ES2556654T3

ES2556654T3 - Turbina de eje vertical

Info

Publication number: ES2556654T3
Application number: ES10856497.2T
Authority: ES
Inventors: Guy Andrew Vaz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2016-01-19
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: GB2477824B; GB201015781D0; AU2010359619B2; EP2609325B1; EP2609325A4; US8882439B2; DK2609325T3; CN105240206B; CN102959237B; US20130302138A1; AU2010359619A1; CN102959237A; EP2982860A1; US20130309062A1; CN105240207B; EP2609325A1; CN105240206A; WO2012026879A1; US8511965B2; CN105240207A

Abstract

Aparato de guía para guiar un flujo de un fluido (W) para uso con un rotor (6), comprendiendo el rotor un ensamblaje de veletas radiales anulares que tiene una pluralidad de veletas dispuesta concéntricamente con el aparato de guía alrededor de un eje (4) vertical central, estando dispuesto el rotor para rotar alrededor del eje vertical, rodeando el aparato de guía un espacio (18) central que está intercalado entre cubiertas y el cual está encerrado por el ensamblaje de veletas radiales, caracterizado porque el aparato de guía comprende una pantalla que tiene una pluralidad de listones en persiana formando un arreglo (14) de guía interno rodeado concéntricamente por el ensamblaje de veletas radiales, y un arreglo (10) de guía externo que rodea concéntricamente el ensamblaje de veletas radiales, estando dispuesta la pantalla para definir dentro del espacio central una pluralidad de zonas que incluyen - una zona (A) de entrada de fluido para la entrada de fluido en el espacio central, - una zona (C) de salida de fluido para la salida del fluido del espacio central, y - zonas de retención de fluido (B, D) para desfavorecer que el fluido salga del espacio central, estando además la pantalla dispuesta en uso tal de manera que los listones en persiana que definen la zona de entrada de fluido y la zona de salida de fluido estén abiertas, y los listones en persiana que definen las zonas de retención de fluido estén cerradas o casi cerradas, para guiar el fluido con el fin de que circule sustancialmente alrededor del eje vertical dentro del espacio central en la misma dirección que el desplazamiento del rotor.

Description

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DESCRIPCION

Turbina de eje vertical

La presente invencion se relaciona con un aparato y metodos para la generacion de potencia, particularmente pero no limitados a tecnologias de energia verde que extraen ene^a de fuentes de energia fluidas naturales y/o renovables para conversion en electricidad, torque u otras formas utiles de potencia, tales como turbinas o generadores de viento.

La energia eolica ha sido utilizada para alimentar maquinaria desde tiempos antiguos. Desde entonces, la necesidad de generar potencia a partir de fuentes mas verdes y renovables como el viento se ha hecho cada vez mas urgente, y se han desarrollado turbinas eolicas para la production de potencia electrica. A pesar de esto, esta potencia eolica ha tenido exito relativo en terminos comerciales, obedeciendo a la variabilidad del suministro de viento dependiente del tiempo y la geografia. Tipicamente, las turbinas eolicas que operan en areas con velocidades de viento consistentemente altas tienden a ser las mas viables comercialmente, pero tales sitios son raros.

Se han desarrollado diferentes disenos de turbinas eolicas para uso en diferentes escenarios y aplicaciones. Por ejemplo, pueden ser clasificadas de acuerdo a si las paletas de la veleta eolica rotan alrededor de un eje de un arbol que esta dispuesto horizontal o verticalmente. Las turbinas eolicas de eje horizontal (HAWTs) tienden a ser mas comunmente desplegadas a medida que tienden a ser mas eficientes: este es un resultado de la rotation de las paletas en una direction perpendicular a la direction del flujo de viento de tal manera que reciben energia a traves del ciclo completo durante la rotacion. Sin embargo, sufren diversas desventajas, no la menor en cuanto a la altura, tamano y peso netos de las torres y de las paletas, lo que hace que la instalacion, operation y mantenimiento sean extremadamente costosos. Tambien necesitan un posicionamiento cuidadoso con respecto al viento, y probablemente no trabajen bien en condiciones donde el viento es variable en velocidad y direccion. Tales turbinas eolicas tambien son potencialmente perturbadoras, en el sentido visual asi como en lo que tiene que ver con la vida silvestre, y con las transmisiones de senales de radio.

