WO2004076854A1 - Aerogenerador perfeccionado para aplicaciones de baja potencia - Google Patents

Abstract

Se describe un aerogenerador para aplicaciones de baja potencia, del tipo de los que se utilizan para el aprovechamiento de la energía eólica, en el que las palas han sido dotadas de un diseño de perfil que, junto la división en sectores de la superficie del cono de captación, permiten un aprovechamiento óptimo de la acciõn del aire incidente. La veleta está sustentada por un mástil con inclinación predeterminada, y la unión al casquillo giratorio se realiza en posición desplazada respecto al plano vertical diametral. Incluye un circuito electrónico de control que trabaja en alta frecuencia y que, junto con un software específico, contribuye igualmente a la optimización del rendimiento del conjunto.

Description

"AEROGEMERADOR PERFECCIONADO PARA APLICACIONES DE BAJA POTENCIA"

DESCRIPCIÓN

Objeto de la Invención

La presente invención se refiere a un aerogenerador perfeccionado para aplicaciones de baja potencia, que aporta esenciales características de novedad y notables ventajas con respecto a los medios conocidos y utilizados para los mismos fines en el estado actual de la técnica.

Más en particular, la invención propone el desarrollo de un aerogenerador destinado especialmente a aplicaciones de baja potencia y susceptible de conexión a red, concebido y diseñado de manera que presenta un comportamiento sensiblemente mejorado con respecto a los aerogeneradores convencionales de su misma especie, junto con un importante incremento de su rendimiento que es consecuencia directa del diseño de sus componentes (palas, cono de captación, etc.)- para un mejor aprovechamiento de la corriente de aire incidente, y también consecuencia de una elección adecuada de otros componentes constitutivos de secciones principales del aerogenerador, como es el caso de la utilización de imanes permanentes de neodimio bajo unas condiciones de trabajo determinadas, con refrigeración incluida, y dispuestos de una manera tal que al menos una de las separaciones entre imanes sucesivos difiere de las demás.

El campo de aplicación de la invención se encuentra comprendido dentro del sector industrial dedicado a la fabricación y/o instalación de equipos y dispositivos para el aprovechamiento de energías alternativas en general, y de la energía eólica en particular. Antecedentes de la Invención

Es de todos conocido el hecho de que las energías alternativas para la producción de energía eléctrica, están experimentando un desarrollo creciente en todos los países, puesto que aportan soluciones, al menos parcialmente, a problemas que de otra manera resultarían difíciles de resolver. Tal es el caso, por ejemplo, de viviendas situadas en lugares aislados, cuya electrificación resulta muy costosa, y que en consecuencia deben recurrir a la utilización de equipos electrógenos o similares, con todas las inconveniencias asociadas a los mismos.

En particular, la energía eólica supone una aportación importante dentro del conjunto de soluciones alternativas, y ofrece la posibilidad de aprovechar la fuerza del viento para la generación de energía eléctrica, la cual puede ser almacenada y aprovechada cuando se precise con la utilización de un equipamiento apropiado.

Existen en el estado de la técnica algunos tipos de aerogeneradores que están construidos de modo que presentan un elemento rotor impulsado por la acción del viento al incidir sobre un grupo de palas externas, de modo que dicho rotor monta un bobinado inducido en el que se genera una corriente eléctrica por medio de una pluralidad de imanes permanentes constitutivos del estator del conjunto. La instalación incluye, lógicamente, elementos de regulación asociados a los dispositivos generadores, y también elementos acumuladores destinados al almacenaje de la energía generada.

Aunque las instalaciones conocidas contribuyeron en su momento a aportar soluciones a la problemática existente, lo cierto es que no están exentas de inconvenientes que afectan a su funcionamiento, a su rendimiento, a su comportamiento, a la vida útil, a las necesidades de mantenimiento, ...., etc., por lo que sería deseable poder disponer de aerogeneradórés que permitieran llevar a cabo una simplificación adecuada de todo el proceso, en beneficio de un mejor rendimiento y de unas necesidades de mantenimiento más reducidas.

