WO2014188019A1 - Sistema de captación de viento de geometría variable para aerogeneradores de eje vertical - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a wind energy collection system, understanding as such an artifact that receives wind energy to rotate an axis in order to transform wind energy into electrical energy, for vertical axis wind turbines that allows controlling its resistance to the passage of wind by varying its geometry without mechanical transmission elements in order to maximize its performance at every moment.
- no current device allows to reorient the wind pick-up element in a progressive and continuous way to optimize the angle of incidence in front of the wind at all times without using mechanical elements for this purpose.
- the object of the invention is to govern the movement of the mobile elements of the collection system, also known as slats, without any physical contact, that is, without any type of mechanical transmission. It is also allowed to select the exact position of the slats at each moment or selectively disconnect those that are necessary to regulate the rotation speed of the rotor of the vertical axis wind turbine.
- the slat orientation mechanism is activated only for 180 ° of a full turn of the wind turbine rotor (ie, half a turn), during which time the orientation of each blade is selected. During the rest of a complete rotation of the rotor, the remaining 180 °, the positioning mechanism is turned off and the slats are reoriented by themselves perpendicular to the wind direction taking advantage of the wind vane effect and offering the minimum resistance to the passage of wind, which is a great advantage in in terms of energy optimization, aerodynamics (since no physical transmission elements exposed to wind are necessary) and system response speed.
- -It comprises a pair of aerodynamic elements of fixed geometry, known as blades, which make up the structure of the wind pick-up system and endow it with the bucket effect generating a cavity where to house the slats.
- slats mobile aerodynamic elements
- Figure 1. Shows a general representation of a preferred practical embodiment of the variable geometry feedback element.
- Figure 2. Shows one of the mobile wind pick-up elements, also known as lama.
- Figure 3. Shows a side view of the wind collection system.
- Figure 4. Shows the internal structure of the invention, as well as the electromagnetic transmission system.
- Figure 5. Shows one of the support plates for electromagnets.
- Figure 6. It shows a plan view of an example of a vertical axis wind turbine with several wind elements of variable geometry.
- Figure 7. Shows an example of a vertical axis wind turbine rotor with the collection system object of the present invention.
- the invention consists of a variable geometry wind pick-up element comprising a pair of horizontal aerodynamic blades, (2) and (3), which house between them. a series of fins or slats, (4), (5), (6), (7) and (8), capable of pivoting or rotating vertically.
- the entire structure can be fixed at one end to a rotor of a vertical axis wind turbine thanks to a support piece (1) with holes for fixing screws.
- Figure 2 shows one of the mobile slats or flaps. It is a fin with an aerodynamic profile that has a hole (11) in its central part that allows to introduce an axis inside so that it can rotate or pivot on itself. At the upper ends, there are two discs, (9) and (10), which can be made of a ferro magnetic metal or permanent neodymium magnets. It can also be seen that the edges of the plank, (37) and (38), are slightly curved, a fact that allows it to behave like a weather vane when the orientation system is disconnected and free rotation is allowed thanks to the action of the wind, since the surface of the two halves of the plank, with respect to its axis, are not equal.
- Figure 3 shows a side view of the assembly at the moment when all the slats are oriented perpendicular to the wind direction, that is, offering the maximum possible resistance to the wind advance. It can be seen that thanks to the geometry of the elements, the assembly forms a cavity similar to a "U". It is appreciated that the air flow incident on the left finds the obstruction of the blade-blade assembly and is forced to retreat, significantly reducing the wind speed and increasing the pressure it exerts on the blades.
- Figure 4 shows the internal structure.
- Two beams stand out, (12) and (13), which define the structure and are embedded in the support (1).
- On these beams there are a series of supports, (20), (21), (22), (23) and (24), to accommodate bearings for shafts, thus allowing to fix the slats with the possibility of rotating on themselves .
- the set also has a series of plates, (15), (16), (17), (18), and (19), which have the function of housing electromagnets to govern the rotation of the slats.