Las turbinas eolicas de eje vertical (VAWTs) son inherentemente menos eficientes puesto que las paletas reciben energia del viento para solamente una parte de su ciclo de rotacion durante la cual es "soplada" hacia adelante. Para una portion importante de la parte remanente del ciclo, la paleta rota en una direccion sustancialmente contra la direccion del flujo de viento. Esto puede ser contrastado con las HAWTs, en las cuales la energia eolica es capturada por la paleta a traves de su ciclo. Esto se describira en detalle adicionalmente mas adelante; baste aqui decir que una gran parte de la energia capturada del viento se pierde tipicamente debido al arrastre cuando la paleta del rotor se desplaza hacia dentro del viento a medida que avanza a traves de su ciclo. No obstante las VAWTs tienen la ventaja de ser capaces de recolectar potencia de vientos de velocidades mas bajas y mas variables. Tienden a ser mas pequenas y mas livianas, y pueden ser desplegadas a alturas inferiores, dando como resultado costes de instalacion y mantenimiento mas viables. Esto permite usarlas en una mayor variedad de localizaciones.

Con sus caracteristicas de otra forma ventajosas, se han hecho intentos para mejorar la eficiencia de las VAWTs. A manera de ejemplo, la US 2007/0241567 describe el uso de guias para desviar o canalizar el viento sobre las paletas del rotor, lo cual potencia el uso de la turbina en una variedad de localizaciones independientemente de la direccion del viento. Una VAWT comercialmente disponible vendida bajo el nombre de "StatoEolien" de Gual Industrie de Francia (
http://www.gual-statoeolien.com/English/defaultang.html) incluye un dispositivo de guia similar. Aunque esto ayuda a incrementar el efecto del viento disponible sobre las paletas del rotor, la eficiencia global de la generacion sigue siendo pobre, puesto que la energia eolica capturada por la paleta es "abandonada" mas adelante cuando la paleta retroceda contra el viento durante la ultima etapa de su ciclo. Como puede esperarse, este es un factor que afecta seriamente la eficiencia de la turbina en la generacion de potencia electrica, especialmente en areas de velocidad de viento bajas donde se despliegan las VAWTs, cuando cualquier perdida de tal naturaleza se experimenta de manera especialmente intensa.

Se conocen diversas versiones de VAWTs. Por ejemplo, la DE 4122667 A1 describe una planta de energia eolica ciclonica en la cual el viento es dirigido en forma de embudo hacia arriba hacia un espacio entre una torre estatora externa y una torre de rotor interna. La FR 508 815 A, GB 2033019 A y DE 729533 C tambien describen VAWTs de diversas configuraciones. Sin embargo ninguna de ellas, describe o sugiere como superar el problema anotado mas arriba, esto es, cuando la energia eolica capturada por la paleta es "abandonada" mas adelante cuando la paleta retrocede contra el viento durante la ultima etapa de su ciclo.

Seria deseable mejorar la eficiencia de las turbinas eolicas, especialmente las VAWTs.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invencion se provee un aparato de guia para guiar un flujo de un fluido para uso con un rotor, comprendiendo el rotor un ensamblaje de veletas radial anular que tiene una pluralidad de veletas dispuestas concentricamente con el aparato de guia alrededor de un eje vertical central, estando dispuesto el rotor para rotar alrededor del eje vertical,

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circundando el aparato de gula un espacio central el cual esta intercalado entre cubiertas y el cual esta encerrado en proteccion a traves del ensamblaje de veletas radial,

caracterizado porque

el aparato de gula comprende una pantalla que tiene una pluralidad de listones en persiana que forman un arreglo de gula interno rodeado concentricamente por el ensamblaje de veletas radial, y un arreglo de gula externo que rodea concentricamente el ensamblaje de veletas radiales, dispuesta la pantalla para definir dentro del espacio central una pluralidad de zonas que incluye

