Generador eólico troposférico que comprende una soga.

Generador 1 eólico troposférico que comprende una cuerda (3), dicha cuerda (3) está compuesta, en longitud, de:

- al menos un primer sector (4) adaptado para resistir a los ciclos de flexión repetidos, que tiene: un coeficiente S1 de seguridad, a saber la relación entre la resistencia a la tensión final estática de la cuerda (3) y la carga máxima suministrada cuando se opera la cuerda (3), incluida entre 3 y 15; un diámetro D(b1) incluido entre 6 mm y 72 mm; y un coeficiente de resistencia aerodinámico CD1;

caracterizado por que dicha cuerda (3) está compuesta adicionalmente, en su longitud, de:

al menos un segundo sector (5) adaptado para resistir a los ciclos de tracción repetidos bajo carga, que tiene un coeficiente de seguridad S2< S1 y un diámetro D(b2)< D(b1) y

-al menos un tercer sector (6), dicho tercer sector (6) está equipado con una sección (9) perfilada que tiene una sección transversal con un coeficiente de resistencia aerodinámico CD3 en el cual CD3< CD1.

Generador eòlico troposférico que comprende una soga.

La presente invención se refiere a un generador eòlico troposférico que comprende una cuerda.

Se conoce una nueva categoría de generadores eólicos troposféricos en la técnica, que están siendo actualmente desarrollados por diferentes grupos de investigación, que comparten el objetivo común de explotar la gran cantidad de energía eòlica a grandes altitudes a través de cometas, alas, aeronaves, aeróstatos, y dirigibles constreñidos a la tierra a través de cuerdas largas con alta resistencia mecánica.

El principio operativo común de los generadores eólicos troposféricos se basa en mantener cuerpos aerodinámicos volando que sean capaces de convertir la energía del viento a grandes altitudes en energía mecánica capaz de efectuar trabajos y, posteriormente, convertir la energía mecánica en energía eléctrica que se pueda utilizar para propósitos civiles e industriales en general.

En su configuración más simple, más eficiente y segura, el cuerpo aerodinámico puede ser simplemente un ala con alta eficiencia aerodinámica, mantenida volando en las alturas lo que no se puede alcanzar mediante los aerogeneradores habituales y constreñidos a tierra a través de cuerdas de alta resistencia.

De manera alternativa, el cuerpo aerodinámico puede ser mucho más complejo, por ejemplo un rotor de turbina eòlica que se mantiene volando debido a un dirigible, o a una aeronave equipada con planos de cola y miembros estabilizantes.

En particular, todos los generadores en esta categoría están equipados con al menos una cuerda de constreñimiento que es periódicamente enrollada y desenrollada a través de un cabrestante o un sistema de cabrestantes.

No solamente los generadores que explotan la rotación del cabrestante para convertir energía mecánica en energía eléctrica, sino también los generadores en los cuales la cuerda que se enrolla y se desenrolla se utiliza solamente para revisar la altura de vuelo y la trayectoria o, aun de manera más simple, solamente para las fases de despegue y aterrizaje, puede tener ventajas en la presente Invención.

También los sistemas de tracción naval o los sistemas de generación eléctrica a bordo de los de los barcos y navios basados en cometas pueden tener ventajas en la presente invención.

Ejemplos de tales generadores eólicos se describen en las patentes Italianas N. 0001344401 y 0001344926 a nombre de Ippolito Massimo, que describe el concepto general en el cual se basa el generador eòlico troposférico, en la patente Europea No. EP1672214 a nombre de Ippolito Massimo, que describe una configuración tipo carrusel, en la Solicitud de Patente PCI No. PCI WO2007/129341 a nombre de Kite Gen Research S. r. I., que describe el sistema de control, y en la Solicitud de Patente Italiana No. T02008A000423, que describe la Infraestructura del generador en su configuración denominada "yo-yo".

En particular, la energía que puede ser extraída a través de los generadores conocidos mencionados anteriormente depende primeramente del fenómeno atmosférico, tal como la velocidad y dirección del viento, que se puede evaluar luego del diseño, pero que no se puede afectar por el diseñador. La energía que puede ser extraída sin embargo también depende de las elecciones de diseño precisas que se puedan controlar, tal como las características de superficies y aerodinámicas de las velas.

Todas las evaluaciones efectuadas por el solicitante sobre energía que se puede extraer a través de los generadores conocidos mencionados anteriormente han confirmado que, entre los parámetros que permanecen a discreción del diseñador, la eficiencia aerodinámica del sistema global compuesto de ala y cuerdas es el elemento más importante: de hecho, la eficiencia aerodinámica parece generar un poder de dos en las fórmulas que describen y prevén la energía que se pueda recolectar, aunque la superficie de la vela aparezca linealmente. La eficiencia de la vela, representada por la relación entre el coeficiente de levantamiento y el coeficiente de resistencia, es generalmente alto, debido a la sección aerodinámica de la vela que proporciona un valor bajo de coeficiente de resistencia aerodinámico.

