WO2023211295A1 - Turbina eólica de soporte periférico - Google Patents

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WO2023211295A1
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turbine
wind
folding
peripheral
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Alfredo Raúl CALLE MADRID
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Calle Madrid Alfredo Raul
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/04—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention falls within the technical field of terrestrial wind turbines, more specifically it refers to a peripheral support wind turbine with a special shape and arrangement of blades.
  • peripherally supported wind turbines do not mention blades where the torsion angle of the section of the blades attached to the peripheral rotating ring is greater than the rest of the sections of the blade, where the chord length of the wing profiles are constant along the length of the blades and where the thickness of the wing profiles increases along the length of the blades, with the wing profiles with the smallest thickness being close to the center and The wing profiles with greater thickness are located near the peripheral rotating ring.
  • Wind Wall The definition and incorporation of the Wind Cell and the Wind Wall (WO2021034203, “Wind Wall”) in the present description is carried out merely as part of the context necessary for the correct description of the components of the invention.
  • the Wind Cell The Wind Cell:
  • the Wind Cell (301, 302) should be understood as that aerodynamic and individual structure, functional in itself, capable of amplifying the speed of the wind, characterized by being made up of an Adjacent External Section (404), a Chamber Internal Aerodynamics (501) and Critical Space (504); where the Critical Space (504) is that space located between the Front Section (503) and the Rear Section (505), characterized by presenting the highest wind speed records.
  • Critical Space (504) should be understood as that space where the Turbine (A) of the wind system is suitable to be located.
  • the present invention refers to a wind turbine specially designed to operate in the Critical Space (504) of a Wind Cell (301), characterized by revolutionizing around an Axial Axis (A0) and comprising a Rotor with Blades of Constant Chord and Thickness Crescent (A1), a Lightweight Center (A2), a Peripheral Rotating Ring (A3) and a Protective Folding System (A4), as shown in Figure 2.
  • the Rotor with Blades of Constant Chord and Increasing Thickness is characterized by comprising a number of Blades (A1/01), equal to or greater than one; where the torsion angle in the section attached to the wall of the Critical Space (504) of the Wind Cell (301) is greater than the rest of the sections of the blade; where the chord length is constant along the extension of the Blades (A1/01); where the thickness of the wing profiles increases along the length of the Blades (A1/01), with the thinner wing profiles being close to the center (Centro Liviano (A2)) and the wing profiles with greater thickness are close to the Peripheral Rotating Ring (A3), in order to maximize the global torque of the Turbine (A).
  • the Light Center (A2) is a component located on the Axial Axis (A0) around which the Turbine (A) of the wind system rotates, characterized by being an aerodynamic structure of light material whose usefulness is to serve as a removable fixation point and secondary of the Blades (A1/01) to avoid their bending due to aerodynamic forces and, above all, to keep separate the environments with pressure differential generated around the extrados and intrados of each blade.
  • the Peripheral Rotating Ring (A3) is a rigid and annular structure characterized by having the same Axial Axis (A0) and by housing within its structure the tips of the Blades (A1/01) in such a way that such Blades (A1/01 ) are attached to, and supported by, the annular structure of the Peripheral Rotating Ring (A3); where, in addition, the Peripheral Rotating Ring (A3) is characterized by being the coupling point between the Turbine (A) and a corresponding peripheral support system.
  • the Protection Folding System (A4) is a set of mechanisms designed to protect the Turbine (A) against adverse scenarios with critical magnitudes of wind speed capable of compromising the integrity of the Turbine (A), characterized by activating an automatic mechanism that, first, decouples the Blades (A1/01) from the Light Center (A2) by means of a Magnetic Activation Mechanism (A4/01) and, second, folds the Blades (A1/01) radially towards the Ring Peripheral Rotating Ring (A3) by means of a Folding Mechanism (A4/02), in such a way that the angle between the Blades (A1/01) and the Peripheral Rotating Ring (A3) is no longer 90 degrees, preferably less than 60 degrees.
  • Magnetic Activation Mechanism comprises permanent magnets that hold the root of the Blades (A1/01) to the Light Center (A2), but whose magnetic force is graduated in such a way that the magnetic fixation mechanism ceases. when the aerodynamic forces generated by critical magnitudes of wind speed exceed a certain safety threshold.
  • the Folding Mechanism (A4/02) is characterized by having a hydraulic, mechanical and/or electronic system that automatically controls the gradualness of the folding required by the Blades (A1/01) calculated based on the size of the aerodynamic forces that They interact on the Turbine (A).
  • Folding Pivot is a pivot or hinge component characterized by being, on one side, fixed to the Peripheral Rotating Ring (A3) and, on the other hand, fixed to a Blade (A1/01), where the Speed and angle of rotation are controlled by the Folding Mechanism (A4/02).
  • one object of the present invention is to maximize the torque of the turbine, given that according to the CFD simulations carried out, the torque decreases substantially the greater the chord difference between the tip of the blade and the Light Center (A2 ) due to the pressure loss generated by such difference which can generate a loss of torque and power coefficient greater than 28%.
  • this Turbine (A) is designed to take advantage of the non-linear quadratic characteristics of the wind speed profile present in the Critical Space (504) of the Cell Wind (301) and, in this way, maximize the torque of the Turbine (A) and increase the overall efficiency of the wind system.