- una zona de entrada de fluido para la entrada del fluido hacia el espacio central,

- una zona de salida de fluido para la salida del fluido desde el espacio central, y

- zonas de retention de fluido para impedir que el fluido salga del espacio central,

estando dispuesta adicionalmente la pantalla en uso de tal manera que los listones en persiana que definen la zona de entrada de fluido y la zona de salida de fluido estan abiertos, y los listones en persiana que definen las zona de retencion de fluido estan cerrados o casi cerrados, para guiar el fluido para que circule sustancialmente alrededor del eje vertical dentro del espacio central en la misma direction de desplazamiento del rotor.

Al controlar no solamente la entrada de flujo de aire dentro de la turbina, sino tambien su movimiento dentro de la misma, y su salida de la turbina, el nivel de turbulencia y arrastre generado puede ser reducido dentro de una VAWT, especialmente en las zonas fuera del impacto la alta presion inmediato del viento entrante. Haciendo que el flujo de aire circule en la misma direccion que el movimiento del rotor, guiandolo a traves de diferentes zonas del espacio central dentro de una disposition de rotor radial, se ayuda a reducir los niveles de arrastre que generan una fuerza de retroceso contra la direccion deseada del rotor. En realizaciones adicionales, el flujo de aire es guiado hacia fuera del rotor y la turbina de una manera que empuja las veletas del rotor, dando como resultado la recoleccion de la energla del viento dos veces: una vez en el lado de barlovento (a medida que el aire fluye hacia dentro de la turbina), as! como cuando el aire sale de la turbina.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invention se provee un sistema de turbina eolica que comprende un rotor que comprende un ensamblaje de veleta radial anular que rodea un espacio central, y dispuesto para rotar alrededor de un eje vertical, conectado operativamente para guiar el aparato de la invencion.

De acuerdo con un aspecto adicional de la invencion, se provee un arreglo de turbina eolica que comprende una pluralidad de sistemas de turbina eolica apilados de acuerdo con la invencion.

De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invencion se provee un metodo para guiar un flujo de un fluido para uso con un rotor, comprendiendo el rotor un ensamblaje de veleta radial anular que rodea un espacio central intercalado entre cubiertas, estando dispuesto el rotor para rotar alrededor un eje vertical, que comprende

- utilizar una pantalla que tiene una pluralidad de listones en persiana que forman un arreglo de gula interno concentricamente rodeado por el ensamblaje de veletas radial, y un arreglo de gula externa que rodea concentricamente el ensamblaje de veletas radial, para definir en el espacio central una pluralidad de zonas que incluyen una zona de entrada de fluido para la entrada del fluido hacia el espacio central, una zona de salida de fluido para la salida del fluido desde el espacio central, y zonas de retencion de fluido para desfavorecer que el fluido salga del espacio central, y

- utilizar la pantalla abriendo los listones de persiana que definen la zona de entrada de fluido y la zona de salida de fluido, y cerrando o casi cerrando los listones de persiana que definen las zonas de retencion de fluido cerradas o casi cerradas, para guiar el fluido para que circule sustancialmente alrededor del eje vertical dentro del espacio central en la misma direccion de desplazamiento del rotor.

Se describiran ahora realizaciones preferidas de la invencion, a manera de ejemplo solamente, con referencia a los dibujos acompanantes, en los cuales:

La figura 1 es una vista plana esquematica de una realization de una turbina eolica de la invencion;

La figura 2 es una vista lateral de una turbina eolica;

Las figuras 3A, 3B y 3C son vistas esquematicas de las veletas de rotor y de los listones de gula usados en la turbina eolica;

La Figura 4 representa la operation de la turbina eolica;

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La figura 5 representa en detalle la operation de la turbina eolica en la zona de entrada;

Las figuras 6A y 6B representan en detalle la operacion de la turbina eolica en las zonas de contorno;

La figura 7 representa en detalle la operacion de la turbina eolica en la zona de salida;

Las figuras 8A y 8B son vistas esquematicas de implementaciones individuales y dispuestas de la turbina eolica.

