Sistema de aceleración del flujo del aire para aerogeneradores.

Dispositivo de aceleración del flujo de aire de entrada a un aerogenerador (11,

21, 31, 41, 51, 61), que comprende un difusor (12, 22, 32, 42, 52, 62) configurado para albergar un aerogenerador (11, 21, 31, 41, 51, 61) sustancialmente a la entrada de dicho difusor (12, 22, 32, 42, 52, 62) en la dirección del flujo del aire. Las superficies exterior (13, 23, 33, 43, 53, 63) e interior (14, 24, 34, 44, 54, 64) de dicho difusor (12, 22, 32, 42, 52, 62) presentan una pluralidad de hendiduras (15, 25, 35, 45, 55, 65) configuradas para transformar la capa límite laminar generada respectivamente en cada una de dichas superficies en capa límite turbulenta.

SISTEMA DE ACELERACIÓN DEL FLUJO DEL AIRE PARA

AEROGENERADORES

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo de la energía minieólica y, más concretamente, a dispositivos aceleradores de flujo empleados para optimizar las prestaciones de los aerogeneradores.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las tecnologías asociadas al sector eólico han experimentado un fuerte desarrollo durante las últimas décadas debido, principalmente, a la extinción de las fuentes de recursos empleados en otros procesos de generación de energía eléctrica (combustibles 15 fósiles) y, a los efectos negativos derivados de su explotación industrial, como es la

emisión de gases de efecto invernadero.

En la actualidad, la mayor parte de los aerogeneradores se implantan en aquellos lugares donde es posible alcanzar elevados rangos de velocidades de viento y en donde 20 los niveles de turbulencia originados por la superficie terrestre afectan en menor

medida al rendimiento de las turbinas. Una ubicación habitual para la instalación de aerogeneradores son las cumbres de las montañas, ya que es donde se produce un incremento de la velocidad del aire debido al efecto de las pendientes ascendentes (G. T. Bitsuamlak; T. Stathopoulos, F. ASCE; and C. Bédard. 2004, Numerical 25 Evaluation of Wind Flow over Complex Terrain: Review). Además, el rotor de las

máquinas se sitúa a una altura elevada respecto del suelo para minimizar la afección de las turbulencias originadas en las zonas próximas al suelo, debido a su rugosidad y a la viscosidad del aire.

Sin embargo, en la mayor parte de la superficie terrestre no se presentan las condiciones óptimas para el aprovechamiento energético mediante aerogeneradores. En el caso de ubicar los aerogeneradores en zonas próximas a la superficie terrestre, es decir, con una torre de apoyo pequeña, o en un entorno urbano, las velocidades del viento suelen ser inferiores a las necesarias para rentabilizar la instalación.

Como consecuencia de esta ineficiencia energética, desde la década de los 70 se ha impulsado el desarrollo de una serie de dispositivos que, instalados en los aerogeneradores, mejoran sus coeficientes de potencia mediante la aceleración del fluido y reducción de los niveles de turbulencia en la zona de ubicación del rotor de dichos aerogeneradores.

Existen diferentes mecanismos para acelerar el flujo de aire a la entrada de un aerogenerador. El documento US 7018166 B2 describe un dispositivo en el que el flujo de aire acelerado en el exterior de un difusor impulsa el rotor de un aerogenerador situado en la salida del mismo, el cual está encargado de inducir una corriente de succión en el interior del difusor. Dicha corriente impulsa a su vez otro rotor ubicado en la entrada de aire, siendo dicho rotor el encargado de transformar la energía cinética del aire en energía mecánica. Sin embargo, la estela generada por el primer rotor que encuentra el fluido en su recorrido a través del interior del difusor afecta, negativamente, al movimiento del rotor situado en la salida del difusor, encargado de generar la corriente de succión.

