Aeroturbina de eje vertical de arrastre con admisión variable.

5 10 Aeroturbina de eje vertical de arrastre con admision variable Campo de la invencion La invencion se situa en el ambito de la mecanica de fluidos, y mas concretamente de la maquinaria para aprovechamiento de la energia del viento. La aeroturbina es valida para cubrir todo el rango de potencias y preferentemente se acoplard a un generador electric° para generar energia electrica. Fundamentos de la invencion La invencion se refiere a una aeroturbina con eje de rotacion vertical que dispone fimdamentalmente de un rotor eolico, preferentemente de arrastre de ocho palas, el 15 cual esta dispuesto en el interior de una camara, y esta se dispone sobre el extremo superior de una columna soporte. La camara dispone de una abertura de entrada de aire y de otra de salida, preferentemente diagonalmente opuestas. Dichas aberturas son regulables y se pueden cerrar completamente o se pueden regular, es decir, de admision regulable. El objeto principal de la admisión variable es que al ser el rotor 20 eolico de arrastre, es conocido que a altas velocidades de viento, dichos rotores se embalan. En la tecnica son conocidos sistemas de desorientación para evitar dicho fenómeno, pero eso obliga a que la aeroturbina pase a estar fuera de servicio. La invencion preconiza poder funcionar a altas velocidades de viento, cerrando lo necesario la admision y en caso de vientos extremos cerrando completamente. 25 Requiere un sistema de orientacion, que, normalmente para aeroturbinas de pequefio tamafio consiste en una veleta, y para aeroturbinas de gran tamalio consiste en un sistema motorizado. Uno de los aspectos fundamentales de la aeroturbina se centra en el funcionamiento del 30 rotor aim La invencion propone un rotor de arrastre preferentemente de ocho palas, y con el mismo perfil para el anverso y reverso de la pala, preferentemente piano y de material ligero y economic°, ya que no tendra que estar sometido a una velocidad de viento superior a la nominal de disefio. Es conocido en el estado de la tecnica que las turbinas de arrastre requieren que el anverso y reverso tengan diferente forma, por 35 ejemplo concava y convexa, para que tengan diferentes coeficientes de arrastre, CD, en el anverso y en el reverso de las palas, dando lugar a diferentes fuerzas de arrastre, FD, y por lo tanto a un momento de giro efectivo que producird un movimiento rotativo en el rotor eolico, teniendo en cuenta que los reversos de las palas generan un momento de giro opuesto al movimiento, que hace descender el coeficiente de potencia, Cp, de la 40 aeroturbina. La invencion preconizada en esta patente soluciona este problema tecnico, aumentando el Cp, al eliminar el momento de giro opuesto de los reversos de las palas, y ademas simplifica y economiza las palas y permite seguir funcionando con vientos superiores al nominal. 45 Otro aspecto fundamental de la aeroturbina se centra en la admisión variable. Es conocido en el estado de la tecnica que los rotores eolicos no pueden entrar en perdida de sustentacion si son de arrastre y que por lo tanto, la fuerza de arrastre sera siempre proporcional al cuadrado de la velocidad del viento. La invencion preconiza una admision variable que evita el embalamiento del rotor eolico, segim se ha descrito anteriormente. 5 El otro aspecto fundamental de la aeroturbina es el direccionamiento. La aeroturbina debe estar orientada con la direccion de viento. Como la aeroturbina presenta asimetria respecto de su eje de rotacion, la invencion preconiza el empleo de una veleta regulable. Vista de fi-ente la carcasa, en la direccion del viento, esta presenta cuando la 10 carcasa movil esta abierta, a partir del eje longitudinal, dos mitades con diferente coeficiente de arrastre (denominado tambien coeficiente de resistencia) . Cada mitad estard sometida, debido al flujo dinamico del viento, a la siguiente fuerza de arrastre: FD = CD -2-p-A-v2 siendo CD, el coeficiente de arrastre, p la densidad del viento, A el area proyectada en 15 el piano vertical normal a la direccion del viento y v la velocidad del viento. 20 Como la mitad izquierda tendra un CD que denominaremos CDI, la que presenta la abertura variable, y andlogamente para la mitad derecha CDD, la que presenta el contorno cerrado, tendremos las correspondientes fuerzas: 1 FD, = CD! 1 FDD = CDD 25 Podemos tener dos casos, bien diferenciados: Caso A: En la Aeroturbina no se ha colocado el rotor eolico. Caso B: En la Aeroturbina si se ha colocado el rotor eolico. 