ES2578554B1 - Turbina y aerogenerador eólico de eje vertical para la generación de energía - Google Patents

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Abstract

Turbina y aerogenerador eólico de eje vertical para la generación de energía.#La turbina según la invención comprende una serie de palas que se encuentran reviradas tantos grados como el resultado de dividir 360º por el número de palas existentes para que así todas ellas cubran los 360° de rotación.#Por su parte, el aerogenerador eólico de eje vertical para la generación de energía según la invención comprende un báculo, por lo menos un dispositivo de iluminación, una turbina del tipo que se acaba de mencionar y un generador eléctrico acoplado a la base de dicha turbina.

Description

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DESCRIPCION
Turbina y aerogenerador eolico de eje vertical para la generacion de ene^a Campo de la tecnica
La presente invencion hace referencia a una turbina capaz de iniciar su movimiento a partir de velocidades bajas de viento y a un aerogenerador de eje vertical para la generacion de energia que comprende entre sus elementos una de estas turbinas de tal forma que es capaz de generar energia electrica a partir de viento a pequenas velocidades.
Aunque tales turbina y aerogenerador de eje vertical se pueden utilizar en cualquier sector industrial, preferiblemente, se aplicaran para el alumbrado de vias publicas o privadas.
Estado de la Tecnica anterior
Son sobradamente conocidos aerogeneradores capaces de generar energia electrica a partir de energia eolica. Estos aerogeneradores comprenden, principalmente, una torre o eje vertical, que se encuentra unido al suelo a traves de un sistema de cimentacion, y en el que se dispone en su parte superior de una turbina, formada por varias palas, asi como de un generador electrico. Esta turbina comprende un eje que se encuentra unido o forma parte del rotor del generador electrico de tal forma que cuando dicho rotor esta en movimiento se genera luz. En concreto, el funcionamiento de estos aerogeneradores consiste, de una manera simple, en que el viento a partir de una cierta velocidad, normalmente elevada, acciona la turbina la cual empieza a girar asi como su eje y, en consecuencia, el rotor del generador electrico, produciendose luz. Por lo tanto, estos aerogeneradores son capaces de transformar la energia eolica inicial en energia mecanica para convertirla posteriormente en energia electrica.
El principal problema de todos estos aerogeneradores comunes es el hecho de que requieren una elevada velocidad de viento para que se ponga en funcionamiento la turbina y para que, en consecuencia, se pueda generar energia electrica. En consecuencia, estos aerogeneradores no son eficientes ya que no permiten aprovechar todas las velocidades de viento sino tan solo aquellas velocidades de viento elevadas que permiten accionar la turbina. Entonces, ello hace que en zonas pocas ventosas resulte muy dificil la produccion de energia electrica a partir de energia eolica.
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Por otro lado, otra problematica asociada a la utilization de turbinas accionables por velocidades e intensidades de viento muy bajas es que la velocidad de movimiento de su eje y, por lo tanto, la potencia que se genere en este eje sera muy baja por lo que se necesita un generador electrico de muy baja velocidad, es decir, con un par de arranque y, en consecuencia, una potencia muy bajos (efecto "cooging”). Para solucionar esta dificultad existe la posibilidad de, sin disenar espedficamente un generador electrico con una muy baja velocidad, utilizar turbinas de arrastre que ya existen en el estado de la tecnica puesto que son el tipo de turbinas que generan mas potencia en su eje y, en consecuencia, mas par para vencer el mencionado efecto "cooging” de un generador electrico comun. Sin embargo, este tipo de turbinas presentan los siguientes inconvenientes: su velocidad no es independiente de la velocidad del viento, las propias palas de la turbina al alcanzar una determinada velocidad cierran la entrada de aire con la consiguiente reduction de potencia transmitida al generador electrico. En consecuencia, son poco eficientes energeticamente hablando.
Pues bien, la presente invention tiene como principal finalidad la protection de un aerogenerador eolico y de una turbina accionable a partir de velocidades de viento bajas permitiendose asi la generation de energia electrica por parte del aerogenerador a dichas velocidades.
Explication de la invencion
La presente invencion logra superar todos los inconvenientes asi como defectos mencionados anteriormente en el estado de la tecnica y alcanzar la finalidad descrita en el parrafo anterior.
