacar que los parámetros en esta solicitud se refieren a la superficie interna de las palas enfrentada al eje.

[0044] Según la figura 2, los parámetros ideales se revelan y calculan de la siguiente manera. Se aplican a todos los tamaños; el diámetro del eje de 100 mm se presenta para facilitar la comprensión de las cifras. La variación razonablemente esperada en cada uno de ellos se mostrará más adelante.

[0045] Suponiendo que el eje (24) presenta un diámetro de 100 mm (distancia 25 en la figura 2), denominadosd,entonces:

Lo ideal es que la distancia entre los bordes interiores (elemento 26 de la figura 2) sea sd x 3.5, es decir, 350 mm.

Lo ideal es que la prolongaciónb(posición 27 de la figura 2) seasdx 0.2, es decir, 20 mm.

Lo ideal es que la distancia de cuerda (diámetro de pala)c(elemento 29 de la figura 2, que es la distancia del elemento 22 al 23) seasdx 6.6, o 660 mm.

Y a continuación, solo a título informativo, el diámetro de la turbina total se muestra en el elemento 30 de la figura 2 y se calcula como(sdx 6.6) ((sd*6.6) - (sd*3.5)).

[0046] El intervalo de configuraciones con buen rendimiento es que la distancia desde el borde semicircular interior de una pala al borde semicircular interior de la otra pala (definido así para que no haya confusión cuando haya una superposición) sea de 3-4 veces el diámetro del eje, siendo lo ideal 3.5.

[0047] El intervalo de superposiciones con buen rendimiento es del 5-25 % del diámetro del eje, siendo el ideal el 20 %, pero incluso una superposición de cero con respecto a una superposición del 40 % puede dar lugar a una turbina eficiente.

[0048] Esto funciona mejor en combinación con una cuerda de 6-7 veces el diámetro del eje, siendo lo ideal 6.6.

[0049] La siguiente tabla (tabla 1) es una selección de algunas simulaciones: (el diámetro de la turbina es el diámetro de la cuerda más el diámetro de la cuerda menos la distancia de borde interior).

[0050] El caso 8 presenta la mayor eficiencia y representa el conjunto ideal de relaciones expuesto anteriormente. Puede observarse que otros conjuntos de parámetros cercanos también obtienen buenos resultados. Esta es la primera vez que se ha informado de eficiencias teóricas para turbinas tipo Savonius por encima del 30 % porque se ha centrado la atención en el requisito de eje interior con respecto a espacio libre y, en segundo lugar, en la relación con la distancia de cuerda. La superposición es importante, pero relativamente menos significativa. La relación de velocidad de punta es muy significativa, como se verá con más detalle a continuación.

[0051] La figura 3 muestra la circulación del viento dentro de una turbina Savonius e ilustra por qué son importantes las relaciones de la presente invención. En la figura 3, el viento procede de la izquierda y se muestra incidiendo en la primera pala (32) por la línea (31). A continuación, el viento circula alrededor del eje por las líneas (33) y (34). Cuando las relaciones son ideales, como en el cálculo anterior, hay una zona de viento circulando dentro de la turbina que acelera a mayor velocidad que el viento exterior dominante en la región de la flecha (35) y luego impacta en la segunda pala (36). Esto revela la importancia de prestar atención al espacio libre en el centro de la turbina. No debe ser ni demasiado grande ni demasiado pequeño para que el viento se concentre de la forma adecuada. Las superposiciones, también denominadas prolongaciones de los semicírculos, impiden la disipación del viento por los movimientos laterales del aire en el interior de la turbina.

[0052] Un enfoque innovador adicional es omitir la cubierta superior y en su lugar hacer 2 palas sin esa cubierta y adicionalmente 2 palas que son de doble curvatura (una curva menos pronunciada en la dirección vertical) en lugar de ser simples medios círculos a lo largo de su dimensión vertical. De este modo se capta mejor el viento y son más aerodinámicas. Este planteamiento debe equilibrarse con la mayor eficiencia de utilizar las relaciones correctas en toda la envergadura vertical de la turbina. Un compromiso razonable permitiría una variación del 15 % de cada una de las formas de las palas y del diámetro del semicírculo con respecto a los parámetros ideales en cualquier plano horizontal. Esto es nuevo si se combina con otros cambios.

[0053] La omisión de las cubiertas requiere un eje más grueso, ya que se utiliza como soporte. En la revisión anterior no se han encontrado casos en los que se haya definido la relación entre el tamaño del eje y el espacio libre entre las palas y, simultáneamente, las condiciones para una superposición adecuada una vez satisfechas las condiciones del espacio libre.

