Turbina eólica.

Un dispositivo (80) de captación de energía eólica que comprende una pluralidad de turbinas (42,

10) eólicas, en el que cada turbina (42, 10) tiene un eje central y comprende:

- al menos una primera placa (16) de extremo y una segunda placa (16) de extremo, cada una montada transversalmente al eje y dispuesta para girar alrededor del eje, en el que las placas (16) de extremo, primera y segunda, están separadas axialmente,

- una pluralidad de álabes (14) de turbina que se extienden entre las placas (16) de extremo, primera y segunda, y dispuestas para girar alrededor del eje,

- al menos dos barreras (62) contra el viento, situadas sustancialmente opuestas diametralmente, en el que cada barrera (62) contra el viento se extiende sustancialmente paralela al eje entre la posición axial de la primera placa (16) de extremo y la posición axial de la segunda placa (16) de extremo, en el que cada barrera (62) contra el viento tiene un borde (64) interior que se extiende axialmente separado radialmente de una superficie de barrido exterior de los álabes (14) de turbina,

caracterizado por que

- cada álabe de turbina tiene una forma de perfil aerodinámico en sección transversal, con una superficie (24) exterior, de baja presión, y una superficie (26) interior, de alta presión, de manera que el movimiento de los álabes (14) de turbina a través del aire crea una sustentación que actúa generalmente lejos del eje, en el que

- las turbinas (42, 10) están dispuestas con ejes (12) respectivos paralelos y separados entre sí por una distancia mayor que dos veces el radio de la superficie barrida exterior de cada turbina (42, 10), y en el que

- las barreras (62) contra el viento están dispuestas de manera que sus bordes (64) interiores, que se extienden axialmente, están situados en un plano definido por los ejes (12) de turbina respectivos.

Turbina eólica Campo de la invención

La presente invención se refiere a las turbinas eólicas. Más particularmente, se refiere a las turbinas eólicas que tienen un eje de rotación generalmente perpendicular a la dirección del viento. Dichas turbinas están diseñadas, en general, como turbinas de flujo transversal. Dichas turbinas se conocen también como turbinas "de eje vertical", aunque esta terminología puede inducir a error.

Antecedentes de la invención

Las turbinas eólicas puede dividirse, en general, en dos tipos: turbinas eólicas 'de eje horizontal' (Horizontal Axis Wind Turbine, HAWT), que tienen un eje de rotación dispuesto para ser alineado con la dirección del viento predominante; y turbinas eólicas "de eje vertical" (Vertical Axis Wind Turbine, VAWT) o de flujo transversal, que tienen un eje de rotación dispuesto para ser generalmente perpendicular a la dirección del viento predominante.

Dentro de la categoría VAWT, las turbinas se clasifican, en general, en una de entre dos categorías más: de tipo arrastre y de tipo sustentación.

Las turbinas de tipo arrastre, de entre las cuales la más conocida es la turbina eólica Savonius, funcionan con álabes que tienen, cada uno, mayor resistencia aerodinámica cuando se mueven con el viento que cuando se mueven contra el viento. Esta diferencia en la resistencia aerodinámica, induce un par de torsión alrededor de un eje, causando la rotación de los álabes alrededor del eje.

Las turbinas de tipo sustentación, tales como las turbinas Darrieus, usan el flujo de aire sobre los álabes para generar una fuerza de sustentación sobre los álabes, que se traduce en un movimiento de rotación.

Los álabes de tipo arrastre están limitados necesariamente a desplazarse más lentamente que los vientos dominantes. Sin embargo, los álabes de tipo sustentación pueden alcanzar una relación de velocidad de la punta (velocidad de la punta del álabe:velocidad del viento dominante) muy superior a 1,.

Generalmente, las turbinas VAWT de tipo sustentación son mucho más eficientes en la producción de energía que las turbinas VAWT de tipo arrastre. Sin embargo, se han experimentado diversos problemas en la producción eficiente de las turbinas VAWT para aplicaciones comerciales.

Uno de los problemas es el arranque de la turbina y el funcionamiento con vientos ligeros. Las turbinas de tipo sustentación dependen de la sustentación proporcionada por la rotación del álabe (de esta manera, la rotación de la turbina requiere una cierta velocidad para ser autosuficiente). Esto puede requerir la provisión de un motor para arrancar la turbina. De manera similar, si la velocidad del viento no es suficiente para mantener la velocidad de rotación mínima de la turbina, la turbina se detendrá.

Otro problema experimentado es el de la separación de las turbinas. Generalmente, las turbinas eólicas funcionan mejor en aire "limpio", sin obstáculos cercanos que podrían actuar ralentizando el flujo del viento. Por esta razón, generalmente es necesario separar las turbinas eólicas de manera que sus flujos de aire no se interfieran entre sí.