Para ello, en primer lugar, se requiere de una turbina del tipo de sustentacion, que son aquellas que trabajan a partir de las fuerzas ejercidas por la diferencia de presiones entre el intrados y el estrados de su perfil alar, con palas alveolares, preferiblemente helicoidales, de tal forma que en su rotation tengan en todo momento el borde de ataque orientado al viento. En concreto, las palas de la turbina se han de encontrar reviradas tantos grados como el resultado de dividir 360° por el numero de palas existentes para que asi todas ellas cubran los 360° de rotacion en todo momento.
Es decir, en el caso que la turbina este formada por 2 palas, estas deben estar reviradas 180°; en el caso que la turbina este formada por 3 palas, estas deben estar reviradas 120°;
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en el caso que la turbina este formada por 4 palas, estas deben estar reviradas 90°; en el caso que la turbina este formada por 5 palas, estas deben estar reviradas 72°; y asi sucesivamente.
Preferiblemente, la turbina dispone de 4 palas, lo que implica que deben estar reviradas 90° ya que las turbinas con 2 palas (reviradas 180°) o con 3 palas (reviradas 120°) son mas lentas y dificiles de construir que las de 4 palas y las turbinas de 5 palas (reviradas 72°) presentan el inconveniente de que alguna pala cubra el espacio de su opuesta.
Este tipo de turbinas objeto de la invencion presentan como ventajas frente a las existentes en el estado de la tecnica en que son accionables a velocidades bajas de viento (unos 0,5 m/s) y son capaces de generar un par de arranque para el generador electrico de tan solo 0,2 Nm. Ademas, presentan un nivel de ruido muy bajo y dada la sencillez y simplicidad del diseno de las palas, el impacto visual de dicha turbina es mmimo ya que no altera el entorno paisajistico.
Asimismo, puesto que la turbina ha de ser accionable a bajas velocidades de viento, es objeto de esta invencion que, tal y como se ha comentado anteriormente, dicho movimiento pueda ser despues aprovechable para la produccion de energia electrica. Para ello se requiere que la potencia generada en el eje de la turbina sea suficiente para vencer el par de arranque del generador electrico (efecto "cogging”). En pocas palabras, que esta potencia asociada al eje de la turbina permita iniciar el movimiento del rotor del generador electrico. Puesto que las turbinas segun la invencion generan un par de arranque para el generador electrico no inferior a 0,2 Nm, el generador electrico ha de tener un par de arranque inferior a dicha cifra. En consecuencia, el generador electrico necesario para aprovechar al maximo toda la energia mecanica producida por la turbina, ya sea por el movimiento de la misma a bajas o altas velocidades de viento, ha de ser del tipo "low cogging”, es decir, con poca friccion y nulo desgaste asi como con propiedades de anti-amarre.
El aerogenerador eolico segun la invencion comprende por lo menos una turbina segun la invencion, de acuerdo con lo definido en parrafos anteriores, y, preferiblemente, en su base, se encuentra acoplado el generador electrico con un par de arranque lo suficientemente bajo para que el par de arranque generado por la mencionada turbina lo pueda vencer.
Ademas, el aerogenerador eolico segun la invencion puede comprender dispositivos de almacenaje de la energia electrica producida por el generador electrico, preferiblemente
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baterias para que asi dicha energia electrica se pueda utilizar no solo en el momento en que se produce sino posteriormente en el tiempo.
Puesto que una de las principales aplicaciones del aerogenerador eolico segun la invention es el alumbrado de vias publicas o privadas, adquieren especial relevancia tales dispositivos de almacenaje de ene^a electrica puesto que han de guardar la energia electrica generada por el viento y producida durante el dia para poder utilizarla durante la noche ya que es el periodo temporal en el que se necesita alumbrar la via publica o privada.
En otra realization preferente del aerogenerador eolico segun la invencion, este puede comprender ademas generadores de energia electrica a partir de la luz solar, preferiblemente, placas solares. De esta manera en los dias en que no hay viento o el viento es tan leve que no se llega a accionar la turbina y, en consecuencia, no se genera energia electrica, las placas solares serian las responsables de la generation de la energia electrica y, en su caso, del alumbrado de las vias publicas o privadas. En este caso, dichas placas solares podrian tener asociado su respectivo dispositivo de almacenaje de energia electrica, preferiblemente baterias, para que asi la energia electrica producida durante el dia a traves de la luz solar se pueda utilizar por la noche alumbrando las vias publicas y/o privadas.
