ES2228124T3 - Aerogenerador de palas oblicuas. - Google Patents

Aerogenerador de palas oblicuas.

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ES2228124T3 ES99954066T ES99954066T ES2228124T3 ES 2228124 T3 ES2228124 T3 ES 2228124T3 ES 99954066 T ES99954066 T ES 99954066T ES 99954066 T ES99954066 T ES 99954066T ES 2228124 T3 ES2228124 T3 ES 2228124T3
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Abstract

Aerogenerador montado sobre un mástil vertical (2) y que comprende una hélice (1) accionada por el viento que está equipada con palas (6) soportadas por un cubo (7) de gran diámetro, de eje horizontal, así como un alternador que coopera con la hélice (1) para proporcionar energía eléctrica y que está equipado, por una parte, con un rotor magnético (4) fijado al cubo (7) preferiblemente a la altura del máximo diámetro disponible, y por otra parte, con un estator (5) de bobinas magnéticas adyacente al rotor (4) y fijado en un chasis fijo (22) solidario a una caperuza de revolución (9) que prolonga el cubo (7) coaxialmente al mismo para de este modo constituir una carrocería ahusada en la cual está alojado el alternador, - el cubo está prolongado en su parte corriente arriba solidariamente en rotación por un morro aerodinámico (20) que cubre preferiblemente los pies de las palas (6) y se prolonga en su parte corriente abajo por la caperuza de revolución fija (22) solidaria al estator (5), y -las palas (6) están rodeadas, cerca de sus extremos (55) por un carenado circular divergente (8) de longitud relativamente pequeña, montado concéntricamente al cubo (7).

Description

Aerogenerador de palas oblicuas.
La presente invención se refiere a un aerogenerador montado sobre un mástil vertical y que comprende una hélice accionada por el viento y que coopera con un alternador para proporcionar energía eléctrica.
Los especialistas intentan desde hace mucho tiempo recuperar la energía eólica que tiene la ventaja de ser limpia, es decir que no genera contaminación térmica o química, y de ser al mismo tiempo inagotable.
Estas ventajas están, sin embargo, compensadas en gran medida por una serie de inconvenientes particularmente ligados al carácter disperso e intermitente del viento, además, es bien conocido que los "parques eólicos" consumen mucho espacio y producen algunas molestias sonoras.
Estos inconvenientes hacen que el mercado de los aerogeneradores no haya conocido en estos últimos años el auge que se podría haber esperado, y que las perspectivas de desarrollo en este campo sean actualmente muy amplias.
Más concretamente, los aerogeneradores actualmente utilizados, están la mayoría de las veces, equipados con hélices de palas radiales y de eje horizontal análogas a las que permiten la propulsión de los aviones, pero, por regla general, mucho más grandes. Tales hélices cooperan convencionalmente con las dinamos o los alternadores industriales con accionamientos multiplicadores de velocidad, lo que las hace pesadas, caras y con bajos rendimientos.
Igualmente, ya se han propuesto turbinas con eje vertical y palas verticales llamadas "panemonas" que presentan la ventaja de ser menos costosas y sin depender de elementos que permiten su orientación frente al viento, pero tienen un rendimiento mediocre.
En estos dos sistemas, las palas son frágiles, y están sujetas a las vibraciones y a las resonancias, lo que ocasiona roturas bien por fatiga o bien por las ráfagas de viento; estos elementos, mal protegidos, pueden entonces ser muy peligrosos.
Un tercer tipo de aerogenerador, ya descrito desde el punto de vista teórico en diversas publicaciones, pero todavía no utilizado a escala industrial comprende palas oblicuas que salen de un gran cubo y cuyas generatrices están situadas a lo largo de un cono truncado frente al viento. Este último arrastra la palas en rotación al estar guiado por un conjunto difusor constituido por el cubo, las palas, y en su caso, por un carenado concéntrico montado alrededor de los extremos de éstas.
En tal sistema, la circulación del aire es divergente, lo que permite obtener una sobrevelocidad a la altura de las palas y aumenta la energía transmitida; además, las palas oblicuas son más largas que las palas radiales de igual diámetro útil y son activas en toda esta longitud sin pérdida aerodinámica de extremo, lo que también aumenta el rendimiento.
Los generadores de este tipo se describen, a título de ejemplo, en las publicaciones US-4 781 523, DE-804 090 o también FR-2 627 812.