  • Another object of the present invention is that the Peripheral Rotating Ring makes it possible to support the Blades (A1/01) and avoid bending that compromises its structure and thus facilitate the increase in the efficiency of the system by placing greater lengths of rope right in the area of the tip of the Blades (A1/01), which is where the system has the greatest relative speed and, therefore, the greatest usable power available.
  • Another object of the present invention is that the radial folding of the blades produced by the Folding Mechanism (A4/02) is greater the higher the critical magnitudes of the wind speed, and vice versa, which allows the Turbine ( A) can continue operating under a safe angular velocity, without needing to come to a complete stop of the system.
  • FIGURE 1 The Wind Cell
  • FIGURE 2 Turbine (A)
  • Wind Wall The definition and incorporation of the Wind Cell and the Wind Wall (WO2021034203, “Wind Wall”) in the present description is carried out merely as part of the context necessary for the correct description of the components of the invention.
  • the Wind Cell (301, 302), according to Figure 1, should be understood as that aerodynamic and individual structure, functional in itself, capable of amplifying the speed of the wind, characterized by being made up of an Adjacent External Section (404), a Chamber Internal Aerodynamics (501) and Critical Space (504); where the Critical Space (504) is that space located between the Front Section (503) and the Rear Section (505), characterized by presenting the highest wind speed records.
  • Critical Space (504) should be understood as that space where the Turbine (A) of the wind system is suitable to be located.
  • the Turbine (A) is a peripheral support wind turbine specially designed to operate in the Critical Space (504) of the Wind Cell (301), characterized by revolutionizing around an Axial Axis (A0) and comprising a Rotor with Rope Blades. Constant and Increasing Thickness (A1), a Lightweight Center (A2), a Peripheral Rotating Ring (A3) and a Protective Folding System (A4), as shown in Figure 2.
  • the Rotor with Constant Chord Blades and Increasing Thickness is characterized by having a number of Blades (A1/01), equal to or greater than one, a number of wing profiles, a number of angles of attack and a number of angles of torsion along its extension, where the torsion angle of the section of the Blades (A1/01) attached to the Peripheral Rotating Ring (A3) is radically higher than the rest of the sections of the blade in order to adapt the angle of attack at the lowest axial speed and highest tangential speed recorded in the area attached to the wall of the Critical Space (504) of the Wind Cell (301).
  • chord length of the wing profiles is constant along the extension of the Blades (A1/01) in order to maximize the Turbine torque (A) given that, according to CFD simulations carried out, the torque decreases substantially the greater the chord difference between the tip of the blade and the Light Center (A2) due to the pressure loss generated by such difference which can reach to generate a loss of torque and power coefficient greater than 28%.
  • the wing profiles with less thickness are found close to the Light Center (A2) and the wing profiles with greater thickness are found nearby Peripheral Rotating Ring (A3) in order to maximize the torque of the Turbine (A) given that, according to the wind speed profile, the sections closest to the Light Center (A2) have a lower Reynolds number, which favors the use of thinner airfoils, while the sections closest to the wall of the Peripheral Rotating Ring (A3) have a higher Reynolds number, which favors the use of thicker airfoils.
  • this Turbine (A) is designed to take advantage of the non-linear quadratic characteristics of the wind speed profile present in the Critical Space (504) of the Cell Wind (301) and, in this way, maximize the torque of the Turbine (A) and increase the overall efficiency of the wind system.
  • the Light Center (A2) is a component located on the Axial Axis (A0) around which the Turbine (A) of the wind system rotates, characterized by being a non-massive aerodynamic structure whose usefulness is to serve as a removable secondary fixation point of the Blades (A1/01) to avoid their bending due to aerodynamic forces and, above all, to keep separate the environments with pressure differentials generated around the extrados and intrados of each blade.
  • the Blades (A1/01) held only by a peripheral ring, without a center that holds them, facilitate pressure leakage between environments as there is no complete physical barrier. that prevents it, which implies that the shorter The blades (A1/01) are in relation to the radius of the Turbine (A), the greater the pressure leak between environments and, therefore, the lower the torque of the Turbine (A).
  • the Light Center (A2) presents a technical advantage for being a light center where The vortices present in the wake of said component are smaller in scale and, therefore, represent lower aerodynamic losses for the system.
  • the Peripheral Rotating Ring (A3) is a rigid and annular structure characterized by having the same Axial Axis (AO) and by housing within its structure the tips of the Blades (A1/01) in such a way that such Blades (A1/01 ) are attached to, and supported by, the annular structure of the Peripheral Rotating Ring (A3).
  • the Peripheral Rotating Ring (A3) is characterized by being the coupling point between the Turbine (A) and the corresponding peripheral support system.
  • the present wind system works with a Turbine (A) enclosed within a Wind Cell (301), which allows the use of a Peripheral Rotating Ring (A3) to support the Blades (A1/01). and avoid bending that compromises its structure and, thus, facilitate the increase in the efficiency of the system by placing longer chord lengths right in the area of the tip of the Blades (A1/01), which is where the highest relative speed of the system and, therefore, the greatest usable power available.