Una manera utilizada en la técnica anterior para abordar este problema se describe en el documento GB 561 435 A, que describe una configuración de turbina eólica que comprende una pluralidad de turbinas eólicas. Cada una de las turbinas incluye una serie de túneles de viento con extremos abiertos, con formas y tamaños uniformes, dispuestos radialmente alrededor de un rotor central. Los túneles de viento sirven para dirigir el aire (o el agua) desde cualquier dirección a los álabes de los rotores de las turbinas. La relación del área de sección transversal de entrada al área de sección transversal de salida de suministro constrictivo sirve para canalizar el aire (o el agua) a las turbinas.

La solicitud de patente internacional número PCT/AU27/1865 del presente solicitante, actualmente pendiente, pretende superar el primero de estos problemas mediante la incorporación de características de una turbina de tipo arrastre en una turbina de tipo sustentación. Esto se lleva a cabo incorporando una característica recortada o "en forma de copa" a la cara interior de cada álabe de turbina. La idea detrás de este concepto es que la turbina usará la diferencia de resistencia aerodinámica entre las superficies exterior e interior del álabe para generar un par de torsión a bajas velocidades, siendo este par suficiente para acelerar el rotor a una velocidad a la que se genera una sustentación suficiente para hacer girar el rotor.

Investigaciones y desarrollos adicionales han demostrado que la presencia de dichas "copas" tiene un impacto considerable sobre las propiedades aerodinámicas del álabe de turbina, lo que resulta en una disminución de la sustentación generada a velocidades más altas. Se ha establecido que un recorte de lámina del 5%, tal como se

sugería en la solicitud anterior, puede resultar en una caída del rendimiento de la turbina superior al 1%. Además, la introducción de las copas puede conducir a una debilidad estructural de los álabes, reduciendo la rigidez del álabe. También se ha encontrado que el flujo de aire alterado resultante de la presencia de las copas o recortes puede conducir a un aumento del ruido.

La presente invención pretende proporcionar una turbina eólica que funciona más eficientemente que la descrita en el documento PCT/AU27/1865. También pretende abordar el problema de la separación de las turbinas, y proporcionar una configuración mediante la cual pueden disponerse un número de turbinas de una manera compacta.

Sumario de la invención

Según la presente invención, se proporciona una turbina eólica que tiene un eje central; al menos una primera placa de extremo y una segunda placa de extremo, cada una montada transversalmente al eje y dispuesta para girar alrededor del eje, en el que las placas de extremo, primera y segunda, están separadas axialmente; en el que una pluralidad de álabes de turbina se extienden entre las placas de extremo, primera y segunda, y están dispuestas para girar alrededor del eje; y al menos dos barreras contra el viento opuestas de manera sustancialmente 15 diametral, en el que cada barrera contra el viento se extiende sustancialmente paralela al eje entre la posición axial de la primera placa de extremo y la posición axial de la segunda placa de extremo, en el que cada una de las barreras contra el viento tiene un borde Interior que se extiende axialmente separado radlalmente de una superficie de barrido exterior de los álabes de la turbina. Es preferible que la separación de las barreras contra el viento con respecto a la superficie barrida exterior sea de aproximadamente el 7% del radio de la superficie barrida exterior, 2 aunque se prevé que puede encontrarse un efecto beneficioso con una separación de entre el 2% y el 2% del radio de la superficie barrida exterior.

Se cree que las placas de extremo y las barreras contra el viento se combinan para crear una zona de aire de presión relativamente alta sobre los álabes giratorios. Esto, a su vez, proporciona una diferencia de presión relativamente grande entre esta zona de aire a alta presión, y baja velocidad, y aire a baja presión, y alta velocidad, 25 que pasa a través de la turbina. Como resultado, el aire es "aspirado" efectivamente a través de la turbina.

Se cree también que las placas de extremo, que crean una barrera física en un plano perpendicular a la dirección de rotación, actúan para capturar el viento orientado en una dirección oblicua con respecto a la turbina. Esto significa que la turbina eólica puede ser fijada en posición con su eje principal en una dirección horizontal, y todavía puede ser eficaz en la captura de la energía desde el viento en casi todas las direcciones.

