Turbina helicoidal hueca de forma cónica para transducción de energía.

Un elemento de conversión de fluido (100) para convertir la energía de flujo del fluido en energía de giro,

comprendiendo el elemento de conversión de fluido al menos dos conductos tubulares abiertos (110) envueltos alrededor de un eje de giro (160), en donde al menos uno de dichos conductos tubulares está enrollado de forma helicoidal alrededor de dicho eje de giro y cada uno de dichos conductos comprende una cámara (120) que tiene un puerto de entrada (130) respectivo y un puerto de salida (140) respectivo; en el que la superficie transversal del puerto de entrada de al menos uno de dichos conductos tubulares es mayor que la superficie transversal del puerto de salida de dicho conducto; y en el que la velocidad de giro de dicho elemento de conversión de fluido puede ajustarse mediante al menos uno de entre:

alterar el flujo del fluido;

abrir una cavidad en dicha cámara;

modificar la superficie de al menos uno de dichos puertos de entrada o de salida; y

cambiar el ángulo de la hélice de dicho conducto tubular enrollado de forma helicoidal.

Turbina helicoidal hueca de forma cónica para transducción de energía Campo de la invención La presente invención, en algunas realizaciones de la misma, se refiere a una turbina sin hélice, y más específicamente, pero no exclusivamente, a un dispositivo para convertir un flujo lineal en un movimiento giratorio, con el potencial para la producción de electricidad.

Antecedentes de la invención Dos de los mayores desafíos a los que se enfrenta la humanidad están relacionados entre sí. Las fuentes de energía tradicionales basadas en el carbono, tales como el petróleo y el carbón, se están agotando. Además, las amenazas ecológicas basadas en el uso humano de tales fuentes de energía se consideran que son potencialmente devastadoras para la vida en la Tierra. Como tal, un objetivo principal de la mayoría de los estados es encontrar fuentes de energía que provean las necesidades humanas mientras que no contribuyan de forma significativa al dióxido de carbono de la atmósfera o de otros “gases de invernadero”.

Las dos fuentes más atractivas para las energías renovables son la solar y la eólica. Ambas producen una base diaria muy por encima de los requisitos para la actividad humana. Dicho esto, la capacidad de aprovechar económica y técnicamente la energía solar y la eólica no es trivial. A pesar de que se haya dirigido tanto esfuerzo hacia el desarrollo de la capacidad eléctrica solar y eólica, hasta la fecha, ambos métodos para fabricar electricidad siguen siendo marginales en su contribución a la mayoría de las redes eléctricas.

Los parques eólicos han surgido en todo el mundo, con muchos de ellos situados en llanuras abiertas o en regiones oceánicas de fuertes vientos. Se están desarrollando proyectos de energía de gigavatios. La mayoría de las turbinas incluyen hélices, en general, en un número de tres, que pueden girar en respuesta a los vientos prevalecientes. Las hélices giratorias impulsan una caja de engranajes y un generador eléctrico para la producción de electricidad.

La patente de Estados Unidos número 4.297.076 de Donham et al., describe una turbina eólica mejorada en la que las partes de punta de las palas son variables en el ángulo de ataque y se varían cíclicamente en el ángulo de ataque para controlar la guiñada del rotor y para aliviar los momentos de flexión en las palas y se varían colectivamente en el ángulo de ataque para aliviar los momentos de flexión en el palas y para maximizar la salida de potencia de la turbina a una velocidad de rotor constante seleccionada.

La patente de Estados Unidos número 4.362.470 de Locastro et al., describe una turbina eólica que tiene un árbol giratorio alrededor de un eje, y una pluralidad de palas montadas en el árbol y dispuestas para girar mediante el viento y por lo tanto girar el árbol.

La patente de Estados Unidos número 5.256.034 de Sultzbaugh describe un mecanismo de hélice de ángulo de ataque variable que incluye una pluralidad de palas en forma de superficie aerodinámica sobre tres brazos de pala espaciados.

El documento US 20080145230 de Harman, et al., describe un perfil de superficie para ventiladores y rotores de flujo axial usados en entornos que requieren un alto rendimiento junto con un tamaño de ventilador restringido.

El documento WO 2009/051793 describe una estructura sometida a tensión que comprende un elemento sobre el que se impone la tensión, en el que la tensión se distribuye en el elemento y en el que la configuración de al menos una parte sustancial del elemento tiene una curvatura que se ajusta a una curva logarítmica para hacer que la tensión se distribuya de forma sustancialmente uniforme.

