Concentrador regulable de energía eólica.

Concentrador de viento para aerogenerador eólico de eje horizontal,

constituido por una corona (1) giratoria sobre su eje vertical, concéntrica con el círculo barrido por las palas (12) del citado aerogenerador y formada por una estructura soporte (8) anular de pequeño espesor (para reducir al mínimo los empujes del viento) y un recubrimiento consistente en una membrana (7) toroidal elástica en la cual pueden regularse su volumen y el efecto concentrador inducido sobre el viento incidente, mediante un sistema de hinchado de la misma. Dicho sistema permite reducir al mínimo los empujes del viento y el citado efecto concentrador, cuando la velocidad de aquél es alta -por deshinchado (Figs. 1 y 2) de la membrana elástica, que se ciñe al anillo estructural soporte de pequeño espesor- o, por el contrario y en situación de vientos débiles, permite incrementar el efecto de concentración del viento incidente sobre las palas, mediante el aumento del volumen de la citada membrana toroidal por hinchado (Figs. 3 y 4) de la misma.

CONCENTRADOR REGULABLE DE ENERGÍA EÓLICA

Objeto de la invención:

La energía eólica producida por aerogeneradores de eje horizontal, viene configurándose como una de las fuentes de energía renovable con mayor crecimiento en los últimos años.

Es de gran interés, por tanto, que los equipos puedan disponer durante el mayor número de horas al año, de una velocidad de viento suficiente para permitir su funcionamiento con alto nivel de producción, lo que de forma natural solo se consigue durante cerca de 3.000 horas anuales.

Una de las posibilidades de incrementar la velocidad del viento que incide sobre los equipos consiste en disponer de una corona que, rodeando el círculo barrido por las palas giratorias del aerogenerador, concentre sobre el mismo, el viento circundante.

El efecto de esa concentración del viento sobre la potencia eólica disponible es muy alto, ya que ésta crece en proporción al cubo de la velocidad del viento incidente.

No obstante, los dispositivos de concentración deben hacer frente a los siguientes condicionantes:

! Gran empuje del viento sobre la corona de concentración en momentos de temporal con alta velocidad, lo que obliga a un dimensionamiento extraordinario de las estructuras resistentes.

! Obligación, por razones de seguridad mecánica, de parar los aerogeneradores al superarse cierta velocidad del viento incidente, lo que obliga a incrementar el tiempo de parada en los equipos dotados de concentrador o a sobredimensionar la resistencia de los elementos

mecánicos frente a las vibraciones y perturbaciones producidas por la excesiva velocidad.

Por otra parte, la distribución temporal de la energía eólica generada –con grandes puntas, ya que crece exponencialmente con el cubo de la velocidad-dificulta su gestión para adecuarla al consumo. Efecto de punta potenciado por la disposición de concentradores de viento.

La presente invención se orienta a dar respuesta a los problemas señalados en el comportamiento de los aerogeneradores dotados de concentrador, así como las dificultades de gestión de puntas de la energía eólica, mediante la disposición de concentradores de geometría variable, cuyo volumen y superficie de concentración del viento pueda regularse, adecuando el efecto concentrador al viento disponible, permitiendo una mayor regularidad de la producción con mayor número de horas de funcionamiento con alta producción y reduciendo los efectos indeseables sobre la estructura soporte y los elementos mecánicos en las situaciones de alta velocidad del viento circulante.

Antecedentes de la invención:

La concentración del viento alrededor de un móvil formado por palas que giran sobre un eje horizontal es un efecto conocido mucho antes de su uso tecnológico para la generación energética: Así, los conocidos juguetes infantiles del “molinillo” sujeto a una varilla, solían disponer alrededor de las aspas de un aro cónico que concentraba el viento, intensificando la velocidad de giro de aquellas.

Ya con el objetivo de generación eléctrica, se han posicionado en el mercado en los últimos seis años, equipos de pequeño tamaño que incorporan una carcasa tubular exterior con efecto concentrador por el mayor diámetro de la sección tubular en el plano de entrada de aire respecto al plano de garganta en el que se ubican las palas motrices instaladas dentro de la carcasa.

Más recientemente en la Exhibición Internacional de Energías Renovables de Yokohama del año 2010, se mostró un proyecto de generación eólica marina basado en las denominadas “lentes del viento”, concentradores conformados como coronas de volumen tórico en cuya garganta interna se disponen las palas giratorias y el generador. El conjunto se anclaría directamente a la plataforma flotante a fin de evitar los esfuerzos originados por temporales de viento fuerte sobre soportes elevados del conjunto concentrador-aerogenerador.

Descripción de la invención:

El sistema propuesto en la siguiente invención comprende los siguientes elementos esenciales:

! Un concentrador de viento propiamente dicho formado por una corona o anillo de revolución realizada con una membrana elástica hinchable, con volumen y superficie variables y regulables, colocada alrededor del círculo barrido por las palas de un generador eólico de eje horizontal.

! Una estructura soporte de la membrana elástica citada con forma de anillo vertical de gran anchura y pequeño espesor – a fin de ofrecer escasa resistencia al viento incidente-con capacidad de giro sobre su eje vertical siguiendo la dirección del viento. La membrana elástica, que envuelve a esta estructura anular se ancla o sujeta a la misma a lo largo de una de sus circunferencias extremas.

