WO2015059320A1 - Turbina eólica autónoma con acumulación energética y aplicaciones - Google Patents

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WO2015059320A1 PCT/ES2014/000170 ES2014000170W WO2015059320A1 WO 2015059320 A1 WO2015059320 A1 WO 2015059320A1 ES 2014000170 W ES2014000170 W ES 2014000170W WO 2015059320 A1 WO2015059320 A1 WO 2015059320A1
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Adolfo GONZÁLEZ PÉREZ
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    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the support with a M-structure, transversely tightened, installed on a rotating platform, (self-orientating with and without eccentricity at the base), on a firm foundation, such as a foundation and cumulator, and on a floating platform, which facilitate its orientation, serves as rotor shaft bearing, by radial and axial bearings at the upper ends of the rotor, (see figures 1 and 9).
  • the rotor consists of a bolted polygonal perimeter frame and a series of trapecial radial sectorial blades, warped, to a greater or lesser extent, by simple torsion, and articulated at its inner end, by means of a flange on the rotor shaft and at its outer end on the frame, with profile in drawer, similar to rectangular, with edges necessary to support the various longitudinal and transverse forces to which it is subjected, becoming a stabilizing structural element and a transmitter and tractor of the captured power, (see Figure 3).
  • the blades constituted by narrow aerodynamic profiles by narrow aerodynamic profiles of radial sectorial trapezoidal plates, warped, to a greater or lesser degree, by simple relative torsion of their ends, in rotation, have "cutting" and "passing" speeds of fluid, more or less uniform throughout the turbine surface, at the same time that the area of any blade surface portion is proportional to the surface that it sweeps, whose proportion is determinant of the turbine's performance, (see figure 7).
  • the transverse development of the blades determines the "permeability" of the turbine that is defined as the ratio between the surface of all blades and the area of the swept circle, which is decisive in the performance of the energy captured for any nominal speed of wind, and also the angle of incidence of the blades, a function of the torque adopted by turning the end of the frame, is decisive in the peripheral speed of the frame, (see figure
  • the polygonal perimeter frame fastened at its vertices, due to its rectangular-like section, prints great rigidity and stability to the turbine in every way, apart from offering an exterior surface suitable for friction traction of the belts, as a Conveyor belts, around its perimeter and that of the pulleys as tractor elements, so that as many tractor elements as necessary can be placed along its linear development in order to divide the total power that the turbine transmits to the manifolds Receiving devices, such as alternators, compressors, hydraulic pumps, thermal friction and agitation and mechanical modules, in addition to the turbine start, stop and rotation speed control mechanisms, (see figures 1, 2, 3 and 5) .
  • Receiving devices such as alternators, compressors, hydraulic pumps, thermal friction and agitation and mechanical modules, in addition to the turbine start, stop and rotation speed control mechanisms, (see figures 1, 2, 3 and 5) .
  • the power and speed of rotation of the turbine can be regulated by connecting only the receiving devices that absorb the wind power captured at each moment, after adjusting the development and the angle of incidence of the outer end of the blades, (see figure 5) .
  • the foundation must withstand the moment corresponding to the normal thrust, (P x ), of the wind, on the plane of the turbine, by the height of the rotor shaft in all directions and requires a structure such that, by mass, volume and without additional tax, it can be used at the same time as a thermal energy accumulator, fed directly by the receiving devices, by means of energy conduits, (see figures 1).
  • the accumulator as a useful element without loads, constitutes a novel aspect of manifest interest, being composed of abundant materials such as cement, aggregates, ceramics and insulators, which are used in construction anywhere.
  • V speed is applicable to any size and power, in an atmospheric environment, in accordance with the principle that establishes compliance with the laws of similarity of Newton, Hooke, Cauchy and Mach. That is, the configuration of a 100 kW model is similar to that of a 10,000 kW model or higher. It should be added that the speed of rotation of the tractor axles depends on the peripheral speed of the turbine frame and the diameter of the driving pulleys that can be selected to match those required by the power receiving devices.
  • the structure of the support in M consists of four legs, of circular, reticular section, etc., reinforced in the direction of the thrust of the wind and secured in a transverse direction, which support the ends of the rotor shaft with two radial and axial bearings, ( see figures 1, 2, 3, 9 and io).
  • the M-bracket installed on a turntable, (with and without eccentricity), on a firm foundation and on a self-orientating floating platform, results in a low turbine variant, that is, the rotor shaft can be located as far as possible. next possible to the level of the ground and the surface of the water, with less moment of overturning of the support for the same power, (see figures 1, 2, 9 and 10).
  • the mass and volume of the foundation is usable at the same time as a foundation and as a thermal energy accumulator, it provides the energy required during idle hours due to wind intermittency, for any domestic and industrial use and assistance for recharging fixed and mobile units , and even to the NETWORK.
  • the set is original although some of its components are already known.
  • the technical sector is the production of energy for any activity, where kWh is an irreplaceable universal economic reference, with a constantly growing demand.
  • the priority sector due to its exceptional importance, without limitation, is the production of energy in general, for industrial and domestic use, especially electrical, thermal and mechanical, and in particular air conditioning, hot water and any Other use compatible with the above.
  • the technical sector corresponds to the production of transformable wind energy in any other of ordinary use, as well as the conversion of the current thermal relative to nuclear reactors, ignition of fossil fuels, coals, etc., and their application to current appliances.
  • the first is the introduction of a regulation of the speed of rotation of the turbine, previous action on the development and the angle of incidence at the outer end of the blades, by dividing into multiple devices receiving the nominal power of the turbine and the connection of the units corresponding to the energy generated as a function of the wind speed and at each moment (see figure 5).
  • the second is the “slow” and “fast” turbine options depending on the greater or lesser number of blades, always maintaining their total development, depending on a convenient "permeability".
  • the third is the low turbine alternative that drastically reduces tipping efforts, while facilitating the execution, assembly, handling, maintenance and accessibility of the multiple components on a platform close to the ground level and the water surface, ( see figures 1, 2, 9 and 10).
  • the fourth is the structural configuration of the M-shaped support, laterally knotted, with the support of the rotor shaft at the upper ends of its legs, presenting greater resistance in all directions and overturning by wind thrust, spatially in water, (see figures 1 and 9).
  • the fifth is the use of the cable-stayed polygonal perimeter frame as a transmitter of the turbine's motor torque by means of belt drive, as a conveyor belt, around its perimeter and pulleys on the traction axes of the global power receiving devices of the turbine, (see figures 3 and 5).
  • the sixth is the rectangular-like section of the frame that affects the resistance of the normal and transverse forces to which the assembly will be subjected in all its mounting positions, operating regime and extreme situations, and the polygonal configuration with the vertices in the points of articulation of the ends of the blades and the cable tie, (see figure 8).
  • the seventh is the possibility of using the foundation at the same time, given its mass and volume of ordinary materials, such as foundation and thermal energy accumulator that allows, practically without additional cost, to provide and supply the intermittent wind energy continuously and in the amount required, (see figures 1 and 2).
  • the eighth is referring to the type of material of the different components, which are common and commonly used in construction and industry.
  • these are normal commercial profiles used in metallic constructions, such as stainless steels and ordinary ones with environmental protection, and materials of current use in construction, such as cements, aggregates, ceramics and others such as electrical, conduits, belts, insulators , etc.
  • the energy of the atmosphere is everywhere and with sufficient potential to be considered as the most direct and effective source to have energy anywhere in the space without consumption of fungible fuels. Only the simplest and most efficient capture and transmission mechanisms are needed as intended and set forth in the present patent application, adding the possibility of intermittent accumulation for continued use.
  • the energy captured will be of the order of half of the kinetic energy of a wind flow corresponding to the surface swept by the turbine, being possible to approximate this value with a configuration like the one exposed.
