WO2016166385A1 - Guía del flujo eólico externa para conducir el aire hacia una turbina eólica - Google Patents

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WO2016166385A1
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wind
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region
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Manuel Agustín ALCOCER RAMÓN-LACA
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Alcocer Ramón-Laca Manuel Agustín
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D13/00—Assembly, mounting or commissioning of wind motors; Arrangements specially adapted for transporting wind motor components
    • F03D13/20—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/728—Onshore wind turbines

Definitions

  • the invention falls within the field of renewable energy, more specifically in the wind energy sector.
  • a structure that would optimize the wind flow to the wind turbine rotor would be desirable, affecting its structural integrity to a lesser extent, but increasing the wind speed in order to extract more wind energy and at the same time keeping under control or even improving two key parameters: First, the turbulence of the wind flow, which is responsible for the decrease of the useful life of the turbine components, and secondly, the angle of incidence of the wind in the wind turbine rotor, which in the case of increasing above the design specifications could also compromise the integrity of the turbine.
  • the present invention relates to an external and independent structure that is placed next to a wind turbine to drive and accelerate the flow of air from lower and lateral strata to the wind turbine rotor next to which it is installed.
  • the structure includes a conduction sheet to concentrate the wind flow and direct it towards the wind turbine rotor.
  • the blade frontally defines a first region to mainly concentrate and accelerate the flow and a second region to, in addition to concentrating and accelerate the flow, also rectify it in terms of incidence angle so that it reaches the area swept by the wind turbine rotor in conditions appropriate to the design specifications of each turbine, or even improved with respect to the initial site conditions.
  • the slope of the blade will increase progressively to accelerate and redirect the wind flow to the turbine rotor, and in the second region it will decrease, also progressively, to, in addition to accelerating the flow, adapt its angle of incidence to the specifications of the turbine. In both regions, the slope changes must be progressive to avoid the generation of turbulence.
  • the longitudinal section in the first region has a greater curvature than in the second region.
  • the curvature is defined as the measure of the change in the direction of the tangent vector to a curve when we move along it.
  • the structure can have support guides that support the conduction sheet and a platform to support the assembly of the support guides and conduction sheet.
  • the design of the turbine and the proposed structure can be done independently. This allows to adapt and install the structure in front of any existing or future wind turbine, regardless of the manufacturer or the design peculiarities of each turbine model (tower height, length of the blades, etc).
  • the conduction sheet extends in its upper distal part defining lateral elevations as ridges, whose function is to concentrate more efficiently on the swept area of the rotor the wind that if not the sheet would circulate through lower and lateral strata to the rotor of the turbine.
  • the conduction sheet varies its slope smoothly and progressively to avoid turbulent flow generation due to abrupt changes in the slope.
  • the conduction sheet defines a channel that progressively narrows towards the rotor to concentrate the flow.
  • a part of the conduction sheet is in the form of a semi-funnel trunk-conical (slide-shaped).
  • the surface of the conduction sheet is smooth to prevent the generation of turbulence due to the contact of the wind flow with the conduction sheet and to facilitate that the flow is laminar.
  • the platform is adjustable according to the wind direction to follow the wind turbine's rotation when it seeks to orient itself in the prevailing wind direction.
  • the platform consists of a base in direct contact with the ground and, coupled with said base and raised, an upper support structure where the driving structure is supported.
  • the set of fastening guides and conduction sheet can move through the upper support of the base through a mechanism of rails and bearings.
  • the clamping guides can be moved independently around the turbine in order to generate the most convenient geometry of the conduction sheet.
  • the set has a great capacity to adapt to the wind site thanks to the possibility of making specific geometries of the conduction sheet that it acquires based on the support guides. It can be adapted both to the specific wind, weather and orographic conditions of the site, as well as to the specific type of wind turbine.
  • the invention can be doubly beneficial for the wind farm's economy, and ultimately, for society: on the one hand it allows extracting energy from wind turbines thanks to the increase in fluid velocity and, on the other hand, thanks to control and optimization of the turbulence and the angle of incidence, allows to extend the life of the turbine components, which increases the time during which the turbine can extract energy from the wind.
  • FIG. 1 shows an example of perspective structure.
  • FIG. 2 show several views of the structure of FIG. 1 in the frontal plane (FIG. 2A), upper (FIG. 2B) and lateral (FIG. 2C).
  • FIG. 3 shows a graph of the two differential regions of the structure in longitudinal section and the wind speed.
  • FIG. 4 shows, in longitudinal section, another form for the structure that allows greater stabilization of the wind flow in terms of angle of incidence and turbulence.
  • FIG. 5 shows a second example of adjustable structure with fixed base in different views.