La figura 1 es una vista superior de una turbina (2) eolica de eje vertical, la cual esta dispuesta para rotar alrededor de un eje (4) vertical para uso en la extraction de energla (W) eolica para generar un torque utilizable, incluyendo potencia electrica. Como sera evidente para la persona experimentada, el termino "turbina eolica de eje vertical" (VAWT) sirve primariamente para distinguir este tipo de turbina de una turbina de eje horizontal. El eje alrededor del cual la turbina de la invention rota no necesita ser precisamente vertical, en tanto las paletas o veletas de la turbina se hagan rotar en una direction sustancialmente horizontal durante el uso. Como se anoto anteriormente, las VAWTs son capaces de operar en vientos de velocidad mas bajas, y se anticipa que la turbina de la invencion puede producir resultados utiles con velocidades de viento tan bajas como 5 km/h.

Como puede verse en los dibujos, la turbina incluye tres arreglos anulares de paletas o veletas que circundan una section central o espacio (18). Estas disposiciones anulares son sustancialmente concentricas una con otra y con un eje (4) central.

El anillo (10) externo y el anillo (14) interno son ensamblajes de gula de aire en la forma de estatores, los cuales dirigen y controlan el flujo de aire hacia, hacia dentro de, a traves de, y hacia fuera del ensamblaje (6) de rotor.

El ensamblaje de rotor anular es el punto medio de los tres anillos. Como es bien sabido, el movimiento del rotor causado por la fuerza de empuje de un flujo fluido sobre sus veletas produce un torque el cual puede ser utilizado para impulsar, por ejemplo, un generador (no mostrado), para hacer trabajar bombas, ruedas de molino, o similares. En la realization mostrada, el rotor esta constituido de una pluralidad de veletas (8) las cuales se extienden cada una sustancialmente hacia fuera en forma radial desde el eje (4). Las veletas del rotor estan posicionadas verticalmente dentro de la turbina, y en vista plana, esta cada una angulada de tal manera que este ligeramente desplazada del radial verdadero del eje. Las veletas pueden comprender alternativamente paletas rectas dispuestas en una configuration radial verdadera, pero preferiblemente son soportes asimetricos, por ejemplo de los tipos mostrados en la figura 3A. Las veletas comprenden una superficie concava sobre el lado (26) a barlovento lo cual permite que el viento sea "capturado” inicialmente y luego fluya desde de la superficie curvada, para una eficiencia incrementada en la extraccion de la energla del viento disponible. Como es sabido, durante el uso la combination del efecto de empuje sobre el lado de barlovento de presion mas alta con el efecto de suction causado por la presion mas baja del lado de sotavento hace que la veleta se mueva y genere sustentacion.

En una realizacion de ejemplo, un rotor asimetrico de 18 metros de longitud (o de altura, cuando se pone en position dentro de la turbina) tiene un cordon de aproximadamente 1,2 m (visto desde arriba), y un espesor maximo de 0.2 m en la seccion media, espesor que se reduce gradualmente hacia cada extremo. El perfil optimo exacto de las veletas depende del tamano global y configuracion de la turbina y del resto de los componentes, lo cual a su vez es determinado para cada turbina con base en las especificaciones de cada lugar y el rendimiento y generation deseados.

La figura 2 muestra una vista lateral de la turbina (de la cual solamente es visible el ensamblaje (10) de gula externo) el cual es mantenido dentro de un marco tal como un marco de espacio que comprende un soporte (20) superior, un soporte (22) de base, y columnas (24) opcionales para elevar la unidad hacia el camino del viento cuando sea necesario. Vistas adicionales de la turbina mantenida dentro del marco de espacio pueden verse en las figuras 8A y 8B, en donde puede verse que la seccion del marco que acomoda el componente de turbina tiene una estructura similar a un tambor. El marco de espacio puede ser hecho de concreto reforzado y acero, y en la realizacion de ejemplo apropiada para acomodar rotores del tamano citado mas arriba, el marco de espacio puede tener un diametro global de aproximadamente 35 m transversal, y una altura de aproximadamente 20 m.

