WO2019199155A1

WO2019199155A1 - Sistema eólico montado en torre

Info

Publication number: WO2019199155A1
Application number: PCT/MX2018/050032
Authority: WO
Inventors: Francisco MARLASCA GARCÍA
Original assignee: Marlasca Garcia Francisco
Priority date: 2018-04-11
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2019-10-17
Also published as: US20210115894A1; EP3771817A4; MX2018004448A; EP3771817A1

Abstract

La presente descripción se relaciona con un sistema eólico montado en torre que comprende una estructura de soporte configurada para dar soporte y proteger a una turbina eólica de eje vertical dispuesta en el interior de dicha estructura, en donde la turbina eólica de eje vertical comprende una cantidad variable de niveles de captación de aire, cada uno de dichos niveles de captación de aire está conformado por una hélice, en donde la turbina eólica de eje vertical está constituida por las hélices de los niveles de captación de aire y por un eje vertical, cada una de las hélices de la turbina comprende una primera y una segunda pluralidad de elementos captadores de aire para obtener un mejor aprovechamiento de la energía del viento.

Description

Descripción

Título de la invención : Sistema Eólico Montado en Torre

[0001 ] La presente solicitud se basa en y reclama prioridad sobre la solicitud de patente mexicana con número de serie MX/a/2018/004448, presentada ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial el 1 1 de Abril de 2018, cuyo contenido total se incorpora aquí como referencia.

Sector técnico

[0002] La presente descripción se relaciona con el campo técnico de las energías renovables, específicamente, con los generadores eólicos de eje vertical o perpendicular a la dirección del viento, montados en una torre troncocónica o de celosía tridimensional, que convierten la energía del viento en torsión sobre un eje rotatorio, y así, generan energía eléctrica para una instalación o para su distribución a una localidad remota.

Técnica anterior

[0003] En la actualidad existen diversos tipos de generadores eólicos o aerogeneradores, los cuales según su eje de rotación se pueden separar en dos grandes grupos: los generadores de eje horizontal (aerogeneradores de una sola hélice, usados con mayor frecuencia) y los generadores de eje vertical (tal como el generador de la presente solicitud). Los aerogeneradores de eje horizontal tal como el divulgado en el documento WO 2007/144003 A2 usualmente representan gastos de manufactura, instalación y mantenimiento elevados en comparación con los generadores de eje vertical. Asimismo, existen diversos aerogeneradores de eje vertical, tales como los divulgados en los documentos WO 2013/032415 A1 y US 2012/0242087 A1 que aprovechan la energía del aire de manera similar al sistema a describirse en la presente solicitud, sin embargo, estas estructuras están limitadas a un único nivel de captación de aire al comprender únicamente una hélice en la turbina eólica de la torre, y por lo tanto no se obtiene un aprovechamiento adecuado de la energía eólica. Por otra parte, los aerogeneradores divulgados en las patentes WO 2009/079926 A1 y WO 2012/067287 A1 cuentan con una estructura que comprende una turbina con una cantidad variable de hélices (o niveles de captación de aire) dispuestas a lo largo de la torre, sin embargo, el inventor de la presente invención ha encontrado que una turbina eólica que cuente con hélices provistas con un solo tipo de álabes o captadores de aire no permite una captación adecuada de la energía del aire, sobre todo cuando la fuerza del viento es menor.

Breve descripción de la invención

[0004] Con el fin de superar los problemas existentes en el estado de la técnica antes mencionados, la presente descripción proporciona una estructura novedosa para un sistema eólico, la cual comprende una turbina eólica conformada por una cantidad variable de hélices, la cual se determina de acuerdo con las necesidades del lugar en donde se instala (comportamiento del viento en el lugar de la instalación y requerimiento de energía eléctrica), cada una de estas hélices cuenta con dos diferentes tipos de captadores de aire, los cuales permiten un mejor aprovechamiento de la energía eólica, aun cuando la fuerza del viento es menor, tal y como será descrita a continuación.

[0005] Un primer objetivo de la presente invención consiste en proporcionar una alternativa para un sistema eólico, en el cual se obtenga un mejor aprovechamiento de la energía eólica para la generación de energía eléctrica en comparación con los generadores conocidos en el estado de la técnica, que sea de fácil instalación, y además represente costos de manufactura, mantenimiento e instalación reducidos.

[0006] Un segundo objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema eólico que cuente con una estructura variable, es decir, una estructura en donde se pueda modificar la cantidad de niveles de captación de aire de acuerdo con las necesidades energéticas y el comportamiento del viento en el lugar de la instalación.