30 El caso A, no se dard nunca en el funcionamiento de la invencion, pero es muy sencillo de resolver y se expone a modo ilustrativo. El caso B, es el que se dard siempre en el funcionamiento de la invencion, y debido a su complejidad de resolucion se ha resuelto empleando tecnicas computacionales de 35 dinamica de fluidos (CFD) . Los resultados, en forma de grafico colorimetrico, se muestran en la figura 12. Caso A 40 Sabemos que CD' > CDD, cuando la abertura este abierta total o parcialmente, siendo maxima la diferencia cuando la abertura este al 100%. Cpi = CDD, cuando la abertura este cerrada totalmente. Estas fuerzas CD' y CDD daran lugar en un caso general al siguiente momento de giro, 5 respecto del eje de rotacion: Mo =- (FDi — FDD) • siendo L la longitud desde la direcciOn de la resultante de las fuerzas y el eje de 10 rotacion. Si sustituimos cada fuerza por su expresion y tendremos: 1 Mo = (Cm — CDD) - 1, —2- p - A - 15 De ello se deduce que independientemente de la velocidad del viento, el par de giro sera nub o si igualamos los coeficientes de arrastre de la parte izquierda y de la parte derecha. Para ello la invencion preconiza una veleta que presenta un angulo de desorientacion variable cp, dependiente del grado de apertura de la admision, que hace que en todo momento CDI = CDD. 20 Caso B Debido a la influencia del rotor eolico, tanto en reposo como en movimiento, tendremos que: 25 CD1 < CDD, cuando la abertura este abierta total o parcialmente, siendo maxima la diferencia cuando la abertura este al 100%. CD' = CDD, cuando la abertura este cerrada totalmente 30 El par de giro que se produce sera por tanto de signo opuesto al del caso anterior, resolviendose de forma analoga al caso anterior, mediante una veleta que presenta un angulo de desorientacion variable cp, dependiente del grado de apertura de la admision, que hace que en todo momento CD' = CDD, pero que en este caso, el Angulo, es opuesto 35 al del caso anterior. La potencia de una aeroturbina cualquiera vendra expresada aproximadamente por: 1 P = Cp2- p- A - 7/2 40 siendo Cp, el coeficiente de potencia, p la densidad del viento, A el area proyectada de la superficie captadora en el piano vertical normal a la direccion del viento y v la velocidad del viento. El Cp no puede superar el maxim° teorico de 16/27, denominado Limite de Betz. El Cp de una aeroturbina de eje vertical tipica de arrastre dificilmente supera el valor de 0, 2, debido al momento de giro antagonista que crean los reversos de las palas. Para una pala tipica de anverso concavo con Cp = 1, 4 y de reverso convexo con Cp = 0, 4, la 5 eliminacion del momento de giro antagonista supone una mejora maxima de un 40%. Por ello, por similitud podemos estimar en un modelo inicial simple, que la invencion preconiza una mejora en el coeficiente de potencia respecto de las tipicas turbinas de arrastre del estado de la tecnica del orden del 40%. Este aumento en el Cp posibilita y aconseja el empleo de este tipo de aeroturbinas de arrastre, que por otra parte presentan 10 la ventaja de que necesitan menor velocidad de viento de arranque que las de sustentacion. Hay que hacer notar que ademas de la carcasa movil de apertura variable, el dispositivo dispone de otra carcasa fija, denominada asi porque permanece fija cuando 15 la admision y salida de aire varian, pero en su conjunto ambas giran simultaneamente respecto de la columna soporte para orientarse a la direccion horizontal del viento. La aplicacion fundamental de la invencion es la de su ubicación en emplazamientos de baja velocidad de viento, como por ejemplo en los espacios urbanos, asi como en 20 emplazamientos que puedan presentar velocidades extremas de viento con rafagas de viento de hasta valor 10 o incluso superior seglin la Escala de Beaufort de la Fuerza de los Vientos (de acuerdo a las simulaciones realizadas por computador) , como por ejemplo puestos de observacion de montaria e instalaciones reconditas destinadas a investigaciOn. Ademas, la invencion presenta proteccion para la avifauna, debido a que 25 la carcasa reduce de forma importante el contacto con el rotor e6lico y minimiza el impacto visual, ya que la carcasa imposibilita ver el movimiento del rotor e6lico y porque en la abertura de entrada y en la abertura de salida, de flujo de aire, se puede disponer un filtro para impedir la entrada de insectos, ayes y material de arrastre. Dicho filtro se puede disponer en la carcasa movil...