[0054] Basándose en lo anterior, se presenta la reivindicación original de que la eficiencia está relacionada en gran medida con la cantidad de espacio libre en el centro para que pase el aire y la relación entre el tamaño del eje y el espacio total entre las palas es crucial. Esta ventaja se potencia en combinación con las otras relaciones y parámetros analizados en esta solicitud.

[0055] La tabla 1 anterior muestra que las condiciones de mayor eficiencia son multifactoriales, pero todo se basa en el diámetro del eje, que determina el espacio libre y todas las demás relaciones.

La relación de velocidad de punta (TSR) es conocida en la técnica y es

<A = ó i . i ? - />U

[0056] Es decir: la relación entre la velocidad tangencial de la punta de una pala y la velocidad real del viento. Esto tiene mucho que ver con la eficiencia en todas las turbinas. En estos casos, una relación de velocidad de punta de alrededor de 0.511 es la mejor. Por debajo de 0.475 es mucho menos eficiente para el tamaño indicado. Por tanto, 0.511 más o menos 0.035 es el intervalo adecuado para este tamaño de turbina. Si el diámetro de la turbina se duplica, entonces TSR se duplica aproximadamente. En el caso 8, el diámetro de la turbina es de 970 mm. Para este tipo de turbina, esta parte no está relacionada con el diámetro del eje. Así pues, una turbina con las relaciones del caso 8 pero con un diámetro de eje de 200, tendría una TSR de aproximadamente 1.22 más o menos 0.07.

[0057] En general, Cp está relacionado con el número de Reynolds y la relación de velocidad de punta (TSR). Normalmente, la dependencia del número de Reynolds es pequeña, por lo que el coeficiente de presión depende principalmente de la TSR. La TSR y las rpm deben ajustarse correctamente para lograr la máxima eficiencia. Hay que tener en cuenta que si no se presta atención a esta relación pueden obtenerse turbinas eólicas muy poco eficientes.

[0058] La bibliografía anterior ha reivindicado Cp para las turbinas Savonius sin prestar atención a la primacía del espacio libre en el centro a mediados de los años veinte. Las simulaciones incluyen una configuración de 0.34 Cp, caso 8, que demuestra que el planteamiento actual no solo es innovador, sino también significativo.

[0059] Por tanto, en las siguientes reivindicaciones, el cálculo del espacio libre se considera la innovación clave en las reivindicaciones independientes.

[0060] Una vez satisfecho esto, otras innovaciones clave, como la relación de la relación de superposición con el tamaño de la pala en base al arco de pala, son más operativas.

[0061] Otra variación de los semicírculos de Savonius es posible haciendo diferentes formas de pala que se aproximen a un cuarto de círculo. Estas configuraciones son ligeramente menos eficientes, pero podrían ser útiles en algunas circunstancias, como diferentes situaciones de coste-beneficio. La figura 4 ilustra cómo se vería esto con líneas de cuadrícula en el fondo para mostrar las distancias. (41) y (42) son las palas. (43) es el eje. (44) y (45) son las superposiciones o prolongaciones de los cuartos de círculo. Esta configuración se denomina 5e.

[0062] En el momento en que las palas son un cuarto de círculo, la superposición ideal cambia de 0.2 veces el diámetro del eje a 4 veces el diámetro del eje, en donde la distancia entre las palas es 4 veces el diámetro del eje, con un intervalo entre 3 y 5 veces, y el diámetro de cuerda es 5 veces el diámetro del eje, con un intervalo entre 4 y 6 veces.

[0063] La siguiente tabla 2 muestra algunos datos de simulación de Cp (eficiencia) para una configuración que se denomina 5e, en función de las rpm y la relación de velocidad de punta:

[0064] Esto muestra una relación de velocidad de punta ideal para el diámetro de cuerda de aproximadamente 3 metros.

[0065] La figura 5 muestra la variación de la superposición con la forma del círculo. Puede aproximarse la superposición ideal según el número de grados del círculo utilizando la figura 5. (51) es la relación de 0.2 veces el diámetro del eje para un semicírculo y (52) es la relación de 4 veces el diámetro del eje para un cuarto de círculo.