  • the Protection Folding System (A4) is a set of mechanisms designed to protect the Turbine (A) against adverse scenarios with critical magnitudes of wind speed capable of compromising the integrity of the Turbine (A), characterized by activating an automatic mechanism in case of adverse scenarios that, first, decouples the Blades (A1/01) from the Light Center (A2) by means of a Magnetic Activation Mechanism (A4/01) and, second, folds the Blades (A1/01) radially towards the Peripheral Rotating Ring (A3) by means of a Folding Mechanism (A4/02), in such a way that the angle between the Blades (A1/01) and the Peripheral Rotating Ring (A3) is no longer 90 degrees, and where the axis of rotation is a Folding Pivot (A4/03) fixed on the same Peripheral Rotating Ring (A3).
  • the Magnetic Activation Mechanism (A4/01) comprises permanent magnets that hold the root of the Blades (A1/01) to the Light Center (A2), but whose magnetic force is graduated in such a way that the magnetic activation mechanism Fixation ceases when the aerodynamic forces generated by critical magnitudes of wind speed exceed a certain safety threshold.
  • the Folding Mechanism (A4/02) is characterized by having a hydraulic, mechanical and/or electronic system that automatically controls the gradualness of the folding required by the Blades (A1/01) calculated based on the size of the aerodynamic forces that They interact on the Turbine (A), in such a way that the radial fold of the Blades (A1/01) is greater the higher the critical magnitudes of the wind speed, and vice versa, which allows the Turbine (A ) can continue operating under a safe angular velocity, without needing to go into a complete system stop.
  • the Folding Pivot (A4/03) is a pivot or hinge component characterized by being, on one side, fixed to the Peripheral Rotating Ring (A3) and, on the other hand, fixed to a Blade (A1/01), where the Speed and angle of rotation are controlled by the Folding Mechanism (A4/02).
  • the blades are made of a light and durable material, such as fiberglass, the usefulness of the light center is to serve as a secondary fixation point of the blades (A101) to prevent their bending due to aerodynamic forces and, above all, to keep separate the environments with pressure differentials generated around the extrados and intrados of each blade.
  • the Light Center (A2) presents a technical advantage for being a light center where The vortices present in the wake of said component are smaller in scale and, therefore, represent lower aerodynamic losses for the system.
  • the Turbine (A) specially designed to operate in the Critical Space (504) of the Wind Cell (301, 302), characterized by having a Rotor with Blades of Constant Chord and Increasing Thickness (A1), which not only allow having a greater lifting surface to harvest a greater portion of the kinetic energy of the wind present in the Critical Space (504), but also prevents aerodynamic losses derived from the fall of pressure by blades of increasing chord, which enables the wind system to generate a power coefficient higher by at least 1.6 times compared to conventional horizontal axis wind systems.

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Abstract

La presente invención se refiere a una turbina eólica de soporte periférico diseñada para aprovechar los perfiles no lineales de la velocidad del viento, donde la turbina comprende un rotor con álabes de cuerda constante y grosor creciente, los álabes están sujetados por un anillo giratorio periférico, donde el ángulo de torsión de la sección de los álabes pegada al anillo giratorio periférico es superior al resto de las secciones del álabe; donde la longitud de cuerda de los perfiles alares es constante a lo largo de la extensión de los álabes; donde el grosor de los perfiles alares es creciente a lo largo de la extensión de los álabes, siendo que los perfiles alares con menor grosor se encuentran cercanas al centro; y donde la turbina posee un sistema de plegado de protección automático diseñado para plegar radialmente los álabes para que la turbina entre en pérdida aerodinámica.

Description

TURBINA EÓLICA DE SOPORTE PERIFÉRICO
CAMPO TÉCNICO
La presente invención se enmarca en el campo técnico de los aerogeneradores terrestres, de forma más específica se refiere a una turbina eólica de soporte periférico con una forma y disposición especial de álabes.
ESTADO DE LA TÉCNICA
En el estado del arte existe el documento de patente US2012112465A1 , publicado el 10 de mayo de 2012, el cual se refiere a un módulo de alternador de turbina eólica que tiene una estructura de soporte, un conjunto de turbina que comprende uno o más álabes que irradian desde un cubo sin soporte hasta un borde exterior, no comprende un eje físico de rotación, cojinetes ubicados alrededor y enganchados con el ensamblaje de la turbina y sostenidos por la estructura de soporte, un rotor que comprende uno o más ¡manes o bobinas soportados por el conjunto de turbina, y un estator que comprende uno o más ¡manes o bobinas configurados de manera que el movimiento relativo entre el rotor y el estator induce un voltaje a través de las bobinas del rotor o del estator, donde la estructura de soporte es rectangular y los rodamientos están ubicados en las esquinas del perímetro de la estructura de soporte. Se indica que las realizaciones alternativas permiten apilar, escalonar o colocar las carcasas en cualquier disposición y unirlas usando cualquier método conveniente para la instalación.
