MXPA04007141A

MXPA04007141A - Turbina de viento de eje vertical de vortice acoplado.

Info

Publication number: MXPA04007141A
Application number: MXPA04007141A
Authority: MX
Inventors: Nason Thomas Robert
Original assignee: Wind Harvest Company
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2005-12-12
Also published as: EP1478848A4; CA2512189A1; AU2003209384B2; WO2003064852A1; KR100950821B1; DE60306901D1; BR0307217B1; EP1478848B1; PT1478848E; DK1478848T3; CA2512189C; CY1105710T1; DE60306901T2; EA200400975A1; US6784566B2; ES2269982T3; CN1332132C; US20020105190A1; JP4351064B2; BR0307217A

Abstract

Un par de turbinas (1) de viento de eje vertical estan dispuestas en proximidad cercana entre ellas de manera que sus vortices interactuan entre ellos para proporcionar eficiencia aerodinamica aumentada. Las turbinas (1) de viento estan separadas tan cercanamente como sea posible mientras proporcionen seguridad para la maquina y el personal. Las turbinas (1) de viento adyacentes giran en direcciones opuesta para aumentar el efecto de vortices acoplados. Las turbinas (1) de viento de eje vertical pueden colocarse por debajo de una hilera de turbinas de eje horizontal en una configuracion de "arbusto" para proporcionar mayor extraccion de energia de una parcela de terreno. La turbina (1) de eje vertical incluye un sistema (14, 15) de freno anti-falla, simple, redundante, que se restablece por si mismo despues de despejar una condicion de falla. El sistema de freno incluye frenado mecanico (14, 15) y aerodinamico (23) e incluye tambien un regulador de velocidad que detiene la turbina de viento aun en el caso de que falle el freno principal.

Description

O 03/064852 Al IfN JI !l ????': !! 1 !i l!l M! G?? I ! l!I ! , I) I ff For two-letter codes and other abbreviations, refer to the "Guid-ance Notes on Codes and Abbreviations" appearing at the begin-ning of each regular issue of the PCT Gazette.