Por otra parte, hay que resaltar que se conoce mediante el documento FR-2 763 759 un aerogenerador equipado con un generador eléctrico cuyo rotor está unido a un carenado que conecta entre sí los extremos de las palas, y por lo tanto, al diámetro máximo de éstos; ya se había descrito, un aerogenerador del mismo tipo, en el documento US-1 352 960: este aerogenerador comprende una llanta periférica que lleva imánense inductores y que constituye un rotor colocado enfrente de un grupo de tres polos magnéticos laminados bobinados por conductores eléctricos alimentados con corriente para constituir un estator exterior al rotor.
Igualmente, ya se han propuesto según el documento FR-967 895 máquinas eléctricas de gran diámetro con ejes verticales en las que el rotor inductor y el estator inducido están dispuestos, bien según unas coronas planas superpuestas de igual dimensión, o bien uno en el interior del otro; en ambos casos, el rotor es llevado y guiado por una pista de rodadura circular que corresponde a un carril horizontal fijado al suelo o a un poste y sobre el cual ruedan rodillos unidos al rotor.
Los generadores eléctricos que corresponden a estos estudios son muy voluminosos y pesados y necesitan por consiguiente, estructuras de mantenimiento y postes costosos, el documento DE-A-757548 describe un aerogenerador del tipo del preámbulo de la reivindicación 1.
La presente invención tiene por objeto remediar estos inconvenientes proponiendo un aerogenerador más robusto, menos voluminoso de igual potencia y menos ruidoso que los aerogeneradores propuestos hasta ahora.
Este aerogenerador comprende una hélice accionada por el viento y equipada con palas soportadas por un cubo de gran diámetro, de eje horizontal.
Según la invención, tal generador se caracteriza porque el cubo está prolongado en su parte corriente arriba por un morro aerodinámico que cubre preferiblemente los pies de las palas, y las palas están rodeadas, cerca de sus extremos, por un carenado circular divergente de longitud relativamente pequeña, montado concéntricamente al cubo.
El rotor es, preferiblemente, de imanes permanentes regularmente repartidos en corona.
De este modo se puede, de manera particularmente ventajosa, suprimir los engranajes y elementos multiplicadores que eran necesarios en conexión con las generatrices del mercado utilizadas anteriormente, y por consiguiente, disponer de un generador de accionamiento directo de gran potencia.
Según una característica preferida de la invención, el cubo está equipado en su parte interna, por un anillo plano de eje horizontal coincidente con el eje de rotación y cuyos flancos laterales y/o el borde periférico interno o externo cooperan con unos grupos de rodillos de rodadura de ejes fijos solidarios al chasis para de este modo definir un carril de mantenimiento y de guiado en rotación.
Los grupos de rodillos de rodadura están por regla general, constituidos por rodillos metálicos o revestidos con plástico duro, tales como rodillos de transportadores o de carros de taller. Estos rodillos mantienen entre sí el anillo plano en diversos puntos de su periferia; su distribución, depende por supuesto de los esfuerzos necesarios y por lo tanto son más numerosos arriba que abajo.
Sin embargo, hay que resaltar que el número de grupos de rodillos es claramente menos importante que en el caso de las configuraciones conformes a la técnica anterior mencionada anteriormente, en las que se utiliza un carril no rotativo, lo que conlleva una ganancia importante para las masas en rotación.
Según otra característica de la invención, el anillo plano coopera con medios de frenado del tipo frenos de disco dispuestos entre los grupos de rodillos de rodadura para de este modo evitar cualquier accionamiento de la hélice a una velocidad demasiado elevada.
Hay que resaltar que el cubo equipado con su morro aerodinámico y la caperuza situada en la prolongación de éste están conformados en una carrocería ahusada que forma parte integrante del conjunto difusor y que contribuye a la optimización de la circulación del aire a través de la hélice.
Según la invención, el morro del cubo está, preferiblemente, equipado con un orificio de entrada de viento que comunica, por una parte, con una capacidad de eliminación de agua, y por otra parte, con conductos de guiado de aire que enfría los circuitos de potencia eléctrica.
Por otra parte, la caperuza está, preferiblemente, prolongada en su extremo corriente arriba contiguo al cubo rotativo por un canalón que penetra en el interior de ésta para recoger las aguas pluviales.
Según otra característica de la invención, las palas son palas helicoidales, inclinadas hacia delante, con un ángulo comprendido entre 30º y 45º y dimensionadas de manera que le diámetro barrido sea aproximadamente el doble o el cuádruple del del cubo o de la caperuza.
La experiencia ha demostrado que esta configuración permite obtener una máxima potencia.