Las veletas de rotor se mantienen en posicion en cada extremo entre un par de abrazaderas anulares o rieles de gula que estan unidos respectivamente a los soportes superior y de base del marco de espacio. Los rieles de gula evitan que las veletas se deslicen fuera de su posicion durante el movimiento. Las veletas mismas pueden estar unidas a pistas anulares en cada extremo, las cuales durante el uso se desplazan dentro de las abrazaderas correspondientes, lo cual asegura que todas las veletas roten como una unica unidad. En una implementation del tamano discutida mas arriba, sin embargo, serla diflcil manufacturar, transportar e instalar los rotores en un ensamblaje sencillo. En tales casos, una o mas veletas de rotor pueden se provistas con una seccion de pista las cuales durante la instalacion pueden ser aseguradas entre si. La persona experimentada apreciara que hay disponible una variedad de alternativas para la localization de las veletas de rotor dentro de la turbina. Por ejemplo, las veletas de rotor pueden ser fijadas en cada extremo a placas que rotan alrededor del eje, lo cual obvia la necesidad de rieles de gula o pistas. Para reducir el peso y la inercia del ensamblaje de rotor, las veletas pueden ser

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construidas con un nucleo de espuma y una cubierta externa de una matriz compuesta de epoxi, la cual puede ser reforzada con carbono.

Las veletas de rotor tienen posiciones en general fijas dentro del ensamblaje de rotor, aunque pueden opcional y preferiblemente estar provistas con un ensamblaje de cubo de balanceo, el cual permitira asumir un cabeceo reducido en el evento de vientos altamente destructivos para evitar o reducir el dano a la veleta. La posicion de cada veleta de rotor se fija una con respecto a la otra, aunque la distancia entre las veletas y las dimensiones de cada veleta pueden variar dependiendo del rendimiento y generacion deseados de la turbina.

La turbina adicional y preferiblemente incluye un sincronizador para un rendimiento mejorado. Se encontro que las veletas de rotor pueden rotar a diferentes velocidades en cada extremo. Esto es debido al menos en parte al hecho de que la seccion inferior de los rotores esta acoplada operativamente a rodamientos para impulsar un generador, mientras que las secciones superiores no llevan carga. Como puede ser anticipado, los rotores sufriran de tension durante el uso y pueden en un extremo, deformarse o romperse. El sincronizador puede tomar una variedad de formas, pero una solucion serla colocar una carga similar en el extremo superior de las veletas, esto es en la forma de un rodamiento identico, el cual enfilarla las velocidades rotativas de ambos extremos de las paletas de rotor.

Regresando ahora a los arreglos de ensamblaje de gula, las paletas o veletas de los ensamblajes de gula externo (10) e interno (14) son citadas en esta descripcion como listones o pantallas (respectivamente, 12 y 16) para facilitar su descripcion y para distinguirlas de las veletas (8) del ensamblaje de rotor. En la realizacion discutida aqul, los listones estan en persiana de tal manera que cuando asumen una posicion "cerrada", los bordes de los listones casi o realmente se tocan o superponen entre si de tal manera que evitan o al menos impiden que pase aire a traves de ellos. El proposito primario de los ensamblajes de gula es permitir que el rotor maximice la extraccion de energla utilizable a partir de un volumen dado de flujo de aire, a la vez que busca reducir significativamente la cantidad de friccion y perdidas causadas cuando el flujo de aire es ventilado desde el espacio central cerrado y a traves de las veletas del rotor. Si bien el efecto deseado se obtiene en parte por cada ensamblaje de gulas separadamente, las operaciones de los dos conjuntos de ensamblajes aumentan una con otra de tal manera que una configuracion optima involucrarla el uso de ambos ensamblajes trabajando en cooperation uno con otro.

Como puede verse en el dibujo, los listones de los ensamblajes (10 y 14) de gula estan dispuestos de tal manera que ciertas partes del ensamblaje de rotor estan abiertas a sus alrededores, mientras que otras secciones estan cerradas, sustancialmente apantallando las paletas de rotor (y el espacio central dentro de ellas) frente a sus alrededores afuera de la turbina.

