Dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén.

Dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén que dispone de palas con la finalidad de captar energía cinética del flujo de aire así como de las turbulencias del mismo,

a partir del movimiento de vaivén que le producen, para almacenamiento de dicha energía en forma de energía potencial en un fluido, y posteriormente, y de forma preferentemente programada, convertirla en energía eléctrica. Está provisto de un mecanismo que permite que el movimiento de vaivén que produce cada pala, debido al impacto del viento, accione una bomba de émbolo alternativo, de las que se dispone una por cada pala, con las que se bombea agua de un depósito inferior a un depósito superior. Se complementa con un grupo turbina-generador para turbinar el agua del depósito superior hacia el depósito inferior para generación de energía eléctrica.

Dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén. 5 Objeto y campo de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén que dispone de una pluralidad de palas, formadas 10 preferentemente por superficies captadoras planas. La finalidad del dispositivo es la captación, de forma omnidireccional, de la energía cinética del flujo y de las turbulencias del viento incidente en las palas, y la conversión en energía mecánica de vaivén, y almacenamiento de dicha energía en forma de energía potencial en un fluido para posteriormente, y de forma preferentemente programada, convertirla en energía 15 eléctrica. Está provisto de un mecanismo que permite que el movimiento de vaivén que produce cada pala, debido al impacto del viento, accione una bomba de émbolo alternativo, de las que se dispone una por cada pala, con las que se bombea agua de un depósito inferior a un depósito superior. Dispone de un grupo turbina-generador para turbinar el agua del depósito superior hacia el depósito inferior para generación de 2 O energía eléctrica.

El accionamiento del émbolo por el movimiento de las palas puede realizarse bien como un sistema se simple efecto, es decir sólo a la ida o sólo a la vuelta, o bien como un sistema de doble efecto, aprovechando tanto el movimiento de ida como el de vuelta en el vaivén.

La invención es aplicable a cualquier ubicación en la que se prevea viento pero resulta especialmente idónea para disponerse en torres, columnas o báculos, como por ejemplo luminarias de exterior o farolas, torres de telecomunicaciones, columnas soporte de 3 O anuncios publicitarios, etc .. El emplazamiento idóneo de la invención es en el espacio urbano, así como el espacio rural arbolado, ya que las turbulencias que se producen en dichos lugares mejoran el funcionamiento de la invención, siendo por el contrario ubicaciones desfavorables para las aeroturbinas conocidas del estado de la técnica. La invención funciona correctamente tanto para vientos de baja como de alta intensidad.

El uso principal se deriva a la obtención de energía, preferentemente eléctrica, la cual se puede obtener mediante la implantación de un grupo turbina-generador. Aunque también un uso importante es el de bombeo de agua con fines de abastecimiento o nego.

La invención se sitúa en el ámbito de la mecánica de fluidos, y más concretamente de la maquinaria para aprovechamiento de la energía del viento, en el campo de las energías renovables.

Fundamentos de la invención La invención se refiere a un dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén que dispone de palas formadas preferentemente por superficies captadoras 5 planas.

La turbulencia se produce cuando hay cambios bruscos abruptos en la velocidad del viento atmosférico. A diferencia de un viento constante, la turbulencia puede modificar la aerodinámica de un perfil aerodinámico y el ángulo de ataque, alterando así la sustentación producida, por 10 que son muy peljudiciales para las aeroturbinas conocidas del estado de la técnica. Estos cambios pueden afectar a una determinada parte de la pala, o a la pala completa. La turbulencia puede causar un frenado de la pala, una aceleración, y también puede distorsionar gravemente la forma de la pala.

Se denomina ráfaga, cuando la velocidad del viento cambia en ese lugar. La intensidad de una ráfaga se determina por la diferencia entre la velocidad del viento medio y el 15 pico de esa velocidad.

Un tipo importante de turbulencia es la denominada mecánica, y que se produce a baja altura creada por obstáculos como edificios, árboles, obstáculos, etc. La turbulencia mecánica por 10 general es más grave con vientos más fuertes. Son por tanto el espacio urbano, así como el rural arbolado, ubicaciones desfavorables para una aeroturbina 2 O conocida del estado de la técnica.

Uno de los aspectos fundamentales del aerogenerador objeto de la invención es la superficie captadora eólica. La invención propone una superficie captadora eólica de movimiento alternativo de vaivén que dispone de palas formadas preferentemente por superficies captadoras planas. Preferentemente de ocho palas y de material ligero y

económico, ya que no tendrán que estar sometidas a grandes esfuerzos debidos a la rotación como sucede en las aeroturbinas conocidas en el estado de la técnica.

Cada superficie captadora estará sometida, debido al flujo dinámico del viento, a la siguiente fuerza de arrastre:

1. 2

PD = el) -j-P -AD -V

siendo Cn (adimensional) el coeficiente de arrastre, p (kg/m3) la densidad del aire, An (m2) el área proyectada en el plano vertical normal a la dirección del viento y V (m/s) la velocidad del viento.