Para que el aerogenerador según la invención sea apto para el funcionamiento, es por supuesto indispensable que esté equipado de manera de por sí conocida con elementos de orientación que comprenden un servomecanismo acoplado a una veleta para orientar la hélice en el sentido del viento.
Este carenado permite suprimir las turbulencias que producen el ruido y sobre todo crear, en cooperación con el cubo y las palas de la hélice, un conjunto difusor que permite obtener óptimas condiciones de aspiración del aire, y por consiguiente, de arrastre en rotación del rotor.
Según otra característica de la invención, el carenado comprende un borde de ataque redondeado seguido por una carena espesa y por un borde de salida delgado divergente preferiblemente sostenido por cartelas repartidas en planos radiales.
Esta configuración permite, de hecho, obtener una doble aspiración del aire, a saber, una primera aspiración a partir de la parte corriente arriba de la hélice en el sentido del viento, en el interior del carenado y entre las palas, y por otra parte una segunda aspiración creada en la parte corriente abajo de la hélice, a partir de las líneas de corriente de aire aceleradas a la altura del borde de salida.
Según la invención, la carena está, preferiblemente, constituida por una viga hueca que tiene una sección esencialmente triangular.
Tal carenado puede, en su caso, ser móvil en rotación y llevado por las palas.
Éste está, sin embargo, preferiblemente, constituido según otra característica de la invención, por un elemento fijo montado sobre brazos solidarios al chasis y que cooperan, con poca juego, con los extremos de las palas.
Se puede prever ventajosamente un revestimiento abrasivo apto para soportar un contacto accidental con los extremos de las palas en la cara del carenado situada enfrente de éstas.
Las características del aerogenerador objeto de la invención se describirán más en detalle haciendo con referencia a los dibujos anexos en los que:
- la figura 1 es una vista en perspectiva de la hélice, con un carenado,
- la figura 2 es una vista en sección axial de una primera realización del aerogenerador,
- la figura 3 es una vista frontal parcial de esta última realización,
- la figura 4 es una vista en sección axial parcial de una segunda realización preferida de la invención,
- la figura 5 es una vista parcial desde la parte corriente abajo de la figura 4,
- la figura 6 es una vista detallada en sección axial del aerogenerador representado en la figura 4,
- la figura 7 es un detalle de la figura 6 que representa el anillo plano y un grupo de rodillos,
- la figura 8 representa en una vista en sección una variante del aerogenerador representado en las figuras 4 a 7.
Según las figuras, el aerogenerador está constituido esquemáticamente por una hélice 1 montada sobre un mástil 2 y que coopera, para proporcionar electricidad, con un alternador que comprende un rotor 4 y un estator 5.
De manera no representada en las figuras, el rotor 4 es un rotor de imanes permanentes distribuidos regularmente en corona mientras que el estator 5 es un estator de bobinas magnéticas adyacente al rotor 4 según una corona parcial o total.
Por otra parte, y según las figuras, la hélice 1 está equipada con palas helicoidales 6 inclinadas hacia la parte corriente arriba en el sentido V del viento y por lo tanto, las generatrices se sitúan a lo largo de un cono truncado.
Estas palas 6 son soportadas por un cubo de gran diámetro 7 de eje horizontal y están rodeadas cerca de sus extremos por un carenado circular divergente 8, de longitud relativamente pequeña que está montado concéntricamente al cubo 7.
El rotor 4 está fijado al cubo 7 a la altura del máximo diámetro disponible.
El estator 5, por su parte, es solidario a una caperuza de revolución 9 que prolonga el cubo 7 coaxialmente éste para de este modo formar una carrocería ahusada.
Según la figura 2, las palas 6 están fijadas al cubo 7, rotativo alrededor de rodamientos 10, 11 llevados por un eje fijo 12. Éste está soportado, corriente arriba en el sentido V del viento por una barra diametral perfilada 13 que sostiene el carenado 8 que coopera, con poco juego, con los extremos de las palas 6.
Estas últimas están, por otra parte, conectadas entre sí por un anillo cónico 14.
Según una variante no representada en las figuras, la hélice 1 no está equipada con un carenado y el anillo cónico 14 que está un poco aumentado hace las veces de éste para crear la divergencia de la circulación corriente abajo.
Por otra parte, y según la figura 2 la barra diametral 14 lleva una consola oblicua 15 que contribuye a soportar corriente abajo el eje fijo 12 así como la caperuza fija 9 que prolonga el cubo rotativo 7.