TURBINA DE VIENTO DE EJE VERTICAL DE VÓRTICE ACOPLADO CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona con el campo de generadores de turbina de viento y especialmente, a turbinas de viento que giran alrededor de un eje vertical.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las turbinas de viento de eje vertical han sido conocidas por muchos años. El diseño más común de una turbina de eje vertical es la turbina Darrius que utiliza cuchillas curvas con una forma troposquien. Otras turbinas de eje vertical utilizan cuchillas rectas que se acoplan con una flecha vertical con uno o más brazos de soporte de cuchilla. Las turbinas de eje vertical modernas utilizan aletas que proporcionan elevación mejor que utilizar un arrastre aerodinámico para proporcionar la fuerza motriz al rotor. El uso de aletas de producción de elevación aumenta la eficiencia aerodinámica del rotor comparada con un dispositivo tipo arrastre. Sin embargo, aun con las aletas productoras de elevación, las turbinas de ejes horizontales experimentan ciertas desventajas comparadas con las turbinas de eje horizontal. La eficiencia aerodinámica cresta que la mayoría de las turbinas de viento de eje vertical alcanzan aproximadamente de 25-30%. También, las turbinas de viento de eje vertical no son de auto- 2 arranque y requieren del uso de un motor de arranque para permitirles empezar a girar. Algunas mejoras con el diseño de turbina de viento de eje vertical básicas han intentado resolver estos problemas inherentes. La Patente de Estados Unidos No. de Serie 4,115,027, cuya especificación se incorpora aquí como referencia, expone un molino de tipo elevación, de eje vertical. Las aletas verticales que proporcionan elevación aerodinámica están montadas con postes alrededor de una flecha central para formar un rotor. Las Patentes de Estados Unidos No. de Serie 5,027,696 y 5,332,925, cuyas especificaciones se incorporan aquí como referencia, exponen varias mejoras para el molino de la Patente de Estados Unidos No. de Serie 4,115,027. Las mejoras incluyen un nuevo sistema de frenos, el uso de aletas gruesas, una transmisión de banda de activación, operación a dos velocidades, y estatores giratorios que mejoran la eficiencia y limitan las cargas estructurales durante vientos fuertes. Las turbinas de viento en todas las patentes antes mencionadas utilizan accesorios estacionarios en el exterior del rotor para dirigir el flujo de viento a través del rotor y mejorar la eficiencia. Aunque se ha encontrado que esta medida mejora en forma importante el desempeño de la turbina de viento (la efectividad aerodinámica se mide tan alta como 52%), también da como resultado una estructura adicional que debe quedar soportada y añade un área plana que aumenta la carga del viento en la estructura 3 durante las condiciones de tormenta. Sería deseable alcanzar mejoras similares en el desempeño sin la necesidad de elementos estructurales como accesorios estacionarios. Las turbinas de viento de las patentes antes mencionadas también utilizan un sistema de freno mecánico que se ha encontrado muy confiable pero que también requiere un reajuste manual después de la activación. Esto puede llevar a prolongadas interrupciones de la turbina y a una baja disponibilidad en caso de que el operador no esté presente de tiempo completo. Sería deseable incorporar un sistema de frenos que se acople automáticamente cuando se presente una falla en el sistema de turbina y que se reajuste automáticamente y regrese la turbina a servicio después de que se haya solucionado la condición de falla. Sería deseable proporcionar una turbina de viento de eje vertical que alcance una alta efectividad aerodinámica que requiera una estructura mínima de soporte. Sería deseable proporcionar una turbina de viento de eje vertical que sea apropiada para utilizarse debajo de una hilera existente de turbinas de viento de eje vertical en una configuración de "árbol-cojinete" con el fin de obtener el máximo de la producción de energía en una parcela de tierra. También, sería deseable proporcionar una turbina de viento de eje vertical que incorpore un sistema de frenos mecánico y aerodinámico aerodinámico que se reajuste después de que solucione una falla. Además, sería deseable reducir al mínimo la frecuencia del mantenimiento y la dificultad de proporcionar un fácil acceso a las 4 partes que requieren una atención más frecuente, como la caja de engranes y el generador. Sería deseable, en sentido estructural, simplificar la turbina incluso con el empleo de una estructura de flecha guiada o una combinación de una estructura de soporte externo mejor que emplear una estructura de soporte externa y guiada. Una estructura guiada en forma externa reducirá al mínimo el número de partes requerido. Estas estructuras también pueden proporcionar un campo de flujo aerodinámico mejor para mejorar el efecto de vórtice. También sería deseable mejorar el efecto de vórtice de turbina y mejorar las capacidades de auto-arranque al emplear un rotor más sólido.