Aerogenerador que consiste en un anclaje al suelo o basamento y un mástil cuya frecuencia de oscilación natural se ajusta de manera deliberada a la frecuencia con la que aparecen los vórtices o remolinos de aire producidos tras la colisión de un flujo de aire laminar y estacionario sobre su superficie.

La energía aeroelástica así absorbida se transforma en energía eléctrica gracias al uso de materiales con alto acoplamiento electromecánico.

Aerogenerador resonante por vorticidad.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un nuevo instrumento para la generación de energía eléctrica.

El objeto de la invención consiste en un dispositivo de generación comprendido dentro de la industria de las energías renovables transformando la energía del viento en potencial eléctrico utilizable. En su diseño se integran tres principios físicos conocidos: el acoplamiento estructural a la frecuencia natural de oscilación, la generación de vórtices en fluidos y el acoplamiento electromecánico que presentan algunos materiales gracias, por ejemplo, al efecto ferroeléctrico o al efecto piezoeléctrico.

Se trata de un sistema cuya novedad reside en la integración coordinada de estos tres fundamentos en un dispositivo generador de energía eléctrica que sintoniza su frecuencia de oscilación natural a la frecuencia de generación de vórtices que de manera sincronizada se generan a lo largo de su estructura.

Antecedentes de la invención

Dentro de las denominadas energías renovables, una de las más extendidas es la energía eólica cuya fuente de energía primaria es el viento.

Los dispositivos más utilizados para la transformación de la energía contenida en el viento en electricidad son los denominados aerogeneradores multipala. A pesar de las notorias e indiscutibles mejoras tecnológicas que se van alcanzando, estos sistemas presentan cuatro desventajas fundamentales:

a) Al contar con elementos mecánicos, engranajes, bobinados, etc., presentan costes de mantenimiento por su consumo de lubricantes, desgastes de piezas, degradación térmica de resinas aislantes y demás efectos vinculados al roce, al calentamiento por fricción, etc.

b) Basándose en los desarrollos teóricos realizados por Betz en 1927, los aerogeneradores multipala convencionales aumentan su rendimiento con el incremento de la velocidad de giro de los rotores. Esto, unido a que la cantidad de energía disponible en una superficie circular aumenta con el cuadrado de la longitud de las palas, hace que la velocidad en el extremo de las mismas sea muy alta por lo que suponen un importante peligro para la fauna avícola siendo muy numerosos los accidentes detectados.

c) Este incremento deliberado del tamaño se traduce en un incremento sustancial en la complejidad de su montaje aumentando los costes iniciales de instalación.

d) El subjetivo impacto visual de los molinos de viento es un hecho variadamente adjetivable pero, en cualquier caso, su presencia se acentúa por tener un amplio recorrido en su movimiento.

Para tratar de mejorar estos aspectos la presente invención describe un dispositivo que se basa en tres principios o fundamentos físicos. Éstos, por separado, tienen una amplia aplicación en la industria:

El primer fundamento físico es el acoplamiento electromecánico. Este efecto lo presentan ciertos materiales en los que al aplicarse una fuerza entre dos de sus caras aparece una diferencia de potencial entre ellas. Como toda máquina eléctrica su comportamiento es inversible y la presencia de voltaje entre dos de sus caras produce una deformación. Entre ellos encontramos materiales ferroeléctricos (por ejemplo el Zirconato Titanto de Plomo y sus derivados) y los materiales piezoeléctricos (ciertos cristales como el cuarzo, etc.).

Los materiales que presentan algún tipo de acoplamiento electromecánico tienen una amplia gama de aplicaciones como actuadores (posicionadores, motores), altavoces (introduciendo energía eléctrica y obteniendo energía mecánica) y como sensores de presión, de posición, de contacto, de deformación y transductores de diversos tipos (a los que se les introduce energía mecánica obteniendo energía eléctrica).