En cualquiera de estas realizaciones del aerogenerador eolico segun la invencion, este puede comprender ademas un regulador encargado de, entre otras, las siguientes funciones: regulation de las tensiones aplicables al generador electrico asi como a cualquier otro dispositivo electronico contenido en el aerogenerador electrico, activar un sistema de seguridad de frenado de la turbina del aerogenerador electrico, regulacion de la carga y duration de los dispositivos de almacenaje de energia electrica, en el caso que el aerogenerador disponga de placas solares (generadores de energia electrica a partir de la luz solar) gestion de la production de energia electrica, y en el caso que el aerogenerador eolico se utilice para el alumbrado de vias publicas y/o privadas, encendido y apagado automatico del alumbrado publico. Tambien, en cualquiera de estas realizaciones del aerogenerador eolico segun la invencion, este puede comprender ademas un sistema de vigilancia que comprende por lo menos un dispositivo de captacion de imagenes para controlar que lo que ocurre en lugares cercanos en los que se este ubicado dicho aerogenerador eolico asi como cualquier ataque vandalico contra dicho aerogenerador. Preferiblemente, este sistema de vigilancia se alimenta a traves del mismo generador electrico.
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Asimismo, en cualquiera de estas realizaciones del aerogenerador eolico segun la invention, este puede comprender un sistema de comunicaciones formado por un emisor y un receptor para transmitir y recibir datos, a traves de cualquier tecnologia actual -WIFI, GPRS, UHF, etc.- o futura, a una unidad receptora a la que se encuentran conectados otros aerogeneradores eolicos. Preferiblemente, este sistema de comunicaciones transmitira information sobre la tension, el nivel de carga de las baterias, la cantidad de potencia producida, avisos sobre fallos del aerogenerador eolico.
Breve description de los dibujos
Las anteriores y otras ventajas y caracteristicas se comprenderan mas plenamente a partir de la siguiente descripcion detallada de unos ejemplos de realization con referencia a los dibujos adjuntos, que deben considerarse a trtulo ilustrativo y no limitativo, en los que:
- La Fig. 1 representa una turbina segun la invencion;
- La Fig. 2 muestra el perfil alar de un ejemplo de realizacion de la turbina de eje vertical segun la invencion;
- Las Figs. 3a y 3b ilustran dos perspectivas diferentes de un aerogenerador eolico segun la invencion sin placa solar; y
- La Fig. 4 representa un aerogenerador eolico segun la invencion con placa solar.
Descripcion detallada de un ejemplo de realizacion
La Fig. 1 muestra una turbina (1), preferiblemente del tipo de sustentacion, con cuatro palas (2), preferiblemente alveolares y/o helicoidales, reviradas 90°. Preferiblemente, el perfil alar de la turbina que se utiliza es FX63-137 13,7% "smoothed” (ver Fig. 2).
La turbina (1) esta hecha de varias capas laminares compuestas por fibras y resinas para que pueda soportar las diferentes adversidades climatologicas que se puede encontrar. Preferiblemente, en su acabado final, se le aplica el material grafeno (preferiblemente en polvo de 6 a 30 atomos de grosor).
Es importante destacar en este punto que el grafeno es un material, practicamente transparente, formado por una lamina de carbono puro de un solo atomo de grosor con propiedades elasticas pero con una gran resistencia y dureza. Ademas, entre otras
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caracteristicas principales de este material encontrariamos: bajo efecto joule, conductividad termica y electrica altas, qwmicamente inerte, auto-enfriamiento, auto-reparacion, impermeable incluso al helio, ligereza, consumo de menor electricidad que el silicio, totalmente organico y biodegradable.
En este sentido, la aplicacion de grafeno, preferiblemente en polvo de 6 a 30 atomos de grosor, en la turbina la dota a dicha turbina de una gran resistencia frente a posibles impactos y rayadas, de una mayor autolimpieza a causa de la gran impermeabilidad de este material y de un sistema antifatiga a las erosiones producidas por las diferentes adversidades climatologicas.