  • a favorable factor is that a well-configured and sized turbine can maintain its nominal rotation speed for a different wind speed, as well as a different rotation speed for the same nominal wind speed.
  • the explanation is very simple: for the same speed V of the wind, if you reduce the speed of rotation increases the "cut” with the corresponding increase in pressure and, in the opposite case, if the speed of rotation is increased, the "cut" speed decreases with the corresponding reduction in pressure, and since the power is the product of both the result, if not the exact one , is similar in both cases.
  • the foundations have been laid to determine the design and operating regime of the turbine to obtain the best possible result.
  • the diameter of the turbine has virtually no limit because the structural layout of large cable-stayed frames, such as the "ferris wheels” of amusement parks, is perfectly achievable, being able to reach diameters greater than one hundred meters, as the experiences of Vienna, London, show, Singapore, etc., higher than those needed in the large mills mentioned above, 10,000 kW and more.
  • Narrow aerodynamic plate profiles are adopted, since of the two factors that influence the penetration resistance of the blades, that is lateral surface and thickness, the first is fixed by the turbine configuration and the second by thickness profiles and minimum section, which works with simple traction in all its extension and at the same time gives it a small stiffness so that it adopts a natural equilibrium guideline, in the manner of a thread or "catenary”, subjected to simple and articulated traction at its two ends, (see figures 4).
  • Receiving devices of the motor torque generally have a high rotational speed in relation to that of the wind turbine, with 20 to 50 times more power, than if transmitted directly from the rotor shaft it is necessary to interpose a multiplier of great dimensions.
  • the speeds of rotation of the tractor cylinders have high values, which does not require a multiplier, nor a great rigidity of the rotor shaft and tractor axles.
  • the multiplication coefficient of the rotational speed of the rotor and of the tractor axes is the ratio between the diameters of the ring and those of the pulleys. In a wide field, from 100 to 10,000 kW, and higher, (whose limit is the structural of the polygonal frame), speeds of 25 to 100 rps can be easily obtained, which fits perfectly in the wide range of alternators and other small devices , medium and large or very large, (see figure 5). b) Determination of the fundamental components of the turbine.
  • the characteristics of the blades have been defined as components of the turbine design and the techniques will now be determined based on the actions to which they are subjected. 1) Dimensioning of the blades and polygonal perimeter frame. The calculation of the blades is that of a normal structure within the field of resistance of materials and the parameters are obtained from the balance of the forces acting on them, (see Figure 4).
  • perimeter polygonal frames were circular they would also have to withstand the buckling efforts due to eccentric compressions between two joints apart from a more complicated execution.
  • the alternative is adopted of transferring the transverse reaction of the turbine to the stabilizing polygonal perimeter frame, which becomes a high-speed drag track and transmits a fast motor torque to the axes of the receiving devices.
  • the transmission is direct from the perimeter of the frame to the axes of the receiving devices, that is to say that the blades, in their rotation generate a motor torque that acts directly on the joints of the frame and this, by means of belts, as belts conveyors, on the perimeter of the frame and pulleys, and therefore on the axes of the receiving devices, be they electrical, thermal, pneumatic, hydraulic or mechanical.
  • the kinetic energy of the wind captured by the turbine blades has been transformed in the most direct way into energy of direct and cumulative practical application, of the electric, thermal, pneumatic, hydraulic or mechanical potential type, with the double use of the foundation, by weight and volume, in structural foundation and possible energy accumulator.
  • This double use of the foundation has a wind slope in which the wind is intermittent, so that its energy can be accumulated and used continuously in the quantity required at each moment (see figures 1 and 2).
  • Figure 1 shows a side view of a prototype of a mill, with a horizontal axis, rotor with an attached polygonal perimeter frame and articulated blades on the axis and the frame.
  • M-shaped support transversely swiveled, swiveling or adjustable by means of a platform with a bearing on a firm foundation, with double use of foundation and as a thermal energy accumulator.
  • FIG 2 shows a front view of the alternative of the previous figure, of a "low" turbine with a M-swiveled or adjustable support by means of a platform with a bearing on a firm foundation, with double use of foundation and as a thermal energy accumulator.
  • Figure 3 shows in more detail the rotor support in M and the rotor with the lift assembly and the transmission arrangement from belts, as conveyor belts, to the pulleys of the tractor axles of the receiving devices, located on a base platform at the height closest to the ground level and the flotation surface.
  • Figure 4 shows, according to two widths of the rotor shaft, the equilibrium scheme of the forces involved, both by the thrust of the wind, (P x ), and by the centrifugal forces that originate in the rotating blades , as well as the tractions of the same in the articulations of support of the axis and of the luck frame that the guideline of the blades, for calculation purposes, is similar to a "catenary”.
  • FIG. 5 the components of the turbine's energy transmission system are shown in more detail, by connecting belts between the frame and the traction sheaves of the receiving devices of electrical, thermal, hydraulic, pneumatic and mechanical type as practical use. All this is possible due to the large rotation speeds that are obtained on the tractor axles that have a perimeter speed equal to that of the rotor ring, that is the "tip" speed of the blades. Also included are tension rollers, counterbalancing and pitching rollers and emergency brake booster rollers.
  • the contact between the belts and the pulleys is greater than a half circumference and the dragging takes place without friction, as in the frame, controlling the necessary tensions in the two ends of the frame by tensioning cylinders.
  • FIG. 6 A generic arrangement of the frame braces and the blades at their inner ends is shown in Figure 6, with their corresponding flanges concentric with the rotor shaft.
  • Figure 7 shows the configuration of a shovel, its front and side views and the fixing of its outer end at the vertices of the polygonal frame by means of an adjustable joint, both in length and tension and in orientation, and the fixing of its end inside in a flange on the rotor shaft. It has reinforcements at its ends and a slide for mounting and dismounting the outer end at the vertices of the inner face of the frame.
  • Figure 8 depicts the composition and execution of the polygonal perimeter frame, similar to rectangular section, constituted by trapecial sections, where the inner face is of anchoring of the joints, the outer face is of contact of the transmission belts and the lateral faces of rolling of rollers that absorb the efforts of balance by possible different and eccentric thrusts, relative to high and low zones of the turbine.
  • the profile sections in a drawer similar to rectangular, will be sized to withstand the stresses of assembly, operation and extreme situations.
  • the materials and components of the frame, shovels and braces are of materials with environmental protection, metallic type, steels and the like.
  • Figure 9 shows a plant and a side view of the "low” turbine alternative with a M-cabled support on a floating platform, with an intermediate buoy and a single anchor at the bottom, which allows it to rotate and “self-orientate” in the direction of the thrust of the wind.
  • Figure 10 shows a front view of the alternative of the previous figure, turbine
  • Turbine power receiving devices such as alternators, compressions, hydraulic pumps, agitators and mechanics
  • Support plates for the shafts of receiving and tensioning devices located at the base of the legs of the M-bracket
  • Inner M leg access scale 20 Vertical, circular, reticular legs, etc., reinforced according to the direction of the wind, from the apex of the cable-stayed support in M to the rotating platform
  • the cost in belts is minimal and its length does not imply greater material expenditure per unit of power and instead, in time, if it implies a reduction in maintenance costs.
  • the structural components are sized according to the tensions and moments that occur in the frame and in the support, due to the normal and transverse thrust of the wind and the centrifugal rotational forces.
  • the equilibrium of the set is obtained by the reactions in the points of articulation and embedment, by means of materials of normal density and resistance in metallic structures.
  • the regulation and control devices, anemometric station, monitoring systems and remote controls, etc. will be installed, according to conventional methods existing in the market.
  • the execution of the mill is simple, being only necessary means, materials and components abundant in the market and the assembly, accessibility and maintenance are easy at any point and allows the execution of virtually unlimited networks for purposes as useful as necessary and scarce in large areas of the Globe.