Este objetivo ha sido alcanzado plenamente por el aerogenerador propuesto por la presente invención, el cual será objeto de descripción en lo que sigue, y cuyas características principales constituyen la parte caracterizadora de la reivindicación 1 anexa.

Descripción de la Invención Tal y como se ha dicho, el aerogenerador de la invención aporta soluciones efectivas a las necesidades actuales, al proporcionar un dispositivo que permite un mejor aprovechamiento de la corriente de aire incidente, operando incluso a velocidad del viento mucho más baja que los actuales, y disponiendo para ello de un conjunto de elementos que proporcionan las funcionalidades enunciadas en lo que antecede.

El aerogenerador de la invención, destinado en especial a aplicaciones de baja potencia, consta de un dispositivo rotor soportado por rodamientos separados entre sí por una distancia apreciablemente mayor que en los aerogeneradores actuales, para lo cual se ha redimensionado toda la estructura con respecto a estos últimos; el conjunto rotor incorpora un bobinado inducido que gira en el interior del campo magnético creado por una sucesión de imanes de neodimio montados en el estator, separados por entrehierros de los que al menos uno de ellos proporciona una distancia diferente a las demás. En el interior, se han dispuesto aletas que giran junto con el rotor, y que determinan la formación de una corriente de aire mediante la que se proporciona refrigeración a los imanes de neodimio. Por su parte, las palas vinculadas al rotor y sobre las que incide el aire en movimiento, han sido diseñadas con un perfil tal que presentan una disminución pronunciada de su anchura, con bordes arqueados, a partir de su extremo de unión al conjunto rotor, mientras que una vez superada esa primera porción, su estrechamiento se produce hacia el extremo opuesto de una manera mucho más progresiva y suave, determinando en general palas de relativamente poca anchura. Además , las palas presentan una cierta curvatura según su eje longitudinal, en relación con el plano que las contiene, con concavidad hacia adelante, es decir, con concavidad hacia el lado sobre el que incide el viento, con el fin de compensar el esfuerzo derivado de la acción del viento e impedir que la flexión derivada pudiera incluso llegar a hacerlas rozar o tropezar con la estructura fija del aerogenerador. La invención ha previsto también la configuración de un cono de captación con un diseño especial, en el que su superficie está dividida en un número de porciones de tal modo que todas y cada una de ellas presentan una curvatura determinante de una depresión progresiva que determina un borde de salida del aire incidente, de tal modo que la reacción consiguiente a la cantidad de aire incidente favorece el movimiento del conjunto en el sentido de giro de las palas.

En lo que se refiere a la veleta, está construida y dímensíonada de tal modo que se une al conjunto rotórico por medio de un brazo inclinado, quedando situada a una altura equivalente aproximadamente al alcance de las palas, lo que no representa problema alguno para la correcta actuación de dicha veleta, dada la superficie relativamente estrecha ocupada por las porciones correspondientemente enfrentadas de dichas palas. La capacidad de orientación proporcionada por la veleta permite llevar al conjunto de palas prácticamente a una posición de "bandera" en caso de rachas de viento huracanado o de fuerza suficientemente superior a la conveniente.

Como característica constructiva adicional, la construcción de las palas ha previsto la incorporación de fibras en su estructura, de modo que en caso de rotura, se evitaría el desprendimiento de las porciones como consecuencia de la velocidad de giro o de la acción del viento incidente.

También de acuerdo con la invención, se ha previsto la incorporación de un conjunto de medios de regulación y control, todos ellos reunidos en un armario único, mediante los que se puede llevar a cabo una acción reguladora de características tales como un frenado progresivo, un sistema fotovoltaico asociado, la actuación de un cargador de baterías con energía procedente del grupo o de la red, la monitorización de todos los valores en el equipo, y la incorporación de un puerto de comunicaciones de tipo RS-232 para monitorización y control remoto.