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona una turbina de viento con una efectividad incrementada mediante la interacción del vórtice entre dos turbinas de viento adyacentes y con el empleo de rotores de alta solidez. La interacción del vórtice es el resultado de la colocación cercana de turbinas adyacentes así como su orientación angular con relación a la dirección de los vientos de energía predominantes. Las turbinas adyacentes también pueden girar en direcciones adyacentes con el fin de alcanzar una interacción de vórtice acoplado. La estructura de flecha guiada se puede colocar cerca en una configuración de hilera al emplear un árbol o una configuración de punto de soporte de cuatro cables en una configuración apilada que proporcionar una holgura cable a cable o cable a rotor. Las turbinas de viento se pueden arreglar en una hilera larga de turbinas de viento acopladas con mejoras aerodinámicas que se presentan a través de hilera de turbinas. Las hileras de turbinas se deben orientar perpendicular a la dirección de viento de energía predominante. Esta orientación de turbinas es particularmente apropiada para áreas geográficas con una dirección de viento muy predominante y muy poca variabilidad direccional. La hilera de turbinas acopladas al vórtice se puede ubicar debajo de una hilera de turbinas de eje horizontal. La configuración de "árbol-cojinete" obtiene el máximo de la captura de energía que se puede derivar de una parcela de tierra. También es posible que el desempeño aerodinámico de las turbinas del eje contacto se puede mejorar debido a la presencia de las turbinas de eje vertical debajo de ellas. Es posible que la hilera de las turbinas de eje vertical puedan proporcionar un efecto de mezclado vertical que ofrezca una energía de flujo más alto dentro del campo de flujo de las turbinas de viento del eje horizontal. La turbina utiliza un sistema de freno neumático que se libera automáticamente y permite que la turbina reanude la operación después de que se ha solucionado la condición de falla. El freno neumático se impulsa con un peso para que se aplique en forma normal a través del peso y se libere cuando un cilindro neumático se presuriza para elevar el peso y el freno. Una válvula solenoide que está normalmente cerrada controla la presión del cilindro neumático. 6 La válvula se activa en forma eléctrica. Cuando la energía eléctrica se interrumpe, la válvula se abre para liberar la presión del cilindro. Cuando la energía regresa, la válvula se cierra y el compresor presuriza el cilindro para elevar el peso y liberar el freno. Esto asegura que el freno se aplique para detener la turbina en caso de una pérdida de energía eléctrica y que se libere cuando la energía se reestablezca. Un interruptor arbitrario es provisto para abrir la válvula de solenoide en caso de que la energía no se pierda, pero en caso de que el generador no funcione. Un eslabón acopla el freno eléctrico con el sistema para ajustar el punto de contracción de la cuchilla. Cuando se aplican los frenos, las cuchillas tienen su punto de contracción a los 45 grados para actuar como un freno de arrastre. De esta forma, la turbina tiene un freno mecánico y aerodinámico para una mayor conf iabi lidad . Las partes de la turbina que experimentan alto desgaste y que requieren mantenimiento se ubican a nivel terrestre. La flecha guiada de la turbina queda soportada por un par de cojinetes ubicados en el fondo de la flecha. Los dos cojinetes están separados en forma vertical por aproximadamente 1 metro. El más superior de los dos cojinetes se mantiene en una posición fija y da soporte a un peso estático de la flecha principal solamente. El cojinete inferior queda libre para deslizarse en forma horizontal, lo que permite que la flecha guiada se incline. El cojinete inferior da soporte al peso de las cuchillas y a las fuerzas verticales del arrastre aerodinámico en el rotor. La carga del cojinete superior es 7 lo suficientemente baja para que el cojinete prolongue la vida de la turbina. El cojinete inferior se localiza en donde se pueda retirar fácilmente para el reemplazo del cartucho. El soporte del cojinete inferior queda libre de moverse en forma horizontal para emplear una estructura sencilla de cojinetes de bola. En la modalidad preferida de la presente invención, la turbina incluye tres grupos de cuchillas en tres módulos apilados. Solamente las cuchillas en el módulo más inferior se contraerán durante las operaciones de freno. El grupo inferior de las cuchillas se pueden alcanzar fácilmente a nivel terrestre para contar un acceso para el mantenimiento. Se debe esperar que el grupo contráctil de las cuchillas requerirá mayor mantenimiento que los otros dos grupos de contracción fija de cuchillas debido al movimiento de contracción durante el frenado. El nivel de desgaste en las cuchillas no se espera que sea tan alto debido a que el freno debe tener presentarse poco. Los dos módulos superiores emplean cuchillas que están acopladas a un acoplamiento tipo yugo con una conexión tipo perno durable que restringe que las cuchillas se muevan por contracción y se reduce al mínimo el desgaste. La parte superior del cojinete de la flecha guiada queda encerrada dent5ro de un alojamiento de acoplamiento de cable y aislado a la exposición ambiental. Se espera que esto reduzca los requerimientos de engrasado y reduzca al mínimo el desgaste. 8 BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Otras características y ventajas de la invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada con los dibujos acompañantes. La Figura 1 es una vista en perspectiva de una turbina de viento de eje vertical guiado de conformidad con la presente invención. La Figura 2 es una vista en perspectiva de una segunda modalidad preferida de la presente invención. La Figura 3 es una vista en perspectiva de dos turbinas de viento de conformidad con la presente invención arregladas en una configuración de vórtice. La Figura 4 es una vista superior esquemática del par de turbinas de viento de eje vertical de conformidad con la presente invención, arregladas en una configuración de vórtice acoplada. La Figura 5 es una vista en perspectiva de una pluralidad de turbinas de eje vertical de conformidad con la presente invención arregladas en una hilera en una configuración de vórtice acoplada.