Su aplicación en la generación de energía eléctrica está menos extendida pero ya existen pavimentos y suelos transitados por viandantes que transforman la energía de sus pisadas en energía eléctrica utilizable. Hay propuestas de ropa, calzado e incluso implantes de silicona que extraen la energía del movimiento del cuerpo y la utilizan en la recargar de dispositivos electrónicos portátiles. Desde hace tiempo se utilizan en encendedores de arco eléctrico para producir la chispa de encendido en los mecheros, teclados que recargan con las pulsaciones del usuario los equipos que los incorporan, etc. De manera análoga hay algún diseño de generador eléctrico que pretenden recoger la energía de carácter pulsante y turbulenta procedente de los golpes del oleaje o del viento.

Como segundo fundamento contemplamos la generación deliberada de vórtices turbulentos partiendo de un flujo laminar no turbulento. La denominada "calle de remolinos o vórtices de Karman" fue descrita por el húngaro Theodore von Karman en 1911 y su utilización tecnológica más difundida es la de un cierto tipo de caudalímetro, denominado caudalímetro de vórtice, que mide la cantidad de fluido que pasa por un conducto contabilizando el número de remolinos que se forman en su interior por la presencia de un elemento con geometría conocida. El conocimiento y modelización de este fundamento se utiliza también en los pronósticos atmosféricos y oceánicos.

Como tercer fundamento tenemos el referido a la frecuencia de oscilación natural de los cuerpos. Se aplica de manera deliberada en la fabricación de instrumentos musicales, en altavoces, en dispositivos electrónicos (resonadores), en algunas aplicaciones en el área de la microscopía ("tapping" en microscopios AFM, MRFM, etc., cuyo cantilever oscila armónicamente para mejorar la lectura de la punta), etc. Por otro lado es un efecto que se trata de evitar en otras áreas tecnológicas como en la automoción y la mecánica (Control de Acoplamiento Acústico Estructural), para reducir el ruido de los motores, en las pastillas de freno, etc. También es un efecto no deseado en arquitectura y en grandes estructuras como chimeneas o puentes (en el famoso y ejemplarizante puente de Tacoma Narrows o la chimenea de la central nuclear de Ferrybridge donde se involucraron también la generación de los mencionados vórtices de Karman), etc.

No se ha encontrado ningún dispositivo aerogenerador que, por su geometría, busque de manera deliberada sincronizar la aparición de los vórtices turbulentos que aparecen a lo largo de su estructura.

No se ha encontrado hasta el momento ningún generador eléctrico que busque de manera deliberada la oscilación natural de los cuerpos como principio de funcionamiento, Ninguno establece de manera controlada sintonizaciones o resonancias de ningún tipo entre su frecuencia de oscilación natural y la frecuencia a la que generan vórtices de carácter turbulento.

No se ha encontrado hasta el momento ningún generador eléctrico, de los basados en materiales con acoplamiento electromecánico, que tome como energía primaria la contenida en un flujo de aire laminar y estacionario.

Descripción de la invención

El aerogenerador resonante por vorticidad aquí presentado es una solución a los problemas que presentan los aerogeneradores multipala convencionales y que se han descrito con anterioridad.

El aerogenerador resonante por vorticidad consiste en un dispositivo vertical, semirrígido y cimentado en la superficie del terreno. La parte más visible es un bloque vertical o mástil que al no tener partes móviles (reductoras, engranajes, ejes, rotores, etc.), no necesita de lubricación o cambio de piezas por desgaste o fatiga. Está fabricado parcialmente o en su totalidad por materiales con alto acoplamiento electromecánico.

Bajo ciertas condiciones del aire (velocidad, número de Reynols, etc.), el viento incidente en su superficie produce aguas abajo una serie de remolinos o vórtices de carácter turbulento, que le transmiten a su estructura dos tipos de fuerza. Una, denominada de arrastre, en la misma dirección del viento y que en caso de ser laminar y estacionario produce una torsión fija en el tiempo (fuerza no aprovechable) y otra, denominada fuerza de sustentación, que se produce en dirección perpendicular a la dirección del viento y cuyo sentido varía alternativamente de signo, manteniéndose constante su dirección (fuerza aprovechable). Si contamos con un flujo laminar y estacionario, la frecuencia en la que cambia de sentido esta fuerza por la aparición de nuevos vórtices viene descrita por la siguiente fórmula de Karman: