Generador eólico de eje vertical.

Generador eólico de eje vertical (1) compuesto por una turbina eólica (3) con eje de giro vertical y con una disposición en alternancia de una pluralidad de álabes tipo A (30A) con una pluralidad de alabes tipo B (30B),

teniendo en planta todos los alabes (30A, 30B) una forma de curva plana convexa tipo de Bézier (300), siendo la funcionalidad de todos los álabes de arrastre, y estando dicha turbina eólica (3) dispuesta en una columna soporte (4) sobre una cimentación (5).

Generador eólico de eje vertical.

Objeto y sector de la técnica al que se refiere la invención La presente invención se refiere a un generador eólico de eje vertical perteneciente al grupo denominado VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) y funcionalmente de arrastre.

El objeto de la invención es un generador eólico de eje vertical de captación de viento omnidireccional según el eje x y especialmente diseñado para velocidades de viento muy bajas, como las que se dan en el espacio urbano en general yen las ciudades en particular.

La invención se sitúa en sector técnico de las energías renovables, y más concretamente en el relativo al aprovechamiento de la energía del viento con el fin de generar energía eléctrica.

Generalidades y estado de la técnica anterior más próximo En la última década, (2000-2010) , se ha impulsado el desarrollo de diferentes tipos de mini y micro generadores eólicos, existiendo dos grandes grupos, los HA WT (Horizontal Axis Wind Turbine) y los VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) . Los V A WT se han desarrollado de forma importante debido a su fácil construcción, baja emisión de ruido, y por su captación de viento omnidireccional. El desarrollo actual de los V A WT se ha realizado para su emplazamiento urbano con velocidades medias de viento bajas, normalmente inferiores a 4 mis y el de los HA WT dominan los emplazamientos rurales con velocidades medias de viento mínimas de 6 mis.

O Las ventajas de los VAWT versus HA WT son:

-No necesitan sistema alguno de orientación pues son de captación de viento omnidireccional;

-La velocidad tangencial periférica de los álabes es menor, por lo que el ruido generado es menor, así como las vibraciones;

-Son de más fácil construcción;

O La desventaja fundamental de los VA WT versus HA WT es que su coeficiente de potencia es menor al coeficiente típico de los HA WT, de aproximadamente Cp = 0, 45, por lo que se necesitará barrer mayor superficie para generar iguales potencias.

La potencia producida por una aeroturbina viene dada por la siguiente ecuación:

donde: P es la potencia (W) , Cp es el coeficiente de potencia dependiente de A, relación de velocidad periférica (TSR) , y ~, que es el ángulo de paso (pitch angle) , p es 5 la densidad del aire (kglm\ S es el área característica (m2) y v .. es la velocidad del viento (m/s) .

La relación de velocidad periférica (TSR) la obtenemos de la siguiente ecuación:

ú) -R , l (['SR) =

l1eo donde: A, relación de velocidad periférica (TSR) , (O es la velocidad de la turbina (rad/s) , R es el radio de la turbina (m) , siendo el producto (o. R la velocidad periférica de la pala.

La velocidad de giro de una aeroturbina viene dado por:

-l-v..

n=---'-

n-D

O siendo: n la velocidad de rotación (rpm) .

Podemos observar que a mayor diámetro, menor velocidad de giro.

Para una densidad del aire de 1, 2 kglm3 y para un área barrida circular (HA WT) 25 tendremos: p = Cpu.fJ) · 0, 47 -D% -11_3

donde: D es el diámetro del rotor eólico (m) .

O Y para un área barrida rectangular (VAWT) tendremos:

P = CpU.fJ) · 0, 6 -H -D -v.3

donde: H es el altura del rotor eólico (m) .

El coeficiente de potencia Cp puede alcanzar el valor teórico máximo de 16/27 (0, 59) que es el llamado límite de Betz, aunque en la práctica el máximo valor se da en las turbinas HA WT de dos palas siendo de hasta 0, 47. El estado del arte se resume perfectamente en la figura 3.4 (titulada "Rotor efficiency vs. VoN ratio for rotors with

O different numbers of blades") de la referencia "Mukund R. Patel "Wind and Solar Power Systems: Design Analysis and Operation. 2nd ed." Florida (USA) . CRC Press Taylor & Francis Group. 2006.". Dicha figura muestra las curvas características de Cp vs TSR para los diferentes tipos de aeroturbinas.