Breve Descripción de los Dibujos Estas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma preferida de realización, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La Figura 1 muestra una vista esquematizada, en alzado frontal, de una pala del tipo de las utilizados por el aerogenerador de la invención, junto con una sucesión de secciones transversales tomadas en distintas posiciones de la misma ;

La Figura 2 muestra vistas de la pala de la Figura 1, destinadas a mostrar en detalle la curvatura adoptada por la misma;

La Figura 3 muestra sendas vistas del cono de captación del aerogenerador;

La Figura 4 está constituida por representaciones que muestran distintas secciones practicadas en el cono de captación según distintos planos de corte transversal;

Las Figuras 5a a 5c muestran vistas respectivas del montaje del plato rotatorio del aerogenerador;

Las Figuras 6a y 6b muestran vistas en alzado y perfil de la veleta incorporada por el aerogenerador de la invención;

La Figura 7 muestra detalles, en alzado y perfil, relativos al montaje de la veleta del aerogenerador;

Las Figuras 8a y 8b ilustran vistas esquemáticas de la rueda polar y de una sección parcial, a un cuarto, practicada en la misma;

La Figura 9 ilustra una vista despiezada del montaje de los distintos componentes del aerogenerador de la invención;

La Figura 10 es un esquema eléctrico del circuito asociado al aerogenerador, y

Las Figuras 11 y 12 son diagramas de flujo ilustrativos del funcionamiento del aerogenerador y de la regulación de potencia soportada por el aerogenerador de la invención.

Descripción Detallada de la Invención

Tal y como se ha indicado en lo que antecede', la descripción detallada de la invención va a ser llevada a cabo en lo que sigue con la ayuda de los dibujos anexos, a través de los cuales se utilizan referencias numéricas para designar las distintas partes y piezas que integran el aerogenerador. Así, atendiendo a las distintas representaciones, se aprecia lo siguiente:

Figura 1 : representa la pala 1 del conjunto de palas incorporadas por el aerogenerador y sobre las que incide el viento para provocar el giro del conjunto rotor. Según se aprecia, la pala ha sido diseñada con un perfil aerodinámico muy específico que viene especificado por las secciones A-A a H-H que aparecen asimismo representadas en esta misma Figura, y merced a cuyo diseño se ha obtenido un rendimiento óptimo del conjunto en virtud del mejor aprovechamiento de la acción del aire incidente.

Figura 2: muestra la misma pala 1 de la Figura anterior, en cuya vista de perfil se aprecia la curvatura proporcionada a la misma según su dirección longitudinal, con concavidad enfrentada a la parte de recepción o incidencia del viento, con el fin de compensar los esfuerzos derivados de dicha incidencia.

Figura 3: muestra vistas tomadas frontal y lateralmente, del cono de captación presentado frontalmente por el aerogenerador, constitutivo del elemento de cierre por esta parte, indicado en general con la referencia numérica 2, y que adopta una configuración aproximadamente semiesferica, con su superficie externa dividida en tres porciones delimitadas por perfiles que colaboran con el giro del conjunto cuando se produce la incidencia del aire sobre las mismas .

Figura 4 : La mencionada división en sectores de perfil predeterminado a que se alude en relación con la Figura anterior, aparece mostrada más claramente en las distintas representaciones de esta Figura, en las que se aprecian secciones transversales tomadas por distintos planos A-B, C- D y E-F, y la configuración seguida por la superficie en función de la distancia al plano interior del cono de captación. Como se ha dicho, el perfil superficial ha sido concebido y diseñado para favorecer el giro del rotor del aerogenerador.

Figuras 5a - 5c: Estas Figuras muestran esquemáticamente el montaje del plato rotórico del aerogenerador en el eje de soporte. El plato rotórico, indicado con la referencia numérica 3, es de forma circular, presenta una pared cilindrica 4 concéntrica, de diámetro predeterminado, emergente ortogonalmente desde una de sus caras , e incorpora orificios 5 alineados por fuera de dicha pared cilindrica 4 a una distancia radial predeterminada, así como otros orificios 6 situados a una distancia tal que quedan alineados a lo largo de un circunferencia situada por el interior de dicha pared cilindrica 4 y a un cierta distancia de esta última. El acoplamiento del plato rotórico 3 al eje de soporte 7 aparece mostrado más claramente en las Figuras 5b y 5c, que corresponden con secciones parcial y diametral realizadas en el montaje mencionado, y de modo que dicha Figura 3c (junto con la Figura 3a) representa además la fijación entre el plato rotórico 3 y el eje 7 mediante la utilización de cartelas externas 8 y cartelas internas 9, diseñadas con perfiles y configuraciones adaptadas específicamente al uso previsto. Figuras 6a - 6b: Esas Figuras muestran representaciones en alzado lateral y perfil de la veleta incorporada por el aerogenerador de la invención. La configuración perimetral adoptada por la veleta, junto con la dimensión transversal de su perfil y la posición elevada respecto a las palas 1 del aerogenerador, hacen que no exista prácticamente incidencia alguna con la corriente generada por el movimiento de las palas.

