ES1312006U - Generador eólico - Google Patents

Abstract

Generador eólico, de eje vertical, con palas orientables en función de la dirección del viento, que permiten aprovechar fuerzas del viento de cualquier intensidad caracterizado por constar de una base soporte (1), de un mástil principal (2), giratorio, de una estructura portante (3), solidaria con el mástil principal (2), de un grupo de palas planas, dotadas de varillas con almohadilla de contrapeso, las cuales son auto orientables y giratorias según un eje vertical paralelo al eje virtual del mástil principal (2), de un grupo de generación eléctrica, transmisión, regulación (7) y de un cerramiento perimetral (5).

Description

DESCRIPCIÓN

Generador eólico

Objeto técnico de la invención

La presente invención se refiere a un generador eólico de eje vertical que se caracteriza por tener un grupo de palas auto orientables. Su diseño permite aprovechar fuerzas del viento de cualquier intensidad. Aunque en el presente documento se hace referencia a un proyecto de cuatro palas, la invención puede desarrollarse para generadores de tres, cuatro o hasta seis palas. La energía eólica recibida por el eje, se transmite a un generador de los habituales, según el estado de la técnica actual, que se complementa con un regulador de velocidad para evitar posibles momentos de velocidades excesivas por embalamiento. Igualmente se puede completar con baterías de acumuladores para la utilización de la energía cuando se considere conveniente.

Sector de la técnica al que se refiere la invención

La invención que se presenta afecta a la Sección de Mecánica de la Clasificación Internacional de Patentes (CIP), capítulo de Motores y Bombas en el apartado concerniente a Motores de Viento o Hidráulicos, incidiendo desde el punto de vista industrial, en la fabricación de generadores especiales que aprovechan energías renovables.

Antecedentes de la invención

Se conoce un gran número de aerogeneradores de eje horizontal y vertical con diferentes tecnologías de motores y tipologías de rotor y palas. En cuanto a los de eje vertical, existen varios antecedentes con uno o varios rotores, rotor de palas desplazable en altura, palas de orientación optimizada, paras de estructura variable, dispositivos multiplicadores, equipos con imanes permanentes, reguladores de arranque con vientos débiles y muchos otros.

Lo mismo puede decirse de los de eje horizontal que, hoy día son los más extendidos en las plantas eólicas de generación de energía, con tecnología muy desarrollada a pesar de ser de gran tamaño. En algunos casos son objeto de duras críticas por los ecologistas que se oponen al deterioro visual del paisaje natural.

No obstante, no se han desarrollado dispositivos basados en aerogeneradores de eje vertical con aspas planas auto orientables, según ha concebido el inventor de la presente propuesta, que constituye una novedad en este campo de la técnica, con las correspondientes ventajas respecto a aerogeneradores ya existentes, en especial los relativos al funcionamiento con vientos de intensidad variable.

Descripción sumaria de la invención

Tal como se ha indicado al principio del documento, la invención se refiere a un generador eólico de eje vertical, de palas auto orientables, proyectado para funcionar, como cualquier otro, con vientos de intensidad variable y también con los de baja intensidad resultando muy apropiado para su instalación en terrazas de casas particulares, fincas rústicas y otros lugares alejados de los centros urbanos donde es difícil y oneroso el disponer de energía eléctrica de la red general.

Se trata de un generador eólico de construcción muy económica, sencilla y de fácil instalación en cualquier lugar al ser de un tamaño relativamente pequeño.

En el dispositivo de la invención se distinguen las siguientes partes:

- Base soporte

- Mástil principal

- Estructura portante

- Palas

- Varillas con almohadillas de contrapeso

- Generador eléctrico

- Elementos de transmisión

- Regulador de velocidad

- Valla perimetral de protección

La base soporte es donde se asienta todo el dispositivo.

El mástil principal es el elemento axial giratorio que está sujeto, por su parte baja, en la base soporte con un juego de rodamientos que le mantienen en vertical de una manera firme. En generadores de gran tamaño, se piensa en la colocación de rodamientos tanto en la parte baja como en la parte alta mediante una estructura externa adecuada. Este sistema de sujeción del mástil principal asegura mucho mejor la verticalidad y estabilidad del eje virtual de giro. Debe tenerse en cuenta que las solicitaciones a que está sometido dicho mástil, son siempre muy importantes, pero especialmente con vientos fuertes.