La patente de Estados Unidos número 5.642.984 de Gorlov describe un conjunto de turbina helicoidal capaz de proporcionar un giro unidireccional de alta velocidad según un flujo de fluido principal ultra bajo multidireccional. El conjunto comprende una serie de unidades de turbinas helicoidales o módulos dispuestos, vertical u horizontalmente, para aprovechar, por ejemplo, la energía del agua o del viento. Cada unidad o módulo de turbina comprende una pluralidad de palas helicoidales que tienen un perfil de superficie aerodinámica. Los módulos de energía eólica pueden montarse en árboles giratorios soportados por estructuras ligeras ancladas mediante cables de retenida en el suelo. La turbina helicoidal puede proporcionar también propulsión a los buques usando la energía de las olas del mar.

La patente de Estados Unidos número 7.132.760 de Becker describe un dispositivo de turbina eólica de pala híbrida formada de al menos un par de palas de superficie aerodinámica exteriores rectas, y un par de palas de viento helicoidales interiores, como soportadas para el giro dentro de una estructura de jaula de protección de seguridad, que pueden montarse en la turbina eólica verticales, horizontales, o en otras posiciones operativas alineadas. La patente de Estados Unidos número 4.708.592 de Krolick et al., describe una estructura plegable que comprende

una hoja helicoidal no rígida reforzada mediante elementos de peso ligero de acuerdo con uno de los diversos métodos.

El documento US 20090160194 de Clark describe una pala para su uso en una turbina eólica, con la pala teniendo un eje longitudinal para extenderse de forma radial hacia fuera desde un centro de giro de la pala en la turbina eólica. La pala tiene un lado frontal con una superficie frontal para orientarse en una dirección de barlovento y un lado posterior con una superficie posterior para orientarse en una dirección de sotavento.

La patente de Estados Unidos número 5.425.619 de Aylor describe una turbina de energía de fluido que tiene un rotor de flujo radial en el que las palas de fluido impulsado se distribuyen periféricamente alrededor de un eje horizontal y en el que se proporcionan puertas de salida sesgadas auxiliares para la liberación de altas presiones de fluido para regular la velocidad de la turbina tal como en los grandes vientos de una tormenta.

La patente de Estados Unidos número 4.082.479 de Rangi et al., describe un alerón de exceso de velocidad para turbinas eólicas de eje vertical del tipo que tienen palas de superficie aerodinámica rectas o curvas unidas a un árbol vertical formado por una pala plana relativamente delgada en forma de bisagra de elemento de alerón montada en la cola, la punta, o en una posición central de una parte de la sección de la superficie aerodinámica.

La patente de Estados Unidos número 5.632.599 de Townsend enseña una turbina de energía eólica que tiene palas de aire impulsado distribuidas periféricamente alrededor de un eje de giro horizontal formando una región interior en la que las presiones de aire acumulado por el viento introducidas en la misma se liberan a través de los espacios entre las palas.

La patente de Estados Unidos número 4.500.257 de Sullivan describe un sistema de alerón aerodinámico para una turbina eólica de eje vertical que incluye alerones en las palas depositados inicialmente cerca del eje del rotor para minimizar la resistencia aerodinámica.

La patente de Estados Unidos número 4.715.782 de Shimmel describe un dispositivo de control de velocidad hidráulico para limitar la velocidad de un rotor de turbina eólica controlando el despliegue de los dispositivos de frenado del rotor que incluye cuatro elementos interconectados de manera fluida: uno o más cilindros de fluidos, una válvula de escape, un acumulador, y una válvula de retención.

La patente de Estados Unidos número 5.531.567 de Hulls enseña una turbina eólica de eje vertical del tipo Darrieus, con las palas tensadas, junto con diversos mecanismos para tensar las palas.

La patente de Estados Unidos número 5.167.483 divulga un dispositivo de conversión de energía con una superficie transversal disminuyendo.

Sumario de la invención Por lo tanto, es un objetivo de la presente invención describir métodos y dispositivos para mejorar la eficiencia en la conversión de la energía de flujo lineal en energía giratoria. Específicamente, la invención incluye estructuras y métodos que permiten una turbina más eficiente, una que carece de hélices y en su lugar dirige el flujo a través del cuerpo de la turbina de hueco cónico para realizar altas eficiencias de conversión de energía.