Figura 7: Precisamente, esta Figura ilustra esquemáticamente el montaje de la veleta 10 con la utilización de un eje 11 inclinado, correspondiendo la cantidad de inclinación del eje con un ángulo predeterminado para la consecución del efecto deseado, y que en la realización preferida de la invención corresponde con un ángulo de alrededor de 242, pero que esta magnitud no debe ser interpretada como limitativa puesto que puede ser variada en función de las necesidades. La vista de perfil de ambos elementos de veleta y eje de soporte inclinado, muestra la posición relativa en la que quedan ambos una vez montados.

Figuras 8a - 8b: Ilustran el montaje de la rueda polar con la pluralidad de imanes de neodimio que incorpora. La rueda polar, indicada con la referencia numérica 12, consiste básicamente en una pieza cilindrica a cuya cara interna se han fijado los distintos imanes 13. Como se ha indicado anteriormente, las separaciones entre imanes sucesivos constitutivas de los entrehierros, son uniformes a lo largo de la circunferencia completa, salvo en lo que se refiere a dos de ellos, identificados con la referencia numérica 13a, entre los que existe una distancia mayor. Dichos imanes están refrigerados por aletas internas que proyectan aire sobre los mismos cuando el aerogenerador se encuentra en su condición operativa. Figura 9: Esta representación muestra un despiece de los diversos elementos que integran el aerogenerador de la invención, estando todos ellos situados en sus posiciones mutuamente relativas. Además de los ya descritos en las Figuras anteriores, se aprecian otros necesarios para el correcto montaje de la estructura de conjunto, entre los que cabe destacar el eje 14 de soporte en colaboración con la pieza estructural 15 vinculada solidariamente al casquillo de giro 16, y todo ello soportado por el montante 17 constitutivo del soporte de orientación; en esta Figura se aprecia también la vinculación entre el mástil 11 de la veleta 10 y la parte del casquillo 16 diametralmente opuesta al soporte 15, pero en posición lateralmente desplazada con respecto a dicho plano vertical diametral.

Figura 10: Ilustra un esquema eléctrico representativo de los diferentes elementos que componen la parte eléctrica y/o electrónica del conjunto, estando todo ello controlado con microprocesador M. A partir de los elementos generadores G desde los que se alimentan los elementos de almacenaje B de energía, se aprecia que el conjunto incorpora medios (resistencias) de frenado F accionables I en caso de un exceso de alimentación, condensadores Cl , una etapa de alta frecuencia AF en la que se han incluido medios reguladores de la tensión de salida y demanda de intensidad, un transformador T de alta frecuencia, un filtro R para la tensión procedente del secundario del transformador T; y un terminal de salida S para la conexión del conjunto a la red o a los aparatos de consumo de DC (corriente continua) . El microprocesador M incluye conexiones para display y teclado de control (bloque D) , así como una conexión de entrada para las señales procedentes del anemómetro A indicador de a dirección del viento.

Figuras 11 y 12: Finalmente, estas Figuras muestran diagramas de flujo indicativos de las diversas fases y secuencias presentes durante el funcionamiento del aerogenerador, con las distintas funciones de control incorporadas por el software específico del conjunto. Cada bloque de cada uno de los dos diagramas comentados , contiene en su interior la función que ha de ser ejecutada dependiendo de que se cumplan o no las condiciones previamente establecidas. La lectura del contenido de los distintos bloques indica claramente las características y detalles de cada una de las funciones específicas mencionadas .

