Dispositivo y procedimiento para optimizacion de turbinas eólicas de eje vertical.
Dispositivo (1) y procedimiento (P1) para optimización de turbinas eólicas de eje vertical,
cuyos elementos principales son; - una columna (03), de las empleadas para soportar un rodete eólico (01) y un grupo multiplicador generador (02), y que también soporta una pantalla cilíndrica (10), disponiéndose en el interior de la columna (03) una pluralidad de cilindros neumáticos (20), de simple efecto en reposo extendidos, en posición de cascada; - una pantalla cilíndrica (10), que está revestida interiormente por una resistencia de caldeo (1003), siendo la finalidad de dicha pantalla (10) envolver externamente un rodete eólico (01) con el fin de reducir, e incluso anular, su superficie expuesta al viento, y siendo también la finalidad de la pantalla calentar dicho rodete eólico (01).
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201400623.
Solicitante: UNIVERSIDAD DE LA RIOJA.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: BLANCO FERNANDEZ,JULIO, JIMENEZ MACIAS,EMILIO, SAENZ-DIEZ MURO,JUAN CARLOS, MARTÍNEZ CÁMARA,Eduardo.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- F03D11/00
- F03D3/00 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA. › F03 MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO, DE RESORTES, O DE PESOS; PRODUCCION DE ENERGIA MECANICA O DE EMPUJE PROPULSIVO O POR REACCION, NO PREVISTA EN OTRO LUGAR. › F03D MOTORES DE VIENTO. › Motores de viento con un eje de rotación dispuesto sustancialmente perpendicular al flujo de aire que entra al rotor (su control F03D 7/06).
- F03D7/06 F03D […] › F03D 7/00 Control de los motores de viento (alimentación o distribución de energía eléctrica H02J, p. ej. disposiciones para ajustar, eliminar o compensar la potencia reactiva en las redes H02J 3/18; control de generadores eléctricos H02P, p. ej. disposiciones para el control de generadores eléctricos con el propósito de obtener las características deseadas en la salida H02P 9/00). › teniendo los motores de viento el eje de rotación dispuesto sustancialmente perpendicular al flujo de aire que entra en el rotor.
Fragmento de la descripción:
Dispositivo y procedimiento para optimización de turbinas eólicas de eje vertical.
Objeto y sector de la técnica al que se refiere la invención
La presente invención se refiere a un dispositivo y procedimiento para optimización de turbinas eólicas de eje vertical, y tiene por objeto:
- reducir el área expuesta al viento por el rodete eólico (01) con el fin de poder
generar energía eléctrica con vientos de velocidad superior a la nominal;
- anular el área expuesta al viento por el rodete eólico (01) para proteger el rodete en el caso de velocidad de viento superior a la máxima permitida;
- frenar el rodete eólico (01) cuando se desee, independientemente de la velocidad de viento;
- proteger el rodete eólico (01) de desgaste por rayos UVA, polución, etc.
2 0 cuando la velocidad de viento sea inferior a la mínima para generar energía
eléctrica y en todo momento en caso de alerta (lluvia intensa inclinada, pedrisco inclinado, etc.);
- evitar la formación del hielo en el rodete eólico (01) o eliminar el hielo
2 5 formado dicho rodete eólico (01);
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; la invención es válida para cubrir todo el rango de aero-turbinas de eje vertical.
Generalidades y estado de la técnica anterior más próximo
En el estado de la técnica son conocidos diferentes tipos de aero-turbinas, que normalmente admiten una primera clasificación según la posición horizontal o vertical
3 5 del eje de giro de la aero-turbina. Una segunda clasificación se realiza según su
principio de funcionamiento, según se base en fuerzas de arrastre "Drag", fuerzas de sustentación "Lift", o una mezcla de ambas. Es bien conocido el modelo Darrieus, siendo de eje vertical y principalmente de sustentación; también el modelo Savonius, siendo de eje vertical y de arrastre; así como los modelos monopala, bipala, y tripala
4 0 construidos mediante perfil aerodinámico, siendo éstos de eje horizontal y
principalmente de sustentación.
Se conocen rotores eólicos de eje vertical que presentan numerosos problemas e inconvenientes, tales como la necesidad de un costoso sistema de giro de las palas para 4 5 la regulación del rotor, o de un freno mecánico para la parada del rotor, así como la
necesidad de tener que quedarse fuera de servicio cuando los vientos son superiores a los nominales, ya que si no se paran se puede producir la rotura de los mismos, al ofrecer éstos una gran resistencia en virtud de su posición vertical.