En el estado de la técnica son conocidos diferentes tipos de mini y micro-generadores eólicos tipo VAWT. Desde el punto de vista del funcionamiento del rotor eólico tenemos tres grupos: las que funcionan con fuerzas de arrastre, las que funcionan con fuerzas de sustentación, y las que funcionan con fuerzas mixtas. El ejemplo más representativo de rotor eólico de arrastre lo tenemos en el modelo Savonius, inventada por el ingeniero finlandés Sigurd J. Savonius en 1922. De rotor eólico de sustentación tenemos el modelo Darrieus, inventada por el ingeniero francés Georges Darrieus, quien patentó el diseño en 1931. Las más representativas de las mixtas son las que mezclan rotores Savonius en rotores Darrieus.

En el estado de la técnica más cercana tenemos los siguientes documentos:

En el documento de patente denominado D01 con número de publicación ES 2364828 Al Y fecha de presentación 02.03.2010 y titulado literalmente: "Rotor eólico de eje vertical" se describe un dispositivo constituido mediante un eje vertical, dos soportes horizontales y extremos, y establecidos entre dichos soportes una pluralidad de álabes,

O centra sus características en el hecho de que los álabes son de dos tipos, en disposición alternada, álabes preparados y configurados para constituir elementos de arrastre y alabes preparados para constituir elementos de sustentación, con la particularidad además de que éstos últimos entran en pérdida aerodinámica cuando sobrepasan una velocidad del viento pre-establecida, produciendo al rotor un efecto de freno.

En el documento de patente denominado D02 con número de publicación CN 201358887 y Y fecha de presentación 24.04.2009, titulado orientativamente: "Rotor eólico de eje vertical" se describe un dispositivo, constituido mediante un eje vertical, de una pluralidad de álabes, siendo los ubicados en su parte externa, de funcionamiento 3 O con fuerzas de sustentación, y los ubicados en su parte interna, de funcionamiento con fuerzas de arrastre.

En el documento de patente denominado D03 con número de publicación CN 101566126 A Y fecha de presentación 12.03.2009 , Y titulado orientativamente: "Rotor

eólico de eje vertical" se describe un dispositivo, constituido mediante un eje vertical, de una pluralidad de álabes de dos tipos, en disposición alternada, álabes preparados y configurados para constituir elementos de arrastre y alabes preparados para constituir elementos de sustentación.

O Diferencias entre la técnica anterior más cercana y la invención reivindicada. Efecto de las diferencias y problema técnico que resuelven El dispositivo descrito en DO! consta de una pluralidad de álabes, en disposición alternada, de arrastre y de sustentación. El problema técnico que se deriva de esta 45 diferencia es que el dispositivo de DO1 funciona con fuerzas de arrastre y con fuerzas de sustentación, necesitando una velocidad de viento, de arranque y de generación, mayores que si todos los álabes funcionases con fuerzas de arrastre.

El dispositivo descrito en DO! dispone de todos sus álabes constituidos con perfil

aerodinámico. El problema técnico que se deriva de esta diferencia es que el dispositivo de DO! no puede construirse con álabes sin perfil aerodinámico, encareciéndose por tanto su construcción.

El dispositivo descrito en D02 consta de una pluralidad de álabes, unos interiores de arrastre y otros exteriores de sustentación. El problema técnico que se deriva de esta diferencia es que el dispositivo de D02 funciona con fuerzas de arrastre y con fuerzas de sustentación, necesitando una velocidad de viento, de arranque y de generación, mayores que si todos los álabes funcionasen con fuerzas de arrastre.

El dispositivo descrito en D02 dispone de unos álabes exteriores constituidos con perfil aerodinámico. El problema técnico que se deriva de esta diferencia es que el dispositivo de D02 no puede construirse con álabes sin perfil aerodinámico, encareciéndose por tanto su construcción.

O El dispositivo descrito en D03 consta de una pluralidad de álabes, en disposición alternada, de arrastre y de sustentación. El problema técnico que se deriva de esta diferencia es que el dispositivo de D03 funciona con fuerzas de arrastre y con fuerzas de sustentación, necesitando una velocidad de viento, de arranque y de generación, mayores que si todos los álabes funcionases con fuerzas de arrastre.

El dispositivo descrito en D03 dispone de unos álabes de sustentación constituidos con perfil aerodinámico. El problema técnico que se deriva de esta diferencia es que el dispositivo de D03 no puede construirse con álabes sin perfil aerodinámico, encareciéndose por tanto su construcción.

Justificación y ventaja técnica que aporta la...