[0066] La figura 6 muestra la variación del diámetro de cuerda con la forma del círculo. Puede aproximarse el diámetro de cuerda ideal según el número de grados del círculo utilizando la figura 6. (61) es la relación de 6.6 veces el diámetro del eje para un semicírculo y (62) es la relación de 28 veces el diámetro del eje para un cuarto de círculo.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Turbina eólica de eje vertical, que comprende dos palas (4, 21) similares, sustancialmente semicirculares en un plano horizontal para cualquier sección transversal a lo largo de la altura de la turbina, con un eje central (3, 24) en la dirección vertical, cuyos lados cóncavos están parcialmente enfrentados, cada uno con un diámetro de cuerda (29) de distanciac,que se refiere a la distancia sobre la cara interior (22) de las palas,

en la que dichas palas (21) están espaciadas a una distanciaa(26) que pasa en una línea recta a través del eje (3, 24) de diámetro de ejesd(25), desde un punto de extremo interior (22) del semicírculo de la primera pala (21) hasta un punto de extremo interior del semicírculo de la segunda pala opuesta, estando la ubicación del punto de extremo interior (22) enfrentada a la pala opuesta a menos de la mitad de la distancia del diámetro de cuerda (29) desde el punto de extremo interior (22) de la primera pala (21) hasta un punto de extremo exterior de la pala opuesta,

caracterizada por que

dichas palas (21) presentan una superposiciónb(27), que es una prolongación en el extremo de los puntos de extremo interiores de ambas palas, sustancialmente perpendicular en un plano horizontal a la línea virtual que une los dos puntos de extremo interiores y el centro del eje (3, 24), comprendiendo dicha superposición un cuerpo sustancialmente recto que se extiende desde el punto de extremo interior de cada pala (21), y por que

- la distanciaaes de 3 a 4 veces el diámetro del ejesd,preferentemente 3.5 aproximadamente el diámetro del ejesd,

- la distanciaces de 6 a 7.2 veces el diámetro del ejesd,preferentemente 6.6 veces aproximadamente el diámetro del ejesd, y

dicha superposiciónb(27) es de 0 a 4 veces el diámetro del ejesd.

2. Turbina según la reivindicación 1, en la que el diámetro del ejesdes de 100 mm.

3. Turbina según la reivindicación 1, en la que dicha superposición es aproximadamente 0.2 veces el diámetro del ejesd.

4. Turbina según la reivindicación 1, en la que las palas no presentan una cubierta superior conectada a las palas en las puntas superiores.

5. Turbina según la reivindicación 1, en la que las palas no presentan base de conexión inferior.

6. Turbina según la reivindicación 1, que comprende además:

- una variación del diámetro del semicírculo a lo largo de la mayor parte de la altura vertical de las palas de menos del 15 %.

7. Turbina según la reivindicación 1, en la que las dos palas están configuradas como una doble curva.

8. Procedimiento de realización de un turbina eólica de eje vertical según la reivindicación 1 o cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, que comprende dos palas (21) similares, sustancialmente semicirculares en un plano horizontal para cualquier sección transversal a lo largo de la altura de la turbina, con un eje central (24) en la dirección vertical, cuyas caras cóncavas están parcialmente enfrentadas, cada una con un diámetro de cuerda (29) de distanciac, que se refiere a la distancia en la cara interior de las palas, pasando dichas palas espaciadas a una distanciaaen una línea recta por el eje de diámetro de ejesd(25), desde un punto de extremo interior del semicírculo de la primera pala hasta un punto de extremo interior del semicírculo de la segunda pala opuesta, estando la ubicación del punto de extremo interior (22) enfrentada a la pala opuesta a menos de la mitad de la distancia de la cuerda (29) desde el punto de extremo interior (22) de la primera pala hasta un punto de extremo exterior de la pala opuesta, proporcionando las etapas siguientes:

- seleccionar el diámetro del ejesd,

- hacer que la distancia a desde el interior de una pala al interior del otro que pasa por el centro del eje sea sustancialmente de 3 a 4 veces el diámetro del ejesd,preferentemente 3.5 aproximadamente el diámetro del ejesd,

- hacer que las superposicionesb(27) sean de 0 a 4 veces el diámetro del ejesd,y

- hacer las longitudes de cuerdacde 6 a 7.2 veces el diámetro del ejesd,preferentemente 6.6 veces aproximadamente el diámetro del ejesd.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, que comprende además:

- realizar superposiciones de aproximadamente 20 % veces el diámetro del ejesd,con un intervalo entre el 0 % y el 40 %,

10. Procedimiento según la reivindicación 8 o 9, que comprende además la etapa siguiente:

ajustar la carga de la turbina para que la relación de velocidad de punta sea lo más eficiente posible.