  • FIG. 6 shows several views of the structure of FIG. 5 in the frontal plane (FIG. 6A), upper (FIG. 6B) and lateral (FIG. 6C).
  • FIG. 7 shows a third example of adjustable structure of beams and masts, in different views.
  • FIG. 8 shows several views of the structure of FIG. 7 in the frontal plane (FIG. 8A), upper (FIG. 8B) and lateral (FIG. 8C).
  • FIGs. 1 and 2 show how the structure is composed of a large surface: the light, flexible and resistant conduction sheet 1 for the concentration and rectification of the wind flow to the area swept by the wind turbine rotor.
  • the structure creates an artificial elevation in front of the wind turbine 2, inclined towards the direction of the wind with respect to the horizontal. Said elevation allows to drive, concentrate and accelerate the wind of lower and lateral strata towards the rotor 21.
  • the conduction sheet 1 is supported by means of fastening guides 11 arranged at its lateral ends, which allow the conduction sheet 1 to extend generating a suitable form for the wind conduction towards the rotor 21 of the turbine 2.
  • the structure may vary in size and shape to adapt to the orographic, wind and weather conditions of each location and thus optimize the speed, turbulence and angle of incidence of wind flow that reaches the rotor 21.
  • the fastening guides 11 that support and shape the conduction sheet 1 are inclined with respect to the horizontal.
  • platforms 3 to which each guide connects will be used. Said platforms 3 will cancel out the moment of force generated by the forces present in the structure: the weight of the clamping guides 11 inclined towards the direction of the wind, the weight of the conduction sheet 1, and the force of the wind that affects the conduction sheet when being redirected towards the rotor 21 of the turbine 2.
  • the clamping guides 11 are provided with a mechanism for lowering the conduction sheet 1 when necessary, especially at times when the wind speed is too high, and lifting said sheet again. driving when the wind speed at the site is suitable for use.
  • FIG. 2A shows the front view, according to the xz plane, of the structure where it is appreciated that the sheet 1 would extend from a height close to the ground to a height close to the lower arc of the circumference of the rotor 21.
  • FIG. 2B shows the top view, according to the xy plane, of the structure.
  • FIG. 2C shows the view and z, an example of the profile of the sheet 1 is shown.
  • FIG. 3 represents a potential longitudinal section of the structure.
  • the conduction sheet 1 allows the wind flow from the lower and lateral strata to the area swept by the rotor 21 of the turbine 2 to be redirected towards said area, thereby increasing the wind speed and allowing the wind turbine 2 extract more energy.
  • the length of the arrows indicates the magnitude of the wind.
  • the first is the acceleration region 1a that seeks to increase the wind speed.
  • the second is the grinding region 1 b, where, in addition to accelerating the flow, it is also sought to correct the angle of incidence of the wind flow with respect to the horizontal, to make it compatible with the design specifications of the wind turbine or even improve it regarding the initials of the site.
  • the shape of the sheet 1 in both regions must change progressively, not abruptly, to prevent the generation of turbulence and even improve the turbulence with respect to that initially existing at the site.
  • FIGs. 3-4 A design of the longitudinal sections of the "S" shaped conduction sheet as shown in FIGs. 3-4. It is observed in these examples that the first region 1a has a concave shape, while the second region 1b is slightly convex. This design meets the desired goal although there may be many others. In general, it is about meeting a series of conditions:
  • the curvature of the conduction sheet 1 must be smooth.
  • the transition between the acceleration region 1a and the grinding region 1 b must not be abrupt or pronounced.
  • the flow is redirected and minimizes the turbulence of the flow that impacts the area swept by the rotor 21 of the turbine 2.
  • the turbulence of the wind flow is a problem for wind turbines, as it causes higher loads in the wind turbine and reduces the life of the components. It is therefore a parameter that should be as small as possible.
  • the angle of incidence of the wind flow re-driven by the conduction sheet with respect to the horizontal must not exceed the design specifications of the turbine 2.
  • the wind turbines are designed with a limit of the angle of incidence of the flow of wind, generally ⁇ 8 ° with respect to the horizontal following the IEC 61400-1 standard. Eventually, wind turbines could be designed with a different angle of incidence specification than the current one, which would allow changing the design of the proposed structure taking into account the new specification.
  • the conduction sheet should be as light as possible to minimize the weight and loads that the entire structure must support. It must also withstand the typical weather conditions of the sites destined for the production of wind energy (wind, rain and other meteorological phenomena, %)
  • it can also be flexible to allow the collection of the sheet 1. This is useful at times when the weather conditions are unfeasible to be able to guarantee the structural integrity of the assembly or it is not desirable for any reason the optimization of wind flow .
  • it is implemented by a "curtain" type mechanism that brings the sheet 1 from its fully extended position to a partially or fully collected position.
