ES2578428A1 - Sistema y método para obtener energía de un fluido - Google Patents

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Abstract

Sistema y método para obtener energía de un fluido que comprende un generador de vórtices, en el seno de un fluido, compuesto al menos por un cuerpo obstructor (2) y una palanca en voladizo (1) que se deforma por su extremo libre, anclado al cuerpo obstructor (2). El generador de vórtices oscila ayudado por un elemento favorecedor de la calle de vórtices de von Karman (3), que se puede colocar aguas arriba o aguas abajo del generador de vórtices, que puede estar adjunto al cuerpo obstructor (2) o no, siempre con el fin de favorecer la oscilación por aumento del coeficiente de arrastre de dicho cuerpo obstructor (2). La conversión de la energía mecánica en eléctrica se realiza con un generador eléctrico (18) donde el movimiento rotacional se logra a partir de elementos de transmisión que transforman dicha oscilación en rotación.

Description

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de calles de vórtices de von Karman aguas abajo de cuerpos obstructores, mediante la introducción de elementos adicionados a dichos cuerpos obstructores que interrumpen la formación de los vórtices desprendidos (US 6695540 B1, US 5517865 A, US 7905153 B2). Aunque otra estrategia para romper los vórtices aguas abajo de un elemento obstructor es la introducción de elementos que proporcionen una forma aerodinámica al cuerpo obstructor, de manera que se evite la separación del flujo y que este pueda continuar como laminar (US 7628569 B2).
Además de proporcionar formas más aerodinámicas a los elementos que producen calles de vórtices de von Karman para evitar su formación, se utiliza otra estrategia basada en la introducción de elementos que hacen que la capa límite se convierta en turbulenta antes de separarse del cuerpo obstructor. Esta propuesta se ha aplicado en las bolas de golf que cuentan con unos orificios en su superficie para crear una fina capa turbulenta próxima a la superficie de la pelota que pospone la separación del flujo de la pelota mejorando así el comportamiento aerodinámico de la misma, por reducción de la fuerza de arrastre. Este mecanismo de actuación se encuentra en las patentes EP0033023 y CA2131481.
Las técnicas, que hacen que un elemento sea más aerodinámico, o que posponen la separación de la capa límite de un objeto por la introducción de rugosidad en su superficie, son indeseables cuando el objetivo que se persigue es la creación de una calle de vórtices de von Karman. Por tanto, se puede favorecer que un objeto entre en resonancia diseñando el elemento obstructor de manera contraria a la propuesta en las patentes dedicadas a evitar las calles de vórtices de von Karman.
El coeficiente de arrastre (parámetro que determina la resistencia aerodinámica de un objeto) para un cilindro es de 0,49 mientras que para un cuerpo aerodinámico con la forma de las alas de un avión es de 0,09. Teóricamente, si se consigue aumentar el coeficiente de arrastre por encima del valor del cilindro, se consigue anticipar la separación de la capa límite laminar del cuerpo e incrementar el área de presión que se ejerce sobre el propio elemento obstructor, favoreciendo y magnificando su oscilación. Por ello, en la presente invención, se incluye un elemento encargado de aumentar el coeficiente de arrastre del cuerpo obstructor (2). Este elemento, de geometría variable, se puede colocar aguas arriba del cuerpo obstructor (2), o aguas abajo de él, separado del mismo, o adjunto a él, siempre con la intención de favorecer e incrementar el efecto de la calle de vórtices de von Karman. Las configuraciones no aerodinámicas, con respecto a las aerodinámicas, abren la estela cuando un fluido pasa a través de ellas produciéndose la transformación del flujo de laminar
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a turbulento, que es lo que se busca en este caso. El elemento (3), que favorece la formación de la calle de vórtices de von Karman, se denominará de ahora en adelante elemento favorecedor de la calle de vórtices de von Karman. La altura de este elemento viene determinada por el parámetro t donde t puede variar desde 0 (no incluido el 0) hasta dos veces el valor de (h-q-p)+H, que hace referencia a la altura del generador de vórtices, formado por el cuerpo obstructor (2) y por el elemento flexible (1) donde:
h: hace referencia a la longitud del elemento (1).
q: hace referencia a la longitud del elemento (1) que queda fija en uno de sus extremos.
p: hace referencia a la longitud que el elemento (1) que se encuentra dentro del elemento obstructor
H: hace referencia a la longitud del elemento obstructor
Cuando el elemento favorecedor de vórtices de von Karman (3) se encuentra adjunto al cuerpo obstructor (2), (3) experimenta el mismo movimiento que él (2). Cuando el favorecedor de vórtices (3) no se encuentra unido al generador de vórtices (2), este se mantiene quieto, no oscila. En ambos casos el elemento favorecedor (3) podría estar fabricado de un material rígido, ligero o pesado, según las dimensiones y la zona de instalación. A su vez, la superficie de este elemento podría ser rugosa o lisa. La forma de este elemento (3) incluye las geometrías cilíndricas y cónicas, y prismas de bases cuadradas, rectangulares, triangulares, trapezoidales, y poligonales (de n lados), conos truncados, prismas con bases geométricas de n ejes de simetría, como por ejemplo estrellas de 5 puntas y prismas con bases elípticas donde la relación entre el eje mayor y el eje menor es diferente de 1. El elemento (3), presentando cualquiera de las geometrías descritas, puede ser macizo o hueco.