Se conocen rotores eólicos de eje vertical, adoleciendo todos ellos de un escaso rendimiento energético según se ha comentado anteriormente.
Aero-turbinas como las citadas pueden observarse en los documentos: US1219339; US3743848; US3793530; US3995170; US4115032; US4208168; US4278894; 10 US7083382; ES2364828; ES2180443; ES2209172; ES2336084; PL200550;
ES2364828, entre muchos otros.
Estas aero-turbinas presentan una problemática que se centra fundamentalmente en los siguientes aspectos:
- requieren palas que tienen que estar sobredimensionadas para soportar vientos superiores a los nominales y soportar elevadas vibraciones hasta que pasen a modo fuera de servicio;
- requieren un complejo sistema de frenado ante la presencia de vientos superiores a los nominales, siendo necesario además dejar fuera de servicio la aero-turbina, no pudiéndose aprovechar nada de la alta energía de que dispone en ese momento el flujo de aire de alta velocidad;
- cuando no se dispone de velocidad de viento suficiente, y la aero-turbina está fuera de servicio (esto sucede el 80% de las horas anuales), el rodete se ve igualmente expuesto a los agentes atmosféricos, rayos UVA, calor, desgaste, etc.;
- cuando se forma hielo, normalmente en el borde de ataque de los álabes, se anula prácticamente la generación y además se puede producir el lanzamiento de bloques de hielo generando una situación de extremo peligro para personas, animales y equipos.
3 5 El dispositivo (1) y procedimiento (Pl) que la invención preconiza resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, en todos y cada uno de los diferentes aspectos comentados.
Descripción detallada de la invención
Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de figuras con carácter ilustrativo y no limitativo.
| Glosario de referencias | |
| (0) | VAWT del estado de la técnica anterior; |
| (01) | Rodete eólico; |
| (02) | Grupo multiplicador generador; |
| (03) | Columna; |
| (03MA) | Ranura A; |
| (03MB) | Ranura B; |
| (03MC) | Ranura C; |
| (04) | Línea eléctrica; |
| (05) | Cuadro eléctrico; |
| a) | Dispositivo para optimización de turbinas eólicas de eje vertical; |
| (10) | Pantalla cilindrica; |
| (100) | Nervios; |
| (1001) | Corona; |
| (1002) | Disco; |
| (1003) | Resistencia de caldeo; |
| (1004) | Cables alimentación; |
| (1005) | Termómetro inalámbrico; |
| (20) | Pluralidad de cilindros neumáticos; |
| (200A) | Cilindro A; |
| (200B) | Cilindro B; |
| (200C) | Cilindro C; |
| 2 5 (200D) | Cilindro D; |
| (201 A) | Toma A; |
| (20 IB) | Toma B; |
| (201C) | Toma C; |
| (20 ID) | Toma D; |
| 3 0 (30) | Línea electro-neumática; |
| (40) | Cuadro electro-neumático; |
| (401 A) | Electroválvula A; |
| (40 IB) | Electroválvula B; |
| (401C) | Electroválvula C; |
| 3 5 (40ID) | Electroválvula D; |
| (402) | Compresor; |
| (403) | PLC; |
| (404) | Sensor inalámbrico; |
| (405) | Contactor; |
| (El) | Procedimiento para optimización de turbinas eólicas de eje vertical; |
| (PIO) | Etapa rodete eólico (01) cerrado 1.00%; |
| (Pii) | Etapa rodete eólico (01) abierto 100%; |
| (P12) | Etapa rodete eólico (01) abierto 75%; |
| 4 5 (P13) | Etapa rodete eólico (01) abierto 50%; |
(P14) (P15) (P16) (P17)
(MI)
(M2)
(M3)
(M4)
(M3T)
Etapa rodete eólico (01) abierto 25%;
Etapa de resistencia de caldeo (1003) con alimentación eléctrica;
Etapa de resistencia de caldeo (1003) sin alimentación eléctrica;
Etapa de funcionamiento de rodete eólico (01) como motor y en sentido contrario de como generador;
Modo de reposo normal;
Modo de reposo antihielo;
Modo de funcionamiento normal;
Modo de funcionamiento antihielo;
Modo de funcionamiento normal temporizado;
Glosario de símbolos
VAWT
PLC V m n H
H Tr t60s tlh
Turbina eólica de eje vertical;
Controlador Lógico Programable;
Velocidad de viento (m/s);
Velocidad mínima de viento (m/s), de arranque de máquina; Velocidad de viento nominal (m/s);
Posible formación...