La estructura portante es una estructura indeformable que soporta el sistema de palas estando solidarizada en su parte central con el mástil principal.

Las palas constituyen las piezas fundamentales del dispositivo de la invención. Son placas rígidas de poco espesor, sensiblemente planas, con bordes perimetrales redondeados. Parte muy importante de las palas es su eje de giro vertical, paralelo al eje virtual del mástil principal. Están sustentadas mediante cojinetes de bronce o de bolas para conseguir un giro con mínimos rozamientos estando equipadas con sendas varillas con almohadillas de contrapeso que, además de contrapesar la fuerza centrífuga del giro de la pala, definen una posición límite de giro de cada pala cuando esta pasa de su posición activa a la posición pasiva. El peso de cada pala es igual a la suma del peso de la varilla más su correspondiente almohadilla.

El resto de los elementos antes mencionados son ciertamente muy importantes, pero no se va a incidir en ellos por no caracterizar la invención. El generador eléctrico, los elementos de transmisión y el regulador de velocidad son elementos sobradamente conocidos según el estado de la técnica actual y en cuanto a la valla perimetral de protección es un elemento indispensable desde el punto de vista de la seguridad de las personas que deambulen por las proximidades del generador eólico.

En el apartado de dibujos que se incluye a continuación, como parte inseparable del documento, se muestra de forma esquemática la solución concebida por el inventor sin perjuicio de que se puedan introducir pequeñas modificaciones que no alteren la esencia de la invención.

Breve descripción de los dibujos

Se incluyen siete figuras, que se consideran suficientes para la correcta interpretación de la invención. En este documento se hace referencia a un generador de cuatro palas, pero el número de estas puede ser otro distinto.

Figura 1

En esta figura se representa, de forma esquemática, la vista superior del generador eólico. Se han señalado los siguientes elementos:

1. - Base soporte

2. - Mástil principal

3. - Estructura portante

4.1. - Pala 1

4.1.1. - Eje de pala primera

4.1.2. - Varilla con almohadilla de contrapeso primera

4.2. - Pala 2

4.2.1. - Eje de pala segunda

4.2.2. - Varilla con almohadilla de contrapeso segunda

4.3. - Pala 3

4.3.1. - Eje de pala tercera

4.3.2. - Varilla con almohadilla de contrapeso tercera

4.4. - Pala 4

4.4.1. - Eje de pala cuarta

4.4.2. - Varilla con almohadilla de contrapeso cuarta

5. - Cerramiento perimetral

6. - Dirección del vector viento

Figura 2

Muestra la vista lateral del generador eólico. La única pala activa es la pala 1 al tener orientada su superficie en un plano perpendicular a la dirección del viento. Las demás palas son inactivas pues están orientadas en la misma dirección del viento.

7. - Grupo de generación eléctrica, transmisión, regulación

Figura 3

En esta figura se representa el generador eólico, en vista superior, en el que se ha registrado un giro de ángulo alfa. La posición de partida se representa en línea de puntos que es coincidente con la mostrada en la figura 1. El caso de la pala 2 es crítico y requiere atención especial. Se puede observar que ha experimentado un giro de 180 grados pasando de una posición inactiva a otra posición también inactiva por estar orientadas en la misma dirección del viento. En las figuras 5, 6 y 7, se justifica este volteo.

8. - Angulo "a" de giro

Figura 4

Esta figura muestra una vista lateral de la figura anterior. Las palas primera y cuarta están en posición activa y las palas segunda y cuarta están en posición pasiva funcionando como veletas, orientándose en la misma dirección del viento.

Figura 5

Es una vista parcial superior del generador que muestra la posición inicial y momentánea de la pala 2, así como la dirección del vector viento.

Figura 6

Es la vista parcial superior del generador que muestra la posición de la pala 2 cuando se ha registrado un pequeño giro. Se indica que el vector viento se descompone en un vector F1 orientado en la dirección de la pala 2 y en otro pequeño vector F2 que provoca el inicio del volteo de la pala 2.

9. - F1. Componente del vector viento en la dirección de la pala 2

10. - F2. Componente del vector viento perpendicular a la pala 2

Figura 7

Es la vista parcial superior que muestra el volteo de la pala 2 desde su posición inicial en línea de puntos hasta su posición final en la dirección del vector viento, es decir empezando a funcionar como veleta.

Explicación detallada de un modo de realización de la invención

Generador eólico (Figs. 1 a 7), consistente en un generador eólico, de eje vertical, con la propiedad de tener un grupo de palas auto orientables. Para simplificar la descripción nos vamos a referir a un generador de cuatro palas que es el representado en las figuras, pero dicho número de palas no es determinante pues el inventor no descarta otros números que, preferentemente, van de tres a seis.

En un modo de realización preferido por su inventor tiene, como componentes más importantes, una base de soporte (1), un mástil principal (2), una estructura portante (3), un grupo de palas (4.1, 4.2, 4.3 y 4.4) y un grupo que incluye el generador eléctrico, con sus transmisiones y elementos de regulación (7). El conjunto se complementa con una valla de cerramiento perimetral de protección (5).

La base soporte (1) puede estar a nivel del suelo, en un tejado, en una terraza o a mayor altura para la mejor captación del viento en función de la localización que se elija para el aerogenerador. En dicha base soporte (1) es donde se inserta el mástil principal (2), giratorio, mediante uno o más rodamientos. Dado que la altura del mástil (2) puede tener una dimensión importante, se ha previsto también una solución alterativa en la que el mástil principal (2) tenga otro apoyo superior dotado de los correspondientes rodamientos. De esa forma se asegura una firme sujeción del eje virtual de giro, evitando posibles vibraciones a velocidades de giro elevadas.

El mástil principal (2) es el que soporta la estructura portante (3) que puede ser de cualquier tipo a base de barras y anillos interconectados conformando una estructura rígida capaz de soportar las fuertes solicitaciones que se recibirán a través de las palas.

Las palas 1, 2, 3 y 4 con referencias (4.1, 4.2, 4.3 y 4.4) son los elementos fundamentales de la invención, siendo de material rígido y teniendo una forma plana de poco grosor con bordes redondeados. Cada pala está relacionada con la estructura portante (3) mediante un eje vertical de giro que, tal como se puede observar en las (Figs. 1 y 2), tiene una referencia determinada.

Así, al eje de la pala 1 (4.1) se le ha asignado la referencia (4.1.1). Para mayor claridad se incluye una vista ampliada de la zona donde se encuentra el eje de la pala primera (4.1.1), aplicándose la misma solución al resto de las palas (4.2, 4.3 y 4.4) cuyos ejes se han referenciado como (4.2.1,4.3.1 y 4.4.1), respectivamente.

Por otra parte, cada una de las palas está dotada de una varilla con almohadilla de contrapeso que se han referenciado de la misma forma es decir las palas (4.1, 4.2, 4.3 y 4.4) tienen respectivamente, las varillas con almohadillas de contrapeso (4.1.2, 4.2.2, 4.3.2 y 4.4.2). Cada varilla esta insertada en la pala correspondiente formando un conjunto solidario, teniendo en su extrema una almohadilla en forma de pequeño ovoide, tal como se representa en las (Figs. 1, 2, 3 y 4). El peso de cada pala es idéntico al de la suma de los pesos de cada varilla con su correspondiente almohadilla. Es decir, se trata de un conjunto equilibrado respecto a su eje de giro, de las que técnicamente se comportan según lo que se conoce como equilibrio indiferente. Es decir, pueden quedar en cualquier posición si no reciben solicitaciones exteriores que en el caso de la invención se concretan en el viento y en elementos de la estructura portante. El conjunto pala-varilla/almohadilla se comporta como una veleta, orientándose siempre en la dirección del viento, a no ser que se lo impida la propia estructura haciendo de tope. Estando equilibradas las fuerzas centrifugas generadas en los giros, se puede ver que palas y almohadillas tienen limitados sus giros a un máximo de 180 grados sexagesimales tal como se representa en las (Figs.1, 3, 6 y 7) pues siempre se llega a una situación en la que, sea la pala o sea la almohadilla, sufren la interposición de elementos de la estructura portante (3) que hacen de tope.

En cuanto al generador eléctrico, con sus transmisiones y elementos de regulación (7), no vamos a detenernos en su descripción pues son aplicables cualquiera de las soluciones sobradamente conocidas en el actual estado de la técnica.