Asimismo, en el estado del arte existe el antecedente US6064123A, publicado el 16 de mayo de 2000, el cual menciona una turbina eólica donde los álabes se irradian desde un borde periférico y giratorio, donde este borde periférico comprende una pluralidad de ¡manes y un estator dispuesto debajo del borde periférico, donde a medida que los ¡manes en el borde periférico pasan por el estator, se genera electricidad. Sin embargo, estos antecedentes referidos a turbinas eólicas de soporte periférico no mencionan unos ¿labes donde el ángulo de torsión de la sección de los ¿labes pegada al anillo giratorio periférico sea superior al resto de las secciones del álabe, donde la longitud de cuerda de los perfiles alares sea constante a lo largo de la extensión de los ¿labes y donde el grosor de los perfiles alares sea creciente a lo largo de la extensión de los ¿labes, siendo que los perfiles alares con menor grosor se encuentran cercanas al centro y los perfiles alares con mayor grosor se encuentran cercanas anillo giratorio periférico.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La definición e incorporación de la Celda Eólica y el Muro Eólico (WO2021034203, “Wind Wall”) en la presente descripción es realizada meramente como parte del contexto necesario para la correcta descripción de los componentes de la invención.
La Celda Eólica:
La Celda Eólica (301 , 302), según Figura 1 , debe entenderse como aquella estructura aerodinámica e individual, funcional en sí misma, capaz de amplificar la velocidad del viento, caracterizada por estar conformada por una Sección Externa Adyacente (404), una Cámara Interna Aerodinámica (501 ) y Espacio Crítico (504); donde el Espacio Crítico (504) es aquel espacio situado entre la Sección Frontal (503) y la Sección Posterior (505), caracterizado por presentar los mayores registros de la velocidad del viento.
En este sentido, para la presente descripción de la invención, debe entenderse por Espacio Crítico (504) como aquel espacio en donde la Turbina (A) del sistema eólico es adecuada para estar situada.
La Turbina (A): La presente invención se refiere a una turbina eólica especialmente diseñada para operar en el Espacio Crítico (504) de una Celda Eólica (301 ), caracterizándose por revolucionar alrededor de un Eje Axial (A0) y comprender un Rotor con Alabes de Cuerda Constante y Grosor Creciente (A1 ), un Centro Liviano (A2), un Anillo Giratorio Periférico (A3) y un Sistema de Plegado de Protección (A4), según se muestra en la Figura 2.
El Rotor con Alabes de Cuerda Constante y Grosor Creciente (A1 ) se caracteriza por comprender un número de Alabes (A1/01 ), igual o mayor a uno; donde el ángulo de torsión en la sección pegada a la pared del Espacio Crítico (504) de la Celda Eólica (301 ) es superior al resto de las secciones del álabe; donde la longitud de cuerda es constante a lo largo de la extensión de los Alabes (A1/01 ); donde el grosor de los perfiles alares es creciente a lo largo de la extensión de los Alabes (A1/01 ), siendo que los perfiles alares con menor grosor se encuentran cercanas al centro (Centro Liviano (A2)) y los perfiles alares con mayor grosor se encuentran cercanas al Anillo Giratorio Periférico (A3), con la finalidad de maximizar el torque global de la Turbina (A).
El Centro Liviano (A2) es un componente situado sobre el Eje Axial (A0) alrededor del cual revoluciona la Turbina (A) del sistema eólico, caracterizado por ser una estructura aerodinámica de material liviano cuya utilidad es servir como un punto de fijación removible y secundario de los Alabes (A1/01 ) para evitar la flexión de los mismos a causa de las fuerzas aerodinámicas y, sobre todo, para mantener separados los ambientes con diferencial de presiones generados alrededor del extradós e intradós de cada álabe.
El Anillo Giratorio Periférico (A3) es una estructura rígida y anular caracterizada por tener el mismo Eje Axial (A0) y por alojar dentro de su estructura las puntas de los Alabes (A1/01 ) de tal manera que tales Alabes (A1/01 ) queden sujetados a, y sostenidos por, la estructura anular del Anillo Giratorio Periférico (A3); donde, además, el Anillo Giratorio Periférico (A3) se caracteriza por ser el punto de acople entre la Turbina (A) y un sistema de soporte periférico que corresponda. El Sistema de Plegado de Protección (A4) es un conjunto de mecanismos diseñados para la protección de la Turbina (A) ante escenarios adversos con magnitudes críticas de la velocidad del viento capaces de comprometer la integridad de la Turbina (A), caracterizado por activar un mecanismo automático que, primero, desacopla los Alabes (A1/01 ) del Centro Liviano (A2) mediante un Mecanismo Magnético de Activación (A4/01 ) y, segundo, pliega los Alabes (A1/01 ) de manera radial hacia el Anillo Giratorio Periférico (A3) mediante un Mecanismo de Plegado (A4/02), de tal manera que el ángulo entre los Alabes (A1/01 ) y el Anillo Giratorio Periférico (A3) deja de ser de 90 grados, preferiblemente menor a 60 grados, y aún más preferiblemente menor a 45 grados, y donde el eje de giro es un Pivote de Plegado (A4/03) fijada sobre el mismo Anillo Giratorio Periférico (A3). De esta forma, al quedar los Alabes (A1/01 ) plegados radialmente provocan que la Turbina (A) entre en pérdida aerodinámica generando que el torque de la Turbina (A) se reduzca y, por ende, las revoluciones del sistema eólico en su conjunto disminuyan a niveles seguros.