Cada barrera contra el viento tiene una cara de barlovento y una cara de sotavento. Es preferible que la orientación angular de la cara de barlovento esté dentro de un intervalo de 3° de alineación radial con respecto al eje. Más preferiblemente, la cara de barlovento puede estar alineada de manera sustancialmente radial con el eje. De manera similar, la cara de sotavento está preferiblemente dentro de un intervalo de 3° de alineación radial con respecto al eje y, más preferiblemente, está alineado de manera sustancial mente radial con el eje. En otras 35 palabras, la configuración más preferible es aquella en la que la barrera contra el viento está formada por una placa que está orientada radialmente. En esta configuración, el borde interior que se extiende axialmente está alineado, más preferiblemente, con la placa, y presenta un borde afilado al flujo de viento entrante. De manera ventajosa, la placa... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo (8) de captación de energía eólica que comprende una pluralidad de turbinas (42, 1) eólicas, en el que cada turbina (42, 1) tiene un eje central y comprende:

al menos una primera placa (16) de extremo y una segunda placa (16) de extremo, cada una montada transversalmente al eje y dispuesta para girar alrededor del eje, en el que las placas (16) de extremo, primera y segunda, están separadas axialmente,

una pluralidad de álabes (14) de turbina que se extienden entre las placas (16) de extremo, primera y segunda, y dispuestas para girar alrededor del eje,

al menos dos barreras (62) contra el viento, situadas sustancialmente opuestas diametralmente, en el que cada barrera (62) contra el viento se extiende sustancialmente paralela al eje entre la posición axial de la primera placa (16) de extremo y la posición axial de la segunda placa (16) de extremo, en el que cada barrera (62) contra el viento tiene un borde (64) interior que se extiende axialmente separado radialmente de una superficie de barrido exterior de los álabes (14) de turbina,

caracterizado por que

cada álabe de turbina tiene una forma de perfil aerodinámico en sección transversal, con una superficie (24) exterior, de baja presión, y una superficie (26) interior, de alta presión, de manera que el movimiento de los álabes (14) de turbina a través del aire crea una sustentación que actúa generalmente lejos del eje, en el que

las turbinas (42, 1) están dispuestas con ejes (12) respectivos paralelos y separados entre sí por una distancia mayor que dos veces el radio de la superficie barrida exterior de cada turbina (42, 1), y en el que

las barreras (62) contra el viento están dispuestas de manera que sus bordes (64) interiores, que se extienden axialmente, están situados en un plano definido por los ejes (12) de turbina respectivos.

2. Dispositivo de captación de energía eólica según la reivindicación 1, en el que las barreras (62) contra el viento están dispuestas de manera que cada barrera (62) contra el viento situada entre las turbinas (42, 1) tiene un borde (64) interior que se extiende axialmente y un borde (66) exterior que se extiende axialmente con respecto a una primera turbina de entre las turbinas (42, 1), en el que el borde (66) exterior, que se extiende axialmente, actúa como un borde (64) interior, que se extiende axialmente, con respecto a una segunda turbina de entre las turbinas (42, 1).

3. Dispositivo de captación de energía eólica según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que las turbinas (42, 1) vecinas están dispuestas para girar en sentido contrario.

4. Dispositivo de captación de energía eólica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo (8) de captación de energía eólica está formado por una matriz de turbinas (42, 1) eólicas, con una pluralidad de turbinas (1) coaxiales situadas en cada uno de los ejes (12) paralelos.

5. Dispositivo de captación de energía eólica según la reivindicación 4, en el que las turbinas (42, 1) contiguas están conectadas por una disposición (54) de bloqueo adecuada.

6. Dispositivo de captación de energía eólica según la reivindicación 4, en el que las turbinas (1) contiguas compartes placas (16) de extremo.

7. Dispositivo de captación de energía eólica según una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, en el que la orientación angular de los álabes (14) de la turbina sobre las turbinas (1) contiguas está relativamente desplazada.

8. Dispositivo de captación de energía eólica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la separación de las barreras (62) contra el viento desde la superficie de barrido exterior es de entre el 2% y el 2% del radio de la superficie de barrido exterior.

9. Dispositivo de captación de energía eólica según la reivindicación 8, en el que la separación de las barreras (62) contra el viento desde la superficie de barrido exterior es de aproximadamente el 7% del radio de la superficie de barrido exterior.

1. Dispositivo de captación de energía eólica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada barrera (62) contra el viento tiene una cara (68) de barlovento y una cara (7) de sotavento, y la cara (68) de barlovento está alineada, de manera sustancialmente radial, con el eje de turbina correspondiente.

11. Dispositivo de captación de energía eólica según la reivindicación 1, en el que cada barrera (62) contra el viento incluye una placa con un borde (64) interior, que se extiende axialmente, que está alineado con la placa, y en el que el borde (64) interior presenta un borde afilado al flujo (3) de viento entrante.

12. Dispositivo de captación de energía eólica según la reivindicación 11, en el que la placa tiene un espesor menor 5 del 2% del radio de la turbina.

13. Dispositivo de captación de energía eólica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la superficie (24) exterior de cada álabe (14) es convexa y la superficie (26) interior de cada álabe (14) es cóncava, al menos en parte.