Reivindicaciones:
1. Dispositivo para optimización de turbinas eólicas de eje vertical (1), del tipo de los que incorporan elementos para mejorar el funcionamiento de turbinas 5 eólicas de eje vertical (0), que se caracteriza por constar de:
- una columna (03), de las empleadas para soportar un rodete eólico (01) y un grupo multiplicador generador (02), y que también soporta una pantalla cilindrica (10), y en cuya columna se han realizado una
pluralidad de ranuras (03MA,03MB,03MC) para permitir el
movimiento de traslación, mediante sendos nervios (100), de la pantalla cilindrica (10), y en el interior de la columna (03) se disponen una pluralidad de cilindros neumáticos (20) en posición de cascada;
- una pantalla cilindrica (10), que está revestida interiormente por una
resistencia de caldeo (1003) que se alimenta de energía eléctrica por unos cables de alimentación (1004), y en cuya base inferior se sitúan una pluralidad de nervios (100), fijados por un extremo, a un disco (1002) y a una corona (1001), y por el otro extremo, al perímetro de la 2 0 pantalla cilindrica (10); siendo la finalidad de dicha pantalla (10)
envolver externamente un rodete eólico (01) con el fin de reducir, e incluso anular, su superficie expuesta al viento; y siendo también la finalidad calentar dicho rodete eólico (01);
2 5 - una pluralidad de cilindros neumáticos (200A,200B,200C,200D) de
simple efecto en reposo extendidos, dispuestos uno a continuación de otro en cascada, estando la base del cuerpo del primer cilindro neumático (200A) unida rígidamente a una parte fija de la columna (03) y el extremo del vástago del último cilindro neumático (200D) unido a 30 un disco (1002) rígidamente unido a una pantalla cilindrica (10); siendo
la finalidad de los mencionados cilindros (20) realizar un movimiento de translación, por pasos acotados, de una pantalla cilindrica (10);
- una línea electro-neumática (30) para suministrar, por una parte, aire a
3 5 presión desde un cuadro electro-neumático (40) hasta una pluralidad de
cilindros neumáticos (200A,200B,200C,200D), y, por otra parte, electricidad para alimentar una resistencia de caldeo (1003);
- un cuadro electro-neumático (40) que contiene una pluralidad de
4 0 electroválvulas (401 A,40IB,401C,40ID), un compresor (402), y un
PLC (403) dotado de comunicación inalámbrica;
- un sensor inalámbrico (404) para medir velocidad de viento, temperatura ambiente y humedad relativa ambiente, y un termómetro
inalámbrico (1005) para medir la temperatura superficial de un rodete eólico (01);
2. Dispositivo (1) según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la
pantalla cilindrica (10) es de material plástico transparente.
3. Dispositivo (1) según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por el hecho de que la resistencia de caldeo (1003) consta de un hilo metálico resistivo de ni- 10 crom pegado mediante adhesivo de montaje resistente al calor a una capa del
mismo adhesivo previamente depositada helicoidalmente sobre la capa interior de la pantalla cilindrica (10).
4. Procedimiento para optimización de turbinas eólicas de eje vertical (Pl), del 15 tipo de los que mejoran el funcionamiento de turbinas eólicas de eje vertical
(0), que emplea el dispositivo (1), estando caracterizado dicho procedimiento porque comprende al menos los siguientes modos y etapas:
+ Modo de reposo normal (MI).
Este modo de funcionamiento se activa si la velocidad de viento (V) es menor que la velocidad mínima (m) de arranque de máquina y si no es posible la formación de hielo (H = no), es decir: V < m y H = no;
2 5 Este modo tiene una única etapa:
- Rodete eólico (01) cerrado 100% (PIO);
La pantalla cilindrica (10) se lleva a la posición de rodete eólico (01) cerrado al 100%;
+ Modo de reposo antihielo (M2).