Cuando el favorecedor de la calle de vórtices (3) se ubica aguas arriba del generador de vórtices, compuesto por (1) y (2), cumple una serie de características. Si el cuerpo obstructor (2) y el favorecedor de la calle de vórtices (3) se observan desde la posición en la que el primer objeto que se aprecia es el favorecedor de la calle de vórtices (3), y por tanto detrás se encuentra el generador de vórtices, el cuerpo obstructor (2) tiene que sobrepasar las dimensiones del favorecedor de la calle de vórtices (3). Esto significa que el cuerpo obstructor (2) debe de ser visto tras el favorecedor de la calle de vórtices (3). En cambio, si se observa desde la posición opuesta (aguas abajo) en la que el primer objeto que se ve es el generador de vórtices (1) + (2), y por tanto detrás de este se encuentra el favorecedor de la calle de vórtices (3), el favorecedor (3) no se observará ya que habrá quedado oculto por el cuerpo obstructor (2).
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del dispositivo, no solo para mantener la eficiencia de la generación eléctrica, debida a la oscilación del generador de vórtices, sino también para bloquear la oscilación en condiciones de viento extremo. En este último caso el valor de p sería igual a H.
La altura total que toma el generador de vórtices es el resultado de la suma de (h-q-p)+H, donde el resultado puede variar desde 0,01 metros hasta 100 metros o más, y donde la relación (h-p-q)/H puede variar desde H=p hasta p=0. Otro aspecto técnico a considerar es que cuando la forma del cuerpo obstructor (2) es de cono truncado, la relación de radios superior (a) y menor (b) (a/b) es siempre mayor que 1.
La palanca en voladizo (1) que compone el generador de vórtices, puede estar fabricada de materiales caracterizados por una alta resistencia mecánica a la rotura y bajo módulo de Young, como por ejemplo la fibra de carbono. A su vez, la superficie de este elemento podría ser rugosa o lisa. La forma de este elemento (1) incluye las geometrías cilíndricas y cónicas, y prismas de bases cuadradas, rectangulares, triangulares, trapezoidales, y poligonales (de n lados), conos truncados, prismas con bases geométricas de n ejes de simetría, como por ejemplo estrellas de 5 puntas y prismas con bases elípticas donde la relación entre el eje mayor y el eje menor es diferente de 1. El elemento (1), presentando cualquiera de las geometrías descritas, puede ser macizo o hueco.
En cuanto al cuerpo obstructor (2) puede estar hecho de material rígido o flexible. Posee un eje central hueco que lo atraviesa a lo largo de su altura total H y contiene parte del elemento (1). Por otro lado el peso total del elemento (2) debe permitir la recuperación elástica del elemento (1). Es decir, que en condiciones de viento el elemento (1) debe ser capaz de recuperar su posición inicial (no deformado) tras haber sufrido una deformación.
Los inventores han considerado la capacidad de orientación del dispositivo con la dirección del flujo del fluido. Por tanto, se ha implementado un dispositivo que rota los elementos necesarios con la dirección del flujo del fluido para asegurar que la oscilación del generador de vórtices (del cual se obtiene la energía eléctrica) siempre se dé. El dispositivo cuenta con una veleta (4) colocada en la parte más alta del elemento (3), por ejemplo. Esta veleta informa a un dispositivo de control (9), que se encuentra localizado en la base, de la dirección que debe tomar el conjunto. La rotación de los elementos se puede realizar por medio de un engranaje (6) movido por un motor (24) con una caja reductora acoplada (23) con la función de reducir el número de revoluciones de motor (24). El dispositivo de control (9), con la información recibida procedente de la veleta (4), indica al motor el número de
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segundo engranaje (16). Este engranaje (16) se localiza en la base (5), y mueve el rotor de un generador (18) que posee una caja multiplicadora de vueltas (17). En esta Figura también se aprecia el sistema para recuperar la energía generada (19) y el sistema de protección (13).
En la Figura 2 se muestra el generador de vórtices (2) y el favorecedor de la calle de vórtices (3), localizado aguas arriba del generador (2), y formando un ángulo de 90⁰ con el generador de vórtices y el sistema de absorción. El sistema de absorción se compone de una biela (12)-manivela (11), la correa de distribución (15), y los engranajes (14) y (16). Se observa igualmente la conexión del generador (18) con el sistema de almacenaje de energía (19), mediante cables (10), y finalmente, el mecanismo para orientar todos los elementos que comprende el engranaje (5), el engranaje (6), y la veleta (4).
En las Figuras 3, 4 y 5 se muestran diferentes vistas del dispositivo en las que se aprecia con mayor claridad el mecanismo de transformación de la energía mecánica oscilatoria en rotacional para activar un generador y producir finalmente energía eléctrica. Se muestra el engranaje (5) que rota en función de la dirección del viento orientando el sistema. En la imagen, los elementos que se encuentran sobre el engranaje (5) y que por tanto rotan, son el favorecedor de la calle de vórtices (3), aguas arriba del generador de vórtices (1) y (2), y todos los elementos de transmisión y conversión del movimiento oscilatorio así como el generador y los sistemas de almacenamiento de la energía (10, 11, 12, 14, 15, 16, 17, 18 y 19) y la cubierta del sistema (13).
En la Figura 6 se representa una de las realizaciones de la invención que incluye los sistemas de protección para asegurar su durabilidad. Los elementos sobre el engranaje (5) se protegen con la cubierta (13), que incluye una hendidura que permite la oscilación del generador de vórtices. Esta cubierta se encuentra sobre el engranaje (5), por lo que igualmente rota para reorientarse con la dirección del viento. La cubierta (13A) protege los dientes del engranaje (5), y la cubierta (13B) proporciona una protección al engranaje (6) que se encuentra fijo al elemento (8).
En la Figura 7 se representa el movimiento oscilatorio que se produce en el generador de vórtices en una de las formas preferentes de la realización. La presión de arrastre originada por el desprendimiento de vórtices aguas abajo del cuerpo obstructor (2), proporciona una oscilación en dicho cuerpo obstructor (2), representado como un cono truncado. Esta oscilación deforma el elemento (1) que actúa como una palanca en voladizo en su extremo
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