  • the surface of the conduction sheet 1 must be slightly rough, since otherwise it could generate turbulence in the wind that could add loads to the turbine and consequently reduce its operating life.
  • the clamping guides 11 have to hold in suspension, extend and give the suitable shape to the conduction sheet 1 to perform its task of re-direction of the flow.
  • the assembly is adaptable to the wind conditions of each location through a specific design of the way in which the conduction sheet would be arranged to redirect the flow in each case.
  • FIG. 4 shows a longitudinal profile design with a region of acceleration 1 to less (with a less smooth angle) but whose region of grinding 1 b is larger in order to stabilize the flow for a longer time and lead to a more laminar flow, less turbulent and with a more stabilized angle of incidence around the values allowed by the turbine specification.
  • the support of the fastening guides and conduction sheet assembly can be carried out through platforms 3 resting on the ground.
  • the entire structure will be mobile to be oriented in the wind direction, following the wind turbine's own rotation.
  • the platform rotation mechanism can be realized by platforms 3 with wheels 31 that rest directly on the ground as illustrated in FIG. 1 and in FIG. 2 C. This raises some drawbacks that may make this solution not recommended for certain circumstances.
  • the circumference of rotation that travel the platforms 3 of support of the structure can be very large, which would imply having to carry out an important civil work to allow the rotation around the turbine 2 of the entire structural assembly composed of platforms, fastening guides 11 and conduction sheet 1.
  • FIG. 5 another perspective embodiment is illustrated that includes another implementation of the platform 3 which has a lower base 4a, with a circular shape, anchored and fixed on the ground, which supports by means of structural columns, an upper support 4b that is circular and is elevated , where the clamping guides are supported 11.
  • FIGs. 6A, 6B and 6C Different views of this embodiment can be seen in FIGs. 6A, 6B and 6C.
  • This conception of the platform 3 improves the stability and robustness of the assembly by better distributing the force made by the wind on the structural assembly and compensating the moment of force generated by the forces acting on the structure: the weight of the clamping guide 11 inclined towards the direction of the wind, the weight of the conduction sheet 1, and the force of the wind that affects the conduction sheet when being redirected towards the turbine rotor.
  • the support point of the clamping guides 11 on the upper support 4b of the platform 3 is the middle part of said clamping guides 11 since it allows the moment of force generated by the wind in the upper part of the structure to be it can compensate, at least partially, for the one generated at the bottom of it.
  • This variant of platform 3 also has other advantages over the previous one, since it avoids having mobile components at ground level. In this way, adaptation to the terrain is simpler and it is easier to monitor the operation. Safety also improves, since there are no mobile components in contact with the ground, there are no a priori additional restrictions on access to the wind farm.
  • the clamping guides 11 can be moved on the upper support structure 4b through a mechanism of rails and bearings to allow the rotation movement of the clamping guides 11 around the turbine 2 thus achieving the proper orientation of the sheet of driving 1 according to the wind direction.
  • FIGs. 7 and 8 illustrates a third embodiment that may be more economical by requiring simpler platforms and supporting structures than in the previous embodiment.
  • a lift consisting of masts 5h, 5i and beams 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g is used that generate a stable lift for the fastening guides 11 which in turn support the driving sheet one.
  • the support platforms 3 of said support structure are movable and move on rails 41 around the turbine 2, which also allows the rotation of the conduction sheet 1 around the turbine 2.
  • FIGs. 8A, 8B and 8C Different views of this embodiment can be seen in FIGs. 8A, 8B and 8C.
  • This conception of the platform 3 improves the use of material, meeting the minimum requirements of stability and robustness of the assembly and allowing compensation of the moment of force generated by the forces acting on the structure: the weight of the clamping guide 11 inclined towards the wind direction, the weight of the conduction sheet 1, and the force of the wind that affects the conduction sheet 1 when being redirected towards the rotor 21 of the turbine 2.
  • the point of support on the structure will preferably be the middle part of said fastening guides 11 since it allows that the moment of force generated by the wind in the upper part of the structure can be compensated, at least partially, by that generated in the part bottom of it.
  • the design of the structure is adaptable to the site.
  • the structure may vary in size to guarantee speeds, Turbulence and angle of incidence desired when the wind passes through the swept area of the rotor.

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Abstract

Estructura externa para controlar el flujo de viento recibido por una turbina eólica (2) que comprende una lámina de conducción (1) para concentrar el flujo de viento y dirigirlo hacia el rotor (21) de la turbina eólica (2), definiendo frontalmente una primera región inferior (1a) y una segunda región superior (1b), siendo la curvatura media de la sección longitudinal en la primera región (1a) mayor que en la segunda región (1b). Una plataforma (3) soporta la lámina de conducción (1). Dicha plataforma puede incluir un mecanismo para orientarla en función de la dirección del viento.