- Figure 5 shows in detail one of the plates for housing electromagnets. It is appreciated that it has a hole (39) in its central part that serves to accommodate a bearing for the upper end of the axis of a blade. On its periphery, there are a series of electromagnets, (25), (26), (27), (28), (29) and (30).
- Figure 6 shows a plan view of an example of a vertical axis wind turbine with several wind pick-up elements such as those described above.
- the example has 6 pickup elements, (31), (32), (33), (34), (35) and (36), with three slats each, located at different height and fixed to a rotor.
- the incident wind must fork when approaching the wind turbine: -On the right side, when the slats are in an aerodynamic position of minimum resistance to wind advance, it can continue without being modified or in direction, pressure or speed, since it can circulate freely through the cavities between the slats and the Pallas.
- FIG. 7 An example of a vertical axis wind turbine rotor provided with the pick-up system object of the present invention is shown in Figure 7. It is appreciated that the system has three pairs of sensors, (41) and (42), (43) and (44), (45) and (46), located at three heights and coupled to the same central body or structure (47 ). As can be seen in the drawing, the collection elements embrace the central structure at the greatest possible angle in order to better distribute the loads, even reaching 180 ° angles, which would imply that two collection elements would share the fixing element to the central structure.
- the electromagnets that are most convenient at each moment in each dish are activated by an electric signal, (15), (16), (17), (18) and (19), through a control system electric or electronic that takes as reference value the one provided by a weather vane (48).
- said pair of electromagnets is allowed to attract the two discs, (9) and (10), which has the slat located under the plate containing said electromagnets. In this way the rotation of the slat is allowed to the desired position and remains fixed in that position until another pair of electromagnets is activated or the rotation is released (turning off all the electromagnets of the plate on the slat in question).
- any system such as a catenary or a brush system, can be used.
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Abstract
Sistema de captación de energía eólica para aerogeneradores de eje vertical que permite controlar su resistencia al paso del viento para regular la velocidad de giro del rotor (47) modificando su geometría de forma controlada e independiente sin emplear elementos de transmisión mecánicos. Comprende unas parejas de palas, (43) y (44), que componen la estructura del sistema y generan una cavidad donde alojar una serie de elementos pivotantes, (45) y (46), los cuales se reorientan mediante unos electroimanes ubicados en el interior de las palas que atraen y repelen los extremos de los elementos móviles reorientándolos y fijándolos en la posición deseada en cada instante, tomando como referencia la dirección del viento proporcionada por una veleta (48).
Description
SISTEMA PE CAPTACIÓN DE VIENTO DE GEOMETRÍA VARIABLE
PARA AEROGENERADORES DE EJE VERTICAL
Objeto de la invención
La invención se refiere a un sistema de captación de energía eólica, entendiendo como tal un artefacto que recibe la energía del viento para hacer rotar un eje con la finalidad de transformar la energía eólica en energía eléctrica, para aerogeneradores de eje vertical que permite controlar su resistencia al paso del viento variando su geometría sin elementos de transmisión mecánicos con el objeto de maximizar su rendimiento en cada instante.
Antecedentes de la invención
En el actual estado de la técnica existen múltiples sistemas de captación para aerogeneradores de eje vertical de geometría variable.
Pese a que el objetivo que se persigue es el mismo, todos los dispositivos presentes en el actual estado de la técnica consisten en palas móviles accionadas por elementos mecánicos de accionamiento y transmisión. Es decir, todos ellos poseen algún tipo de unión física entre el sistema motriz y el elemento móvil de captación de viento.
Algunos ejemplos de esta tecnología pueden observarse en documentos como el ES-2303490 o el U-200400049, que permite voltear las palas mediante un accionamiento mecánico variando así la geometría del elemento de captación. No obstante, esta tecnología únicamente permite un control todo o nada, es decir, las palas se voltean bruscamente entre la posición vertical y horizontal, lo que impide ningún control para fijarlas en posiciones intermedias.