Se define el número de Reynolds Re, por la siguiente expresión:

V-d

Re= -

v siendo Re (adimensional) , el número de Reynolds, V (m/s) la velocidad del viento, d (m) , la dimensión característica proyectada en el plano vertical normal a la dirección del viento y v (m2/s) , la viscosidad cinemática del aire.

Por ejemplo para una placa de d = 1 m, V = 10m/s, y v = 15·1 0-6 (aire seco, 1 atm, 20°C) , tendremos: 10 ·1

Re= Pi_l0__ =6, 67-1ct5

Es decir, vamos a estar siempre en el caso de Re >1 03•

El coeficiente de arrastre CD, de una placa plana perpendicular a la corriente, para un número de Reynolds > 103 lo podemos encontrar de forma tabulada en la siguiente tabla:

Placa plana perpendicular a la corriente, Re > 103

i 00

Ud 5 10 20 30

c", 1, 18 1, 2 1, 3 1, 5 1, 6 1, 95

Para Lid = 1, tendremos un CD=I, 18.

La resultante de la fuerza que ejerce el viento en la superficie captadora, será FD aplicada en el centro de masas de la superficie, por 10 que tendremos una fuerza de 15 vaivén en el punto de transmisión con el émbolo de la bomba alternativa de:

d

FD

--+

al

101A

10ZA

........

b

I I = 70, .8.0, S=1416N

I FE 0, 25 ' D I I Es decir se le transmitirá al émbolo una fuerza de 141, 6 N

" / La bomba de émbolo alternativa, es de desplazamiento y positivo, es decir su órgano propulsor contiene elementos I I móviles de modo tal que por cada ciclo se genera de manera

~==;¡¡¡~:) positiva un volumen dado o cilindrada, independientemente de la contrapresión a la salida. En este tipo de bombas la energía mecánica recibida se transforma directamente en energía de presión que se transmite hidrostáticamente en el sistema hidráulico.

Por tanto dispondremos de un brazo de palanca para en

20 principio amplificar la fuerza transmitida. Si para simplificar

suponemos que la pala captadora es una superficie plana

cuadrada de 1 x 1 m, por lo que a = 0, 5 m, y con un b = 0, 25

m alternativa, para un densidad del aire (1 atm, 20°C) de p =

1, 2 (kg/m3 ) y para una velocidad de viento V = 10 mis,

25 tendremos una fuerza de vaivén en el punto de transmisión

con el émbolo de la bomba de:

PD = 1 1, 18 -'2 .1.2 . 1 -102 = 70, 8 N

I

Para un desplazamiento de la placa captadora, de n = 20°, tendremos que el émbolo se desplazará: 5 Des;;;; 0, 25 . tI} 20!! r;j 0, 1 m

Por lo tanto se desarrollará un trabajo de:

T = 141, 6· 0, 1 = 14, 16 W • s La energía (W' s) necesaria para elevar un volumen V (m\ de fluido una altura H (m) , vendrá expresada por:

E=p·g·V·H

siendo p (kg/m3) , la densidad del agua y g (m/s2) la constante de la aceleración de la gravedad terrestre. Por lo tanto tendremos que el binomio V' H, será igual a:

E

V·H=

p·S

para el caso que estamos desarrollando tendremos, para p = 998, 29 kg/m3 ~ 1000 2 O kg/m3 (agua dulce a 1 atm, y 20°C) :

V.H = 14, 16 1000· 9, 806

Si fijamos a modo de ejemplo, una H = 3 m, tendremos:

14, 16 5 -2:Z 5

V = 1000 .9, 8D6 . 3 = O, . 10 m = O, l

Es decir para cada vaivén de la superficie captadora, se produce una embolada, para los datos de ejemplo, de 0, 5 1.

O El accionamiento del émbolo por el movimiento de las palas puede realizarse bien como un sistema se simple efecto, es decir sólo a la ida o sólo a la vuelta, o bien como un sistema de doble efecto, aprovechando tanto el movimiento de ida como el de vuelta en el vaivén. En ambos casos puede ajustarse el resorte que tienda a posicionar cada pala en la posición de equilibrio en ausencia de viento para que en las condiciones de ráfagas y turbulencias más habituales el sistema tenga un comportamiento dinámico críticamente...

1. Dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén (1) que dispone de palas para captar energía cinética del flujo de aire y especialmente de las turbulencias y cambios bruscos de viento convirtiéndola en un movimeito de vaivén, y que se caracteriza por constar de:

un sistema estructural de alojamientos multifuncionales (20) ;

un sistema captador eólico (10) formado por una pluralidad de superficies captadoras normalmente planas (101A, 101B, 101C, 101D, 101E, 101F, 101 G, 101 H) , para captar energía del viento y convertirla en energía mecamca de vaivén mediante una superficie basculante (1 02A, 102B, 102C, 102D, 1 02E, 1 02F, 1 02G, 102H) , soportado todo el conjunto en un soporte captador eólico (201) , que se mantiene a la altura idónea del suelo mediante una columna soporte (202) ;

un depósito superior (2022) y un depósito inferior (2023) , preferentemente 20 del mismo volumen, para contener preferentemente agua;

un sistema de bombeo (30) , compuesto de una pluralidad de bombas de émbolo de tipo alternativo (302A, 302B, 302C, 302D, 302E, 302F, 302G, 302H) , que son accionadas por el sistema captador eólico (10) , con el fin de elevar agua de un depósito inferior (2023) a un depósito superior (2022) ;

un sistema hidroeléctrico (40) , con el fin de generar energía eléctrica;

O un sistema de llenado y vaciado (50) , con el fin de suministrar agua el ciclo cerrado de bombeado y turbinado, así como de vaciarlo;

2. Dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén (1) según la reivindicación primera caracterizado porque el sistema captador eólico (10)

está formado por ocho superficies captadoras planas (101) , para adaptarse a la forma de un octógono regular

3. Dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén (1) según la reivindicación 2 caracterizado por que la superficie captadora plana (101) 4 O tiene forma de trapecio isósceles.

4. Dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén (1) según la reivindicación primera caracterizado porque la turbina del grupo turbinagenerador (403) es de tipo acción.

5. Dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén (1) según la reivindicación primera caracterizado porque la turbina del grupo turbinagenerador (403) es de tipo reacción.

6. Dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén (1) según la reivindicación primera caracterizado porque la turbina del grupo turbinagenerador (403) es de tipo mixto.

7. Dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén (1) según la reivindicación primera caracterizado porque el generador del grupo turbinagenerador (403) es una dinamo.

8. Dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén (1) según la reivindicación primera caracterizado porque el generador del grupo turbina15 generador (403) es un alternador de tipo síncrono.

9. Dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén (1) según la reivindicación primera caracterizado porque el generador del grupo turbinagenerador (403) es un alternador de tipo asíncrono.

10. Dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén (1) según la reivindicación primera caracterizado porque el accionamiento del émbolo por el movimiento de las palas puede realizarse bien como un sistema se simple efecto, es decir sólo a la ida o sólo a la vuelta, o bien como un sistema de doble efecto, aprovechando tanto el movimiento de ida como el de vuelta en el vaivén.

11. Procedimiento de producción de energía eléctrica por almacenamiento de energía potencial hidráulica y transformación de la misma que utiliza el 3 O dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén (1) según la reivindicación primera caracterizado porque la energía de la velocidad y turbulencias del flujo de aire será captada cuando el viento incida en una o en varias de la pluralidad de superficies captadoras planas (101) siendo esta captación omnidireccional. El viento empujará dichas superficies provocando 35 un movimiento de vaivén. El movimiento de vaivén de una o varias de las superficies captadoras planas (101) será transmitido directamente mediante la correspondiente superficie basculante (102) al respectivo émbolo (301) de una bomba de émbolo alternativo (302) . Cada vez que se presione el émbolo (301) , éste, debido a un resorte interno, intentará forzar a que la superficie captadora 4 O se sitúe en la posición inicial de reposo, aunque se habrá producido una embolada que provocará que la bomba de émbolo alternativo provoque una elevación de un volumen de agua de un depósito inferior (2023) a un depósito superior (2022) , provocando un almacenamiento de energía potencial en dicho fluido.

12. Procedimiento de generaclOn de energía eléctrica que utiliza el dispositivo aerogenerador de movimiento alternativo de vaivén (l) según la reivindicación primera caracterizado porque cuando el depósito superior (2022) esté lleno completamente, o cuando se desee por ejemplo de forma programada, se procederá a realizar la operación de turbinado. Esta operación consistirá en permitir que el agua fluya de un depósito superior (2022) a un depósito inferior (2023) atravesando el rodete de una turbina, estando ésta acoplada mecánicamente a un generador que generará en esta circunstancia energía eléctrica. La energía eléctrica se entregará a una red eléctrica (407) para su posterior consumo, hasta que el depósito superior (2022) se vacíe, o cuando se desee por ejemplo de forma programada.

FIG.l

FIG.2

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FIG.3

101C

9LOL

FIG.4

101C

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FIG.5

102A

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FIG.7

3"70L

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FIG.8

, 20

201 201

2024 ~====~

FIG.9

2011A 2011E

30AJr~~30E

20225 20221

20235 20231

~~

I>-len-adO~ 4 O

soJ , d."

FIG.I0

J 303A

~30E

30A

30SA

30SE

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40

404/

50~ 406

Vaciado

FIG.12