Description

ESTRUCTURA EXTERNA PARA CONTROLAR EL FLUJO DE VIENTO RECIBIDO
POR UNA TURBINA EÓLICA
DESCRIPCIÓN
Campo técnico de la invención
La invención se encuadra en el campo de las energías renovables, más concretamente en el sector de energía eólica.
Antecedentes de la invención o Estado de la Técnica
Hasta el día de hoy, la industria de diseño y fabricación de turbinas eólicas ha puesto gran parte de sus esfuerzos en la optimización de la eficiencia y el coste de la propia turbina eólica, con un éxito considerable. Entre muchos logros técnicos e industriales que han sido satisfactoriamente implementados en las últimas décadas, cabe destacarse:
• el aumento considerable de la potencia nominal y la longitud de los rotores de las turbinas eólicas, lo que permite extraer más cantidad de energía por turbina eólica y de emplazamientos con velocidades de viento más bajas,
• la considerable reducción del peso de las góndolas y palas, permitiendo el incremento de altura de las torres y el aprovechamiento de las velocidades mayores existentes a mayor altura, y
• la reducción de costes en toda la cadena de suministro a medida que la industria ha ido adquiriendo madurez.
Sin embargo, son más escasas las propuestas para optimizar las características del flujo del viento que llega a la turbina eólica y mejorar de esta forma su rendimiento. Entre dichas propuestas, se destacan las siguientes:
US6710468B1 que divulga un concentrador de viento que se ensambla al rotor de una turbina eólica para encauzar el viento.
i US20140308120A1 que describe otro concentrador de viento para su uso en tejados de edificios y que se coloca en un rotor para aprovechar los vientos de escasa velocidad.
Ambas propuestas tienen sin embargo una importante desventaja técnica. La turbina eólica necesita adaptarse para soportar las cargas adicionales que supondría la colocación de un concentrador de viento como los descritos. El elemento sustentador de la turbina, generalmente una torre, precisaría una robustez muy elevada, lo cual añadiría un coste considerable que dificulta su viabilidad económica.
A la vista de las limitaciones del estado de la técnica, sería deseable una estructura que optimizara el flujo de viento hacia el rotor de la turbina eólica afectando en menor medida su integridad estructural, pero logrando aumentar la velocidad del viento para poder extraer más energía eólica y al mismo tiempo manteniendo bajo control o incluso mejorando dos parámetros clave: En primer lugar, la turbulencia del flujo de viento, que es responsable de la disminución de vida útil de los componentes de la turbina, y en segundo lugar, el ángulo de incidencia del viento en el rotor de la turbina eólica, que en el caso de incrementar por encima de las especificaciones de diseño podría comprometer también la integridad de la turbina.
Breve descripción de la invención
La presente invención se refiere a una estructura externa e independiente que se coloca junto a una turbina eólica para conducir y acelerar el flujo de aire de estratos inferiores y laterales hacia el rotor de la turbina eólica junto a la que se instala.
La estructura incluye una lámina de conducción para concentrar el flujo de viento y dirigirlo hacia el rotor de la turbina eólica. La lámina define frontalmente una primera región para principalmente concentrar y acelerar el flujo y una segunda región para, además de concentrar y acelerar el flujo, también rectificarlo en términos de ángulo de incidencia para que llegue al área barrida por el rotor de la turbina eólica en condiciones adecuadas a las especificaciones de diseño de cada turbina, o incluso mejoradas respecto a las condiciones iniciales del emplazamiento. Para conseguir esta combinación de efectos, en la primera región la pendiente de la lámina aumentará de forma progresiva para acelerar y redireccionar el flujo de viento hacia el rotor de la turbina, y en la segunda región disminuirá, también progresivamente, para, además de acelerar el flujo, adecuar su ángulo de incidencia a las especificaciones de la turbina. En ambas regiones, los cambios de pendientes deben ser progresivos para evitar la generación de turbulencia.
De esta manera, se cumple que la sección longitudinal en la primera región tiene una curvatura mayor que en la segunda región. La curvatura se define como la medida del cambio que sufre la dirección del vector tangente a una curva cuando nos movemos a lo largo de ésta.
La estructura puede contar con unas guías de sujeción que sustentan la lámina de conducción y con una plataforma para sustentar a su vez el conjunto de las guías de sujeción y lámina de conducción.
Al no tener ninguna interacción estructural directa con la turbina eólica, el diseño de la turbina y de la estructura propuesta puede hacerse de forma independiente. Esto permite poder adaptar e instalar la estructura delante de cualquier turbina eólica existente o futura, sin importar el fabricante ni las peculiaridades de diseño de cada modelo de turbina (altura de torre, longitud de las palas, etc).