Donde el Mecanismo Magnético de Activación (A4/01 ) comprende ¡manes permanentes que sujetan la raíz de los Alabes (A1/01 ) al Centro Liviano (A2), pero cuya fuerza magnética es graduada de tal manera que el mecanismo magnético de fijación cese cuando las fuerzas aerodinámicas generadas por magnitudes críticas de la velocidad del viento superen un determinado umbral de seguridad.
Donde, el Mecanismo de Plegado (A4/02) se caracteriza por tener un sistema hidráulico, mecánico y/o electrónico que controla automáticamente la gradualidad del plegado requerido por los Alabes (A1/01 ) calculado en base al tamaño de las fuerzas aerodinámicas que interactúan sobre la Turbina (A).
Donde el Pivote de Plegado (A4/03) es un componente pivote o bisagra caracterizado por estar, de un lado, fijado al Anillo Giratorio Periférico (A3) y, por otro lado, fijado a un Alabe (A1/01 ), donde la velocidad y ángulo de giro son controlados por el Mecanismo de Plegado (A4/02). Así, un objeto de la presente invención es maxim ¡zar el torque de la turbina, dado que de acuerdo a las simulaciones CFD realizadas, el torque disminuye sustancialmente mientras mayor sea la diferencia de cuerda entre la punta del álabe y el Centro Liviano (A2) debido a la pérdida de presión generada por tal diferencia la cual puede llegar a generar una pérdida de torque y coeficiente de potencia mayor al 28%. Dado que, de acuerdo al perfil de la velocidad del viento, las secciones más cercanas al Centro Liviano (A2) presentan un menor número de Reynolds, lo cual favorece el uso de perfiles alares más delgados, mientras que las secciones más cercanas al Anillo Giratorio Periférico (A3) presentan un mayor número de Reynolds, lo cual favorece el uso de perfiles alares más gruesos.
En este sentido, a diferencia de las turbinas eólicas convencionales del estado de la técnica, la presente Turbina (A) está diseñada para aprovechar las características cuadráticas no lineales del perfil de la velocidad del viento presentes en el Espacio Crítico (504) de la Celda Eólica (301 ) y, de esta manera, maximizar el torque de la Turbina (A) y aumentar la eficiencia global del sistema eólico.
Otro objeto de la presente invención es que el Anillo Giratorio Periférico permita soportar los Alabes (A1/01 ) y evitar flexiones que comprometan su estructura y así, facilitar el aumento de la eficiencia del sistema colocando longitudes de cuerda mayores justo en la zona de la punta de los Alabes (A1/01 ), que es donde se presenta mayor velocidad relativa del sistema y, por ende, la mayor potencia aprovechable disponible.
Otro objeto de la presente invención es que el pliegue radial de los álabes producido por el Mecanismo de Plegado (A4/02) sea mayor mientras más elevadas sean las magnitudes críticas de la velocidad del viento, y viceversa, lo cual permite que la Turbina (A) pueda continuar operando bajo una velocidad angular segura, sin necesidad de entrar en una parada completa del sistema.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS FIGURA 1: La Celda Eólica
301 Vista frontal de la Celda Eólica
302 Vista oblicua de la Celda Eólica
404 Sección Externa Adyacente o Cuerda Cerrada Compartida
501 Cámara Interna Aerodinámica
503 Espacio Generador de Presión
504 Espacio Crítico
505 Espacio Supresor de Turbulencia
406 Abertura de Entrada de la Celda Eólica
407 Abertura de Salida de la Celda Eólica
FIGURA 2: Turbina (A)
A Turbina
A0 Eje Axial de la Turbina
A1 Rotor con Alabes de Cuerda Constante y Grosor Creciente
A1/01 Alabes
A2 Centro Liviano
A3 Anillo Giratorio Periférico
A4 Sistema de Plegado de Protección
A4/01 Mecanismo Magnético de Activación
A4/02 Mecanismo de Plegado
A4/03 Pivote de Plegado
301 Vista frontal de la Celda Eólica
504 Espacio Crítico
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La definición e incorporación de la Celda Eólica y el Muro Eólico (WO2021034203, “Wind Wall”) en la presente descripción es realizada meramente como parte del contexto necesario para la correcta descripción de los componentes de la invención.
La Celda Eólica: La Celda Eólica (301 , 302), según Figura 1 , debe entenderse como aquella estructura aerodinámica e individual, funcional en sí misma, capaz de amplificar la velocidad del viento, caracterizada por estar conformada por una Sección Externa Adyacente (404), una Cámara Interna Aerodinámica (501 ) y Espacio Crítico (504); donde el Espacio Crítico (504) es aquel espacio situado entre la Sección Frontal (503) y la Sección Posterior (505), caracterizado por presentar los mayores registros de la velocidad del viento.
En este sentido, para la presente descripción de la invención, debe entenderse por Espacio Crítico (504) como aquel espacio en donde la Turbina (A) del sistema eólico es adecuada para estar situada.