! Un sistema de hinchado regulable de la membrana elástica, que permite ensanchar o reducir el volumen de la corona formada por la misma, regulando así el efecto de concentración del viento que incide sobre aquella y la velocidad del mismo en la garganta en cuyo plano se ubican las palas del generador.

El sistema permite que cuando el viento circulante sea de velocidad igual o superior a la de la potencia nominal del aerogenerador, la membrana elástica deshinchada se ciña y apriete alrededor de la estructura soporte, adoptando su forma anular de pequeño espesor, con efecto de concentración prácticamente nulo y con escasa resistencia al viento.

Por contra cuando el viento reduce su velocidad por debajo de la potencia nominal, la membrana se hinchará aumentando su tamaño, configurando una corona de volumen toroidal* y estrechando su garganta, obligando al viento que la atraviesa a incrementar su velocidad, aumentando el efecto de concentración y la potencia eólica disponible. En esta situación, aunque la superficie enfrentada al viento es muy grande, los empujes sobre la estructura soporte serán moderados debido a la velocidad media o baja del viento incidente.

En la parte interna de la corona toroidal (zona de concentración) se configura una conducción tipo Ventur y con aumento de velocidad en la garganta y recuperación de la presión en la salida. Por su parte, el área externa o periférica de la corona toroidal cumple la misión de frenar el viento incidente provocando una sobrepresión en el plano de entrada que es la que compensa las pérdidas de energía generadas por las turbulencias y el incremento de velocidad de la garganta.

*Toroidal: anillo tórico de revolución pero de sección no circular.

Descripción de los dibujos:

Para complementar la descripción que se realiza, se acompaña a la presente memoria descriptiva un juego de dibujos en los que, con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente:

Fig.1: Alzado frontal esquemático del concentrador deshinchado. Fig.2: Sección vertical (ZZ´) del concentrador deshinchado de la Fig. 1. Fig.3: Alzado frontal esquemático del concentrador hinchado. Fig.4: Sección vertical (ZZ´) del concentrador hinchado de la Fig.3. Fig.5: Detalle esquemático de una porción del anillo estructural. Vista superior. Fig. 6: Detalle esquemático de una porción del anillo estructural. Sección frontal YY´ de

la Fig.5. Fig.7: Detalle esquemático de una porción del anillo estructural. Corresponde a la sección AA´ de la Fig. 6. Fig.8: Detalle esquemático del sistema giratorio del concentrador, apoyado sobre la torre soporte. Sección vertical. Fig.9: Detalle esquemático del sistema giratorio del concentrador. Sección horizontal de la Fig.8 por el plano del eje de las ruedas. Las referencias en el texto a los detalles de los dibujos, se muestran entre paréntesis.

Realización preferente de la invención:

Se describe a continuación la realización preferente de la invención, correspondiente a un concentrador aplicado a un aerogenerador de 2Mw con un diámetro (5) de sus palas motrices estimado en 87, 5 m. y una altura (4) de la torre vertical (11) soporte de 100 m. contados desde el eje de giro de las palas hasta la cimentación.

De acuerdo con la descripción de la invención el concentrador consiste básicamente en una corona toroidal elástica hinchable anclada a una estructura ligera en forma de aro vertical con capacidad de giro alrededor de su eje vertical para orientarse frente al viento.

Los elementos que integran el conjunto se detallan a continuación:

! Membrana elástica del Concentrador (7) : se trata de una lámina de caucho sintético de 5 mm. de espesor de forma toroidal que, en situación de reposo (sin hinchar) , se configura como un anillo con diámetro medio (13) de 123 m. y con una sección lanceolada cuyo perímetro es de 56 m. En...

1. Concentrador de viento para los generadores eólicos de palas giratorias sobre eje horizontal, del tipo de los configurados por una corona con volumen tórico (1) , concéntrica con dicho eje y dispuesta alrededor del círculo barrido por las palas (12) para incrementar la velocidad del viento incidente sobre las mismas, caracterizado porque la superficie exterior de dicho concentrador es de geometría variable y está constituida por una membrana (7) toroidal elástica e hinchable mediante un compresor, lo que permite la regulación de las dimensiones de la sección del concentrador toroidal y del efecto concentrador sobre el viento incidente.

2. Concentrador de viento según la reivindicación 1. caracterizado porque la membrana (7) toroidal elástica se ancla y sujeta a una estructura soporte configurada como un anillo interior (8) a la membrana, que puede girar alrededor del eje vertical del aerogenerador y cuya sección – a la que se ciñe la membrana cuando no está hinchada-es de forma lanceolada con gran anchura y pequeño grosor para reducir al mínimo los empujes eólicos en situación de vientos fuertes.

3. Concentrador de viento toroidal según la reivindicación 2. caracterizado porque se coloca dando servicio a un generador preexistente, incorporando un soporte vertical (10) complementario para el conjunto concentrador – independiente de la torre vertical del aerogenerador (11) previo-sobre el cual se apoya dicho conjunto, y que dispone de un sistema

(9) que permite la rotación del mismo alrededor del eje vertical de la torre, con capacidad de orientarse frente al viento.

4. Concentrador de viento toroidal según la reivindicación 2. caracterizado porque se coloca vinculado a un aerogenerador de nueva construcción, con el cual comparte el soporte inferior y el sistema giratorio de orientación frente al viento, sobre los cuales se apoyan tanto el concentrador como el sistema de soporte superior del aerogenerador, que girarán solidariamente.