Opcionalmente, la lámina de conducción se extiende en su parte distal superior definiendo unas elevaciones laterales a modo de crestas, cuya función es concentrar más eficientemente sobre el área barrida del rotor el viento que de no estar la lámina circularía por estratos inferiores y laterales al rotor de la turbina.
Opcionalmente, la lámina de conducción varía su pendiente de forma suave y progresiva para evitar la generación de flujo turbulento por cambios abruptos en la pendiente.
Opcionalmente, la lámina de conducción define un canal que se estrecha progresivamente hacia el rotor para concentrar el flujo.
Opcionalmente, una parte de la lámina de conducción tiene forma de semi-embudo tronco-cónico (en forma de tobogán).
Opcionalmente, la superficie de la lámina de conducción es lisa para impedir la generación de turbulencias por el contacto del flujo de viento con la lámina de conducción y facilitar que el flujo sea laminar.
Opcionalmente, la plataforma es orientable según la dirección del viento para seguir la rotación de la turbina eólica cuando ésta busca orientarse en la dirección predominante del viento.
Opcionalmente, la plataforma se compone de una base en contacto directo con el suelo y, acoplada con dicha base y elevada, una estructura de soporte superior donde se apoya la estructura de conducción. El conjunto de guías de sujeción y lámina de conducción podrán desplazarse por el soporte superior de la base a través de un mecanismo de carriles y rodamientos. Opcionalmente, las guías de sujeción se pueden mover independientemente alrededor de la turbina con el objetivo de generar la geometría más conveniente de la lámina de conducción.
El conjunto tiene una gran capacidad de adaptación al emplazamiento eólico gracias a la posibilidad de realizar geometrías específicas de la lámina de conducción que adquiere apoyándose en las guías de sujeción. Puede adecuarse tanto a las condiciones de viento, meteorológicas y orográficas específicas del emplazamiento, como al tipo de turbina eólica específica.
En suma, la invención puede ser doblemente beneficiosa para la economía del parque eólico, y en definitiva, para la sociedad: por un lado permite extraer más energía de las turbinas eólicas gracias al aumento de velocidad del fluido y, por otro lado, gracias al control y optimización de la turbulencia y el ángulo de incidencia, permite alargar la vida de los componentes de la turbina, lo cual aumenta el tiempo durante el que la turbina puede extraer energía del viento.
Estas y otras ventajas quedarán aún más claras en los siguientes apartados.
Breve descripción de las figuras
La FIG. 1 muestra un ejemplo de estructura en perspectiva.
La FIG. 2 muestran varias vistas de la estructura de la FIG. 1 en el plano frontal (FIG. 2A), superior (FIG. 2B) y lateral (FIG. 2C).
La FIG. 3 muestra una gráfica de las dos regiones diferenciales de la estructura en sección longitudinal y la velocidad del viento.
La FIG. 4 muestra, en sección longitudinal, otra forma para la estructura que permite una mayor estabilización del flujo de viento en términos de ángulo de incidencia y turbulencia.
La FIG. 5 muestra un segundo ejemplo de estructura orientable con base fija en diferentes vistas.
La FIG. 6 muestra varias vistas de la estructura de la FIG. 5 en el plano frontal (FIG. 6A), superior (FIG. 6B) y lateral (FIG. 6C).
La FIG. 7 muestra un tercer ejemplo de estructura orientable de vigas y mástiles, en diferentes vistas. La FIG. 8 muestra varias vistas de la estructura de la FIG. 7 en el plano frontal (FIG. 8A), superior (FIG. 8B) y lateral (FIG. 8C).
Descripción detallada de la invención
Sin carácter limitativo y con referencia a las figuras anteriores, se describen varios ejemplos de realización de la invención.
Primera realización
Las FIGs. 1 y 2 muestran cómo la estructura se compone de una gran superficie: la lámina de conducción 1 , ligera, flexible y resistente para la concentración y rectificado del flujo de viento hacia el área barrida por el rotor de la turbina eólica. La estructura crea una elevación artificial delante de la turbina eólica 2, inclinada hacia la dirección del viento respecto a la horizontal. Dicha elevación permite conducir, concentrar y acelerar el viento de estratos inferiores y laterales hacia el rotor 21. La lámina de conducción 1 se sostiene mediante unas guías de sujeción 11 dispuestas en sus extremos laterales, que permiten a la lámina de conducción 1 extenderse generando una forma adecuada para la conducción del viento hacia el rotor 21 de la turbina 2. Ventajosamente, la estructura podrá variar de tamaño y forma para adaptarse a las condiciones orográficas, de viento y meteorológicas de cada emplazamiento y así optimizar la velocidad, turbulencia y ángulo de incidencia del flujo de viento que llega al rotor 21.