Las Figs. 3a y 3b ilustran dos perspectivas diferentes de un aerogenerador eolico (3) segun la invencion que comprende un baculo (5), preferiblemente en fundicion de aluminio, en el que se hallan los dispositivos de iluminacion (7), preferiblemente a traves de un sistema LED, un mastil (6), preferiblemente acabado en tratamiento galvanizado y granallado asi como anclado al suelo (8), una turbina (1) con, preferiblemente, cuatro palas (2) y un generador electrico que, preferiblemente, se acopla a la base de la turbina (1) pero el cual no aparece representado en la figura. Puesto que una de las principales caracteristicas de la turbina (1) es que es accionable a bajas velocidades de viento, para aprovechar definitivamente dicha energia eolica, este generador electrico ha de tener un par de arranque bajo e inferior al par de arranque generado por la turbina (1) cuando esta en movimiento. De esta manera la energia mecanica creada por la energia eolica se podra transformar en energia electrica. En concreto, puesto que la turbina (1) segun la invencion genera un par de arranque no superior a 0,2 Nm, el par de arranque del generador electrico debe ser inferior a 0,2 Nm.
Este generador electrico puede estar dimensionado de cualquier manera para lograr un par de arranque inferior a 0,2 Nm. Preferiblemente, los elementos esenciales del generador electrico tendran las siguientes dimensiones:
- Diametro estator: 170-250 mm
- Entrehierro: 0.5-1 mm
- Altura iman: 3-5 mm
- Diametro exterior: 192-250 mm
- Corona estator: 3-5 mm
- Empilado: 20-25 mm
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- Relacion espiras-bobina: 35-212 (esta ultima cifra se debe a que el bobinado es con 4 grupos en paralelo)
- Peso de cobre: 0,66-1,50 kg
- Peso de hierro: 4,2-9 kg
- Peso iman permanente: 0,26-0,50 kg
- Diametro hilo: 0,52-1,5 mm
En concreto, de todos estos rangos, preferiblemente, se utiliza un generador electrico con las siguientes dimensiones:
- Diametro estator: 231 mm
- Entrehierro: 1 mm
- Altura iman: 3 mm
- Diametro exterior: 246 mm
- Corona estator: 5 mm
- Empilado: 20 mm
- Relacion espiras-bobina: 212 (bobinado es con 4 grupos en paralelo)
- peso de cobre: 1,08 kg
- peso de hierro: 6,99 kg
- peso iman permanente: 0,295 kg
- Diametro hilo: 0,52 mm.
Estos aerogeneradores eolicos son capaces de generar una potencia de 0,5W a 400 W aproximadamente.
El aerogenerador eolico segun la invencion puede comprender ademas dispositivos de almacenaje de la energia electrica producida por el generador electrico (no aparecen representados en las Figuras). Preferiblemente, estos dispositivos de almacenaje de la energia electrica son baterias de litio-ferrofosfato.
La Fig. 4 representa otra realization preferente del aerogenerador eolico segun la invencion que comprende ademas 2 generadores de energia electrica a partir de la luz solar (4), preferiblemente placas fotovoltaicas del tipo policristalinas con fotocelulas integradas para la detection de luz y con sistema de orientation.
Se debe destacar que los generadores de ene^a electrica a partir de la luz solar (4) pueden integrar en ellos, uno o varios dispositivos de almacenaje de ene^a electrica, preferiblemente baterias, y/o uno o varios reguladores cuyas funciones son, entre otras, controlar las tensiones aplicables al generador de energia electrica a partir de la luz solar (4) 5 asi como a cualquier otro dispositivo electronico contenido en el aerogenerador electrico, controlar la carga y duracion de los dispositivos de almacenaje de energia electrica, gestionar la produccion de energia electrica.
Los aerogeneradores eolicos segun la invention mostrados en las Figs. 3a, 3b y 4 10 comprenden ademas reguladores para controlar las tensiones aplicables al generador electrico asi como a cualquier otro dispositivo electronico contenido en el aerogenerador eolico, activar un sistema de seguridad de frenado de la turbina del aerogenerador eolico, controlar la carga y duracion de los dispositivos de almacenaje de energia electrica, en el caso que el aerogenerador disponga de placas solares (generadores de energia electrica a 15 partir de la luz solar) gestionar la produccion de energia electrica, y en el caso que el aerogenerador eolico se utilice para el alumbrado de vias publicas y/o privadas, encender y apagar automaticamente el alumbrado de la via publica o privada.