La Figura 6 es una vista superior esquemática de una pluralidad de turbinas de viento de eje vertical de conformidad con la presente invención arreglada en una hilera en una configuración de vórtice acoplado. La Figura 7 es una vista en perspectiva de una hilera de turbinas de viento de eje vertical arregladas en una configuración de 9 vórtice acoplado a lo largo de una hilera de turbinas de viento de eje horizontal en una configuración de cojinete-árbol. La Figura 8 es una vista elevada esquemática de un tren de accionamiento y un arreglo de generador de conformidad con la presente invención. La Figura 9 es una vista elevada esquemática de un freno y un arreglo de accionamiento de freno de conformidad con la presente invención. La Figura 10 es una vista elevada esquemática de un freno y un arreglo de accionamiento de freno de conformidad con la presente invención con los frenos acoplados. La Figura 11 es una vista en planta de un interruptor de desconexión de freno de conformidad con la presente invención. La Figura 12 es una vista en perspectiva de una superficie de cojinetes de rodillo.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Como se muestra en la Figura 1, la presente invención consiste de una turbina 1 de viento que tiene una flecha 2 principal que gira alrededor de un eje vertical. La flecha 2 principal de preferencia, se fabrica de tubería de acero de suficiente diámetro y espesor para experimentar las cargas de doblez, torsión y de compresión tanto durante la operación de turbina como con los fuertes vientos donde la turbina se detiene. Acoplados a la flecha 2 principal se encuentran cuatro cuchillas 3. El número de cuchillas puede cambiar 10 según la opción de diseño aunque la longitud de cuerda o el diámetro del rotor necesitará cambiarse para mantener la solidez deseada. Cuatro cuchillas son la modalidad preferida. Cada cuchilla 3 se acopla a la flecha 2 principal con un par de brazos 4 de cuchilla. La modalidad preferida es para utilizar un dos brazos 4 de cuchilla para cada cuchilla 3, aunque se puede considerar utilizar un único brazo 4 de cuchilla para cada cuchilla 3. También se prefiere que los brazos de cuchilla 2 queden acoplados libremente a cada cuchilla 4 en cada uno de los extremos de la cuchilla 3 con el fin de reducir los efectos de punta en las cuchillas y para evitar que la cuchilla 3 se doble con la tensión en el punto de acoplamiento del brazo 4 de cuchilla. Se prefiere que la cuchilla 3 se acople con el brazo 4 con una conexión libre de movimiento, como una conexión con contracción. La altura del rotor H se define por la longitud de las cuchillas 3. El diámetro del rotor D se define por dos veces la distancia desde la línea de centro de la flecha 2 con línea de cuerda de la cuchilla 3. El área total de barrido del rotor se define como las veces de la altura H del rotor del diámetro D del rotor. Cada cuchilla 3 tiene un área de forma plana que se define por el ancho C de la cuerda de la cuchilla, las veces la longitud de la cuchilla H. El área de la forma plana total de la cuchilla es cuatro veces la forma plana para una cuchilla individual debido a que existen cuatro cuchillas en el rotor. El área total de la forma plana de la cuchilla dividida por el área del rotor se conoce como la solidez del rotor. Para el caso de la presente invención, la solidez preferida del rotor es de 33%. Para 11 los rotores de molino del tipo arrastre, la solidez será mucho más alta que el 33% y con frecuencia es el 100%. La vida experimental ha demostrado que la solidez del rotor dentro del intervalo del 30% al 40% proporciona un desempeño óptimo y se prefiere una solidez del 33%. La flecha 2 principal queda soportada por su extremo inferior en un alojamiento 5 del tren de accionamiento y su extremo superior por un cojinete 6. El cojinete superior queda soportado por un grupo de cables 7 de guía. La flecha 2 principal se extiende sobre el grupo superior de los brazos 4 de cuchilla por una distancia que es mayor que la longitud de un brazo 4 de cuchilla para que los cables 7 guía se puedan extender a un ángulo de 45 grados hacia los cimientos 8 que están enterrados en la tierra. La Figura 1 muestra una configuración con tres cables guía, aunque es posible utilizar cuatro o más cables guía cuando sea deseado dependiendo de las condiciones del sitio de tierra, topografía y otros factores. La Figura 2 muestra una segunda modalidad preferida de la invención, en donde el rotor incluye tres módulos 9 apilados uno sobre otro. Cada módulo incluye cuatro cuchillas 3 acopladas con una flecha 2 principal a través de los brazos 4 de cuchilla. Cada módulo 9 en la segunda modalidad preferida es similar al rotor de la primera modalidad. La solidez de cada módulo 9 se encuentra entre 30% y 40% y de preferencia, se encuentra al 33%. Los tres módulos 9 mostrados en la Figura 2 están todos conectados con una flecha 2 principal común para que giren juntos. Las cuchillas 3 de tres 12 módulos están apiladas a 30 grados entre módulos. Al apilar las cuchillas, se suaviza la salida de las cuchillas de viento. Aunque en la Figura 2 se muestran tres módulos, sería posible incluir dos módulos o seria posible incluir cuatro o más módulos. Cuando se colocan dos turbinas 1 de viento cercanas entre sí, como se muestra en la Figura 3, la combinación de un flujo lineal y flujo de vórtice desde dos rotores se combina de tal forma que la efectividad de ambos rotores se incrementa. La Figura 4 muestra las dos turbinas de viento en vista en planta, en donde se puede ver que las turbinas con el diámetro D del rotor tienen sus líneas centrales separadas por una distancia L. Cuando L es ligeramente mayor que D, entonces los rotores estarán separados entre sí por una distancia "s" que es igual a L menos D. La separación "s" entre los dos rotores se debe mantener tan pequeña como sea posible mientras que permiten una máquina apropiada y la seguridad del personal. Se prefiere una separación de aproximadamente 1 metro. Esta cercana colocación de los rotores adyacentes es llamada como un arreglo de vórtice acoplado. En la configuración de vórtice arreglado, los dos rotores deben girar en direcciones opuestas con el fin de alcanzar el aumento deseado en la efectividad aerodinámica. Las direcciones de rotación para los dos rotores se señalan por las flechas en la Figura 4. Las turbinas de viento en la disposición de vórtice acoplado se deben orientar de manera que la línea que conecta las líneas centrales de las dos turbinas de viento son perpendiculares a la 13 dirección de viento de energía predominante. En forma ideal, la dirección del viento no debe variar más de 20 grados con relación mostrada en la Figura 4. En sitios con una dirección de viento predominante, como se encuentra en los paisajes de montaña, esto se puede alcanzar con facilidad. Sin embargo, en sitios