[0007] Un tercer objetivo de la presente invención consiste en mejorar la captación de aire de las hélices del sistema, al proporcionar dos diferentes tipos de captadores de aire en cada una de dichas hélices para obtener un mejor aprovechamiento de la fuerza del viento a un menor costo.

[0008] De acuerdo con un primer aspecto de las modalidades de la presente descripción, se proporciona un sistema eólico montado en torre que comprende: una estructura de soporte configurada para dar soporte y proteger a una turbina eólica de eje vertical dispuesta en el interior de dicha estructura, en donde la turbina eólica de eje vertical comprende una cantidad variable de niveles de captación de aire, cada uno de dichos niveles de captación de aire está conformado por una hélice, en donde la turbina eólica de eje vertical está constituida por las hélices de los niveles de captación de aire y por un eje vertical que cuenta con una pluralidad de bridas de sujeción para soportar cada una de las hélices de la turbina;

un sistema de frenado y poleas para reducción y transmisión de la energía generada por la torsión de las hélices sobre el eje vertical, el cual se encuentra conectado al extremo inferior de dicho eje vertical;

un generador eléctrico conectado al sistema de frenado y poleas, y dispuesto en la parte inferior de la estructura de soporte para la generación de la energía eléctrica;

en donde cada una de las hélices del sistema eólico comprende:

una placa circular de soporte que cuenta con un anillo anular y vigas radiales que conectan dicho anillo al centro de la placa;

una primera pluralidad de elementos captadores de aire dispuestos sobre el anillo anular; y

una segunda pluralidad de elementos captadores de aire dispuestos sobre las vigas radiales.

[0009] De acuerdo con un segundo aspecto de las modalidades de la presente descripción, se proporciona un sistema eólico montado en torre, en donde cada una de las hélices comprende un orificio central a través del cual pasa el eje vertical de la turbina y sobre el cual se adaptan las bridas de sujeción.

[0010] De acuerdo con un tercer aspecto de las modalidades de la presente descripción, se proporciona un sistema eólico montado en torre, en donde el eje vertical de la turbina cuenta con una brida superior por cada una de las hélices que conforman la turbina. Las hélices además comprenden una pluralidad de barras de sujeción, una por cada elemento captador de aire de la primera pluralidad de elementos captadores de aire, de modo que cada una de las barras de sujeción se conecta mediante un extremo a cada uno de los elementos captadores de aire de la primera pluralidad de elementos captadores de aire, y mediante su otro extremo a la brida superior del eje vertical de la turbina, lo anterior con la finalidad de dar soporte a dichos elementos captadores de aire de la turbina. Cada una de las hélices del sistema además comprende una pluralidad de barras tensoras, las cuales se conectan a la brida superior y a las vigas radiales de la placa circular de soporte para dar mayor estabilidad a la estructura de la hélice.

[0011 ] De acuerdo con un cuarto aspecto de las modalidades de la presente descripción, se proporciona un sistema eólico en donde la cantidad de niveles de captación de aire de la turbina eólica se determina de acuerdo con las necesidades de la instalación, la cantidad de niveles de captación de aire del sistema puede ser cualquiera, sin embargo se prefiere que se mantenga entre 1 y 12 niveles de captación de aire, y más preferentemente entre 1 y 8 niveles de captación de aire.

[0012] De acuerdo con un quinto aspecto de las modalidades descritas en la presente, se proporciona un sistema eólico que cuenta con hélices provistas de álabes como la primera pluralidad de elementos captadores de aire, los cuales se distribuyen proporcionalmente a lo largo de la circunferencia del anillo anular, la primera pluralidad de elementos captadores de aire puede estar constituida por 4 álabes, más preferentemente por 6 álabes.

[0013] De acuerdo con un sexto aspecto de las modalidades descritas en la presente, se proporciona un sistema eólico que cuenta con hélices provistas con álabes internos de menor tamaño como la segunda pluralidad de elementos captadores de aire, los cuales se distribuyen proporcionalmente en cada una de las vigas radiales de la placa circular de soporte de la hélice, la segunda pluralidad de elementos captadores de aire puede estar constituida por 4 álabes internos de menor tamaño, más preferentemente por 6 álabes internos.

[0014] Debe entenderse que tanto la descripción general anterior como la descripción detallada de la invención, son únicamente para fines explicativos y ejemplificativos, más no son restrictivos de la invención, tal y como se ha reivindicado. Descripción breve de las figuras

[0015] Los dibujos anexos, los cuales se incorporan en esta descripción y constituyen una parte de la misma, ilustran las modalidades de la invención y, junto con la descripción abajo expuesta, sirven para explicar los principios de la misma.