Lo mismo diremos en cuanto a la valla perimetral de cerramiento (5), cuya función es de seguridad para las profesionales u operarios que, por cualquier razón, se tengan que acercar al generador eólico pues, en pleno funcionamiento, supone un grave peligro para la integridad de las personas.

Una vez descrita esta parte, referente a los elementos que componen el dispositivo de la invención, vamos a entrar en la parte esencial de dicha invención que es su modo de funcionamiento.

En la (Fig.1), donde están representadas las cuatro palas y también la dirección del vector viento (6), se puede observar que la única pala activa es la pala primera (4.1) donde el vector viento (6) incide perpendicularmente a la misma. No puede girar sobre su eje (4.1.1) porque la propia pala (4.1) está haciendo contacto con elementos de la estructura portante (3). Por lo tanto, el efecto del viento (6), sobre la pala (4.1), es hacer girar al generador eólico, en el sentido de las agujas del reloj, sobre el eje virtual vertical del mástil principal (2).

La pala segunda (4.2) está en equilibrio inestable, pero, en principio, el viento (6) no le afecta porque sopla en dirección paralela al plano de dicha pala. La pala tercera (4.3) está en condiciones de girar en cualquier sentido sobre su eje (4.3.1), pues no hay nada que se lo impida. Su máximo giro antihorario sería de 90 grados sexagesimales pues la pala (4.3) haría contacto con la estructura y su máximo giro en sentido horario seria también de 90 grados sexagesimales pues la almohadilla haría contacto con la estructura. No obstante, al existir el efecto del vector viento (6), la pala tercera (4.3) queda obligada a comportarse como una veleta, es decir, a orientarse en la dirección del viento. Por último, la pala cuarta (4.4) no puede girar en sentido antihorario, pues se lo impide la estructura portante (3) y tampoco puede girar en sentido horario pues el vector viento (6) la obliga a mantenerse en esa dirección, es decir, actúa como una veleta con movimiento restringido por la estructura portante (3).

En resumen, lo que ocurre, en el instante representado en las (Figs.1 y 2), es que las palas segunda, tercera y cuarta (4.2, 4.3 y 4.4), están en posición pasiva y no aportan nada al aerogenerador que gira sobre el eje del mástil (2) gracias a la pala primera (4.1), única en posición activa.

Si ahora pasamos a las (Figs.3 y 4) donde se muestra que el aerogenerador ha girado un ángulo "a" (8), observamos lo siguiente. (Para facilitar la comprensión, se ha representado la posición inicial en líneas de puntos).

La pala primera (4.1), sigue en posición activa y no puede moverse porque el vector viento (6) la presiona contra la estructura portante (3).

La pala segunda (4.2), está en posición pasiva y orientada por efecto veleta, pero ha sufrido un cambio importante pues ha girado, sobre su propio eje (4.2.1), un ángulo de 180 grados. En párrafos posteriores se explica el motivo de este cambio.

La pala tercera (4.3), sigue en posición pasiva comportándose según el efecto veleta, es decir, se auto orienta en la dirección del vector viento (6).

La pala cuarta (4.4), ha cambiado a una posición activa quedando presionada e inmovilizada contra la estructura portante (3) por el vector viento (6).

En resumen, en el instante representado en las (Figs.3 y 4) las palas (4.1) y (4.4) son activas, generando energía y las palas (4.2) y (4.3) son pasivas, comportándose como veletas.

El momento importante, en el que se produce el cambio de orientación de la pala segunda (4.2), está representado en las (Figs. 5, 6 y 7) que muestran las vistas parciales del aerogenerador en el entorno de dicha pala.

En la (Fig.5) se representa la pala segunda (4.2) en una posición que antes hemos calificado como "inestable" pues, si bien es cierto que no puede girar en sentido antihorario por impedírselo la estructura portante (3), no es menos cierto que cualquier empuje lateral puede provocar el inicio del giro de la pala (4.2) sobre su eje (4.2.1) en sentido horario. De momento eso no ocurre porque el vector viento (6) sopla paralelamente al plano de la pala segunda (4.2) pero insistimos en que la situación es crítica.