1. Aeroturbina de eje vertical de arrastre con admision variable 1, para aprovechar 5 la energia cinetica del flujo de aire, valida en emplazamientos de baja velocidad de viento, tales como espacios urbanos, y en emplazamientos que puedan presentar velocidades extremas de viento con rafagas de viento de 10 o superior segim la escala de Beaufort, caracterizada porque esta provista de una serie de dispositivos que controlan la orientacion mas favorable de ataque del flujo 10 de aire con respecto al rotor eolico y controlan parcial o totalmente la admision de aire, que incluyen: - una columna soporte 102, que soporta el resto de elementos del dispositivo 1, mediante un rodamiento 104.

15. una carcasa fija 105, que presenta una abertura para la entrada de flujo de aire y una abertura para la salida de flujo de aire; - una carcasa movil 106, que modifica parcial o totalmente la apertura de la abertura que presenta la carcasa fija 105; - un rotor eOlico 107, que capta la energia cinetica del flujo de aire y que 20 transmite su movimiento giratorio a traves del eje de transmisión 101, y cuyo eje es soportado de la carcasa fija 105, mediante sendos rodamientos 103A y 103B; - una veleta 109, que presenta un angulo de desorientaciOn variable a, respect° del borde de la entrada de flujo de aire.

25. una camara de regulacion 108, que mediante un anem6metro 1080, dispone de una serie de dispositivos capaces de controlar el angulo de desorientacion variable a y el grado de apertura que provoca la carcasa mOvil 106, respecto de la carcasa fija 105. 30 2. Aeroturbina de eje vertical de arrastre con admision variable 1, segim la reivindicacion 1, caracterizada por la siguiente configuracion de elementos y su disposicion relativa en el conjunto.

35. una zona de abertura anterior, que es una apertura regulable, producida por el espacio libre comprendido entre la carcasa fija 105 y las carcasa movil 106, a fin de permitir la entrada de flujo de aire desde el exterior hacia el rotor eolico 107.

40. una zona de abertura posterior, que es una apertura regulable, producida por el espacio libre comprendido entre la carcasa fija 105 y las carcasa movil 106, a fin de permitir la salida de flujo de aire desde el rotor eOlico 107 hacia el exterior; 45 5 10 15 3. Aeroturbina de eje vertical de arrastre con admision variable 1, segUn las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque la carcasa movil 106, presenta un grado independiente de libertad en su movimiento respecto de la carcasa fija 105. 4. Aeroturbina de eje vertical de arrastre con admisión variable 1, segUn las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque la carcasa fija 105, y la carcasa movil 106, tienen forma de solid° de revolucion radial hueco, preferentemente cilindrica. 5. Aeroturbina de eje vertical de arrastre con admisión variable 1, segim las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque en las aberturas de entrada y de salida de flujo de aire se puede disponer un filtro para impedir la entrada de insectos, ayes y material de arrastre. 6. Aeroturbina de eje vertical de arrastre con admision variable 1, segim las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque el rotor eolico es una turbina de flujo radial de una pluralidad de palas planas. 20 7. Procedimiento de generacion de energia electrica que utiliza el dispositivo 1, consistente en poner en movimiento un generador electric° utilizando el trabajo desarrollado por el rodete eolico 107, y transmitido por el eje de transmision 101, a traves de una serie de mecanismos de transmisiOn.