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Abstract

Está diseñada para captar energía cinética del viento, según sus características y la potencia requerida. Está sustentada por soporte en M atirantado, orientable sobre plataforma giratoria con cimentación firme y sobre plataforma flotante Presenta configuración, dimensiones y ángulos de incidencia tales que, por rotación y empuje transversal del viento, experimenta cierto par motor en el rotor. El rotor está constituido por bastidor perimetral poligonal atirantado y palas sectoriales trapeciales radiales, alabeadas, en mayor o menor grado, por torsión simple, y articuladas en eje y bastidor. Las correas, como cintas transportadoras, alrededor del bastidor y poleas transmiten su par motor a aparatos receptores transformándolo en energía directa acumulable. La cimentación firme sirve de cimiento y acumulador térmico. Es instalable en tierra y flotante. Los modelos de un mismo lugar son semejantes. Los componentes y materiales abundan en los mercados.

Description

TURBINA EÓLICA AUTÓNOMA CON ACUMULACIÓN ENERGÉTICA Y APLICACIONES.
A) Introducción
La presente solicitud de patente de invención internacional, como "turbina eólica autónoma con acumulación energética", de eje horizontal, tiene como antecedente la presentada en España el día 21 de Octubre de 2013, con número P201300992, y admitida a trámite, con prioridad internacional de 1 año.
Como consecuencia de las alternativas y procesos incluidos en la solicitud consta de memoria, reivindicaciones y figuras, tiene por objeto la configuración de un molino de viento autónomo, de eje horizontal, que capta energía intermitente del viento, para uso directo y acumulación para posterior utilización según necesidades, constituyendo un proceso de generación energética renovable y autónoma.
Se han ensayado configuraciones, formas de transmisión y procesos de transformación de la energía captada y se ha conseguido una alternativa satisfactoria en cuanto a diseño y rendimiento, (véase figuras 1 a 10).
Con respecto a sus características técnicas a continuación se hace una descripción de los principales componentes como sigue:
El soporte, de estructura en M, atirantado transversalmente, instalado en plataforma giratoria, (auto-orientable con y sin excentricidad en la base), sobre cimentación firme, como cimiento y cumulador, y sobre plataforma flotante, que facilitan su orientación, sirve de sustentación del eje del rotor, mediante rodamientos radiales y axiales en los extremos superiores del mismo, (véase figuras 1 y 9).
El rotor consta de bastidor perimetral poligonal atirantado y una serie de palas sectoriales radiales trapeciales, alabeadas, en mayor o menor grado, por simple torsión, y articuladas en su extremo interior, mediante brida en el eje del rotor y en su extremo exterior en el bastidor, con perfil en cajón, similar a rectangular, con cantos necesarios para soportar los diversos esfuerzos longitudinales y transversales a que está sometido, constituyéndose en elemento estructural estabilizador y en transmisor y tractor de la potencia captada, (véase figura 3).
Las palas, constituidas por perfiles estrechos aerodinámicos de por perfiles estrechos aerodinámicos de placas trapeciales sectoriales radiales, alabeadas, en mayor o menor grado, por simple torsión relativa de sus extremos, en rotación, presentan velocidades de "corte" y de "paso" del fluido, más o menos uniformes en toda la superficie de la turbina, al mismo tiempo que el área de cualquier porción de superficie de pala es proporcional a la superficie que barre, cuya proporción es determinante del rendimiento de la turbina, (véase figura 7).
En el conjunto de soporte y rotor se utilizan materiales ordinarios existentes en cualquier mercado, destacando los aceros inoxidables y ordinarios con protección medioambiental.
El desarrollo transversal de las palas determina la "permeabilidad" de la turbina que se define como la relación entre la superficie de todas las palas y la del área del circulo barrido, la cual es determinante en el rendimiento de la energía captada para cualquier velocidad nominal del viento, e igualmente el ángulo de incidencia de las palas, función de la torsión adoptada por giro del extremo del bastidor, es determinante en la velocidad periférica del bastidor, (véase figura
7).
El bastidor perimetral poligonal, atirantado en sus vértices, por su sección similar a rectangular, imprime gran rigidez y estabilidad a la turbina en todos los sentidos, aparte de que ofrece una superficie exterior adecuada a la tracción por rozamiento de las correas, a modo de cintas transportadoras, alrededor de su perímetro y el de las poleas como elementos tractores, de forma que se pueden colocar a lo largo de su desarrollo lineal cuantos elementos tractores se consideren necesarios con el objeto de fraccionar la potencia total que la turbina transmite a los múltiples aparatos receptores, tales como alternadores, compresores, bombas hidráulicas, módulos térmicos de fricción y agitación y mecánicos, además de los mecanismos de control de arranque, parada y velocidad de rotación de la turbina, (véase figuras 1, 2, 3 y 5).
Se puede regular la potencia y la velocidad de rotación de la turbina conectando solo los aparatos receptores que absorban la potencia del viento captada en cada momento, previo ajuste del desarrollo y el ángulo de incidencia del extremo exterior de las palas, (véase figura 5). La cimentación tiene que soportar el momento correspondiente al empuje normal, (Px), del viento, sobre el plano de la turbina, por la altura del eje del rotor en todas las direcciones y requiere una estructura tal que, por masa, volumen y sin gravamen adicional, puede ser utilizada al mismo tiempo como acumulador energético térmico, alimentado directamente por los aparatos receptores, mediante conductos energéticos, (véase figuras 1).
El acumulador, como elemento útil sin cargas, constituye un aspecto novedoso de interés manifiesto, estando compuesto por materiales abundantes como cemento, áridos, cerámica y aislantes, que se utilizan en construcción en cualquier lugar.
Comúnmente está admitido que partiendo de una velocidad nominal V del viento y de un radio R de la turbina, la potencia de una turbina eólica viene dada por la fórmula convencional que tiene la expresión W=k.R2.V3, donde k es un coeficiente de eficiencia que depende de las características del aire y la "permeabilidad" de la turbina. O sea que se puede deducir el prototipo más eficiente, partiendo de la configuración descrita, en función de las condiciones eólicas del lugar, simplemente con ensayar previamente diversos "desarrollos" y "ángulos de incidencia" del extremo exterior de las palas y obtener un diagrama de potencias para cada velocidad V nominal seleccionada.
De un cálculo, no reivindicable, se obtiene la relación entre el coeficiente de eficiencia k y la "permeabilidad" de la turbina.
Una vez obtenida la configuración más favorable de una velocidad V determinada, es aplicable a cualquier tamaño y potencia, en medio atmosférico, de acuerdo con el principio que establece el cumplimiento de las leyes de semejanza de Newton, Hooke, Cauchy y Mach. Es decir que la configuración de un modelo de 100 kW es semejante a la de un modelo de 10.000 kW o superior. Cabe añadir que la velocidad de rotación de los ejes tractores depende de la velocidad periférica del bastidor de la turbina y del diámetro de las poleas motrices que pueden ser seleccionados para que coincidan con los requeridos por los aparatos receptores de potencia.
La estructura del soporte en M consta de cuatro patas, de sección circular, reticular, etc., reforzadas en el sentido del empuje del viento y atirantadas en sentido transversal, que sustentan los extremos del eje del rotor con sendos rodamientos radiales y axiales, (véase figuras 1, 2, 3, 9 y io).
El soporte en M atirantado, instalado sobre plataforma giratoria, (con y sin excentricidad), en cimentación firme y sobre plataforma flotante auto-orientable, da lugar a una variante de turbina baja, es decir que el eje del rotor puede estar situado lo más próximo posible al nivel del suelo y la superficie del agua, con menor momento de vuelco del soporte para una misma potencia, (véase figuras 1, 2, 9 y 10).
Dado que la masa y volumen de la cimentación es utilizable al mismo tiempo como cimiento y como acumulador energético térmico proporciona la energía requerida en las horas inactivas por la intermitencia de viento, para cualquier uso doméstico e industrial y asistencia para recarga de unidades fijas y móviles, e incluso a la RED.
En resumen se trata de una energía básica y renovable como la del viento, disponible y abundante en toda la superficie del Globo, en tierra y en agua, que si se capta y aplica de la forma más racional y rentable posible, es una solución clara para la consecución de un "desarrollo sostenido", para poder disponer de energía, renovable y limpia, donde más se necesita, y de forma continua, sin límite de cantidad y con costes razonables.
La acumulación y la extracción son partes complementarias y convenientes para que esta fuente de energía tenga el carácter de autónoma e independiente.
El conjunto es original aunque algunos de sus componentes ya sean conocidos.
Así pues, en primer lugar, se exponen el sector y el estado de la técnica y a continuación la explicación de los fundamentos teóricos y técnicos del objeto de la patente solicitada.
B) Sector de la técnica.
El sector de la técnica es la producción de energía para cualquier actividad, donde el kWh es un referente económico universal insustituible, con una demanda en constante crecimiento.
Además de los sectores básicos de consumo eléctrico y térmico se tienen otros muchos, como la obtención de agua potable, que dependen de la disponibilidad de los anteriores.
El sector de la técnica en el campo energético de origen térmico es muy amplio, con resultados poco satisfactorios en la mayoría de los casos, como las centrales térmicas de combustibles fósiles, de carbón, termo-solares, fotovoltaicas y otros como la tracción móvil de toda clase de vehículos, etc.
Ante esta situación es prioritario utilizar el tipo de energía más adecuado, como sería la energía eólica, dentro de las renovables, siempre y cuando con una fácil ejecución se obtenga el mejor rendimiento.
En consecuencia, el sector prioritario, por su excepcional importancia, sin carácter limitativo, es la producción de energía en general, para uso industrial y doméstico, de modo especial la eléctrica, térmica y mecánica y de modo particular la climatización, agua caliente y cualquier otro uso compatible con los anteriores.
Así pues, el sector de la técnica corresponde a la producción de energía eólica transformable en cualquiera otra de uso ordinario, así como la reconversión de la térmica actual relativa a reactores nucleares, ignición de combustibles fósiles, carbones, etc., y su aplicación a aparatos de uso corriente.
C) Estado de la técnica.
Se hace especial referencia a los procedimientos actuales afectados que se basan en calderas térmicas por combustión de carbón, hidrocarburos, energía nuclear, en instalaciones fijas o móviles, así como aerogeneradores que comprenden procesos variados convencionales, cuyos costes influyen notablemente en la economía global. El estado de la técnica que interesa son los procesos citados y cualquier otro que pueda ser innovado obteniendo ventajas aceptables sobre todos los existentes.
Se admite que alguna parte de las técnicas actuales son válidas pero que los procesos son perfectibles con los procedimientos que se proponen, siendo objetos de reivindicación la calidad y la reducción del gravamen de la energía.
En aerogeneradores, los modelos convencionales tienen bajos rendimientos y limitación de potencia y desarrollo estructural y mecánico mejorables.
Es recientemente cuando el avance en el conocimiento de la mecánica de fluidos ha impulsado en mayor medida el desarrollo de aparatos de captación de energía cinética del aire y de gases de combustión, que se encuentran en continua evolución y cuyos fundamentos tienen una relación directa con la alternativa expuesta. No obstante, en el momento actual la mayoría de los procesos convencionales pueden considerarse mejorables pero se mantienen por la gran influencia e inercia de la industria establecida, de suerte que dichos procesos deben ser objeto de investigación y desarrollo
En algunos casos, y en estos momentos, no se trata exclusivamente de eliminar los procesos convencionales sino de potenciarlos, mejorarlos y complementarlos sin perjuicio de que sean sustituidos totalmente con el tiempo por estos nuevos propuestos, tal es el caso de las centrales térmicas, que consumen combustibles caros, limitados en el tiempo y emisores de gases nocivos. Como se pondrá de manifiesto en la presente memoria pueden ser mejorables prácticamente todos los procesos energéticos y mecánicos actuales.
D) Explicación.
El objeto fundamental de esta solicitud de patente es el diseño de una nueva turbina eólica universal autónoma con captación, transformación y aplicación, de forma funcional y física correcta, de una energía básica y natural como es la cinética del viento, cuyas características técnicas específicas son las siguientes:
La primera es la introducción de una regulación de la velocidad de rotación de la turbina, previa actuación sobre el desarrollo y el ángulo de incidencia en el extremo exterior de las palas, mediante el fraccionamiento en múltiples aparatos receptores de la potencia nominal de la turbina y la conexión de las unidades correspondientes a la energía generada en función de la velocidad del viento y en cada momento, (véase figura 5). La segunda, son las opciones de turbinas "lentas" y "rápidas" en función del mayor o menor número de palas, manteniéndose siempre el desarrollo total de las mismas, en función de una "permeabilidad" conveniente.
La tercera es la alternativa de turbina baja que reduce drásticamente los esfuerzos de vuelco, al mismo tiempo que facilita la ejecución, montaje, manipulación, mantenimiento y accesibilidad a los múltiples componentes en una plataforma próxima al nivel del suelo y la superficie del agua, (véase figuras 1, 2, 9 y 10).
La cuarta es la configuración estructural del soporte en forma de M, atirantado lateralmente, con la sustentación del eje del rotor en los extremos superiores de sus patas, presentando una mayor resistencia en todos los sentidos y al vuelco por empuje del viento, de modo espacial en el agua, (véase figuras 1 y 9).
La quinta es la utilización del bastidor perimetral poligonal atirantado como transmisor del par motor de la turbina mediante tracción por arrastre de correas, a modo de cintas transportadoras, alrededor de su perímetro y de poleas en los ejes tractores de los aparatos receptores de la potencia global de la turbina, (véase figuras 3 y 5).
La sexta es la sección similar a rectangular del bastidor que afecta a la resistencia de los esfuerzos normales y transversales a los que estará sometido el conjunto en todas sus posiciones de montaje, funcionamiento de régimen y situaciones extremas, y la configuración poligonal con los vértices en los puntos de articulación de los extremos de las palas y del atirantado, (véase figura 8).
La séptima es la posibilidad de utilizar al mismo tiempo la cimentación, dado su masa y volumen de materiales ordinarios, como cimiento y acumulador energético térmico que permita, prácticamente sin coste adicional, aportar y suministrar la energía intermitente del viento de forma continuada y en la cantidad requerida, (véase figuras 1 y 2).
Y la octava es referente al tipo de material de los distintos componentes, que son corrientes y comúnmente utilizados en la construcción y la industria. Con respecto a los elementos estructurales se trata de perfiles normales comerciales utilizados en construcciones metálicas, como aceros inoxidables y ordinarios con protección medioambiental, y materiales de uso corriente en construcción, como cementos, áridos, cerámica y otros como eléctricos, conductos, correas, aislantes, etc.
Con respecto a mecanismos de transmisión, monitorización, receptores de energía, y resto de componentes se encuentran en la industria y en cualquier mercado. Antecedentes
En primer lugar se resalta que para hacerse una idea de la magnitud del fenómeno eólico, basta con hacerse una simple reflexión asimilando toda la atmósfera terrestre a una gran cámara que recibe, en cada momento, gran parte de la energía térmica vertida por el Sol sobre la Tierra, así como la que irradian todos los aparatos y procesos energéticos del Globo. A esta cantidad se le deduciría la energía irradiada al espacio sideral y la absorbida por las distintas masas líquidas y sólidas, la conversión en vapor o líquido respectivamente, que componen tanto la corteza terrestre como el mar, a la cual se la añadiría la del oleaje, las corrientes marinas, la degradación y transporte del suelo y las rocas, la fotosíntesis de las plantas y muchas otras.
En resumen, como se puede comprobar, está comúnmente admitido que la energía disponible en el viento es miles de veces superior a la energía del consumo mundial permanente en cada instante.
En consecuencia, el proceso inverso de convertir la energía cinética en calorífica o mecánica práctica será el más natural y directo y el de mayor rendimiento y presumiblemente el más sostenible y económico.
La energía de la atmósfera se encuentra por doquier y con potencial suficiente para considerarla como la fuente más directa y eficaz para disponer de energía en cualquier lugar del espacio sin consumo de combustibles fungibles. Solamente se necesitan los mecanismos de captación y transmisión más sencillos y eficaces tal como se pretende y expone en la presente solicitud de patente, añadiendo la posibilidad de una acumulación intermitente para uso continuado.
El cálculo matemático del molino de viento no es reivindicable, pero aplicando los principios de acción y reacción y de la cantidad de movimiento, en una "intercepción elástica" entre un cuerpo en reposo y otro en movimiento, el intercambio de energía, en sentido normal, es la mitad de la original.
Así pues, la energía captada será del orden de la mitad de la energía cinética de un flujo de viento correspondiente a la superficie barrida por la turbina, siendo posible aproximarse a dicho valor con una configuración como la expuesta.
Memoria descriptiva
En consecuencia se redacta a continuación una descripción y las figuras anexas para facilitar su mejor compresión, constando de los apartados siguientes:
a) Configuración de la turbina eólica autónoma.
b) Determinación de los componentes fundamentales de la turbina. c) El soporte de estructura en forma de M, atirantado transversalmente.
d) Transmisión y transformación directas de la energía captada.
Así pues, se expone una referencia sucinta de estas partes como sigue:
a) Configuración de la turbina eólica autónoma.
1) El ángulo de incidencia de las palas varía desde un máximo en el eje hasta un mínimo en el extremo exterior y el desarrollo transversal desde un mínimo en el eje hasta un máximo en el extremo. En este punto hay que decidir qué velocidad en "punta" es más conveniente y qué número de elementos, de modo que la suma de sus desarrollos sea el correspondiente al de la "permeabilidad" requerida.
2) En una primera estimación, para la velocidad en "punta" (Vy), se adoptan valores entre 30 y 40 m/s en régimen de "presión simple" del viento en las turbinas "lentas" y entre 60 y 80 m/s en régimen de "sustentación por impacto", (similar a un "golpe de ariete"), en las turbinas "rápidas". Todo ello tiene una explicación basada en el número de Reynolds, sobre el comportamiento de los cuerpos a la corriente de fluidos, cuya teoría se aplica habitualmente en hidráulica y aeronáutica.
3) Se ha expuesto que tiene que haber cierta "cadencia" de corte, es decir ciertos impactos y cierto intervalo de tiempo entre ellos, que relacionan la energía captada y el tiempo de recuperación de la "velocidad nominal" que se define como Vi a 10 m de altura, a la que se le aplicará el coeficiente de altura del eje, relativo a la rugosidad del suelo del lugar, para obtener el valor V, como medio de toda la turbina,
4) Cuanto menor es la velocidad nominal elegida mayor es el número de horas anuales a rendimiento nominal y mayor la producción anual, pero por otra parte cuanto menor es la velocidad nominal mayor es el diámetro y los costes. La elección de un valor u otro nos arroja un coste por kWh producido, que en definitiva será el que se adopte después de analizar la curva de vientos dominantes e integrar las potencias que se generan.
Para obtener el rendimiento de una turbina dimensionada en virtud de una curva de "frecuencia de vientos" basta con aplicar la fórmula de potencia de referencia W e integrar o sumar parcialmente.
5) Un factor favorable es que una turbina bien configurada y dimensionada puede mantener su velocidad de giro nominal para una velocidad distinta del viento, igual que una velocidad de giro distinta para una misma velocidad nominal del viento. La explicación es bien sencilla: para una misma velocidad V del viento, si se reduce la velocidad de giro aumenta la de "corte" con el correspondiente incremento de la presión y, en el caso contrario, si se incrementa la velocidad de giro disminuye la de "corte" con la correspondiente reducción de la presión, y como la potencia es el producto de ambas el resultado, si no es el exacto, es similar en ambos casos. Se han sentado las bases para determinar el diseño y el régimen de funcionamiento de la turbina para obtener el mejor resultado posible.
6) Con respecto a los tipos de unión de las palas con el eje y el bastidor son tales que pueden pivotar libremente como puntos articulados, permitiendo la regulación del ángulo de incidencia, tensión y longitud de las palas en su extremo exterior, y en cuanto al punto de fijación en el bastidor se pueden adoptar las alternativas A y B de las figuras, (véase figuras 7 y 8).
La estabilidad de la turbina y su soporte, no presenta problemas estructurales con el aumento de tamaño, lo cual si ocurre con las palas convencionales, que trabajan en ménsula, con grandes momentos de fuerza en arranque.
El diámetro de la turbina prácticamente no tiene límite pues la disposición estructural de grandes bastidores atirantados, como las "norias" de parques de atracciones, es perfectamente realizable, pudiendo alcanzar diámetros superiores a los cien metros, como muestran las experiencias de Viena, Londres, Singapur, etc., superiores a los necesarios en los grandes molinos citados, de 10.000 kW y más.
Por otra parte los perfiles estrechos aerodinámicos de las placas de las palas, que están suspendidas y articuladas en los dos extremos como lo están los grandes cables de las líneas de alta tensión eléctrica y de los grandes puentes colgantes y atirantados, no presentan problemas de luz y longitud. E igualmente se puede observar el perfecto comportamiento de las palas propuestas como el del velamen de los grandes veleros. Son obras monumentales pero perfectamente realizables y con costes proporcionales a su potencia. En cualquier tipo y modelo hay una cuestión que es la que suelen cumplir y es que la velocidad en "punta" de todas las turbinas es similar.
7) En cuanto a condiciones teóricas, configuración alabeada de las palas, en teoría es la solución perfecta para captación e impulsión, por acción y reacción, que se verifica en cualquier medio, líquido y gaseoso.
Se adoptan perfiles estrechos aerodinámicos de placas, puesto que de los dos factores que influyen en la resistencia de penetración de las palas, es decir superficie lateral y grosor, la primera viene fijada por la configuración de la turbina y la segunda por perfiles de espesor y sección mínima, que trabaja a tracción simple en toda su extensión y al mismo tiempo le confiere una pequeña rigidez de modo que adopta una directriz natural de equilibrio, al modo de un hilo o "catenaria", sometida a tracción simple y articulada en sus dos extremos, (véase figuras 4). La sección necesaria para soportar las tracciones, en los vértices de articulación en el bastidor poligonal y en el eje en arranque, son pequeñas, de suerte que se obtiene con pequeños espesores de la pala, salvo un pequeño refuerzo en arranque puesto que la sección en un punto es proporcional a su distancia al eje y en el arranque es la menor, (véase figura 7).
8) A efectos de determinación estructural de los restantes componentes de la turbina como la transmisión y el soporte, en primer lugar la tracción lineal en las correas es equivalente a Ty (kg) = 100 W (kg.m/seg) / Vy (m/seg), donde W es la potencia nominal y Vy la velocidad periférica del bastidor y en segundo lugar el empuje normal sobre el plano de la turbina alcanza el valor de la expresión Px(kg)=kx.R2.V2, siendo kx un coeficiente que depende de la configuración de la turbina y de las características del fluido (ángulo de incidencia, densidad, elasticidad, etc.), R (m) es el radio de la turbina y V (m/seg) la velocidad adoptada como nominal del viento a altura del eje del rotor
9) Los aparatos receptores del par motor poseen en general un régimen de velocidad de rotación elevado en relación con el de la turbina eólica, siendo en las eléctricas de 20 a 50 y más veces mayor, que si se transmite directamente desde el eje del rotor es necesario interponer un multiplicador de grandes dimensiones. No obstante, en esta alternativa en que la tracción se sitúa en la superficie exterior del bastidor, las velocidades de rotación de los cilindros tractores tienen valores altos, con lo cual no es necesario un multiplicador, ni una gran rigidez del eje del rotor y de los ejes tractores.