De acuerdo con la invención, se proporciona un elemento de conversión de fluido para convertir un flujo de fluido en un giro, comprendiendo el elemento de conversión de fluido al menos dos conductos tubulares abiertos envueltos alrededor de un eje de giro, en el que al menos uno de dichos conductos tubulares está enrollado de forma helicoidal alrededor de dicho eje de giro... [Seguir leyendo]

1. Un elemento de conversión de fluido (100) para convertir la energía de flujo del fluido en energía de giro, comprendiendo el elemento de conversión de fluido al menos dos conductos tubulares abiertos (110) envueltos alrededor de un eje de giro (160) , en donde al menos uno de dichos conductos tubulares está enrollado de forma helicoidal alrededor de dicho eje de giro y cada uno de dichos conductos comprende una cámara (120) que tiene un puerto de entrada (130) respectivo y un puerto de salida (140) respectivo; en el que la superficie transversal del puerto de entrada de al menos uno de dichos conductos tubulares es mayor que la superficie transversal del puerto de salida de dicho conducto; y en el que la velocidad de giro de dicho elemento de conversión de fluido puede ajustarse mediante al menos uno de entre:

alterar el flujo del fluido; abrir una cavidad en dicha cámara; modificar la superficie de al menos uno de dichos puertos de entrada o de salida; y cambiar el ángulo de la hélice de dicho conducto tubular enrollado de forma helicoidal.

2. Un elemento de conversión de fluido (100) de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la velocidad de giro de dicho elemento de conversión de fluido puede ajustarse alterando el flujo del fluido.

3. Un elemento de conversión de fluido (100) de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la velocidad de giro de dicho elemento de conversión de fluido puede ajustarse abriendo una cavidad en dicha cámara.

4. Un elemento de conversión de fluido (100) de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la velocidad de giro de dicho elemento de conversión de fluido puede ajustarse modificando la superficie de al menos uno de dichos puertos de entrada o de salida.

5. Un elemento de conversión de fluido (100) de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la velocidad de giro de dicho elemento de conversión de fluido puede ajustarse cambiando el ángulo de la hélice de dicho conducto tubular enrollado de forma helicoidal.

6. El elemento de conversión de fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el diámetro de al menos uno de dichos conductos tubulares varía a lo largo de su longitud.

7. El elemento de conversión de fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicho fluido es al menos uno de entre viento y agua.

8. Una máquina (601, 701) que incluye el elemento de conversión de fluido (600, 700) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, comprendiendo dicha máquina, además, un transductor de energía (690, 790) que es sensible al giro del elemento de conversión de fluido.

9. La máquina de acuerdo con la reivindicación 8, en la que dicho transductor de energía se selecciona a partir del grupo que consta de generadores, compresores, bombas, calibradores, elevadores, taladros, agitadores y amasadoras.

10. El elemento de conversión de fluido de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que al menos uno de dichos conductos tubulares está fabricado a partir de un material seleccionado del grupo que consta de un metal, fibras, madera, material polimérico, vidrio, tejidos, aleaciones y combinaciones de los mismos.

11. Un método para convertir la energía asociada al flujo del fluido en energía eléctrica, que comprende:

a. proporcionar un elemento de conversión de fluido (100) que comprende al menos dos conductos tubulares abiertos (110) envueltos alrededor de un eje de giro (160) , en el que al menos uno de dichos conductos tubulares está enrollado de forma helicoidal alrededor de dicho eje de giro y cada uno de dichos conductos comprende un puerto de entrada (130) respectivo y un puerto de salida (140) respectivo en donde la superficie transversal del puerto de entrada de al menos uno de dichos conductos tubulares es mayor que la superficie transversal del puerto de salida de dicho conducto;

b. exponer dicho elemento de conversión de fluido a un flujo del fluido, tras lo que se induce el giro del elemento de conversión de fluido; y

c. convertir dicho giro en electricidad;

d. ajustar una velocidad de giro del elemento de conversión de fluido mediante la acción de al menos uno de entre:

alterar el flujo del fluido; abrir una cavidad en dicha cámara; modificar la superficie de al menos uno de dichos puertos de entrada o de salida; y

cambiar el ángulo de la hélice de dicho conducto tubular enrollado de forma helicoidal.

12. El método de acuerdo con la reivindicación 11, en el que dicho fluido es al menos uno de entre viento y agua.