Otro ejemplo es el que aparece en el documento U-200601576, donde se aprecia que las palas móviles se accionan mediante un motor eléctrico y un sistema de transmisión mecánico.
Es decir, ningún dispositivo actual permite reorientar el elemento de captación de viento de forma progresiva y continua para optimizar el ángulo de incidencia frente al viento en todo momento sin emplear elementos mecánicos para tal fin.
Por otro lado, se observa que todos los sistemas de captación de geometría variable actuales se basan en palas planas rectangulares o levemente curvadas. Todos los sistemas actuales que se basan en turbinas tipo Pelton (sistema de captación de tipo cuchara con forma de cavidad) no permiten variar la geometría del sistema de captación.
Descripción de la invención
El objeto de la invención consiste en gobernar el movimiento de los elementos móviles del sistema de captación, también conocidos como lamas, sin ningún contacto físico, es decir, sin ningún tipo de transmisión mecánica. Además se permite seleccionar la posición exacta de las lamas en cada instante o desconectar selectivamente las que sean necesarias para regular la velocidad de giro del rotor del aerogenerador de eje vertical.
El mecanismo de orientación de las lamas se activa únicamente durante 180° de una vuelta completa del rotor del aerogenerador (es decir, media vuelta), tiempo durante el que se selecciona la orientación de cada lama. Durante el resto de un giro completo del rotor, los 180° restantes, el mecanismo de posicionamiento se apaga y las lamas se reorientan por sí solas perpendiculares a la dirección del viento aprovechando el efecto veleta y ofreciendo la mínima resistencia al paso del viento, lo que supone una gran ventaja en
cuanto a optimización energética, aerodinámica (ya que no son necesarios elementos de transmisión físicos expuestos al viento) y velocidad de respuesta del sistema.
La invención se caracteriza fundamentalmente porque:
-Comprende una pareja de elementos aerodinámicos de geometría fija, conocidos como palas, que componen la estructura del sistema de captación de viento y lo dotan del efecto cuchara generando una cavidad donde alojar las lamas.
-Comprende un conjunto de elementos aerodinámicos móviles, conocidos como lamas, que componen el sistema de geometría variable de captación de viento.
-Comprende un sistema de orientación electromagnético de las lamas.
Descripción de los dibujos
Para comprender mejor el objeto de la presente invención, se representa en los planos del presente documento una forma preferente de realización práctica, susceptible a cualquier futura modificación que no desvirtúe su fundamento, a modo de ejemplo ilustrativo y no limitativo.
La figura 1. - Muestra una representación general de realización práctica preferente del elemento de captación de geometría variable.
La figura 2. - Muestra uno de los elementos móviles de captación de viento, también conocido como lama.
La figura 3. - Muestra una vista lateral el sistema de captación de viento.
La figura 4. - Muestra la estructura interna de la invención, así como el sistema de transmisión electromagnético.
La figura 5. - Muestra uno de los platos soporte para electroimanes.
La figura 6. - Muestra una vista en planta de un ejemplo de aerogenerador de eje vertical con varios elementos de captación de viento de geometría variable.
La figura 7. - Muestra un ejemplo de rotor de aerogenerador de eje vertical con el sistema de captación objeto de la presente invención.
Realización práctica preferente de la invención
Como puede observarse en el diseño de realización práctica preferente reflejado en la figura 1, la invención consiste en un elemento de captación de viento de geometría variable que comprende una pareja de palas aerodinámicas horizontales, (2) y (3), que alojan entre ellas una serie de aletas o lamas, (4), (5), (6), (7) y (8), capaces de pivotar o rotar verticalmente. Toda la estructura puede fijarse por un extremo a un rotor de un aerogenerador de eje vertical gracias a una pieza soporte (1) con orificios para tornillos de fijación.