Durante la operation, el arreglo de los listones para los estatores de gula tanto internos como externos permanece sin cambios para una direction del viento dada. Para acomodar una direction de viento diferente, los listones de cada arreglo de gula pueden ser reordenados para asumir la misma configuracion que apunta hacia la nueva direccion del viento. Alternativamente, los arreglos de anillo de gula (conservando la configuracion de los listones mostrada en los dibujos y que se discute mas adelante), pueden hacerse rotar manualmente con respecto al ensamblaje de rotor hacia su nueva posicion, o incluso la turbina completa puede girar alrededor, si es factible, por ejemplo, en una turbina mas pequena. Dado el tamano propuesto de la turbina, sin embargo, el proceso de reconfiguration del ensamblaje de gula puede ser motorizado para obtener la configuracion de listones relativa a la nueva direccion del viento, pero los listones de las veletas de rotor mas pequenas podrlan ser ajustados a mano. Los cambios en las posiciones de los listones dentro de los ensamblajes pueden hacerse manualmente, o incluso podrla utilizarse un sistema sensor para responder automaticamente a cambios en las direcciones, velocidades y similares del viento lo que requerirla una reconfiguration en los angulos de los listones de gula.

El ensamblaje (10) de gula externo sirve primariamente para configurar el flujo de aire a traves de y hacia dentro de la turbina controlando la entrada de aire hacia la turbina, y permitiendo la salida de aire desde la turbina con turbulencia reducida sobre la otra, controlando el escape de aire desde la turbina. En esta realizacion, los listones de la gula externa pueden comprender un estator recto o curvado como se muestra respectivamente en las figuras 3B y 3C. Es relativamente delgado para causar una obstruction minima al viento, y asi esta hecho preferiblemente de manera que sea una superficie delgada, suave y corta tanto como sea posible. Estan dispuestos muy cercanos al borde de arrastre de las veletas del rotor (por ejemplo en el orden de milimetros, cuando sea posible), puesto que esto mejora la eficiencia del rotor. Los listones pueden ser hechos de acero o aluminio. Mientras que los listones no tienden a ser movidos durante la operacion de la turbina para una direccion de viento dada, pueden no obstante estar hechos preferiblemente de manera que sean moviles para permitirles ser reconfigurados, por ejemplo para trabajar con una direccion de viento diferente. Esto tambien permite controlar la cantidad de aire permitida dentro de la turbina, para copar con velocidades mas altas o mas bajas del viento, y en casos extremos (por ejemplo en un tifon o en una tormenta de arena que danarian el aparato, requiriendo la desconexion de la turbina), todos los listones pueden ser cerrados completamente alrededor, evitando que cualquier aire sople hacia dentro de la turbina. El uso de paletas del rotor de cubo de balanceo descrito mas arriba necesita no obstante ser util para proteger las costosas veletas de rotor en el evento de un viento muy fuerte, puesto que probablemente responderan a tales condiciones, de otra forma catastroficas, diferente al cierre de las persianas del ensamblaje de guia externa.

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En cuanto al aspecto de la entrada de flujo de aire, los listones del ensamblaje de gula externo del lado a barlovento de la turbina estan dispuestos de tal manera que buena parte flujo de aire es "capturado" y dirigido hacia la turbina a las paletas del rotor en cuanto sea posible, cambiando la direccion del viento si es necesario, para optimizar el angulo de flujo de aire de "ataque" sobre las veletas del rotor. Por ejemplo, puede verse en la figura 1 que las veletas en la posicion de las siete en punto estan en una posicion completamente abiertas y posicionadas para "palear" el flujo de aire, el cual de otra manera podrla haber viajado alrededor de la turbina, hacia la turbina para "alimentar" el flujo a las veletas del rotor y empujarlas juntas para rotar en un sentido horario segun se representa por la flecha "X". De esta manera, la huella efectiva de la superficie de recoleccion del viento de la turbina se agranda significativamente sobre el lado a barlovento de la turbina, hacia la zona entre las posiciones 7 y 12 en punto.