1. Generador eólico de eje vertical (1) , del tipo de los que incorporan una turbina

eólica sobre una columna soporte, disponiendo la turbina eólica de una

5 pluralidad de álabes alineados circunferencialmente alrededor de un eje de giro

vertical, que se caracteriza por constar de una turbina eólica (3) compuesta por

una carcasa (36) , con forma cilíndrica, que soporta una pluralidad de álabes

tipo A (30A) Y una pluralidad de álabes tipo B (30B) , pudiendo rotar

libremente respecto de una columna soporte (4) mediante un soporte cojinete

10 intermedio (33) y un soporte cojinete inferior (37) , y porque los álabes tipo A

(30A) se sitúan en alternancia con los álabes tipo B (30B) , caracterizándose

todos los álabes de perfil aerodinámico porque están configurados para ser

impulsados por fuerzas aerodinámicas de resistencia al avance o arrastre, y

porque en planta todos los álabes (30A, 30B) tienen forma de curva plana

15 convexa tipo de Bézier (300) , y porque en alzado los álabes tipo (A) están

formados por una placa plana cortada por su parte inferior con un borde del

álabe (310) siguiendo una curva geométrica, y porque en alzado los álabes tipo

(B) están formados por una placa plana cortada por su parte superior con un

borde del álabe (310) siguiendo la misma curva geométrica, de tal forma que la

2 O superficie de ambos es complementaria formando un plano completo, y porque

un eje de transmisión (32) que parte de un soporte cojinete superior (31) Y pasa

por un soporte cojinete intermedio (33) está solidariamente unido a un

multiplicador (34) y a un generador eléctrico (35) transmitiendo a dicho

generador la energía del viento captada por los álabes.

25

2. Generador eólico de eje vertical (1) , según reivindicación 1, caracterizado

porque en planta todos los álabes (30A, 30B) tienen forma de curva plana

convexa tipo de Bézier (300) de grado 8 y su polígono de control tiene 9

vértices (301-309) , Y porque si definimos en la curva de Bézier (300) una

3 O cuerda comprendida por un arco formado por un tramo de la curva que va

desde el primer punto de la curva, coincidente con el primer vértice (301) , hasta

un punto de la curva cuya recta tangente es perpendicular a la cuerda y si

referenciamos la longitud de dicha cuerda por el 100%, entonces tendremos

que respecto de un eje (Z) perpendicular a la cuerda:

35

- un primer vértice (301) tiene una amplitud de un 0%, siendo nula por ser

el vértice de control;

- un segundo vértice (302) tiene una amplitud comprendida entre un

5% y un 10%, siendo positiva por situarse debajo de la cuerda;

4 O -un tercer vértice (303) tiene una amplitud comprendida entre un

15% y un 20%, siendo positiva por situarse debajo de la cuerda;

- un cuarto vértice (304) tiene una amplitud comprendida entre un

20% y un 25%, siendo positiva por situarse debajo de la cuerda;

- un quinto vértice (305) tiene una amplitud comprendida entre un

45 15% y un 20%, siendo positiva por situarse debajo de la cuerda;

13

- un sexto vértice (306) tiene una amplitud de un O %, siendo nula por situarse alineado con el vértice de control; -un séptimo vértice (307) tiene una amplitud comprendida entre un -20% Y un -22, 5%, siendo negativa por situarse encima de la cuerda; 5 -un octavo vértice (308) tiene una amplitud comprendida entre un -22, 5% Y un -25%, siendo negativa por situarse encima de la cuerda; -un noveno vértice (309) tiene una amplitud comprendida entre un -25% Y un -30%, siendo negativa por situarse encima de la cuerda;

Y porque los vértices (301) de control están dispuestos sobre una circunferencia generatriz exterior (300E) cuyo radio está comprendido en el rang.

12. 130% de la cuerda y los vértices (309) están dispuestos sobre una circunferencia generatriz interior (3001) cuyo radio está comprendido en el rang.

6. 65% de la cuerda y porque el radio de la carcasa (36) está comprendido en el rango 35

40% de la cuerda.

3. Generador eólico de eje vertical (1) , según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el álabe tipo A (30A) su borde de álabe (310) inferior sigue una curva geométrica cóncava y en el álabe tipo B (30B) su borde de 2 O álabe (310) superior sigue una curva geométrica convexa.

4. Generador eólico de eje vertical (l) , según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el álabe tipo A (30A) su borde de álabe (310) inferior sigue una curva geométrica recta inclinada y en el álabe tipo B (30B) su borde de álabe (310) superior sigue una curva geométrica recta inclinada.

5. Generador eólico de eje vertical (1) , según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el álabe tipo A (30A) su borde de álabe (310) inferior sigue una curva geométrica convexa y en el álabe tipo B (30B) su borde de 3 O álabe (310) superior sigue una curva geométrica cóncava.

6. Generador eólico de eje vertical (1) , según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el álabe tipo A (30A) su borde de álabe (310) inferior sigue una curva geométrica recta horizontal yen el álabe tipo B (30B) su borde de álabe (310) superior sigue una curva geométrica recta horizontal.

7. Generador eólico de eje vertical (1) , según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el álabe tipo A (30A) es idéntico al álabe tipo B (30B) ocupando en alzado cada uno de ellos un plano completo.

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FIG.2

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