El conjunto así constituido está montado de manera orientable en el extremo superior del mástil 2 mediante un cojinete de eje vertical 16 para de este modo permitir la colocación del aerogenerador frente al viento.
Según la figura 6, el cubo 7 está esencialmente constituido por un elemento en forma de campana 17 equipado con alvéolos oblicuos 18 que mantienen los extremos de largueros 19 internos de las palas así fijados a la altura de los pies de las mismas.
Este elemento 17 está equipado en su parte corriente arriba de menor diámetro con un morro cónico 20 de forma aerodinámica situado en la prolongación del mismo, y que está prolongado a la altura de la parte corriente abajo de mayor diámetro por la caperuza de revolución fija 9 solidaria al estator 5, el conjunto constituido por el cubo 7, el morro aerodinámico 20 así como la caperuza de revolución (9) forma de este modo una carrocería ahusada particularmente representada en la figura. 4.
Por otra parte, y según las figuras 6 y 7, el elemento en forma de campana 17 está equipado en su parte corriente abajo con un borde ensanchado 21 que define un collarín anular cuya periferia interna lleva el rotor 4.
El estator 5 está, por su parte, fijado enfrente del rotor 4 y en el interior de éste sobre un chasis 22 constituido por perfiles soldados mecánicamente; la caperuza de revolución 9 que prolonga el cubo 7 coaxialmente a éste está también fijada al chasis 22.
El chasis fijo 22 está también conectado a los otros elementos del aerogenerador tales como por ejemplo un pescante 32 que permite subir material de construcción o de mantenimiento así como al mástil 2.
Según la figura 4, una escalera 33 facilitará el acceso a la parte interna de la caperuza 9 que está escotada en 34 para permitir la subida de este material.
Según las figuras 6 y 7, el elemento en forma de campana 17 está además, equipado en su parte interna con un anillo plano 23 fijado a éste mediante pernos 24 (figura 7) y que define un carril de mantenimiento y de guiado del cubo 7 en rotación.
Este anillo plano 23 comprende dos flancos laterales 25, 25' así como un borde periférico interno 26 sobre los cuales ruedan unos grupos de rodillos de rodadura distribuidos en diversos puntos de su periferia.
Más concretamente, y según la figura 7 cada uno de los grupos de rodillos de rodadura comprende por una parte un rodillo 27 de eje horizontal 28 que rueda sobre el borde periférico interior 26 del anillo 23 y por otra parte dos rodillos 29, 29' de ejes radiales 30, 30' que guían con un poco de juego los respectivos flancos laterales 25, 25' del anillo 23 para mantenerlo en su plano de rotación.
Los ejes 28, 30, 30' de los rodillos 27, 29, 29' también están fijados al chasis 22 que soporta el estator 5 así como la caperuza de revolución 9.
Según la figura 6, el anillo plano 23 está, por otra parte, sometido a medios de frenado 31 del tipo frenos de disco que están dispuestos entre los conjuntos de rodillos de rodadura 27, 29, 29'.
Según la figura 6, el morro aerodinámico 20 del cubo 7 comprende en su parte axial un orificio de entrada de aire 35 conectado mediante un conducto 36 esencialmente horizontal con una caja de separación de agua 37; el agua puede de este modo ser evacuada hacia abajo según la flecha f. La caja de separación de agua 37 se comunica, por otra parte, con unos conductos de enfriamiento 38 para de este modo llevar aire fresco hacia los circuitos eléctricos del alternador 4, 5 por unas boquillas 39.
Como se ha representado más detalladamente en la figura 8, el aerogenerador está igualmente equipado con un canalón 40 que prolonga la caperuza de revolución 9 en el interior del cubo rotativo 7 para de este modo recoger el agua de lluvia y evacuarla hacia abajo.
Según las figuras 4 y 5, el carenado 8 está fijado al chasis fijo 2 mediante brazos 41 inclinados hacia la parte corriente arriba que atraviesan la caperuza de revolución 9.
La hélice 1 así constituida está montada en el vértice del mástil 2 mediante un rodamiento de orientación cuyo cárter 42 está conectado a un servomecanismo acoplado a una veleta no representada llevada corriente abajo por una estructura 43 para de este modo permitir la orientación de la hélice 1 frente al viento.
Según las figuras 1 y 4 (en las que se representa en sección), el carenado 8 coopera, con poco juego, con los extremos 55 de las capas 6; comprende un borde de ataque redondeado 44 seguido por una carena espesa 45 y por un borde de salida delgado divergente 46 sostenido por cartelas 47 distribuidas en planos radiales.