Las guías de sujeción 11 que sustentan y dan forma a la lámina de conducción 1 están inclinadas respecto a la horizontal. Para sustentarlas, se utilizará unas plataformas 3 a las que cada guía se conecta. Dichas plataformas 3 anularán el momento de fuerza generado por las fuerzas presentes en la estructura: el peso de las guías de sujeción 11 inclinada hacia la dirección del viento, el peso de la lámina de conducción 1 , y la fuerza del viento que incide en la lámina de conducción al ser re-direccionado hacia el rotor 21 de la turbina 2.
Preferentemente, las guías de sujeción 11 están dotadas de un mecanismo para arriar la lámina de conducción 1 cuando sea preciso, especialmente en momentos en los que la velocidad del viento sea demasiado alta, y volver a izar dicha lámina de conducción cuando la velocidad del viento en el emplazamiento sea adecuada para su uso.
La FIG. 2A muestra la vista frontal, según el plano xz, de la estructura donde se aprecia que la lámina 1 se extendería desde una altura cercana al suelo hasta una altura cercana al arco inferior de la circunferencia del rotor 21.
En la FIG. 2B se representa la vista superior, según el plano xy, de la estructura.
En la FIG. 2C se representa la vista yz, se muestra un ejemplo del perfil de la lámina 1.
En la FIG. 3 se representa una potencial sección longitudinal de la estructura. Como se puede apreciar en la FIG. 3, la lámina de conducción 1 permite que el flujo de viento de los estratos inferiores y laterales al área barrida por el rotor 21 de la turbina 2 sea re-direccionado hacia dicha área, incrementando así la velocidad del viento y permitiendo a la turbina eólica 2 extraer más energía. La longitud de las flechas indica la magnitud del viento.
Se pueden distinguir dos regiones en la lámina de conducción 1. La primera es la región de aceleración 1a que busca incrementar la velocidad del viento. La segunda es la región de rectificado 1 b, donde, además de acelerar el flujo, se busca también corregir el ángulo de incidencia del flujo de viento respecto a la horizontal, para hacerlo compatible con las especificaciones de diseño de la turbina eólica o incluso mejorarla respecto a las iniciales del emplazamiento. La forma de la lámina 1 en ambas regiones debe cambiar de forma progresiva, no abrupta, para evitar la generación de turbulencia e incluso mejorar la turbulencia respecto a la existente inicialmente en el emplazamiento.
Un diseño de las secciones longitudinales de la lámina de conducción en forma de "S" como se muestran en las FIGs. 3-4. Se observa en estos ejemplos que la primera región 1a tiene una forma cóncava, en tanto que la segunda región 1 b es ligeramente convexa. Este diseño cumple con el objetivo deseado aunque puede haber otros muchos. En general, se trata que cumplan con una serie de condiciones:
Por un lado, la curvatura de la lámina de conducción 1 debe ser suave. La transición entre la región de aceleración 1a y la región de rectificado 1 b no debe ser abrupta ni pronunciada. El flujo es re-direccionado y minimiza la turbulencia del flujo que impacta el área barrida por el rotor 21 de la turbina 2. Como se ha señalado antes, la turbulencia del flujo de viento supone un problema para las turbinas eólicas, pues causa mayores cargas en la turbina eólica y reduce la vida útil de los componentes. Es por tanto un parámetro que conviene que sea lo menor posible. Por otro lado, el ángulo de incidencia del flujo de viento re-conducido por la lámina de conducción respecto a la horizontal no debe exceder las especificaciones de diseño de la turbina 2. Las turbinas eólicas están diseñadas con un límite de ángulo de incidencia del flujo de viento, generalmente ±8° respecto a la horizontal siguiendo el estándar IEC 61400-1 . Eventualmente, las turbinas eólicas se podrían diseñar con una especificación de ángulo de incidencia diferente a la actual, lo cual permitiría cambiar el diseño de la estructura propuesta teniendo en cuenta la nueva especificación.
Respecto de los materiales, la lámina de conducción debe ser lo más ligera posible para minimizar el peso y las cargas que debe soportar toda la estructura. También debe resistir las condiciones meteorológicas típicas de los emplazamientos destinados a la producción de energía eólica (viento, lluvia y otros fenómenos meteorológicos,...)
Opcionalmente, puede también ser flexible para permitir el recogido de la lámina 1. Esto es útil en los momentos en los que las condiciones meteorológicas sean inviables para poder garantizar la integridad estructural del conjunto o no sea deseable por cualquier motivo la optimización del flujo de viento. Preferentemente, se implementa mediante un mecanismo tipo "cortina" que lleva la lámina 1 desde su posición completamente extendida hasta una posición parcial o totalmente recogida.