En el lado de sotavento de la turbina, los listones tambien estan posicionados en una posicion abierta. Estan angulados de tal manera que el aire que sale de la turbina es guiado de nuevo para viajar en la direccion de movimiento "X" del rotor. Esto asegura que el flujo de aire hacia fuera de la turbina no interrumpe la rotacion continuada del ensamblaje de rotor en el sentido horario ni disminuye su progreso. Sobre los dos lados de la turbina ortogonales a la direccion del viento, los listones de gula externos estan sustancialmente cerrados o apantallados. En el ejemplo discutido aqul, la pantalla se logra cerrando los listones. Estarla dentro del alcance de la invencion proveer otros medios de apantallamiento, por ejemplo en la forma de una pantalla sencilla que se extiende en la longitud de la seccion que requiere ser cerrada -esta podrla ser desplegada, por ejemplo en una turbina mas pequena, donde los arreglos anulares de gula pueden ser movidos con respecto al ensamblaje del rotor. El efecto y trabajo de la disposition global de listones en la disposition de gula externa durante el uso se discutira mas adelante en relation con la figura 4.

El arreglo de veletas de gula externo esta, en la realization de ejemplo, unido a cada extremo de los soportes superior y de base del marco de espacio.

Volviendo ahora al ensamblaje (14) de gula interno, estos listones (16) estan dispuestos tambien para crear secciones o zonas que estan abiertas o cerradas a los alrededores de la turbina. La principal funcion del ensamblaje de gula interno es guiar y controlar el flujo de aire dentro del espacio central despues de que entra en la turbina, con el proposito de reducir la cantidad de turbulencia y arrastre y perdidas por friction que afectan adversamente el giro del ensamblaje de rotor y su eficiencia global.

Al igual que los listones de la gula externa, los listones del estator interno tambien toman la forma de laminas delgadas que preferiblemente estan combadas a lo largo de su longitud. Tambien podrlan tener un cordon pequeno como el borde de gula movil de un ala, permitiendo que cada una sea movil independientemente una de otra alrededor de su propio eje. Esta flexibilidad permite que el flujo de aire haga contacto en un angulo optimo con el borde de gula de las veletas del rotor durante la operation. Los listones internos pueden ser hechos de metal o de un material compuesto de fibra de vidrio con epoxi. Tambien estan dispuestas muy cerca al borde de arrastre de las veletas del rotor para una eficiencia mayor del rotor.

En general, los listones (16) del ensamblaje interno estan dispuestos de tal manera que, al igual que los listones del ensamblaje de gula externo, esta abierto a los lados de barlovento y sotavento, a la vez que esta cerrado sustancialmente en las dos secciones externas sobre los lados ortogonales a la direccion del viento. El angulo exacto de cada liston de gula interno esta posicionado adicionalmente para favorecer la circulation del flujo de aire en el espacio central alrededor del eje de la turbina en la misma direccion del desplazamiento del rotor, como se describira adicionalmente mas adelante en relacion con la figura 4.

El espacio (18) central definido por el arreglo anular de gula interno esta sustancialmente pero no completamente encerrado por cubiertas (no mostradas, pero que pueden tomar la forma de discos o similares) a lo largo del plano transverso al eje vertical de la turbina. Las cubiertas estan dispuestas dentro de las estructuras (20, 22) de soporte superior y de base del marco de espacio de tal manera que "encierran" el espacio central de una manera la cual no obstante permite que las veletas del rotor se muevan libremente. Tambien pueden verse como el techo y el suelo de la turbina. En una implementation muy grande, puede colocarse un pilar o poste a traves del eje central de la turbina para ayudar a mantener el techo arriba; esto sin embargo no es necesario para la operacion de la invencion.