El coeficiente de multiplicación de la velocidad de rotación del rotor y de los ejes tractores es el cociente entre los diámetros del anillo y los de las poleas. En un amplio campo, de 100 a 10.000 kW, y superiores, (cuyo límite es el estructural del bastidor poligonal), se pueden obtener fácilmente velocidades de 25 a 100 rps, que encaja perfectamente en la amplia gama de los alternadores y demás aparatos pequeños, medianos y grandes o muy grandes, (véase figura 5). b) Determinación de los componentes fundamentales de la turbina.
Se han definido las características de las palas como componentes del diseño de la turbina y ahora se determinarán las técnicas en función de las acciones que a las que están sometidas. 1) Dimensionado de las palas y bastidor perimetral poligonal. El cálculo de las palas es el de una estructura normal dentro del campo de resistencia de materiales y los parámetros se obtienen del equilibrio de las fuerzas que actúan sobre las mismas, (véase fígura 4).
En cuanto al cálculo del bastidor y de sus tramos rectos normalmente trabajan a compresión simple entre los vértices de fijación de las articulaciones de las palas y tirantes, y todo el conjunto trabaja a flexión, como una viga normal, en fases de montaje y en funcionamiento con el posible "cabeceo" o "balanceo", el cual está confinado por rodillos estabilizadores laterales inferiores, que al mismo tiempo sirven de servofreno para paradas de emergencia, (véase figuras 3 y 5).
Si los bastidores poligonales perimetrales fueran circulares tendrían que soportar además los esfuerzos de pandeo debidos a las compresiones excéntricas entre dos articulaciones aparte de una ejecución más complicada.
En cuanto al arrastre por rozamiento de las correas, a modo de cintas transportadoras, sobre el perímetro de los bastidores poligonales no es inferior a las de la alternativa de bastidores circulares porque se debe a presiones puntuales sobre los vértices V, (véase fígura 8), y la diferencia de tensión de las correas de entrada y salida de las poleas, para evitar deslizamientos, se obtiene mediante los rodillos tensores, (véase fígura 5).
2) Sistema de transmisión del par motor.
En conclusión, se adopta la alternativa de trasladar la reacción transversal de la turbina al bastidor perimetral poligonal estabilizador, que se convierte en pista de arrastre de alta velocidad y que transmite un par motor rápido a los ejes de los aparatos receptores.
Así pues, tenemos los necesarios pares motores de alta velocidad que permite disponer de la velocidad de rotación requerida por los elementos últimos de aplicación práctica, (véase fígura
5).
El cálculo de los estos componentes es práctica habitual en resistencia de materiales,
c) El soporte de estructura en forma de M, atirantado transversalmente.
Está compuesto por un soporte en M atirantado transversalmente, de patas circulares, reticulares, etc., reforzadas en el sentido del viento, sustentado mediante plataforma giratoria, (con y sin excentricidad), sobre la cimentación de base firme y mediante plataforma flotante auto- orientable, resultando una alternativa de turbina "baja" con la reducción de altura del rotor que si bien implica menor velocidad del viento y mayor radio su influencia se compensa con la reducción del momento de vuelco del soporte en M, aparte de que todos los componentes son accesibles a nivel del suelo y de superficies acuáticas, tanto para montaje como manipulación y mantenimiento,(véase figuras 1, 2, 9 y 10).
d) Transmisión y transformación directas de la energía captada.
La transmisión es directa desde el perímetro del bastidor a los ejes de los aparatos receptores, es decir que las palas, en su rotación generan un par motor que actúa directamente sobre las articulaciones del bastidor y éste, por medio de correas, a modo de cintas transportadoras, sobre el perímetro del bastidor y de poleas, y por lo tanto sobre los ejes de los aparatos receptores, sean eléctricos, térmicos, neumáticos, hidráulicos o mecánicos.
En el uso de correas, a modo de cintas transportadoras, y poleas el contacto tiene que ser lo más amplio posible, si bien el esfuerzo de tracción en arrastre en cada polea es igual al total del bastidor dividido por el número de ejes tractores, (véase figura 5).
Se ha transformado del modo más directo la energía cinética del viento captada por las palas de la turbina en energía de aplicación práctica directa y acumulable, de tipo eléctrico, térmico, neumático, hidráulico o mecánico potencial, con el doble uso de la cimentación, por peso y volumen, en cimiento estructural y posible acumulador energético.
Este doble uso de la cimentación tiene una vertiente eólica en la cual el viento es intermitente con lo cual su energía puede ser acumulada y utilizada de forma continuada en la cantidad requerida en cada momento, (véase figura 1 y 2).
E) Descripción de los dibujos ó figuras.
Para mejor comprensión de las figuras y de la estrecha relación que existe entre ellas se hace una descripción de cada una y a continuación se hace una relación de los componentes, con el mismo número en todas las figuras.
a) Se hace primero una descripción del contenido de cada figura, como sigue:
En la figura 1 se representa una vista lateral de un prototipo de molino, de eje horizontal, rotor con bastidor perimetral poligonal atirantado y palas articuladas en el eje y el bastidor.
Soporte en forma de M, atirantado transversalmente, giratorio u orientable mediante plataforma con rodamiento sobre cimentación firme, con doble uso de cimiento y como acumulador energético térmico.
Transmisión directa mediante tracción, por arrastre de correas, a modo de cintas transportadoras, alrededor de la cara exterior del bastidor poligonal y de poleas motrices, como ejes de los aparatos receptores. En la figura 2 se representa una vista frontal de la alternativa de la figura anterior, de turbina "baja" con soporte atirantado en M giratorio u ori entable mediante plataforma con rodamiento sobre cimentación firme, con doble uso de cimiento y como acumulador energético térmico. En la figura 3 se representa con más detalles el soporte del rotor en M y el rotor con el conjunto de sustentación y la disposición de transmisión desde correas, a modo de cintas transportadoras, hasta las poleas de los ejes tractores de los aparatos receptores, situados en una plataforma de base a la altura más próxima al nivel del suelo y a la superficie de flotación.
En la figura 4 se representa, según dos anchos del eje del rotor, el esquema de equilibrio de las fuerzas que intervienen, tanto por el empuje del viento, (Px), como por las fuerzas centrífugas que se originan en las palas en rotación, así como las tracciones de la misma en las articulaciones de sustentación del eje y del bastidor de suerte que la directriz de las palas, a efectos de cálculo, resulta semejante a una "catenaria".
En las figuras 5 se representan con más detalle los componentes integrantes del sistema de transmisión de la energía de la turbina, mediante la conexión de correas entre el bastidor y las poleas tractoras de los aparatos receptores de tipo eléctrico, térmico, hidráulico, neumático y mecánico como utilización práctica. Todo esto es posible debido a las grandes velocidades de rotación que se obtienen en los ejes tractores que cuentan con una velocidad perimetral igual a la del anillo del rotor, es decir la velocidad en "punta" de las palas. Igualmente se incluyen los rodillos tensores, los de contra "balanceo" y "cabeceo" y los de servofreno de emergencia.
En este caso de transmisión del tipo correa, el contacto entre las correas y las poleas es superior a media circunferencia y se produce el arrastre por rozamiento, sin deslizamiento, al igual que en el bastidor, controlándose las tensiones necesarias en los dos cabos del bastidor por cilindros tensores.