La Turbina (A):
La Turbina (A) es una turbina eólica de soporte periférico especialmente diseñada para operar en el Espacio Crítico (504) de la Celda Eólica (301 ), caracterizándose por revolucionar alrededor de un Eje Axial (A0) y comprender un Rotor con Alabes de Cuerda Constante y Grosor Creciente (A1 ), un Centro Liviano (A2), un Anillo Giratorio Periférico (A3) y un Sistema de Plegado de Protección (A4), según se muestra en la Figura 2.
El Rotor con Alabes de Cuerda Constante y Grosor Creciente (A1 ) se caracteriza por presentar un número de Alabes (A1/01 ), igual o mayor a uno, un número de perfiles alares, un número de ángulos de ataque y un número de ángulos de torsión a lo largo de su extensión, donde el ángulo de torsión de la sección de los Alabes (A1/01 ) pegada al Anillo Giratorio Periférico (A3) es radicalmente superior al resto de las secciones del álabe con la finalidad de adecuar el ángulo de ataque a la menor velocidad axial y mayor velocidad tangencial registrada en la zona pegada a la pared del Espacio Crítico (504) de la Celda Eólica (301 ).
Donde la longitud de cuerda de los perfiles alares es constante a lo largo de la extensión de los Alabes (A1/01 ) con la finalidad de maxim izar el torque de la Turbina (A) dado que, de acuerdo a simulaciones CFD realizadas, el torque disminuye sustancialmente mientras mayor sea la diferencia de cuerda entre la punta del álabe y el Centro Liviano (A2) debido a la perdida de presión generada por tal diferencia la cual puede llegar a generar una pérdida de torque y coeficiente de potencia mayor al 28%.
Donde el grosor de los perfiles alares es creciente a lo largo de la extensión de los Alabes (A1/01 ), siendo que los perfiles alares con menor grosor se encuentran cercanas al Centro Liviano (A2) y los perfiles alares con mayor grosor se encuentran cercanas Anillo Giratorio Periférico (A3) con la finalidad de maximizar el torque de la Turbina (A) dado que, de acuerdo al perfil de la velocidad del viento, las secciones más cercanas al Centro Liviano (A2) presentan un menor número de Reynolds, lo cual favorece el uso de perfiles alares más delgados, mientras que las secciones más cercanas a la pared del Anillo Giratorio Periférico (A3) presentan un mayor número de Reynolds, lo cual favorece el uso de perfiles alares más gruesos.
En este sentido, a diferencia de las turbinas eólicas convencionales del estado de la técnica, la presente Turbina (A) está diseñada para aprovechar las características cuadráticas no lineales del perfil de la velocidad del viento presentes en el Espacio Crítico (504) de la Celda Eólica (301 ) y, de esta manera, maximizar el torque de la Turbina (A) y aumentar la eficiencia global del sistema eólico.
El Centro Liviano (A2) es un componente situado sobre el Eje Axial (A0) alrededor del cual revoluciona la Turbina (A) del sistema eólico, caracterizado por ser una estructura aerodinámica no masiva cuya utilidad es servir como un punto removible de fijación secundario de los Alabes (A1/01 ) para evitar la flexión de los mismos a causa de las fuerzas aerodinámicas y, sobretodo, para mantener separados los ambientes con diferencial de presiones generados alrededor del extradós e intradós de cada álabe. Cabe indicar que, de acuerdo a simulaciones CFD realizadas, se ha confirmado que los Alabes (A1/01 ) sujetados únicamente por un anillo periférico, sin un centro que los sujete, facilitan la fuga de presión entre ambientes al no existir una barrera física completa que lo impida, lo cual implica que mientras más corto sean los Alabes (A1/01 ) con respecto al radio de la Turbina (A), mayor será la fuga de presión entre ambientes y, por ende, menor el torque de la Turbina (A).
Donde, a diferencia de la góndola de los sistemas eólicos convencionales que por ser una estructura masiva presenta pérdidas aerodinámicas producidas por los vórtices generados en la estela detrás de su estructura, el Centro Liviano (A2) presenta una ventaja técnica por ser un centro ligero donde los vórtices presentes en la estela de dicho componente son de menor escala y, por ende, representan menores pérdidas aerodinámicas para el sistema.
El Anillo Giratorio Periférico (A3) es una estructura rígida y anular caracterizada por tener el mismo Eje Axial (AO) y por alojar dentro de su estructura las puntas de los Alabes (A1/01 ) de tal manera que tales Alabes (A1/01 ) queden sujetados a, y sostenidos por, la estructura anular del Anillo Giratorio Periférico (A3). Donde, además, el Anillo Giratorio Periférico (A3) se caracteriza por ser el punto de acople entre la Turbina (A) y el sistema de soporte periférico que corresponda.
A diferencia de los sistemas eólicos convencionales que funcionan con turbinas abiertas que poseen álabes con cuerdas decrecientes -donde las cuerdas de mayor longitud se encuentran en la raíz del álabe y las cuerdas de menor longitud se encuentran en la punta del álabe- para evitar flexiones excesivas que comprometan la estructura del álabe, el presente sistema eólico funciona con una Turbina (A) encerrada dentro de una Celda Eólica (301 ), lo cual permite la utilización de un Anillo Giratorio Periférico (A3) para soportar los Álabes (A1/01 ) y evitar flexiones que comprometan su estructura y, así, facilitar el aumento de la eficiencia del sistema colocando longitudes de cuerda mayores justo en la zona de la punta de los Álabes (A1/01 ), que es donde se presenta la mayor velocidad relativa del sistema y, por ende, la mayor potencia aprovechable disponible.