Este modo de funcionamiento se activa si la velocidad de viento (V) es menor que la velocidad mínima (m) de arranque de máquina y si es posible la 3 5 formación de hielo (H = sí), es decir: V < m y H = sí;
(01)
Este modo tiene dos etapas:
- Caldeo SÍ (P15);
Esta etapa se activa si la temperatura de rodete es inferior a un valor de consigna, p.ej. Tr < 0°C;
La pantalla cilindrica (10) se mantiene en la posición de rodete eólico cerrado al 100%;
La resistencia de caldeo (1003) se alimenta de energía eléctrica;
- Caldeo NO (P16);
Esta etapa se activa si la temperatura de rodete es superior a un valor de consigna, p.ej. Tr > 0°C;
La pantalla cilindrica (10) se mantiene en la posición de rodete eólico (01) cerrado al 100%;
+ Modo de funcionamiento normal (M3).
Este modo de funcionamiento se activa si la velocidad de viento (V) es mayor que la velocidad mínima (m) de arranque de máquina y si no es posible la formación de hielo (H = no), es decir: V > m y H = no;
Este modo tiene cinco etapas:
- Rodete eólico (01) abierto al 100% (Pll);
La pantalla cilindrica (10) se lleva a la posición de rodete eólico (01) abierto al 100%.
- Rodete eólico (01) abierto al 75% (P12);
Esta etapa se activa si la velocidad de viento es mayor que la velocidad nominal pero inferior a una valor superior de ésta, p.ej. n < V < 1,25-n; La pantalla cilindrica (10) se lleva a la posición de rodete eólico (01) abierto al 75%.
- Rodete eólico (01) abierto al 50% (P13);
Esta etapa se activa si la velocidad de viento es mayor que la velocidad nominal pero inferior a una valor superior de ésta, p.ej. n < V < 1,5-n; La pantalla cilindrica (10) se lleva a la posición de rodete eólico (01) abierto al 50%.
- Rodete eólico (01) abierto al 25% (P13);
Esta etapa se activa si la velocidad de viento es mayor que la velocidad nominal pero inferior a una valor superior de ésta, p.ej. n < V < 2 n; La pantalla cilindrica (10) se lleva a la posición de rodete eólico (01) abierto al 25%.
- Rodete eólico (01) cerrado 100% (PIO);
Esta etapa se activa si la velocidad de viento es mayor que la velocidad nominal pero inferior a una valor superior de ésta, p.ej. n < V < 2 n;
La pantalla cilindrica (10) se lleva a la posición de rodete eólico (01) cerrado al 100%;
+ Modo de funcionamiento antihielo (M4).
Este modo de funcionamiento se activa si la velocidad de viento (V) es mayor que la velocidad mínima (m) de arranque de máquina y si es posible la formación de hielo (H = sí), es decir: V > m y H = sí;
Este modo tiene cuatro etapas:
- Caldeo SÍ (P15);
La pantalla cilindrica (10) se mantiene en la posición de rodete eólico (01) cerrado al 100%;
La resistencia de caldeo (1003) se alimenta de energía eléctrica;
- Caldeo NO (P16);
Esta etapa se activa si la temperatura de rodete es superior a un valor de consigna, p.ej. Tr> 0°C;
La pantalla cilindrica (10) se mantiene en la posición de rodete eólico (01) cerrado al 100%;
- Rodete Motor (P17);
Esta etapa se activa secuencialmente siempre a continuación de la anterior, sin condiciones de transición;
La pantalla cilindrica (10) se mantiene en la posición de rodete eólico (01) cerrado al 100%;
Se excita el contactor (405) con el fin de que el rodete eólico (01) gire como motor, preferentemente en sentido contrario a como generador; así se desprende el hielo y la pantalla cilindrica (10) evita que salga proyectado;
- Rodete eólico (01) cerrado 100% (PIO);
Esta etapa se activa si ha transcurrido el contaje de un temporizador, p.ej. un tiempo de 60 segundos;
Se activa un temporizador, p.ej. de 1 hora; que servirá para marcar los intervalos de eliminación de hielo por contra-velocidad y con rodete eólico (01) cerrado 100% para evitar que los pedazos de hielo salgan desprendidos al exterior.
La pantalla cilindrica (10) se mantiene en la posición de rodete eólico (01) cerrado al 100%;
+ Modo de funcionamiento normal temporizado (M3T).
Este modo de funcionamiento se activa si la velocidad de viento (V) es mayor que la velocidad mínima (m) de arranque de máquina y si es posible la formación de hielo (H = sí), y si no ha transcurrido el contaje de un temporizador es decir, p.ej. un tiempo de 1 hora: V > m y H = sí y t <lh;
Este modo emplea las mismas etapas del Modo de funcionamiento normal (M3) pero con una duración establecida, p.ej. 1 hora.
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