sin una dirección de viento predominante, es posible que el arreglo del vórtice acoplado para los rotores no funcione correctamente. Como se muestra en la Figura 5, una hilera más larga de las turbinas de viento se puedan arreglar en la disposición de vórtice acoplado. Cuando una hilera larga de turbinas de viento está arreglada de esta forma, la línea central de cada rotor queda separada de la línea central de los rotores adyacentes por una distancia L, la cual es ligeramente más larga que el diámetro D del rotor, de modo que exista una separación "s" pequeña entre cada par de rotores. Como se muestra en la Figura 6, cada rotor debe girar en la dirección opuesta a sus turbinas vecinas. De esta forma, cada segunda turbina girará en sentido de las manecillas del reloj como se ve desde la parte superior mientras que las turbinas intermedias girarán en sentido contrario a las manecillas del reloj como se pueda ver desde la parte superior. Como se muestra en la Figura 7, la hilera de turbinas de viento se puede ubicar debajo de una hilera de turbinas de viento de eje horizontal para formar una configuración de "arbusto". Esto permite4 una mayor extracción de energía de una parcela de tierra. También se puede incrementar el desempeño de las turbinas de viento de eje 14 horizontal al mezclar o reemplazar el aire más bajo de energía a niveles inferiores con mayor aire de energía desde la parte superior. Otra posible sinergia de la configuración arbusto es que los fundamentos para las turbinas de eje horizontal se puede modificar para funcionar como puntos de anclaje para los cables guía que dan soporte a las turbinas de viento del eje vertical en la hilera de vórtice acoplado. Esta configuración es particularmente apropiada para sitios en donde prevalecen los vientos unidireccionales. El tren de accionamiento para la turbina de viento de la presente invención es similar a la descrita en la Patente de Estados Unidos No. 5,027,696 ó 5,332,925; ambas incorporadas en la presente como referencia. Como se muestra en forma esquemática en la Figura 8, el tren de accionamiento consiste de una caja de engranes 10 montada en la flecha que aumenta la velocidad de rotación de la flecha 2 principal a una velocidad que es útil para accionar un generador. Un accionamiento 11 de banda transfiere la potencia a una caja de engranes 10 para un generador 12. El accionamiento 12 de banda puede proporcionar un aumento de adicional y también introduce cierta flexibilidad dentro del accionamiento para suavizar las crestas de torsión. La caja de engranes 10 es un tipo montado de flecha, que al menos que esté restringido, girará en la dirección de torsión. En la modalidad preferida, la caja de engranes queda restringida a un incremento angular pequeño de rotación de modo que la tensión de banda varíe de holgada (sin decaer) a ceñida. Este incremento angular es 15 ajustable. Un absorbedor 13 de impacto restringe la tasa de rotación angular de la caja de engrane 10 en la dirección de torsión positiva que estabiliza el tren de accionamiento durante el inicio y las crestas de torsión de amortiguamiento. Un absorbedor de impactos de tractor de luz estándar se utiliza en la modalidad preferida. Es posible que el accionamiento 11 de la banda se pueda eliminar del tren de accionamiento, aunque la modalidad preferida incluye el accionamiento de banda. El generador 12 es un generador de inducción asincrona estándar en la modalidad preferida. Se pueden utilizar otros tipos de generadores o alternadores que operan a velocidades variables o constantes. El sistema de frenos para la turbina de viento, la cual se muestra esquemáticamente en las Figuras 9 y 10 es un componente crítico. El sistema de frenos se muestra en las Figura 9 en una posición liberada en donde la turbina puede operar. La Figura 10 muestra el sistema de freno en una posición acoplada para detener la turbina. El sistema de freno de la turbina de viento debe asegurar que la turbina de viento no dañe las velocidades en el caso de que se pierda una rejilla de energía o el generador o su mal funcionamiento en el control y por lo tanto, el generador ya no tiene la capacidad de limitar la velocidad de la velocidad de la turbina de viento. El sistema de frenos también debe tener la capacidad de llevar la turbina de viento a una detención en un corto período de tiempo en el caso de una falla u otro problema con la turbina de viento. 16 Como se muestra en las Figuras 9 y 10, el sistema de frenos consiste de un disco 14 de frenos que está ubicado sobre el reborde 15 inferior de la flecha 2 principal. El diámetro interior del disco de freno 14 es ligeramente más grande que el diámetro externo de la gire, lo que permite que el disco 12 gire y se mueva hacia arriba o hacia abajo. El disco 14 queda restringido en su movimiento de rotación con relación a la flecha 2 principal por varios pernos 16, que se ajustan en forma vertical a través del reborde 15 inferior, el disco 14 de freno y un reborde 17 idéntico al reborde 15 inferior. Los rebordes 15 y 17 se sueldan con la flecha 2 principal y sus diámetros externos (que son iguales en tamaño) son mucho menores que el diámetro externo del disco 14 de frenos. El disco 14 de frenos queda libre para moverse en forma vertical entre los rebordes 15 y 17. Existen dos grupos de zapatas de frenos, una grupo de zapatas 19 fijo superior y un grupo móvil inferior de zapatas 19. Las zapatas 19 móviles quedan libres para moverse en forma vertical y para girar en un plano vertical. Las zapatas 19 móviles están montadas en un extremo corto del brazo 20 de freno que gira en el plano vertical en unas flechas 21 de perno de pleno. Un peso 22 está provisto en un extremo del brazo 20 del freno para proporcionar la fuerza de freno. El perno 21 del pleno se coloca de tal forma que la distancia desde el extremo del brazo 20 de freno que proporciona soporte al peso 22, es diez veces la distancia desde el perno 21 al centro de las zapatas 19 del freno móvil. Existen dos brazos 20 de freno paralelos montados uno en cada lado de la flecha 2 principal. 