El Sistema de Plegado de Protección (A4) es un conjunto de mecanismos diseñados para la protección de la Turbina (A) ante escenarios adversos con magnitudes críticas de la velocidad del viento capaces de comprometer la integridad de la Turbina (A), caracterizado por activar un mecanismo automático en caso de escenarios adversos que, primero, desacopla los Alabes (A1/01 ) del Centro Liviano (A2) mediante un Mecanismo Magnético de Activación (A4/01 ) y, segundo, pliega los Alabes (A1/01 ) de manera radial hacia el Anillo Giratorio Periférico (A3) mediante un Mecanismo de Plegado (A4/02), de tal manera que el ángulo entre los Alabes (A1/01 ) y el Anillo Giratorio Periférico (A3) deja de ser de 90 grados, y donde el eje de giro es un Pivote de Plegado (A4/03) fijada sobre el mismo Anillo Giratorio Periférico (A3). De esta forma, al quedar los Alabes (A1/01 ) plegados radialmente, sustancialmente cercanos al Anillo Giratorio Periférico, provocan que la Turbina (A) entre en pérdida aerodinámica generando que el torque de la Turbina (A) se reduzca y, por ende, las revoluciones del sistema eólico en su conjunto disminuyan a niveles seguros.
Donde, el Mecanismo Magnético de Activación (A4/01 ), comprende ¡manes permanentes que sujetan la raíz de los Alabes (A1/01 ) al Centro Liviano (A2), pero cuya fuerza magnética es graduada de tal manera que el mecanismo magnético de fijación cese cuando las fuerzas aerodinámicas generadas por magnitudes críticas de la velocidad del viento superen un determinado umbral de seguridad.
Donde, el Mecanismo de Plegado (A4/02) se caracteriza por tener un sistema hidráulico, mecánico y/o electrónico que controla automáticamente la gradualidad del plegado requerido por los Alabes (A1/01 ) calculado en base al tamaño de las fuerzas aerodinámicas que ¡nteractúan sobre la Turbina (A), de tal manera que el pliegue radial de los Alabes (A1/01 ) sea mayor mientras más elevadas sean las magnitudes críticas de la velocidad del viento, y viceversa, lo cual permite que la Turbina (A) pueda continuar operando bajo una velocidad angular segura, sin necesidad de entrar en una parada completa del sistema.
Donde el Pivote de Plegado (A4/03) es un componente pivote o bisagra caracterizada por estar, de un lado, fijada al Anillo Giratorio Periférico (A3) y, por otro lado, fijada a un Alabe (A1/01 ), donde la velocidad y ángulo de giro son controlados por el Mecanismo de Plegado (A4/02). En una modalidad preferente los álabes están elaborados en un material ligero y durable, tal como fibra de vidrio, la utilidad del centro liviano es servir como un punto de fijación secundario de los álabes (A101 ) para evitar la flexión de los mismos a causa de fuerzas aerodinámicas y, sobretodo, para mantener separados los ambientes con diferencial de presiones generados alrededor del extradós e intradós de cada álabe. Es importante resaltar que, de acuerdo a simulaciones CFD realizadas, se ha confirmado que los Álabes (A1/01 ) sujetados únicamente por un anillo periférico, sin un centro que los sujete, facilitan la fuga de presión entre ambientes al no existir una barrera física completa que lo impida, lo cual implica que mientras más corto sean los Álabes (A1/01 ) con respecto al radio de la Turbina (A), mayor será la fuga de presión entre ambientes y, por ende, menor el torque de la Turbina (A).
Donde, a diferencia de la góndola de los sistemas eólicos convencionales que por ser una estructura masiva presenta pérdidas aerodinámicas producidas por los vórtices generados en la estela detrás de su estructura, el Centro Liviano (A2) presenta una ventaja técnica por ser un centro ligero donde los vórtices presentes en la estela de dicho componente son de menor escala y, por ende, representan menores pérdidas aerodinámicas para el sistema.
En resumen, los efectos técnicos que entrega la aplicación de los componentes de esta nueva turbina eólica son los siguientes:
• Incremento del coeficiente de potencia: De acuerdo con los análisis y simulaciones CFD realizadas, la Turbina (A) especialmente diseñada para operar en el Espacio Crítico (504) de la Celda Eólica (301 , 302), caracterizada por tener Rotor con Álabes de Cuerda Constante y Grosor Creciente (A1 ), los cuales no solamente permiten tener una mayor superficie de sustentación para cosechar una mayor porción de la energía cinética del viento presente en el Espacio Crítico (504), sino también impide pérdidas aerodinámicas derivadas de las caída de presión por álabes de cuerda creciente, lo cual habilita a que el sistema eólico genere un coeficiente de potencia superior en al menos 1.6 veces en comparación con los sistemas eólicos convencionales de eje horizontal.