Con el fin de mejorar la seguridad y la confiabilidad de los generadores descritos por el solicitante, se ha seleccionado la adopción de un par de cuerdas, en lugar de utilizar una cuerda única tal como se prefirió por otros, tal como se describió, por

ejemplo, en la Solicitud de Patente U S. 2008/0210826 de Ockels et al. De hecho, el par de cuerdas permiten primero que todo controlar la trayectoria del viento sin la necesidad de instalar componentes electromecánicos a bordo, y protege la capacidad de maniobra del mal funcionamiento, fallas, dificultades de comunicación de los posibles componentes instalados a bordo de la cometa, además de la caída no controlada y la pérdida del ala en caso de ruptura de la única cuerda.

Un par de cuerdas transforman adicionalmente el evento raro representado por la ruptura de una cuerda, por ejemplo debido a un defecto de fabricación, de un evento potencialmente peligroso a un procedimiento simple de recuperación y mantenimiento: la ruptura de una de las dos cuerdas de hecho implica la disminución instantánea del levantamiento del ala, con la consiguiente reducción de la tensión que actúa sobre la cuerda restante. De esta manera, siempre es posible traer de regreso el ala a la tierra, al rebobinar rápidamente la cuerda restante, debido al comportamiento del ala que se puede asimilar a un paracaídas.

El mismo principio se adopta también y se explota de manera ventajosa bajo condiciones operativas durante la etapa de rebobinamiento de la cuerda que sigue a la etapa de enrollamiento y generación de energía: de hecho, al liberar de manera controlada una de las cuerdas y mantener la tensión en la segunda cuerda, el ala es naturalmente llevada a posición para lo cual la resultante de las fuerzas aerodinámicas está compuesta casi exclusivamente por la resistencia, mientras que el levantamiento se vuelve despreciable. Al mantener el ala en su inclinación particular, que se podría definir como una maniobra de "deslizamiento lateral", como analogía con la que se efectúa bajo situaciones de emergencia durante un vuelo por pilotos de una aeronave, es posible rebobinar a alta velocidad las cuerdas de control con un costo de energía mínimo.

El uso de dos cuerdas por lo tanto implica un incremento de la resistencia global con respecto a la solución con una cuerda única, pero suministra ventajas indudables en términos de seguridad y confiabilidad.

Las cuerdas comercialmente disponibles sin embargo no se han concebido, y consecuentemente optimizado, para ser utilizadas por un generador eólico troposférico y son un factor severamente limitante de los desempeños aerodinámicos globales.

Como es conocido, el comportamiento de las cuerdas en simulaciones se puede atribuir, como primera aproximación, al comportamiento de un cilindro liso con una longitud infinita cruzado por una corriente ortogonal al eje del cilindro, estimando un coeficiente de resistencia típicamente igual a Co = 1, 2 dependiendo de los datos experimentales en la galería del viento relacionada con el número de Reynolds típico de muchas aplicaciones prácticas. Esta aproximación no tiene en cuenta la forma real del cable, la rugosidad de la superficie, la elasticidad longitudinal y de torsión, implica la infraestimación, en general, de la entidad real del coeficiente de resistencia.

Por ejemplo, una cuerda con muchas hebras puede tener aún mayor coeficiente de resistencia, igual a Co = 1, 5 cuando se sumerge en un fluido uniforme, en el caso de cables largos, cuando se dispara el fenómeno de vibración producido por los vórtices (VIV), el coeficiente de resistencia puede alcanzar aun valores en el orden de Co = 2,5 - 3, así como también pueden aparecer fuerzas que sean ortogonales a la corriente a la cual corresponde el coeficiente C¡_ de levantamiento. El problema es particularmente sensible en muchos campos de aplicación, en particular en los campos naval y de altamar, donde cuerdas y cables particularmente largos están sujetos a la acción de corrientes con intensidad variante, por ejemplo en los tirantes de las plataformas petroleras, o los cables que remolcan vehículos submarinos controlados de manera remota (ROV).