En la figura 2 se muestra una de las lamas o aleteas móviles. Se trata de una aleta con perfil aerodinámico que posee un orificio (11) en su parte central que permite introducir un eje en su interior para que pueda rotar o pivotar sobre sí misma. En los extremos superiores, se encuentran dos discos, (9) y (10), que pueden ser de un metal ferro magnético o imanes permanentes de neodimio. Se puede apreciar también que los filos de la lama, (37) y (38), están levemente curvados, hecho que permite que se comporte como una veleta cuando se desconecta el sistema de orientación y se le permite el giro libre gracias a la acción del viento, dado que la superficie de las dos mitades de la lama, con respecto a su eje, no son iguales.
En la figura 3 se observa una vista lateral del conjunto en el instante en que todas las lamas están orientadas perpendicularmente a la dirección del viento, es decir,
ofreciendo la máxima resistencia posible al avance del viento. Puede observarse que gracias a la geometría de los elementos, el conjunto forma una cavidad similar a una "U". Se aprecia que el flujo de aire incidente por la izquierda encuentra la obstrucción del conjunto lamas-palas y se ve obligado a retroceder, disminuyendo notablemente la velocidad del viento y aumentando la presión que este ejerce sobre las lamas.
Pese a que la figura representa la situación de máxima resistencia al viento con las lamas orientadas a 90 grados respecto al viento, el "efecto cavidad" está presente durante el giro completo del captador de viento en todas sus posiciones intermedias.
En la figura 4 se representa la estructura interna. Destacan dos vigas, (12) y (13), que definen la estructura y que están empotradas en el soporte (1). Sobre estas vigas, hay una serie de soportes, (20), (21), (22), (23) y (24), para alojar rodamientos para ejes, permitiendo así fijar las lamas con la posibilidad de que roten sobre sí mismas. El conjunto posee además una serie de platos, (15), (16), (17), (18), y (19), que tienen la función de alojar electroimanes para gobernar el giro de las lamas.
La figura 5 muestra en detalle uno de los platos para alojar electroimanes. Se aprecia que posee un orificio (39) en su parte central que sirve para alojar un rodamiento para el extremo superior del eje de una lama. En su periferia, se encuentran una serie de electroimanes, (25), (26), (27), (28), (29) y (30).
En la figura 6 se observa una vista en planta de un ejemplo de un aerogenerador de eje vertical con varios elementos de captación de viento como los anteriormente descritos. El ejemplo posee 6 elementos de captación, (31), (32), (33), (34), (35) y (36), con tres lamas cada uno, ubicados a distinta altura y fijados a un rotor. El viento incidente debe bifurcarse cuando se aproxima al aerogenerador:
-Por el lado derecho, al encontrarse las lamas en posición aerodinámica de mínima resistencia al avance del viento, puede continuar sin apenas verse modificado ni en dirección, presión o velocidad, ya que puede circular libremente a través de las cavidades entre las lamas y las palas.
-Contrario a esto, el flujo que toma el lado izquierdo encuentra una gran resistencia al avance al encontrarse las lamas en su posición de máxima resistencia al viento, cerrando así las cavidades entre lamas contiguas. Este efecto obliga al aerogenerador a rotar sobre sí mismo.
En la figura 7 se muestra un ejemplo de rotor de aerogenerador de eje vertical dotado del sistema de captación objeto de la presente invención. Se aprecia que el sistema posee tres parejas de captadores, (41) y (42), (43) y (44), (45) y (46), ubicados en tres alturas y acopladas a un mismo cuerpo o estructura central (47). Tal y como se aprecia en el dibujo, los elementos de captación abrazan a la estructura central con el mayor ángulo posible con el fin de repartir mejor las cargas, pudiendo llegar incluso a ángulos 180°, lo que implicaría que dos elementos de captación compartirían el elemento de fijación a la estructura central.
A continuación se describe resumidamente el funcionamiento de la invención en su modo de fabricación preferente.
Para permitir que las lamas, (4), (5), (6), (7) y (8), se encuentren en todo momento orientadas tanto en posición máxima oposición al avance del viento (durante 180° de una vuelta completa) como en posición de mínima oposición (los otros 180° de una vuelta completa) se activan mediante una señal eléctrica los electroimanes que más convengan en cada instante en cada plato, (15), (16), (17), (18) y (19), mediante un sistema de control
eléctrico o electrónico que toma como valor de referencia el proporcionado por una veleta (48).