Esta configuración permite crear una divergencia de la circulación de aire corriente abajo según las flechas F y F'.
Según la figura 4, la carena 45 está constituida por una viga hueca que tiene una sección esencialmente triangular. Más concretamente, esta viga comprende una cara exterior 48 esencialmente rectilínea así como una cara interior redondeada 49.
Por otra parte, y según la variante de realización representada en la figura 8, la disposición del rotor 4 y del estator 5 está invertida, de manera que el rotor 4 está situado en el interior del estator 5.
Tal configuración permite facilitar las operaciones de montaje y de desmontaje del estator 5 que está formado por sectores individualmente desmontables y manipulables mediante un polipasto no representado, enganchado al pescante 32.
Según esta configuración, los rodillos de rodamiento 27, 29, 29' del anillo plano 23 están sujetos por un soporte 56 fijado al chasis 22, figurando el rodillo 27 de eje horizontal un poco retirado hacia atrás del plano de corte. Rueda aquí sobre el borde periférico externo 57 del anillo 23.

Claims (10)

1. Aerogenerador montado sobre un mástil vertical (2) y que comprende una hélice (1) accionada por el viento que está equipada con palas (6) soportadas por un cubo (7) de gran diámetro, de eje horizontal, así como un alternador que coopera con la hélice (1) para proporcionar energía eléctrica y que está equipado, por una parte, con un rotor magnético (4) fijado al cubo (7) preferiblemente a la altura del máximo diámetro disponible, y por otra parte, con un estator (5) de bobinas magnéticas adyacente al rotor (4) y fijado en un chasis fijo (22) solidario a una caperuza de revolución (9) que prolonga el cubo (7) coaxialmente al mismo para de este modo constituir una carrocería ahusada en la cual está alojado el alterna-
dor,
-
el cubo está prolongado en su parte corriente arriba solidariamente en rotación por un morro aerodinámico (20) que cubre preferiblemente los pies de las palas (6) y se prolonga en su parte corriente abajo por la caperuza de revolución fija (22) solidaria al estator (5), y
-
las palas (6) están rodeadas, cerca de sus extremos (55) por un carenado circular divergente (8) de longitud relativamente pequeña, montado concéntricamente al cubo (7).
2. Aerogenerador según la reivindicación 1,
caracterizado porque
el cubo rotativo (7) comprende un elemento en forma de campana (17) equipado con el rotor (4) en su parte corriente abajo (21) de mayor diámetro contigua a la caperuza (9) y cuya parte corriente arriba mantiene los pies de las palas.
3. Aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2,
caracterizado porque
el morro aerodinámico (20) está equipado con un orificio de entrada de viento (35) que comunica, por una parte, con una capacidad de eliminación de agua (37), y por otra parte, con unos conductos (38, 39) de guiado de aire que enfrían los circuitos de potencia eléctrica.
4. Aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque
el cubo (7) está equipado, en su parte interna, con un anillo plano (23) de eje horizontal coincidente con el eje de rotación y cuyos flancos laterales (25, 25') y/o el borde periférico interno (26) o externo (57) cooperan con unos grupos de rodillos de rodadura (27, 29, 29') de ejes fijos solidarios al chasis (22) para de este modo definir un carril de mantenimiento y de guiado en rotación.
5. Aerogenerador según la reivindicación 4,
caracterizado porque
el anillo plano (23) coopera con unos medios de frenado (31) del tipo frenos de disco dispuestos entre los grupos de rodillos (27, 29, 29').
6. Aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque
la caperuza (9) está prolongada en su extremo corriente arriba contiguo al cubo rotativo (7) por un canalón (40) que penetra en el interior de ésta para recoger las aguas pluviales.
7. Aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6,
caracterizado porque
el carenado está soportado por las palas.
8. Aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6,
caracterizado porque
el carenado (8) es un elemento fijo montado sobre unos brazos (41) solidarios al chasis (22) y coopera, con poco juego, con los extremos (55) de las palas (6).
9. Aerogenerador según la reivindicación 8,
caracterizado porque el carenado (8) comprende un borde de ataque redondeado (44) seguido por una carena espesa (45) y por un borde de salida delgado divergente (46).
10. Aerogenerador según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9,
caracterizado porque
las palas (6) son palas helicoidales inclinadas hacia la parte corriente arriba de un ángulo comprendido entre 30º y 45º y dimensionadas de manera que el diámetro barrido sea aproximadamente el doble o el cuádruple del del cubo (7) o de la caperuza (9).
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