Existen obviamente también muchos ejemplos en el campo civil, donde las líneas suspendidas para transmitir energía eléctrica, o los tirantes de puentes suspendidos, pueden afectarse por oscilaciones potencialmente peligrosas. En estas aplicaciones, las soluciones son primero que todo investigadas para que sean capaces... [Seguir leyendo]

1. Generador 1 eòlico troposférico que comprende una cuerda (3), dicha cuerda (3) está compuesta, en longitud, de:

- al menos un primer sector (4) adaptado para resistir a los ciclos de flexión repetidos, que tiene: un coeficiente S1 de seguridad, a saber la relación entre la resistencia a la tensión final estática de la cuerda (3) y la carga máxima suministrada cuando se opera la cuerda (3), incluida entre 3 y 15; un diámetro D(b1) incluido entre 6 mm y 72 mm; y un coeficiente de resistencia aerodinámico Coi;

caracterizado por que dicha cuerda (3) está compuesta adlclonalmente, en su longitud, de:

al menos un segundo sector (5) adaptado para resistir a los ciclos de tracción repetidos bajo carga, que tiene un coeficiente de seguridad S2 < S1 y un diámetro D(b2) < D(b1) y

-al menos un tercer sector (6), dicho tercer sector (6) está equipado con una sección (9) perfilada que tiene una sección transversal con un coeficiente de resistencia aerodinámico Co3 en el cual Co3 < Coi.

2. Generador (1) eòlico troposférico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicho coeficiente de resistencia aerodinámico ÜD3 está incluido entre 1,2 y 0,05, más preferiblemente entre 0,6 y 0,05.

3. Generador (1) eòlico troposférico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones previas, caracterizado por que dichos sectores (4; 5; 6) están unidos para hacer una variación continua y progresiva, dichos sectores (4; 5; 6) están terminados en sus propios extremos y mutuamente unidos con uno o más elementos de unión hechos de material metálico o compuesto.

4. Generador (1) eòlico troposférico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicha cuerda (3) está conectada a una cometa (2) a través de al menos un par de bridas (7) respectivamente hechas con materiales que tienen diferentes módulos de elasticidad.

5. Generador (1) eòlico troposférico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicho tercer sector (6) está equipado con planos (10) de cola estabilizantes, preferiblemente dichos planos (10) de cola están constreñidos a dicho tercer sector (6) a través de al menos una bisagra (12) y un pasador (13) adaptado para permitir una rotación de dichos planos (10) de cola alrededor de un eje ortogonal a un eje de dicha cuerda (3).

6. Generador (1) eòlico troposférico de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que dicha bisagra (12) esta constreñida a dicha sección (9) perfilada a través de al menos una brida (11), o dicha bisagra (12) está equipada con al menos un resorte adaptado para mantener en posición los planos (10) de cola.

7. Generador (1 ) eòlico troposférico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicho primer sector (4) y dicho segundo sector (5) están hechos con unas mezclas de fibras sintéticas con un módulo de eslastlcldad alto, a saber, fibras HMPE.

8. Generador (1) eòlico troposférico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicho segundo sector (5) está cubierto con una funda o recubrimiento hecho de material plástico equipado con una distribución de cavidades y aristas adaptadas para anticipar la transición turbulenta de la capa limite y reducir el coeficiente de resistencia aerodinámico.

9. Generador (1) eòlico troposférico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicho segundo sector (5) está cubierto con una funda equipada sobre su superficie con al menos un perfil elicoidal, o está cubierto con una trenza protectora equipada con filamentos libres de ser orientados a lo largo de las líneas de flujo.

10. Generador (1) eòlico troposférico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicho segundo sector (5) está enrollado con bandas de tela o material plástico libres de ser orientadas a lo largo de las líneas de flujo.

11. Generador (1) eòlico troposférico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicho segundo sector (5) está cubierto con una funda aerodinámicamente perfilada hecha de material plástico.

12. Generador (1) eòlico troposférico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que dicho segundo sector (5) tiene una forma en sección alargada que tiene una relación entre eje mayor y eje menor que varía entre 1, 5 y 5.

13. Generador (1) eólico troposférico que comprende una cuerda (8) múltiple, compuesta de una pluralidad de cuerdas (3) de acuerdo con la reivindicación 1 mutuamente colocadas en paralelo.

5 14. Generador (1) eólico troposférico de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado por que las cavidades entre dichas

cuerdas (3) con diferente diámetro están rellenadas con un material de baja densidad para hacer un perfil de ala en sección, en el cual una de dichas cuerdas (3) con diámetro mayor ocupan un área con grosor máximo de dicho perfil de ala.

15. Generador (1) eólico troposférico de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizado por que dicha cuerda (8) múltiple 10 está cubierta por una trenza protectora, o por una funda flexible hecha de material plástico.

16. Generador (1) eólico troposférico de acuerdo con la reivindicación 1 o 13, caracterizado por que dicha cuerda (3) esta tejida para obtener una sección aerodinámica, o es tejida y recocida en un material plástico o elastomérico y deformada para obtener una sección aerodinámica.

17. Generador (1) eólico troposférico de acuerdo con la reivindicación 15, caracterizado por que dicha trenza protectora hecha de tela o dicha funda hecha de material plástico está interrumpida a intervalos regulares, dejando dicha cuerda (3) o dicha cuerda (8) múltiple libre de ser flexionada.