• Menores vórtices: Debido al Centro Liviano (A2), que por ser menos masivo mitiga los vórtices generados en la estela del centro, y al Anillo Giratorio Periférico (A3), que reduce los vórtices generados en la punta de los ¿labes, el sistema eólico se caracteriza por generar menores pérdidas aerodinámicas en la estela, lo cual se traduce en un mayor torque; cuestión que no puede ser lograda por los sistemas eólicos convencionales de eje horizontal dado que tienen una góndola masiva en el centro y un rotor abierto con las puntas del álabe expuestas.
• Mayor flexibilidad: Debido al Sistema de Plegado de Protección (A4) que reduce el torque a demanda plegando gradualmente los Alabes (A1/01 ), el sistema eólico consigue tener mayor resiliencia para recuperarse de escenarios adversos sin tener que entrar en una parada general del sistema gracias a que la Turbina (A) continúa operando a una velocidad angular segura.
La presente invención no se limita a las realizaciones preferentes ¡lustradas en las figuras y descritas anteriormente en detalle. Las personas versadas en la materia técnica deben reconocer que se pueden idear otras disposiciones, por ejemplo, diversas formas y tamaños de módulos de diversos materiales, conectados a diversas estructuras y objetos y entre sí de diversas formas. La invención abarca todas las combinaciones posibles de las diversas características de cada realización descrita. Se aclara que pueden construirse modificaciones y variaciones de la invención sin apartarse del espíritu y alcance de lo protegido por el pliego de reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES Una turbina eólica de soporte periférico CARACTERIZADA POR estar diseñada para aprovechar los perfiles no lineales de la velocidad del viento presentes en un sistema eólico con velocidad del viento aumentada aerodinámicamente y comprender un rotor con álabes de cuerda constante y grosor creciente (A1 ) y un sistema de plegado de protección (A4); donde los álabes (A1/01 ) están sujetados por un anillo giratorio periférico (A3), donde el ángulo de torsión de la sección de los álabes (A1/01 ) pegada al anillo giratorio periférico (A3) es superior al resto de las secciones del álabe; donde la longitud de cuerda de los perfiles alares es constante a lo largo de la extensión de los álabes (A1/01 ); donde el grosor de los perfiles alares es creciente a lo largo de la extensión de los álabes (A1/01 ), siendo que los perfiles alares con menor grosor se encuentran cercanas al centro y los perfiles alares con mayor grosor se encuentran cercanas anillo giratorio periférico (A3); donde el sistema de plegado de protección (A4) está diseñado para accionarse automáticamente con la finalidad de plegar radialmente los alabes de tal manera que la turbina pueda entrar en pérdida aerodinámica cuando la velocidad de viento se encuentre por encima de los parámetros de diseño y pongan en riesgo la integridad del sistema eólico. La turbina eólica de soporte periférico, de acuerdo con la reivindicación 1 , CARACTERIZADA PORQUE el sistema de plegado de protección (A4) incluye a su vez un mecanismo magnético de activación (A4/01 ), un mecanismo de plegado (A4/02) y un pivote de plegado (A4/03); donde el mecanismo magnético de activación (A4/01 ) comprende ¡manes permanentes que sujetan la raíz de los álabes (A1/01 ) a un centro liviano
(A2), donde su fuerza magnética está graduada de tal manera que el mecanismo magnético de fijación es cesado al superar un determinado umbral de seguridad; donde el mecanismo de plegado (A4/02) es accionado de forma hidráulica, mecánica y/o electrónica y está configurado para plegar los álabes (A1/01 ) de tal manera que el ángulo entre los álabes (A1/01 ) y el anillo giratorio periférico (A3) deja de ser de 90 grados, y que además está configurado para controlar automáticamente la gradualidad del plegado requerido por los álabes (A1/01 ) de tal manera que el pliegue radial de los álabes (A1/01 ) sea mayor mientras más elevadas sean las magnitudes críticas de la velocidad del viento, y viceversa, lo cual permite que la turbina (A) pueda continuar operando bajo una velocidad angular segura, sin necesidad de entrar en una parada completa del sistema; donde el pivote de plegado (A4/03) es una bisagra que está, de un lado, fijada al anillo giratorio periférico (A3) y, por otro lado, fijada a uno de los álabes (A1/01 ), donde la velocidad y ángulo de giro son controlados por el mecanismo de plegado (A4/02).
3. La turbina eólica de soporte periférico, de acuerdo con la reivindicación 2, CARACTERIZADA PORQUE el centro liviano (A2) es un componente adecuado para estar situado sobre un eje axial (A0) alrededor del cual revoluciona la turbina, en donde el centro liviano (A2) es una estructura aerodinámica de material liviano y además es un punto removible de fijación secundaria de los álabes (A1/01 ) el cual forma parte del mecanismo magnético de activación (A4/01 ).
4. La turbina eólica de soporte periférico, de acuerdo con la reivindicación 2, CARACTERIZADA PORQUE el anillo giratorio periférico (A3) es una estructura rígida y anular que tiene el mismo eje axial (A0) alrededor del cual revoluciona la turbina (A), y que aloja dentro de su estructura las puntas de los álabes (A1/01 ) y que además forma parte del mecanismo magnético de activación (A4/01 ).
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