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Claims (15)

  1. 5
    10
    15
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    25
    30
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    REIVINDICACIONES
    1. Turbina que comprende por lo menos dos palas caracterizada porque dichas palas se encuentran reviradas tantos grados como el resultado de dividir 360° por el numero de palas que tiene la turbina.
  2. 2. Turbina segun la reivindicacion 1 caracterizada porque comprende cuatro palas alveolares reviradas 90° cada una de ellas.
  3. 3. Turbina segun las reivindicaciones 1 o 2 caracterizada porque a las palas de la turbina se les aplica en su acabado final material grafeno.
  4. 4. Aerogenerador eolico caracterizado porque comprende por lo menos un mastil en el que hay por lo menos un dispositivo de iluminacion, una turbina y un generador electrico acoplado a esta turbina caracterizado porque dicha turbina es segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
  5. 5. Aerogenerador eolico segun la reivindicacion 4 caracterizado porque comprende ademas por lo menos un generador electrico que tiene un par de arranque inferior al par de arranque generado por la turbina.
  6. 6. Aerogenerador eolico segun la reivindicacion 5 caracterizado porque comprende ademas por lo menos un generador electrico con un par de arranque no inferior a 0,2 Nm.
  7. 7. Aerogenerador eolico segun cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6 caracterizado porque el generador electrico presenta las siguientes caracteristicas:
    a. Diametro estator: 170-250 mm
    b. Entrehierro: 0.5-1 mm
    c. Altura iman: 3-5 mm
    d. Diametro exterior: 192-250 mm
    e. Corona estator: 3-5 mm
    f. Empilado: 20-25 mm
    g. Relacion espiras-bobina: 35-212 (esta ultima cifra se debe a que el bobinado es con 4 grupos en paralelo)
    h. Peso de cobre: 0,66-1,50 kg
    i. Peso de hierro: 4,2-9 kg
    j. Peso iman permanente: 0,26-0,50 kg
    k. Diametro hilo: 0,52-1,5 mm
  8. 8. Aerogenerador eolico segun cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7 caracterizado porque comprende ademas por lo menos un dispositivo de almacenaje electrico para guardar la energia electrica producida por el generador electrico.
    5
    10
    15
    20
    25
  9. 9. Aerogenerador eolico segun cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8 caracterizado porque comprende ademas por lo menos un generador de ene^a electrica a partir de la luz solar.
  10. 10. Aerogenerador eolico segun la reivindicacion 9 caracterizado porque el generador de energia electrica a partir de luz solar comprende ademas un regulador capaz de controlar la tension aplicable al generador de energia electrica a partir de luz solar.
  11. 11. Aerogenerador eolico segun cualquiera de las reivindicaciones 4 a 10 caracterizado porque comprende ademas un regulador capaz de controlar por lo menos una tension de cualquier dispositivo electronico que exista en el aerogenerador eolico o del generador electrico del mismo
  12. 12. Aerogenerador eolico segun cualquiera de las reivindicaciones 4 a 11 caracterizado porque comprende ademas un sistema de vigilancia que comprende por lo menos una dispositivo de captation de imagenes.
  13. 13. Aerogenerador eolico segun la reivindicacion anterior caracterizado porque el sistema de vigilancia se alimenta a traves del generador electrico acoplado a la turbina de este aerogenerador eolico.
  14. 14. Aerogenerador eolico segun cualquiera de las reivindicaciones 4 a 13 caracterizado porque comprende ademas un sistema de comunicaciones capaz de transmitir y recibir datos ay de una unidad receptora a la que se encuentran conectados otros aerogeneradores eolicos
  15. 15. Aerogenerador eolico segun la reivindicacion 14 caracterizado porque el sistema de comunicaciones transmite y recibe information sobre por lo menos alguna de las siguientes caracteristicas: tension, el nivel de carga de los dispositivos de almacenaje electricos, cantidad de potencia producida y avisos sobre fallos del aerogenerador eolico.
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