La superficie de la lámina de conducción 1 debe ser poco rugosa, ya que de lo contrario podría generar turbulencias en el viento que podrían añadir cargas a la turbina y en consecuencia reducir su vida útil de funcionamiento.
Las guías de sujeción 11 han de sostener en suspensión, extender y dar la forma adecuada a la lámina de conducción 1 para que realice su cometido de re-dirección del flujo.
El conjunto es adaptable para las condiciones de viento de cada emplazamiento a través de un diseño específico de la forma en la que se dispondría la lámina de conducción para re-direccionar el flujo en cada caso.
La FIG. 4 muestra un diseño de perfil longitudinal con una región de aceleración 1 a menor (con un ángulo menos suave) pero que cuya región de rectificado 1 b es mayor para así estabilizar el flujo durante más tiempo y dar lugar a un flujo más laminar, menos turbulento y con un ángulo de incidencia más estabilizado en torno a los valores permitidos por la especificación de la turbina.
La sustentación del conjunto guías de sujeción y lámina de conducción puede realizarse a través de plataformas 3 apoyadas en el suelo. Preferentemente, toda la estructura será móvil para orientarse en la dirección del viento, siguiendo la propia rotación de la turbina eólica. El mecanismo de rotación de la plataforma puede realizarse mediante plataformas 3 con ruedas 31 que se apoyan directamente sobre el terreno como se ilustra en la FIG. 1 y en la FIG. 2C. Esto plantea algunos inconvenientes que pueden hacer esta solución no recomendable para ciertas circunstancias. La circunferencia de giro que recorren las plataformas 3 de apoyo de la estructura puede ser muy grande, lo que implicaría tener que realizar una obra civil importante para permitir el giro alrededor de la turbina 2 de todo el conjunto estructural compuesto por plataformas, guías de sujeción 11 y lámina de conducción 1.
Segunda Realización
Para resolver el potencial problema descrito en el párrafo anterior, en la FIG. 5 se ilustra otra realización en perspectiva que incluye otra implementación de la plataforma 3 que cuenta con una base inferior 4a, con forma circular, anclada y fija en el suelo, que soporta mediante columnas estructurales, un soporte superior 4b que es circular y está elevado, donde se apoyan las guías de sujeción 11. Diferentes vistas de esta realización se pueden ver en las FIGs. 6A, 6B y 6C. Esta concepción de la plataforma 3 mejora la estabilidad y robustez del conjunto al repartirse mejor la fuerza realizada por el viento sobre el conjunto estructural y compensarse el momento de fuerza generado por la fuerzas que actúan sobre la estructura: el peso de la guía de sujeción 11 inclinada hacia la dirección del viento, el peso de la lámina de conducción 1 , y la fuerza del viento que incide en la lámina de conducción al ser re-direccionado hacia el rotor de la turbina. Preferiblemente el punto de apoyo de las guías de sujeción 11 sobre el soporte superior 4b de la plataforma 3 es la parte media de dichas guías de sujeción 11 ya que permite que el momento de fuerza generado por el viento en la parte superior de la estructura se puede compensar, al menos parcialmente, por el que se genera en la parte inferior de la misma.
Esta variante de la plataforma 3 tiene además otras ventajas respecto de la anterior, ya que evita tener componentes móviles a ras de suelo. De esta forma, la adaptación al terreno es más sencilla y resulta más fácil supervisar el funcionamiento. También la seguridad mejora, ya que al no existir componentes móviles en contacto con el suelo, no existen a priori restricciones adicionales de acceso al parque eólico. Opcionalmente, las guías de sujeción 11 pueden desplazarse sobre la estructura de soporte superior 4b a través de un mecanismo de carriles y rodamientos para permitir el movimiento de giro de las guías de sujeción 11 alrededor de la turbina 2 consiguiéndose así la orientación adecuada de la lámina de conducción 1 según la dirección del viento.
Tercera realización
En las FIGs. 7 y 8 se ilustra una tercera realización que puede resultar más económica por necesitar unas plataformas y estructuras de sustentación más simples que en la realización anterior.
La diferencia fundamental radica en la forma de sostener la lámina de conducción. En la nueva realización, se utiliza una sustentación compuesta de mástiles 5h, 5i y vigas 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g que generan una sustentación estable para las guías de sujeción 11 que a su vez sustentan la lámina de conducción 1.
Opcionalmente, las plataformas 3 de apoyo de dicha estructura de sustentación son móviles y se desplazan sobre unos carriles 41 alrededor de la turbina 2, lo cual permite también la rotación de lámina de conducción 1 alrededor de la turbina 2.