El documento US 2009/0280008 Al fundamenta la aceleración del flujo de aire en la zona de ubicación del rotor del aerogenerador mediante dos flujos de aire que recorren, a velocidades elevadas, la pared exterior del difusor y la pared interior de un tubo. Estos flujos ejercen un arrastre por succión sobre el flujo de aire que finalmente impulsa el rotor, mejorando el coeficiente de potencia con respecto a un aerogenerador sin ningún dispositivo de aceleración de flujo. Además, se sitúa, en el lado a barlovento del rotor, una entrada de aire con sección convergente en la dirección del flujo, es decir, una tobera. Sin embargo, esta entrada recorta parte de la superficie de oposición al viento de

las palas en la parte más alejada al eje, reduciendo el coeficiente de potencia del rotor. Además, la sección convergente en la dirección del flujo (tobera) resulta menos eficaz que una sección divergente (difusor).

El documento US 2011/0037268 Al, además de acelerar el flujo mediante la utilización de difusores, emplea generadores de vórtices cuya función es evitar o retrasar el desprendimiento de la capa límite originada en las superficies exteriores e interiores de los difusores. Se utilizan dos aerogeneradores coaxiales ubicados consecutivamente en la dirección de flujo. Sin embargo, el aerogenerador situado en segundo lugar en el recorrido ffel flujo del aire, bloquea la salida de aire del aerogenerador situado aguas arriba, frenando el fluido que impulsa este aerogenerador. Además, el segundo aerogenerador en la trayectoria del fluido no funciona en condiciones óptimas, debido a los regímenes turbulentos asociados a la estela del aerogenerador ubicado aguas arriba. Por lo tanto, ambos generadores alcanzan coeficientes de potencia inferiores a los alcanzados si el dispositivo sólo estuviese conformado por un único aerogenerador.

El efecto venturi es un mecanismo de aceleración del fluido mediante la disminución de la sección transversal a la dirección del flujo, manteniendo el flujo de masa constante. El documento US 4320304 basa su funcionamiento en este efecto, y en él se describe un modelo con un difusor a la salida del rotor de un aerogenerador. Sin embargo, el ángulo de apertura comprendido entre cualquiera de los planos tangentes a la superficie del difusor y su eje longitudinal está limitado a 7o debido a que para ángulos superiores se presenta desprendimiento de la capa límite generada en la pared interior del difusor, afectando negativamente al rendimiento del aerogenerador.

El documento US 4684316 utiliza tres difusores coaxiales para originar un incremento de la velocidad en la zona de ubicación del rotor del aerogenerador mediante la generación de una región de bajas presiones a la salida del dispositivo. Dicha región de bajas presiones se produce como consecuencia de la aceleración experimentada por el flujo de aire, al circular por los espacios dejados entre los difusores ubicados

coaxialmente. Sin embargo, su principal limitación es que, debido a la ubicación del rotor de la turbina, el flujo sólo incide directamente sobre la superficie de las palas más próximas al eje. Además, las superficies de las palas más alejadas del eje se encuentran tapadas por el difusor situado en su entrada de aire, causando una disminución del par de rotación y a su vez de la potencia generada.

El documento US 4720640 tiene un principio de funcionamiento similar al de la anterior, pero para un único difusor, presentando su principal diferencia en el rotor del aerogenerador. Dicho rotor consta de un anillo exterior unido a los extremos de las palas, el cual evita los vórtices originados en los extremos de las palas que reducen el rendimiento de la máquina, e incrementa el peso del motor, siendo su principal consecuencia el aumento de la velocidad de viento necesaria para que el rotor comience a girar. Además, el difusor no presenta ningún sistema para mantener la capa límite pegada a la superficie interior del mismo. Por lo tanto, algunos de los perfiles de los difusores cuyos ángulos de inclinación con respecto a la horizontal son elevados, presentan desprendimiento de la capa límite en la superficie interior del difusor próxima a su salida, de tal forma que el coeficiente de potencia de la turbina disminuye.