[0016] La FIG. 1 es una vista en perspectiva del sistema eólico montado en torre descrito en la presente.

[0017] La FIG. 2 es una vista frontal del sistema eólico montado en torre descrito en la presente.

[0018] La FIG. 3 es una vista en planta superior del sistema eólico descrito en la presente.

[0019] La FIG. 4 es una vista frontal de la turbina de eje vertical, conformada por una pluralidad de hélices y un eje vertical.

[0020] La FIG. 5 es una vista en perspectiva de la turbina de eje vertical descrita en la presente.

[0021 ] La FIG. 6 es una vista en perspectiva de una hélice de la turbina.

[0022] La FIG. 7 es una vista frontal de la hélice de la turbina.

[0023] La FIG. 8 es una vista en planta superior de la hélice de la turbina.

Descripción de alguna forma de realizar la invención

[0024] A continuación se hará referencia en detalle a las modalidades de la presente invención, de las cuales se ilustran ejemplos en los dibujos adjuntos. La siguiente descripción se refiere a los dibujos adjuntos en los cuales los mismos números en diferentes dibujos representan los mismos elementos o similares a menos que se indique de otro modo. Las implementaciones establecidas en la siguiente descripción de modalidades ejemplificativas no representan todas las implementaciones consistentes con la invención. En lugar de ello, solo son ejemplos de aparatos y estructuras consistentes con los aspectos relacionados con la invención, según lo recitado en las reivindicaciones adjuntas.

[0025] Las figuras 1 , 2 y 3 muestran una vista en perspectiva, frontal y superior, respectivamente, del sistema eólico (1 ) montado en torre descrito en la presente, conformado por una estructura de soporte (10) que consiste en una torre de estructura tronco-cónica comúnmente conocida en el estado de la técnica, dicha estructura soporta y protege a la turbina eólica de eje vertical (2), la cual cuenta con una cantidad variable de niveles de captación de aire (N1 -N8).

[0026] Se ha elegido una torre de estructura tronco-cónica como la estructura de soporte (10) puesto que además de dar soporte a la turbina eólica, protege a las hélices de esta misma de diversos factores o elementos que se pueden encontrar en el medio ambiente, por ejemplo, ramas grandes o rocas que pueden volar durante fuertes ráfagas de viento; asimismo, es un tipo de estructura comúnmente utilizada en el campo técnico de la invención.

[0027] Las figuras 4 y 5 ilustran la turbina eólica de eje vertical (2) del sistema (1 ), la cual cuenta con una pluralidad de niveles de captación de aire (N1 a N8). La cantidad de niveles de captación de aire de la turbina se selecciona de acuerdo con las necesidades de la instalación y con el comportamiento del viento en el lugar en el que se instala, la cantidad de niveles de captación de aire de la turbina puede ser cualquiera, sin embargo, se prefiere que la turbina comprenda entre 1 y 12 niveles de captación de aire, y más preferentemente entre 1 y 8 niveles de captación de aire, tal como la turbina de la modalidad ilustrada en la presente.

[0028] Cada uno de los niveles de captación de aire (n1 a N8) está conformado por una hélice (20), lo que significa que la cantidad de niveles de captación de la turbina será equivalente a la cantidad de hélices que conforman a la misma.

[0029] Dicha turbina eólica de eje vertical (2) también cuenta un eje vertical (3) provisto con bridas de sujeción (4), las cuales están configuradas para soportar cada una de las hélices (20) de la turbina. El eje vertical (3) de la turbina se encuentra colocado en el centro de la estructura de soporte (10). Además, las hélices (20) cuentan con un orificio central (26) a través del cual pasa el eje vertical (3) de la turbina y sobre el cual se adaptan las bridas de sujeción (4), formando de esta manera la estructura final de la turbina eólica.

[0030] Asimismo, en un extremo inferior del eje vertical (3) se encuentra conectado un sistema de frenado y poleas (5), configurado para reducir y transmitir la energía generada por la torsión de las hélices sobre el eje vertical (3) hacia a un generador eléctrico (no mostrado) conectado con dicho sistema de frenado y poleas; el generador eléctrico está dispuesto en la parte inferior de la estructura de soporte para la generación de la energía eléctrica y adaptado para distribuir la energía eléctrica generada a una instalación o a una localidad remota.