Como ejemplo se disponen cuatro poleas y los correspondientes ejes tractores que permiten la instalación directa de ocho aparatos receptores diversos.
En la figura 6 se representa una disposición genérica de los tirantes del bastidor y las palas en sus extremos interiores, con sus correspondientes bridas concéntricas con el eje del rotor.
En las figuras 7 se representa la configuración de una pala, sus vistas frontal y lateral y la fijación de su extremo exterior en los vértices del bastidor poligonal mediante una articulación regulable, tanto en longitud y tensión como en orientación, y la fijación de su extremo interior en una brida sobre el eje del rotor. Presenta refuerzos en sus extremos y una deslizadera para montaje y desmontaje del extremo exterior en los vértices de la cara interior del bastidor.
En la cara exterior se dispone un acceso de montaje de las articulaciones de las palas y los tirantes.
En la fígura 8 se representa la composición y la ejecución del bastidor perimetral poligonal, de sección similar a rectangular, constituido por tramos trapeciales, donde la cara interior es de anclaje de las articulaciones, la cara exterior es de contacto de las correas de la transmisión y las caras laterales de rodadura de rodillos que absorben los esfuerzos de balanceo por posibles empujes diferentes y excéntricos, relativos a zonas altas y bajas de la turbina.
Se contemplan dos alternativas A y B, según que los anclajes en el bastidor perimetral de los extremos exteriores de palas y tirantes se sitúen en el interior o exterior del cajón, similar a rectangular, para mayor accesibilidad, montaje y manipulación de todos los componentes.
Las secciones de perfil en cajón, similar a rectangular, estarán dimensionadas para soportar los esfuerzos de montaje, funcionamiento y situaciones extremas.
Los materiales y componentes del bastidor, palas y tirantes son de materiales con protección medio-ambiental, tipo metálico, aceros y similares.
En la fígura 9 se representa una planta y una vista lateral de la alternativa de turbina "baja" con soporte atirantado en M sobre plataforma flotante, con una boya intermedia y anclaje único en el fondo, que le permite girar y "auto-orientarse" en el sentido del empuje del viento.
En la fígura 10 se representa una vista frontal de la alternativa de la figura anterior, de turbina
"baja" con soporte atirantado en M sobre plataforma flotante.
b) Descripción de los componentes destacados de las figuras.
Comprende el número de identificación y su descripción, basada en la denominación más comúnmente utilizada.
Se describen como sigue:
1 Palas de perfiles estrechos aerodinámicos de placas trapezoidales sectoriales radiales, alabeadas, en mayor o menor grado, por simple torsión desde su extremo en el bastidor
2 Tirantes del bastidor articulados en el perímetro y las bridas del eje del rotor
3 Bastidor perimetral poligonal atirantado, transmisor y tractor del par motor de la turbina y estabilizador de sección en cajón, similar a rectangular, en dos variantes A y B 4 Eje del rotor con dos bridas soporte de las articulaciones de los tirantes del bastidor y una de las palas, y con rodamientos radiales y axiales de sustentación del rotor en la parte superior de las patas del soporte en M atirantado transversalmente
5 Bridas de la articulación de los tirantes del bastidor en el eje del rotor
6 Brida de la articulación de las palas en el eje del rotor
7 Articulación que regula la longitud, tensión y ángulo de incidencia del extremo exterior de las palas
8 Rodamientos, radiales y axiales, soportes del eje del rotor en la parte superior de las patas del soporte en M
9 Correas, a modo de cintas transportadoras, alrededor del bastidor del rotor y de las poleas que por tracción de arrastre transmiten el par motor de la turbina a los ejes tractores de los múltiples aparatos receptores
10 Poleas de transmisión de los pares tractores a los aparatos receptores por tracción de correas, a su alrededor y del bastidor del rotor
11 Rodillos tensores para regulación de longitud y tensión del rozamiento de las correas
lia Rodillos de confinamiento por "balanceo" y "cabeceo" del bastidor y servofreno de emergencia
12 Ejes motores de las poleas que actúan sobre los múltiples aparatos receptores de la potencia de la turbina
13 Aparatos receptores de la potencia de la turbina, tales como alternadores, compresiones, bombas hidráulicas, agitadores y mecánicos
14 Taladros de fijación, en las bridas del eje del rotor, de los tirantes articulados en los vértices del bastidor perimetral poligonal
15 Taladros de fijación en la brida del eje del rotor de las palas radiales, articuladas en los vértices del bastidor perimetral poligonal
16 Placas s soporte de los ejes de aparatos receptores y de tensores, situados en la base de las patas del soporte en M
17 Patas inclinadas, circulares, reticulares, etc., reforzadas según la dirección del viento, desde el vértice del soporte en M, atirantado transversalmente, hasta la plataforma giratoria
18 Plataforma intermedia, para montaje, manipulación y mantenimiento de los componentes de la transmisión y de los aparatos receptores
19 Escala de acceso interior de las patas en M 20 Patas verticales, circulares, reticulares, etc., reforzadas según la dirección del viento, desde el vértice del soporte atirantado en M hasta la plataforma giratoria
21 Cámara central de calentamiento del acumulador, como cimiento, mediante conductos energéticos, en circuito cerrado con material térmico, y los aparatos extractores de energía
22 Circulaciones, a través de canales interiores del acumulador, de fluido calentado en la cámara central hacia los aparatos de extracción y de fluido enfriado procedente de los aparatos de extracción, todo ello en circuito cerrado y presión atmosférica.
23 Plataforma giratoria, (con y sin excentricidad) del soporte en M, sobre cimentación firme
24 Rodamiento horizontal entre la plataforma giratoria, (con y sin excentricidad), y la cimentación firme
25 Cimentación como cimiento y acumulador energético térmico
26 Refuerzo del extremo interior de las palas
27 Refuerzo del extremo exterior de las palas
28 Deslizadera de los extremos exteriores de las palas en la articulación del bastidor para facilidad de montaje y desmontaje
29 Articulación del extremo interior de las palas en eje del rotor
30 Articulación del extremo exterior de las palas en los vértices V del bastidor
31 Articulación del extremo exterior de los tirantes en los vértices V del bastidor
32 Cara exterior del bastidor, de sección rectangular, pista de arrastre de correas, a modo de cintas transportadoras y con apertura de acceso interior a los vértices de las articulaciones en la variante A
33 Cara interior del bastidor de sección rectangular, para anclaje de las articulaciones de palas y tirantes, según las variantes A y B.
34 Caras laterales del bastidor poligonal de sección rectangular, pista de rodadura de los rodillos laterales inferiores para contención del posible "balanceo" y "cabeceo" del rotor.
35 Tornillo de tensión y torsión de la articulación del extremo exterior de las palas en la cara interior del bastidor
36 Tornillo de tensión del extremo exterior de los tirantes en la cara interior del bastidor
37 Plataforma flotante principal amarrada a la boya de anclaje en fondo acuático
38 Plataforma flotante complementaria de la boya de anclaje en fondo acuático
39 Cable a tracción desde el eje del rotor hasta la boya, como soporte del empuje total de la turbina, en el sentido del vuelco por acción del viento y oleaje 40 Cable de anclaje de la boya como soporte de la turbina en el cimiento de fondo acuático
41 Boya marina para amarre del molino flotante en el cimiento de fondo acuático, orientable por el empuje del viento en su dirección
42 Cables de anclaje lateral de los extremos de la plataforma principal en el cimiento de fondo acuático
43 Tirantes transversales del soporte atirantado en M desde el eje del rotor hasta la plataforma firme y la flotante para estabilidad lateral de ésta
44 Cimiento del anclaje de la boya y de las plataformas en el fondo acuático
AG Masa de agua marina, lacustre, balsas artificiales de ubicación, etc.