17 Cuando el extremo largo del brazo 20 de freno desciende por debajo del pleno 21, el extremo corto se eleva, lo cual desplaza las zapatas 19 móviles hacia arriba. Las zapatas 19 móviles están ubicadas por debajo del disco 14 de freno y hace contacto con el disco 14 cuando las zapatas 19 se elevan. Con mayor descendimiento del extremo largo de los brazos 20 de freno del disco 14 de freno se eleva hasta que entra en contacto con las zapatas 18 de freno. El disco 14 entonces se empareda entre las zapatas 18 y 19 de frenos superior e inferior. Esta posición se muestra en la Figura 10. La fuerza de frenos es entonces las veces del peso 22 de la ventaja mecánica de la nivelación o diez veces el peso 22. Además de la fuerza mecánica del freno de las zapatas 18 y 19 de los frenos en el disco 14 de freno, la turbina de viento también incluye un sistema para contraer las cuchillas 3 para proporcionar el freno aerodinámico. El sistema de frenos aerodinámicos incluye un disco 23 de activación de cuchilla. El diámetro interno del disco 23 de activación de cuchilla es ligeramente más grande que el diámetro externo de la flecha 2 principal de modo que el disco 23 puede girar alrededor de la flecha principal y moverse hacia arriba o hacia debajo de la flecha 2. Acoplados al disco de activación de cuchillas se encuentra un conjunto de grupo de cables 24 y 25 de contracción de cuchillas. El primer grupo de cables 24 se acoplan con el borde delantero de una cuchilla 3. El segundo grupo de cables 25 se acoplan con el borde posterior de la cuchilla 3. Existen cuatro de cada tipo de cables 24 y 18 25 para que cuando el disco 23 de accionamiento de cuchilla gire con relación a la flecha 2 principal, los bordes delanteros de las cuchillas se muevan lejos de la flecha 2 principal y los bordes posteriores se muevan hacia la flecha 2 para contraer las cuchillas 3. Las cuchillas 3 se montan en forma giratoria en los brazos 4 de cuchilla en una posición entre el borde delantero de las cuchillas y el centro de gravedad de las cuchillas. Debido a que el centro de gravedad está adelante de la posición giratoria, las cuchillas tienden a contraerse a menos que estén restringidas por el cable 24. El disco 23 de activación de cuchilla gira al mismo tiempo que se aplica el freno mecánico. Un grupo de varillas 26 de empuje descansan encima del disco 14 de freno y se extienden hacia arriba hacia el lado inferior del disco 23 de activación del disco. Las varillas 26 de empuje son guiadas y restringidas dentro de los orificios en el reborde 17 y otro reborde 27, el cual está ubicado por debajo del disco 23 de activación de cuchilla. Los orificios en los rebordes 17 y 27 tienen un tamaño aumentado para permitir que las varillas de empuje se muevan en forma vertical a través de los orificios. Cuando se aplica el freno mecánico, el disco 14 de freno se mueve hacia arriba. El movimiento hacia arriba del disco 14 de freno se transmite a través de las varillas 26 de empuje hacia el disco 23 de activación de cuchilla, de manera que el disco 23 de activación de cuchilla también se mueve hacia arriba. Un primer grupo de topes 28 restringe un retén 29 acoplado con el disco 23 de activación de la cuchilla contra el movimiento de rotación con 19 relación a la flecha 2 principal. Sin embargo, cuando las varillas 26 de empuje mueven al disco 23 de activación de cuchilla hacia arriba, el retén 29 en el disco 23 de activación de cuchilla se liberan de los topes 28. La fuerza centrífuga de las cuchillas entonces jala los cables 24 y 25, y por lo tanto, el disco 23 de activación de cuchilla se mueve a una nueva posición en donde el retén 29 se acopla con un segundo grupo de topes 30. El primer grupo de topes 28 corresponde a una posición de contracción de cuchilla para la operación de turbina y el segundo grupo de topes 30 corresponde a una posición de contracción de cuchilla para un freno aerodinámico. En forma ideal, las cuchillas se deben contraer aproximadamente 45 grados entre los topes 28 y los topes 30. Un grupo de resortes 31 jala al disco 23 de activación de frenos a su posición operativa en donde un retén 29 se acopla con los topes 28. Cuando la velocidad del rotor disminuye, la fuerza centrífuga de las cuchillas no es lo suficientemente alta para superar la fuerza de los resortes 31 y las cuchillas regresan a su posición operativa. Cuando se libera el freno mecánico, las varillas 26 de empuje se mueven hacia abajo y permiten que los retenes caigan en una posición donde quedan retenidos por los topes 28. De esta forma, las cuchillas se contraen durante la operación de frenado para proporcionar un frenado aerodinámico, pero regresan automáticamente a su posición operativa en donde el freno se libera. Los frenos aerodinámicos se muestran en la Figura 9, en su posición operativa y en la Figura 10, en su posición de tope, con las cuchillas contraídas. 20 En la modalidad mostrada en la Figura 2, en donde la turbina de viento incluye tres módulos apilados, de preferencia, el módulo aerodinámico se incluye solamente en el módulo inferior. Las cuchillas en los otros dos módulos quedan fijas en contracción con el fin de reducir al mínimo el desgaste y el mantenimiento en los módulos superiores. Como se muestra en las Figuras 9 y 10, el sistema de frenos se activa con un cilindro 32 neumático que eleva y desciende el peso 32 y el extremo de los brazos 20 de frenos. Cuando el extremo inferior del cilindro 32 se presuriza, el pistón interno se fuerza hacia arriba, lo que eleva el peso 22 y los brazos 20 de freno. El cilindro 30 se debe presurizar para liberar el freno y el freno se aplica cuando se libera la presión en el cilindro. El suministro 33 de aire presurizado al cilindro 32 se controla para controlar el sistema de frenos. Un compresor 34 de aire suministra el aire comprimido para los cilindros 32 de aire en varias turbinas de viento adyacentes. El flujo dentro y fuera del cilindro de aire es controlado por una válvula 35 solenoide. La válvula 35 se energiza en forma eléctrica por un circuito 36, que también proporciona energía al generador 12, para que el freno se active cuando se interrumpa la energía al generador 12. La línea 33 del aire comprimido está abierta entre el cilindro 32 y el compresor 34. Cuando la energía eléctrica a la válvula 33 se interrumpe, la válvula 33 se cierra entre el compresor 34 y el cilindro 32 y escapa del aire presurizado del cilindro 32, lo cual provoca que el peso 22 y los brazos 20 de freno se caigan, lo que acopla el sistema de frenos. 21 Esto es un diseño de falla segura, debido a que la pérdida de energía desenergizará la válvula 35 solenoide y liberará la presión en la línea 33 de3 aire que suministra al cilindro 32 neumático, lo cual provoca que se aplique el freno. La energía eléctrica a la válvula 33 se puede interrumpir por una falla en el circuito de turbina o en el suministro de utilidad. También, se puede ver interrumpida por una interrupción manual del solenoide 36 y del circuito 37 compresor con un interruptor 38 de válvula. Además de la conmutación manual, un interruptor 39 arbitrario en el circuito 36 del solenoide se puede conmutar por un brazo 40 de desconexión, que se mueve dentro del trayecto del interruptor 39 arbitrario para apagarlo. El brazo 40 de desconexión y el interruptor 39 arbitrario se muestran en la Figura 11. El interruptor 38 manual y el interruptor 39 arbitrario deben reajustarse en forma manual o reajustarse a través de un software de control. Cuando existe una falla en el circuito de utilidad, el freno se acoplará, pero automáticamente se desacoplará cuando se restaure la electricidad.