No se considera necesario hacer más extenso el contenido de esta descripción para que un experto en la materia pueda comprender su alcance y las ventajas derivadas de la invención, así como desarrollar y llevar a la práctica el objeto de la misma.

No obstante, debe entenderse que la invención ha sido descrita según una realización preferida de la misma, por lo que puede ser susceptible de modificaciones sin que ello suponga alteración alguna del fundamento de dicha invención, pudiendo afectar tales modificaciones, en especial, a la forma, al tamaño y/o a los materiales de fabricación de las diferentes partes y piezas que componen la estructura mecánica del aerogenerador, o incluso al software de gestión incluido en el conjunto para una perfecta adaptación a las distintas condiciones de instalación y uso.

Claims

REIVINDICACIONES

1. - Aerogenerador perfeccionado para aplicaciones de baja potencia, del tipo de los que proporcionan un dispositivo rotor susceptible de ser accionado giratoriamente como consecuencia de la reacción de un grupo de palas vinculadas al mismo y sobre las que incide el viento por una de sus caras, para la generación de energía eléctrica por medio de un inducido que se mueve en el campo magnético creado por una sucesión de imanes permanentes, y estando la orientación del conjunto regulada por medio de una veleta que actúa directamente sobre el conjunto rotórico, que se caracteriza porque: las palas giratorias han sido diseñadas con un perfil aerodinámico de tal modo que presentan una variación de anchura que a partir del extremo interior o extremo de sujeción, y durante una primera porción longitudinal predeterminada, disminuyen progresivamente de anchura de forma muy acusada, de manera que, una vez superada esa primera porción longitudinal, la disminución de anchura durante el resto de la longitud de la pala, en dirección hacia el extremo libre, se realiza de forma mucho más leve, pero dando lugar a una segunda porción longitudinal de anchura relativamente estrecha; porque cada una de las palas presenta un perfil curvado con respecto al plano radial que las contiene, de modo que dicha curvatura está realizada de modo que la concavidad está enfrentada a la dirección de incidencia del viento; porque el cono de captación se ha realizado de manera que presenta su cara exterior dividida en secciones superficiales, cada una de ellas deprimida siguiendo una curvatura superficial orientada hacia el borde de salida de esa sección, de manera que la reacción derivada de la incidencia del viento sobre el cono de captación, favorece el movimiento de éste en el sentido de giro de las palas; porque la veleta de orientación está unida al conjunto rotórico por medio de un brazo inclinado, de tal modo que la altura final de dicha veleta es tal que queda prácticamente a la misma altura tal que equivale aproximadamente con el alcance de las palas; porque la unión del brazo de la veleta al conjunto rotórico se realiza en una posición tal que está desplazada lateralmente con respecto al eje de este último; porque el campo magnético en el que se mueve el inducido asociado al rotor, se obtiene con la ayuda de imanes permanentes de neodimio, separados sucesivamente entre sí por entrehierros respectivos, y de tal manera que al menos una de las separaciones de entrehierro presenta una dimensión distinta a las del resto; porque el conjunto rotor incluye un conjunto de aletas, arrastradas por aquél en cuanto a giro, mediante las que se crea una corriente de aire para la refrigeración de los imanes, y que circula longitudinalmente por el interior de la carcasa de cierre del conjunto rotórico, entrando el aire por uno de sus extremos y saliendo por una abertura realizada en el extremo opuesto, y porque el aerogenerador incorpora además de un sistema de regulación, tanto para el propio aerogenerador como de otros elementos complementarios externos asociados al mismo (característica de frenado progresivo, paneles fotαvoltaicos, cargador de baterías, puesta en marcha de grupo electrógeno, entre otros), y en el que se ha incorporado también un puerto de comunicaciones de tipo RS- 232, para la monitorización y control remoto del conjunto.

2.- Aerogenerador según la reivindicación 1, que se caracteriza porque las palas incluyen además en su estructura, la incorporación de fibras en evitación del desprendimiento o proyección de alguna de sus partes en caso de rotura accidental.