Px Empuje normal del viento
F) Exposición de un modo de realización.
En la exposición anterior y en las figuras correspondientes queda reflejado perfectamente el proceso de ejecución de cualquier mecanismo o componente del molino compuesto de modo especial por el soporte atirantado en forma de M, el rotor con las palas y el bastidor perimetral poligonal atirantado, transmisor, tractor y estabilizador, la transmisión perimetral externa mediante correas, a modo de cintas transportadoras, alrededor del bastidor y las poleas de los ejes tractores y la transformación mediante diversos aparatos convencionales de todo tipo, como eléctricos y mecánicos en general, (véase figuras 1 a 10).
El deterioro y consumo de correas de la transmisión, se produce prácticamente todo en el tramo corto y limitado de las poleas y son nulos en el tramo largo del bastidor, o sea que el consumo es una constante en el tiempo y el resto resulta similar a un repuesto, que prolonga la duración y el período de reposición.
Así pues, contrariamente a lo que podría deducirse, el coste en correas es mínimo y su longitud no supone mayor gasto material por unidad de potencia y en cambio, en el tiempo, si supone una reducción en los gastos de mantenimiento.
Los componentes estructurales se dimensionan en función de las tensiones y momentos que se producen en el bastidor y en el soporte, debidos al empuje normal y transversal del viento y a las fuerzas centrífugas de rotación.
El equilibrio del conjunto se obtiene por las reacciones en los puntos de articulación y empotramiento, mediante materiales de densidad y resistencia normales en estructuras metálicas. Al mismo tiempo se instalarán los aparatos de regulación y control, estación anemométrica, sistemas de monitorización y mandos distancia, etc., según métodos convencionales existentes en el mercado.
G) Aplicaciones prácticas en general.
En cuanto a las diversas aplicaciones de la energía captada en los distintos circuitos energéticos de tipo eléctrico, térmico, hidráulico, neumático, mecánico etc., habituales en la industria y el consumo doméstico, se pueden mencionar configuraciones correspondientes a desalación de agua del mar, impulsión de móviles, etc., y conexión a Redes.
H) Conclusiones.
Se trata de la rigurosa interpretación de un proceso físico en el cual la configuración de un mecanismo, por efecto de los impulsos de un fluido en movimiento, capta gran parte de su energía, dentro de un "volumen de control", controla el" medio" y regulariza su dinámica en un amplio entorno.
La ejecución del molino es sencilla, siendo solamente necesarios medios, materiales y componentes abundantes en el mercado y el montaje, accesibilidad y mantenimiento son fáciles en cualquier punto y permite la ejecución de redes prácticamente ilimitadas para fines tan útiles como necesarios y escasos en grandes extensiones del Globo.
Considerando que la mayor parte de la energía actual es de origen térmico y que su sustitución total a corto plazo es inviable, las nuevas implantaciones y ampliaciones se realizarían con nuevos proyectos eólicos y reducción gradual de los existentes y el consumo de carburantes con consiguientes benéficos económicos y medioambientales. Se sustituirían las fuentes de calor de combustión por apoyos progresivos termo-eólicos, reduciendo el consumo de combustible, fósil o similar, manteniendo el resto de las instalaciones.
Con esta alternativa, más eficaz y económica que las actuales, se resolvería el problema del cambio climático por emisiones de C02.
En resumen, la Patente de Invención que se solicita deberá recaer sobre la siguiente:

Claims

REIVINDICACIÓN
Turbina eólica autónoma con acumulación energética y aplicaciones que se reivindica como molino de viento de eje horizontal, estando configurada por componentes específicos para la captación de energía cinética del viento, conforme a la mecánica de fluidos, y presentando geometría, dimensiones, desarrollos, ángulos de incidencia de palas y cadencia en la intercepción del flujo del viento, tales que, por acción de la componente transversal del empuje del flujo que intercepta, experimenta, en rotación, cierto par motor de modo que con la interposición de mecanismos de transmisión, se transforma en pares motores, que "generan" energía en aparatos receptores, según la intermitencia del viento, y que es susceptible de utilización directa y acumulación para su posterior uso continuo, según necesidades, y que se caracteriza porque, con respecto a sus características técnicas, está constituida por: A) el soporte, en forma de M, atirantado transversalmente, con patas circulares, reticulares, etc., reforzadas en la dirección del viento, siendo orientable por ubicación sobre una plataforma giratoria, (con y sin excentricidad), sustentada en una cimentación firme, con uso como cimiento y acumulador, y sobre una plataforma flotante auto-orientable, dando opción a una alternativa de turbina baja, cuyo rotor puede estar situado a la altura más próxima posible a la cimentación, al nivel del suelo y del agua, con menor momento de vuelco del soporte, y mayor facilidad de montaje, manipulación y mantenimiento de sus componentes, B) el rotor, constituido por un bastidor perimetral poligonal atirantado y las palas que sustenta, suspendido del soporte en M que, al estar apoyado sobre una plataforma giratoria, (con o sin excentricidad), y sobre una plataforma flotante auto-orientable, permite la orientación del plano de la turbina en dirección normal a la del viento, y con "cierta oblicuidad" para velocidades excesivas del viento, de suerte que sus componentes normales y transversales, sean las nominales de cálculo, operando, por rotación desde la base y, por torsión, sobre el ángulo de incidencia del extremo de las palas articulado en el bastidor, con mecanismos directos y monitorización, según la información suministrada por estación anemométrica, C) el bastidor perimetral poligonal, de sección en cajón, similar a rectangular, radialmente atirantado mediante bridas en el eje del rotor, con rodillos contra "cabeceo" y servofreno, que actúa como estabilizador y soporte de la articulación de los extremos exteriores de las palas y tirantes, constituyéndose al mismo tiempo en soporte del empuje "normal" del viento y en receptor y transmisor, a lo largo de su desarrollo exterior, del par motor del empuje "transversal" del viento sobre las palas y que, a su vez, lo transmite, mediante correas alrededor de su perímetro y de poleas motrices con tensores, a modo de cintas transportadoras, a los ejes de los aparatos receptores, dispuestos en la plataforma intermedia de base, D) las palas, construidas con perfiles rectos, estrechos y aerodinámicos de placas de material resistente y flexible, configuradas por sectores trapeciales radiales, alabeadas, en mayor o menor grado, por simple torsión de su extremo exterior, y articuladas en su extremo interior, de forma predeterminada, en brida del eje del rotor, y en su extremo exterior en los vértices V del bastidor perimetral poligonal, E) la transmisión del par motor del bastidor a los aparatos receptores, situados en la plataforma baja citada, que tiene lugar por rozamiento y tracción de correas, como cintas transportadoras, alrededor del bastidor perimetral y de poleas, al mismo tiempo que dota de la velocidad de rotación requerida por sus ejes tractores, en función de la velocidad perimetral del bastidor y de los diámetros de las poleas, F) la transformación mediante los múltiples aparatos receptores de potencia de los pares motores, que están constituidos por generadores eléctricos, compresores, bombas hidráulicas, agitadores térmicos, discos de fricción, aparatos mecánicos, etc., para uso directo y acumulación energética térmica, (dado el doble uso de la cimentación como cimiento y acumulador), para su posterior aprovechamiento continuo, tal que, en cualquier hora, incluidas las de inactividad eólica, sea utilizada según demanda, para usos domésticos e industriales, recarga de acumuladores fijos y móviles, etc., y conexión a Redes, G) todos los componentes constituidos por materiales comerciales y comunes utilizados en la construcción y la industria en general y porque H) todos los modelos de un lugar son de configuración semejante y según la mecánica fluidos con la simple modificación de escala se pueden alcanzar grandes tamaños y potencias, al mismo tiempo que son instalables tanto en tierra como en el agua.
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