Como se muestra en la Figura 11, el interruptor 39 arbitrario se activa por un brazo 40 de desconexión. El brazo 40 de desconexión se monta en el reborde 15 de flecha principal. El brazo 40 de desconexión queda libre para girar lejos de la flecha 2 principal pero queda restringido por un resorte 41. La tensión del resorte 41 se puede ajustar para que el brazo 40 de desconexión se mueva hacia una posición para desconectar el interruptor 39 arbitrario cuando la velocidad del rotor esté sobre una velocidad aceptable, es decir, 22 ligeramente sobre la velocidad de generación. De preferencia, el brazo 40 de desconexión es de acero para proporcionar suficiente masa y por lo tanto, mayor fuerza centrífuga. En modalidades alternativas, el interruptor 39 puede activarse por sensores de velocidad de estado sólido o por un controlador PLC. Aunque el sistema de frenos incluye frenos aerodinámicos y mecánicos, y aunque el sistema de activación es seguro de fallas, la experiencia con turbinas de viento ha demostrado que es deseable incluir otro sistema de desconexión de frenos mejorado, con el fin de evitar turbinas de viento disparadas. En las Figuras 9 y 10 se muestra un sistema gobernador de velocidad del rotor redundante. Un grupo de brazos 42 con peso y un cojinete montado en los brazos 4 de cuchilla superior del módulo del rotor inferior. Se emplean dos brazos 42 en la modalidad preferida. Los brazos 42 cuelgan hacia abajo cuando el rotor está en descanso. Cuando aumenta la velocidad del rotor, los brazos 42 cuelgan hacia arriba y hacia fuera. Un cable 43 se acopla con cada brazo 42 a una distancia apropiada desde el punto giratorio del brazo y se conecta con la parte superior del disco 23 de activación de cuchilla. Cuando la velocidad del rotor excede una velocidad sobre la velocidad de desconexión del interruptor 39 arbitrario, se desarrolla suficiente tensión en el cable 43 para elevar el disco 23 fuera de su primer grupo de topes 28. Las cuchillas 3 entonces, quedan libres para contraerse a un ángulo de 45 grados de contracción. El efecto de frenos aerodinámicos mantiene la velocidad del rotor dentro de un intervalo 23 estructuralmente seguro. Esto es un sistema de seguridad de fallas para protección del rotor. El extremo inferior de la flecha 2 principal está soportado por dos cojinetes inferiores 44 y 45, como se muestra en la Figura 8. El cojinete principal o cojinete 44 superior se monta en una viga 46 transversal de soporte sobre la caja 10 de engranes y los cimientos. El sistema de flecha incluye la flecha 2 principal y una flecha 47 de accionamiento. Este sistema de flecha puede girar alrededor del cojinete 44 principal. Ambos cojinetes quedan alineados en forma segura. El sistema de flecha, incluyendo la flecha 2 principal y la flecha 47 de accionamiento, se inclina debido a los cables guía 7 que se pueden estirar bajo la carga. El cojinete 45 inferior debe tener la capacidad de moverse en el plano horizontal para liberar loas tensiones de doblado en la flecha 47 de accionamiento. El cojinete 45 es más pequeño que el cojinete 44 principal. La flecha de accionamiento está escalonada por su parte inferior para alojar al cojinete 45 y para que el cojinete 45 pueda compartir las cargas de impulso del cojinete 44 principal. El cojinete inferior descansa en una placa 48 que descansa en una superficie 49 de cojinete de rodillo, mostrada en la Figura 12. La superficie 49 de cojinete de rodillo permite que la placa 48 de soporte del cojinete se mueva libremente en el plano horizontal para liberar el doblado en la flecha 47 de accionamiento. Todas las placas quedan soportadas por el cimiento 50 a través de varias placas que se mantienen en su lugar en forma horizontal por pernos de anclaje que sobresalen de los 24 cimientos 50. El cojinete 43 inferior descansa en la placa 48 mediante los pernos 51 de cojinete ajustabíes que se pueden ajusfar para compartir una carga específica entre el cojinete 44 principal y el cojinete 45 inferior. La Figura 10 muestra la forma en que la superficie 49 de cojinete de rodillo es una superficie formada por una disposición de cojinetes de bola 52 sostenido en su lugar por una estructura 53. Todos los cojinetes de bola 52 tienen un diámetro igual. El diámetro del cojinete 52 de bola es mayor que el espesor de la estructura 53 para que las placas de acero sobre los cojinetes 52 de bola descansen en cojinetes esféricos. La placa 48 de cojinete superior puede girar alrededor de estos cojinetes 52. Las placas superior 48 e inferior 51 se engrasan en las superficies adyacentes a los cojinetes 52 esféricos. Mientras que las modalidades preferidas de la invención han sido mostradas y descritas, las personas experimentadas en la técnica podrán reconocer que se pueden llevar a cabo modificaciones en las modalidades sin apartarse del alcance de la invención. Por lo tanto, se tiene el propósito que la invención no esté limitada a las modalidades particulares expuestas, por el contrario, el alcance de la invención será definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims

25 REIVINDICACIONES

1. Un par de turbinas de viento con base elevada, caracterizado porque cada turbina de viento comprende: una flecha que gira alrededor de un eje vertical; una cuchilla acoplada con la flecha para la rotación con la misma, en donde la cuchilla está separada en forma radial hacia fuera desde la flecha por un radio predeterminado; y un sistema de frenos que aplica un freno aerodinámico cuando se activa el sistema de frenos; en donde las flechas del par de turbinas de viento con base elevada están separadas entre sí por una distancia que es menos a tres veces el radio y mayor que dos veces el radio, y en donde la interacción aerodinámica entre las turbinas de viento aumenta la efectividad de las mismas.

2. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizadas porque la flecha de la primera de una de las turbinas de viento gira en una primera dirección predeterminada y la flecha de una segunda de las turbinas de viento gira en una dirección opuesta a la una de las turbinas de viento.

3. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizadas porque las flechas del par de turbinas de viento están separadas entre sí por una distancia que es mayor que dos veces el radio pero menor que dos veces el radio más tres metros. 26

4. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizadas porque las flechas del par de turbinas de viento están separadas entre sí por una distancia que es mayor que dos veces el radio, pero que es menor dos veces el radio más 1.50 metros.

5. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizadas porque las flechas del par de turbinas de viento están separadas entre sí por una distancia que es esencialmente igual a dos veces el radio más noventa centímetros.

6. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizadas porque las turbinas de viento tie4nen una solidez del rotor que es más alta que el 30% y menor que el 40%.

7. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizadas porque tienen una solidez del rotor que es esencialmente del 33%.

8. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizadas porque el sistema de frenos es un sistema de frenos seguro de fallas.

9. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 8, caracterizadas porque el sistema de frenos se puede re-ajustar.

10. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 8, caracterizadas porque el sistema de frenos incluye un activador neumático. 27

11. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 10, caracterizadas porque un único compresor de aire proporciona el aire comprimido para el activador neumático para ambas turbinas de viento en el par de turbinas de viento.

12. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizadas porque además comprenden una tercera turbina de viento en donde la tercera turbina de viento comprende: una torre; una flecha que gira alrededor de un eje esencialmente horizontal; una cuchilla acoplada a la flecha para la rotación con la misma, en donde el trayecto de barrido de la cuchilla define un rotor con alturas extremas superior e inferior; y en donde las turbinas de viento de eje horizontal están dispuestas adyacentes al par de turbinas de viento de eje vertical, de modo que la altura extrema inferior de la turbina de viento del eje horizontal es más alta que la parte superior de las turbinas de viento del eje vertical.

13. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizadas porque las turbinas de viento se instalan en una ubicación con una dirección predominante de viento y en donde una línea entre las flechas del par de turbinas de viento es esencialmente perpendicular a la dirección predominante del viento. 28

14. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizadas porque están adaptadas para proporcionar en general, un flujo no obstruido de viento entre las turbinas de viento.

15. Un par de turbinas de viento con base elevada, caracterizado porque cada turbina de viento comprende: una flecha que gira alrededor de un eje vertical; y una cuchilla acoplada con la flecha para la rotación con la misma, en donde la cuchilla está separada radialmente hacia afuera de la flecha por un radio predeterminado; y un sistema de frenos que aplica un frenado aerodinámico cuando se activa el sistema de frenos; en donde las flechas del par de turbinas de viento con base elevada están separadas entre sí por una distancia que es menor que tres veces el radio, en donde el par de turbinas de viento con base elevada se adaptan para proporcionar un flujo por lo general no obstruido de viento entre las turbinas de viento.

16. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 15, caracterizadas porque la flecha de una primera turbina de viento gira en una primera dirección predeterminada y la flecha de una segunda de las turbinas de viento gira en una dirección opuesta a la primera de las turbinas de viento.

17. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 15, caracterizadas porque las turbinas de viento se instalan en una ubicación con una dirección predominante de viento 29 y en donde una línea entre las flechas del par de turbinas de viento es esencialmente perpendicular a la dirección predominante del viento.

18. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 15, caracterizadas porque además comprenden una tercera turbina de viento, en donde la tercera turbina de viento comprende; una torre; una flecha que gira alrededor de un eje esencialmente horizontal; una cuchilla acoplada con la flecha para la rotación con la misma, en donde el trayecto de barrido de la cuchilla define un rotor con alturas extremas superior e inferior; en donde las turbinas de viento de eje horizontal están arregladas adyacente al par de turbinas de viento de eje vertical de manera que la altura extrema inferior de la turbina del eje horizontal es más alta que la parte superior de las turbinas de viento del eje vertical.

19. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 15, caracterizadas porque las turbinas de viento también comprende un sistema de frenos seguro de fallas.

20. Las turbinas de viento de conformidad con la reivindicación 19, caracterizadas porque el sistema de frenos es re-ajustable.