La solicitud de patente internacional WO 00/55440 presenta el mismo principio de funcionamiento que las patentes descritas en los casos anteriores para lograr un incremento del coeficiente de potencia de un aerogenerador. Sin embargo, una de las desventajas del difusor son sus elevadas dimensiones, ya que implican una serie de consecuencias tales como: un incremento del coste de la estructura, la necesidad de mejorar la resistencia de la estructura para soportar cargas aerodinámicas mayores y un mayor impacto visual siendo difícil su ubicación en entornos urbanos.

Mediante la incorporación de un bisel en el exterior del difusor, ubicado próximo a su salida, también se puede crear una región de bajas presiones en tomo a la salida del difusor. Dicho mecanismo se aplica en el dispositivo de la patente americana US 6756696 B2, en el que el fluido que recorre el exterior del difusor a una elevada velocidad impacta contra el bisel exterior, generando una región turbulenta de bajas

presiones en el lado a sotavento del bisel. Este dispositivo no aplica ningún mecanismo de control de desprendimiento de capa límite, lo que puede derivar en un desprendimiento de la misma desde las paredes interiores del difusor, y una consecuente pérdida de rendimiento de la turbina.

El documento US 4075500, describe un dispositivo...

1. Dispositivo de aceleración del flujo de aire de entrada a un aerogenerador (11, 21,

31, 41, 51, 61), que comprende un difusor (12, 22, 32, 42, 52, 62) configurado para albergar un aerogenerador (11,21,31,41,51,61) sustancialmente a la entrada de dicho difusor (12, 22, 32, 42, 52, 62) en la dirección del flujo del aire, estando el dispositivo caracterizado por que las superficies exterior (13, 23, 33, 43, 53, 63) e interior (14, 24, 34, 44, 54, 64) de dicho difusor (12, 22, 32, 42, 52, 62) presentan una pluralidad de hendiduras (15, 25, 35,45, 55, 65) configuradas para transformar la capa límite laminar generada respectivamente en cada una de dichas superficies en capa límite turbulenta.

2. El dispositivo de la reivindicación 1, donde la superficie exterior del difusor (12, 22,

32, 42, 52, 62) comprende una pluralidad de placas (29, 39, 49, 59, 69) configuradas para proteger al dispositivo.

3. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el extremo de mayor sección del difusor (12, 22, 32, 42, 52, 62) comprende un bisel (36, 56, 66) configurado para, durante el uso del dispositivo, crear una región turbulenta de bajas presiones a la salida de dicho difusor (12, 22, 32, 42, 52, 62), ejerciendo un efecto de succión sobre el aire presente en tomo a la entrada de dicho difusor (12, 22, 32, 42, 52, 62), incrementando la velocidad del flujo de aire a la entrada.

4. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, donde el extremo de mayor sección del difusor (12, 22, 32, 42, 52, 62) comprende al menos un aro coaxial (46) configurado para, durante el uso del dispositivo, orientar el fluido de aire que alcanza el extremo de mayor sección del difusor (12, 22, 32, 42, 52, 62) hacia el interior de la salida del difusor (12, 22, 32, 42, 52, 62), manteniéndose el flujo de aire sustancialmente en tomo a la zona de mayor sección del difusor (12,22, 32, 42, 52, 62), ejerciendo un efecto de succión sobre el aire presente a la entrada de dicho difusor (12, 22, 32, 42, 52, 62) e incrementando la velocidad del flujo de aire que alcanza el aerogenerador (11, 21, 31, 41, 51, 61).

5. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde en el extremo de mayor sección del difusor (12, 22, 32, 42, 52, 62) se sitúa al menos un segundo difusor (57, 67).

6. El dispositivo de la reivindicación 5, donde el extremo de mayor sección de dicho al

menos un segundo difusor (57, 67) comprende un bisel (58, 68).

7. El dispositivo de la reivindicación 5, donde el extremo de mayor sección de dicho al menos un segundo difusor (57, 67) comprende al menos un aro coaxial.

8. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende un poste (70) con medios de rodamiento, configurados para permitir el giro del dispositivo.

9. El dispositivo de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que en la parte de

mayor sección del dispositivo se sitúa al menos una lámina (60) configurada para girar el dispositivo.