[0031 ] Las figuras 6, 7 y 8 ilustran una modalidad preferida de las hélices (20) de la turbina eólica (2) de eje vertical de la presente invención, las cuales cuentan con una placa circular de soporte (21 ) formada por un anillo anular (22) y una pluralidad de vigas radiales (23) que conectan dicho anillo anular con el orificio central (26) de la placa (21 ).

[0032] Las hélices (20) cuentan además con una primera pluralidad de elementos captadores de aire (24), los cuales están dispuestos sobre el anillo anular (22) de la placa circular de soporte (21 ). La primera pluralidad de elementos captadores de aire (24) son preferentemente unos álabes, los cuales permiten una captación del aire adecuado debido a su estructura. La cantidad de elementos captadores de aire de la primera pluralidad de elementos captadores de aire (24) no se encuentra limitada, es decir, puede variar de acuerdo con el comportamiento del viento en el lugar de la instalación el sistema, sin embargo, la primera pluralidad de elementos captadores de aire puede estar constituida por 4 álabes, o más preferentemente por 6, tal como las modalidades ilustradas.

[0033] Dichas hélices (20) también cuentan con una segunda pluralidad de elementos captadores de aire (25), los cuales están dispuestos sobres las vigas radiales (23) de la placa circular de soporte (21 ). La segunda pluralidad de elementos captadores de aire (25) son preferentemente unos álabes internos de menor tamaño, las cuales permiten un aprovechamiento adecuado de la energía del viento, puesto que aprovechan la energía del viento que pasa al interior de la hélice (20). La cantidad de elementos captadores de aire de la segunda pluralidad de elementos no se encuentra limitada y puede variar de acuerdo con el comportamiento del viento en el lugar de la instalación del sistema, la cantidad de elementos captadores de aire de la segunda pluralidad de elementos captadores de aire (25) puede ser de 4 álabes internos, o más preferentemente de 6, tal como las modalidades ilustradas en la presente. [0034] Adicionalmente, el eje vertical (3) de la turbina (2) cuenta con una brida superior (28) por cada una de las hélices (20) que conforman la turbina (2), y además, las hélices (20) comprenden una pluralidad de barras de sujeción (27), específicamente una por cada elemento captador de aire de la primera pluralidad de elementos captadores de aire (24) contenidos en dicha hélice (20); de modo que cada una de las barras de sujeción (27) se conecta mediante un extremo a cada uno de los elementos captadores de la primera pluralidad de elementos captadores de aire (24) de la hélice, y mediante su otro extremo a la brida superior (28) dispuesta alrededor del eje vertical (3), de esta forma se da un soporte adicional a los elementos captadores de la hélice, brindando además cierta elasticidad para evitar una ruptura o desprendimiento de dichos elementos captadores de aire.

[0035] Por otra parte, las hélices (20) cuentan con una pluralidad de barras tensoras (29), las cuales se conectan la brida superior (28) del eje vertical (3) y a las vigas radiales (23) de la placa circular de soporte (21 ), con la finalidad de brindar mayor estabilidad a la estructura de la hélice (20). Las hélices comprenden adicionalmente un peldaño (30) formado entre un par de vigas radiales (23) de la placa circular de soporte (21 ) para facilitar el mantenimiento de la hélice.

[0036] Con la disposición descrita anteriormente se obtiene un sistema eólico montado en torre que tiene una cantidad de niveles de captación de aire que se puede modificar de acuerdo con las necesidades de la instalación, que además representa costos de manufactura, instalación y mantenimiento reducidos en comparación con otras estructuras conocidas en el estado de la técnica, y que adicionalmente cuenta con unas hélices que obtienen un mejor aprovechamiento de la energía del viento debido a que están provistas con dos diferentes tipos de elementos captadores de aire.

Ejemplos

[0037] A continuación se muestra una tabla comparativa que muestra los resultados de diferentes mediciones efectuadas por el inventor para diferentes tipos de sistemas eólicos en comparación con el sistema descrito en la presente.

[0038] De acuerdo con los resultados de la Tabla 1 arriba mostrados, se ha determinado que el sistema eólico descrito en la presente solicitud tiene una mejor eficiencia de generación de energía eléctrica, a un menor precio y utilizando una menor cantidad de recursos, en comparación con una instalación de celdas solares y un aerogenerador de hélice horizontal.

[0039] Otras modalidades de la invención serán aparentes para aquellos expertos en el campo técnico a partir de la consideración de la descripción y práctica de la invención descrita en el presente documento. Esta solicitud está diseñada para cubrir cualquier variación, uso o adaptación de la invención siguiendo los principios generales de la misma e incluyendo tales desviaciones a partir de la presente descripción como se conocen o es una práctica acostumbrada en el campo técnico. Se pretende que la especificación y los ejemplos se consideren como un ejemplo únicamente, con un alcance y espíritu de la invención indicados por las siguientes reivindicaciones.