Diferentes vistas de esta realización se pueden ver en las FIGs. 8A, 8B y 8C. Esta concepción de la plataforma 3 mejora la utilización de material, cumpliendo los requisitos mínimos de estabilidad y robustez del conjunto y permitiendo la compensación del momento de fuerza generado por la fuerzas que actúan sobre la estructura: el peso de la guía de sujeción 11 inclinada hacia la dirección del viento, el peso de la lámina de conducción 1 , y la fuerza del viento que incide en la lámina de conducción 1 al ser re-direccionado hacia el rotor 21 de la turbina 2. Como en la realización anterior, el punto de apoyo sobre la estructura será preferiblemente la parte media de dichas guías de sujeción 11 ya que permite que el momento de fuerza generado por el viento en la parte superior de la estructura se puede compensar, al menos parcialmente, por el que se genera en la parte inferior de la misma.
Se debe entender que el diseño de la estructura es adaptable al emplazamiento. Dependiendo de las características orográficas, de viento y meteorológicas del mismo, la estructura puede variar sus dimensiones para garantizar las velocidades, turbulencia y ángulo de incidencia deseados al paso del viento por el área barrida del rotor.
Referencias numéricas
1 Lámina de conducción.
1 a Región inferior de la lámina de conducción.
1 b Región superior de la lámina de conducción.
1 c Elevaciones laterales definidas por la lámina de conducción en su parte distal superior.
2 Turbina eólica.
21 Rotor.
3 Plataforma.
31 Ruedas.
4a Base de la plataforma.
4b Soporte superior de la plataforma.
41 Carril.
5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g Vigas.
5h, 5i Mástiles.
1 1 Guía de sujeción.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Estructura externa para controlar el flujo de viento recibido por una turbina eólica (2) caracterizada por que comprende:
- una lámina de conducción (1 ) configurada para concentrar el flujo de viento y dirigirlo hacia el rotor (21 ) de la turbina eólica (2), definiendo frontalmente una primera región inferior (1 a) y una segunda región superior (1 b), siendo la curvatura media de la sección longitudinal en la primera región (1 a) mayor que en la segunda región (1 b); y, - una plataforma (3) configurada para soportar la lámina de conducción (1 ).
2. Estructura externa según la reivindicación 1 , donde la lámina de conducción (1 ) se extiende en su parte distal superior definiendo unas elevaciones laterales (1 c).
3. Estructura externa según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la segunda región (1 b) de la lámina de conducción (1 ) disminuye su inclinación progresivamente.
4. Estructura externa según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la primera región (1 a) de la lámina de conducción (1 ) aumenta su inclinación progresivamente.
5. Estructura externa según una cualquiera de la reivindicación 3 y 4, donde la sección longitudinal de la primera región (1 a) es convexa y la sección longitudinal de la segunda región (1 b) es cóncava.
6. Estructura externa según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la lámina de conducción (1 ) define un canal que se estrecha progresivamente hacia el rotor (21 ).
7. Estructura externa según la reivindicación 6, donde una región de la lámina de conducción (1 ) tiene forma de semi-embudo tronco-cónico.
8. Estructura externa según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la proyección sobre el suelo de la primera región (1 a) es menor que la segunda región (1 b).
9. Estructura externa según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la superficie de la lámina de conducción (1 ) es lisa.
10. Estructura externa según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la plataforma (3) está unida a unas guías de sujeción (1 1 ) configurado para sostener la lámina de conducción.
11. Estructura externa según la reivindicación 10 donde las guías de sujeción (1 1 ) son regulables para modificar la geometría de la lámina de conducción (1 ).
12. Estructura externa según la reivindicación 10 u 1 1 , donde la lámina de conducción (1 ) es flexible.
13. Estructura externa según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, donde la lámina de conducción (1 ) es plegable.
14. Estructura externa según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la plataforma (3) es orientable según la dirección del viento.
15. Estructura externa según la reivindicación 14, donde la plataforma (3) comprende una base (4a) configurada para fijarse al terreno alrededor de la turbina eólica (2) y un soporte superior (4b) unido a la lámina de conducción (1 ) y que permite el giro de dicha lámina de conducción (1 ) alrededor de la turbina (2).
16. Estructura externa según la reivindicación 15, donde el soporte superior (4b) de la plataforma (3) está unido a la región inferior (1 a) de la lámina de conducción (1 ).
17. Estructura externa según las reivindicaciones 14, 15 ó 16, donde las guías de sujeción (1 1 ) y la lámina de conducción (1 ) se sostienen a través de vigas (5a,5b,5c,5d,5e,5f,5g) y mástiles (5h,5i) de la plataforma (3).
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