En la (Fig. 6) se muestra un momento en que el aerogenerador ha girado un pequeño ángulo, impulsado por la pala primera (4.1), única pala activa, tal como ha quedado descrito en párrafos anteriores. En la parte derecha de dicha (Fig. 6) se ha representado el esquema de la descomposición vectorial del vector viento (6). Se puede ver que el vector viento (6), en esa posición, se descompone en un vector F1 (9), en la dirección del plano de la pala segunda (4.2) y en otro vector F2 (10) en dirección perpendicular al plano de dicha pala segunda. Ese pequeño vector F2 (10), es suficiente para romper el equilibrio "inestable" de la pala segunda, al que antes nos hemos referido y, en consecuencia, se inicia un giro en sentido horario tal como queda insinuado en la (Fig. 6).

En la (Fig. 7) se muestra el estado final de la pala 2 una vez completado el giro sobre su eje (4.2.1). En el caso de que dicho giro sea muy enérgico existe un límite de 180 grados que queda asegurado por el contacto de la varilla con almohadilla de contrapeso segunda (4.2.2) con la estructura portante (3). A partir de ese momento, por lo dicho anteriormente, la pala segunda pasa a ser pasiva, comportándose como una veleta. Para giros muy violentos, según la fuerza del viento, las palas están equilibradas con sus varillas y almohadillas de contrapeso amortiguándose las fuerzas centrífugas que se generan.

Se comprende que lo dicho para un pequeño giro, se acentúa a medida que el giro del aerogenerador vaya siendo mayor pues el vector F2 (10) va aumentando en intensidad, lo cual garantiza el cambio de orientación de la pala segunda (4.2).

Se comprende también que lo que se ha descrito, en referencia al comportamiento de la pala segunda, es válido para todas las palas del aerogenerador que, sucesivamente, van pasando por ese punto alto que nos ha servido para explicar el comportamiento de una pala concreta.

Se consigue así el giro continuo del generador eólico con intervención de sus palas auto orientables que van pasando de situaciones activas a situaciones pasivas. En el caso del generador de cuatro palas siempre hay dos palas pasivas y dos activas que van ejerciendo un empuje mayor o menor según su ángulo de orientación respecto a la del vector viento.

Una ventaja muy importante del aerogenerador de la invención es que siempre está bien posicionado, sea cual sea la dirección del viento, cosa que no ocurre con la mayoría de los generadores eólicos que deben modificar la orientación de su cabezal en función de la dirección del viento.

No se considera necesario hacer más extenso el contenido de esta descripción para que un experto en la materia pueda comprender el alcance y las ventajas derivadas de la invención, así como desarrollar y llevar a la práctica el objeto de la misma. Sin embargo, debe entenderse que la invención ha sido descrita según una realización preferida de la misma, por lo que puede ser susceptible de modificaciones siempre que ello no repercuta o suponga alteración alguna del fundamento de dicha invención. Es decir, los términos en que ha quedado expuesta esta descripción preferida de la invención, deberá ser tomada siempre con carácter amplio y no limitativo.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Generador eólico, de eje vertical, con palas orientables en función de la dirección del viento, que permiten aprovechar fuerzas del viento de cualquier intensidadcaracterizadopor constar de una base soporte (1), de un mástil principal (2), giratorio, de una estructura portante (3), solidaria con el mástil principal (2), de un grupo de palas planas, dotadas de varillas con almohadilla de contrapeso, las cuales son auto orientables y giratorias según un eje vertical paralelo al eje virtual del mástil principal (2), de un grupo de generación eléctrica, transmisión, regulación (7) y de un cerramiento perimetral (5).

2. Generador eólico, según la reivindicación primera,caracterizadoporque las palas, con sus correspondientes varillas con almohadilla de contrapeso, tienen limitado su ángulo de giro a un valor máximo de 180 grados sexagesimales, por su disposición constructiva respecto a la estructura portante (3).

3. Generador eólico, según las reivindicaciones primera y segunda,caracterizadoporque el peso de cada pala es idéntico al de la suma de cada varilla y su correspondiente almohadilla de contrapeso lo cual sirve de compensación de las fuerzas centrifugas generadas en los giros de las palas.

4. Generador eólico, según la reivindicación primeracaracterizadoporque el grupo de palas está formado, preferentemente, por un número de tres, cuatro, cinco o seis.