Lista de signos de referencia

1 Sistema eólico

2 Turbina eólica de eje vertical

3 Eje vertical 4 Bridas de sujeción

5 Sistema de frenado y poleas

10 Estructura de soporte

20 Hélice

21 Placa circular de soporte

22 Anillo anular

23 Vigas radiales

24 Primera pluralidad de elementos captadores de aire

25 Segunda pluralidad de elementos captadores de aire

26 Orificio central

27 Barras de sujeción

28 Brida superior

29 Barras tensoras

30 Peldaño

N1 -N8 Niveles de captación de aire!

Claims

Reivindicaciones

[Reivindicación 1 ] Un sistema eólico (1 ) montado en torre que comprende:

una estructura de soporte (10) configurada para dar soporte y proteger a una turbina eólica de eje vertical (2) dispuesta en el interior de dicha estructura, en donde la turbina eólica de eje vertical (2) comprende una cantidad variable de niveles de captación de aire (N1 - N8), cada uno de dichos niveles de captación de aire está conformado por una hélice (20), en donde la turbina eólica de eje vertical (2) está constituida por las hélices de los niveles de captación de aire (N1 a N8) y por un eje vertical (3) que cuenta con una pluralidad de bridas de sujeción (4) para soportar cada una de las hélices (20) de la misma;

un sistema de frenado y poleas (5) para reducción y transmisión de la energía generada por la torsión de las hélices sobre el eje vertical (3), el cual se encuentra conectado al extremo inferior de dicho eje vertical;

un generador eléctrico conectado al sistema de frenado y poleas, y dispuesto en la parte inferior de la estructura de soporte (10) para la generación de la energía eléctrica;

el sistema eólico caracterizado porque cada una de las hélices (20) de la turbina (2) comprende:

una placa circular de soporte (21 ) que cuenta con un anillo anular (22) y vigas radiales (23) que conectan dicho anillo anular al centro de la placa; una primera pluralidad de elementos captadores de aire (24) dispuestos sobre el anillo anular (22); y

una segunda pluralidad de elementos captadores de aire (25) dispuestos sobre las vigas radiales (23).

[Reivindicación 2] El sistema eólico de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde cada una de las hélices además comprende un orificio central (26) a través del cual pasa el eje vertical (3) de la turbina y sobre el cual se adaptan las bridas (4) de sujeción. [Reivindicación 3] El sistema eólico de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde el eje vertical

(3) de la turbina cuenta con una brida superior (28) por cada una de las hélices (20) que conforman la turbina.

[Reivindicación 4] El sistema eólico de acuerdo con la reivindicación 3, en donde las hélices (20) comprenden una pluralidad de barras de sujeción (27), una por cada elemento captador de aire de la primera pluralidad de elementos captadores de aire (24).

[Reivindicación 5] El sistema eólico de acuerdo con la reivindicación 4, en donde cada una de las barras de sujeción (27) se conecta mediante un extremo a cada uno de los elementos captadores de aire de la primera pluralidad de elementos captadores de aire (24) de la hélice, y mediante su otro extremo a la brida superior (28) del eje vertical (3) de la turbina.

[Reivindicación 6] El sistema eólico de acuerdo con la reivindicación 3, en donde las hélices (20) comprenden una pluralidad de barras tensoras (29), las cuales se conectan a la brida superior (28) y a las vigas radiales (23) de la placa circular de soporte (21 ).

[Reivindicación 7] El sistema eólico de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la cantidad de niveles de captación de aire de la turbina eólica se determina de acuerdo con las necesidades de la instalación.

[Reivindicación 8] El sistema eólico de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la primera pluralidad de elementos captadores de aire (24) son álabes.

[Reivindicación 9] El sistema eólico de acuerdo con la reivindicación 8, en donde los elementos captadores de aire de la primera pluralidad de elementos captadores de aire (24) se distribuyen proporcionalmente a lo largo de la circunferencia del anillo anular (22).

[Reivindicación 10] El sistema eólico de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la segunda pluralidad de elementos captadores de aire (25) son álabes internos de menor tamaño.

[Reivindicación 11] El sistema eólico de acuerdo con la reivindicación 10, en donde los elementos captadores de aire de la segunda pluralidad de elementos captadores de aire (25) se distribuyen proporcionalmente en cada una de las vigas radiales (23) de la placa circular de soporte.