Activando éstos por parejas, por ejemplo (25) y (28), se permite que dicha pareja de electroimanes atraiga hacia sí los dos discos, (9) y (10), que posee la lama ubicada bajo el plato que contiene dichos electroimanes. De esta forma se permite el giro de la lama hasta la posición deseada y se queda fija en esa posición hasta que se active otra pareja de electroimanes o se libere el giro (apagando todos los electroimanes del plato que hay sobre la lama en cuestión).
Para transmitir las señales eléctricas pertinentes al sistema, puede emplearse cualquier sistema, como por ejemplo una catenaria o un sistema de escobillas.
Claims
1. Sistema de captación de viento de geometría variable para aerogeneradores de eje vertical, caracterizado porque comprende un sistema magnético o electromagnético que permite modificar la geometría del elemento de captación sin emplear elementos mecánicos.
2. Sistema de captación de viento de geometría variable para aerogeneradores de eje vertical según reivindicación 1, caracterizado porque el sistema magnético o electromagnético que permite modificar la geometría del elemento de captación comprende un conjunto de imanes o electroimanes, (25), (26), (27), (28), (29) y (30), posicionados radialmente en un plato (40) sobre cada lama, (4), (5), (6), (7) u (8), que al variar su posición o hacer circular corriente eléctrica a través de algunos de ellos generan unas fuerzas de atracción o repulsión magnética que inciden sobre discos ferro magnéticos o imanes permanentes, (9) y (10), que posee cada lama, permitiendo de esta manera rotar o pivotar la lama para orientarla y retenerla en la posición deseada en cada instante.
3. Sistema de captación de viento de geometría variable para aerogeneradores de eje vertical según reivindicación 1, caracterizado porque el sistema magnético o electromagnético que permite modificar la geometría del elemento de captación se activa únicamente durante medio giro completo (180°) del elemento de captación respecto al eje vertical del aerogenerador (41) para orientar las lamas, y se desactiva durante el resto del giro completo (otros 180°) del elemento de captación permitiendo que las lamas se reorienten libremente ofreciendo la mínima resistencia posible al paso del viento gracias al efecto veleta.
4. Sistema de captación de viento de geometría variable para aerogeneradores de eje vertical según reivindicación 1, caracterizado porque el sistema magnético o electromagnético que permite modificar la geometría del elemento de captación ofrece la posibilidad de controlar de forma independiente cada lama con la finalidad de controlar la velocidad de giro del rotor del aerogenerador.
5. Sistema de captación de viento de geometría variable para aerogeneradores de eje vertical según reivindicación 1, caracterizado porque posee un sistema electrónico de control que emplea una veleta (48) para conocer la orientación idónea de las lamas en cada instante y que transmite los estímulos eléctricos de control al sistema de captación mediante un sistema del tipo catenaria.
6. Sistema de captación de viento de geometría variable para aerogeneradores de eje vertical según reivindicación 1, caracterizado porque los elementos de captación se fijan al rotor en parejas de forma simétrica respecto al eje del rotor, cada par se sitúa encima del anterior variando el ángulo de orientación en 45 grados, (41), (42), (43), (44), (45), (46), y el conjunto forma una turbina con seis elementos de captación distribuidos en tres alturas, permitiendo así la captación de la fuerza del viento sin que ningún elemento de captación afecte al rendimiento de ningún otro.
7. Sistema de captación de viento de geometría variable para aerogeneradores de eje vertical, caracterizado porque independientemente de la posición de cualquiera de sus
elementos móviles, (4), (5), (6), (7) y (8), el conjunto siempre presenta una forma de cavidad, ya sea para retener el viento en su interior disminuyendo su velocidad y aumentando la presión o para canalizarlo ofreciendo la mínima modifying acquisition element's geometry allows the possibility to control each paddle independently with the objective of controlling aero generator's rotor turning speed.
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