Esta disposicion previene o evita que el aire entre hacia o escape del espacio central de una direccion paralela al eje vertical de la turbina, de tal manera que el aire esta constrenido para fluir hacia y desde el espacio central cerrado solamente en una direccion sustancialmente horizontal a traves de los espacios entre las veletas del rotor y listones (10, 14) del ensamblaje de gula. La persona experimentada entendera que las cubiertas solo necesitan cubrir el espacio central para alcanzar el efecto de cierre, pero que preferiblemente tambien podrlan cubrir el ensamblaje del rotor as! como los arreglos de gula para facilitar el ensamblaje y mantenimiento. Una cobertura mas completa tambien podrla ayudar en evitar que el aire se fugue del espacio central. Tambien pueden ser hechas de un material liviano o cualquier otro y tomar cualquier configuration en tanto sean capaces de impedir o prevenir la fuga de aire desde o la entrada hacia, el espacio central.

La Figura 4 es una representation de la operacion de la realizacion de la turbina mostrada en las figuras 1 y 2. En esta figura, el espacio (18) central se muestra dividido en cuatro zonas:

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• una "zona de entrada" (zona "A" entre las posiciones 7 y 12 en punto),

• una primera "zona de contorno" (zona "B", entre las posiciones 12 y 2 en punto),

• una "zona de salida" (zona "C", entre las posiciones 2 y 5 en punto), y

• una segunda "zona de contorno " (zona "D", entre las posiciones de 5 y 7 en punto).

En los dibujos, el viento (W) es mostrado soplando de izquierda a derecha, y la direccion deseada de rotacion de la turbina esta en un sentido "X" horario. El lado de barlovento de la turbina es un area de presion mas alta que el lado de sotavento.

En la zona "A" de entrada, el viento por fuera de la turbina es "reunido" por los listones (16) del ensamblaje (14) de gula externo y canalizado hacia las veletas (8) del rotor (6). Debido a la configuracion radial abierta de los listones externos en la zona de entrada (especialmente alrededor de la posicion a las 9 en punto), el viento puede fluir directamente hacia las veletas del rotor como se muestra en detalle en las figuras 4 y 5. En VAWTs convencionales sin uso del ensamblaje de gula externo, puede esperarse que el viento impactara de manera util sobre las veletas del rotor solamente en la region entre las posiciones de 9 y 12 en punto. Con el uso del estator de gula externo sin embargo, el flujo de aire que podrla de otra manera haber fluido alrededor de la turbina y perderse, es en cambio de ello capturado y "paleado" (cambiando la direccion del flujo de aire) hacia dentro la turbina para empujar las veletas del rotor en el direccion "X" deseada. Esto contribuye a un incremento en la fuerza de empuje sobre el rotor y a la eficiencia incrementada de la turbina como un todo.

Como se anoto anteriormente, la mayor parte de la energla eolica utilizable en VAWTs es extralda del lado de barlovento en donde el aire fluye directamente empujando sobre las veletas. En una configuracion de VAWT convencional no hay fuerza que empuje sobre las veletas en cualquier otra region, de tal manera que durante el "viaje de retorno", el ensamblaje del rotor es particularmente susceptible a los efectos de arrastre. Cuando la fuerza del viento es mayor que el arrastre, se obtiene una fuerza positiva que puede ser utilizada para guiar un generador. Cuando la fuerza de gula es igual a o menor que un arrastre, no se puede recolectar ninguna energla. Por lo tanto es importante minimizar el efecto del arrastre sobre en el sistema.

Despues de que el flujo de aire ha sido guiado sobre la veleta del rotor, fluye hacia el espacio central, como esta representado por las flechas "W". En turbinas convencionales, la salida del flujo de aire desde la turbina no esta controlada, de tal manera que se forma turbulencia en la forma de remolinos de aire dentro del espacio central y/o alrededor de las veletas del rotor. Esto contribuye a la creacion de friccion y arrastre dentro del sistema lo cual afecta adversamente la rotacion continuada del rotor en la direccion deseada, especialmente sobre el "viaje de retorno" del ensamblaje del rotor. Cuando el arrastre iguala o excede la fuerza de empuje sobre las veletas del rotor, no se producira un torque util para encender un generador o hacer otro trabajo.

Las veletas de gula interna de la invencion de acuerdo con la implementation de ejemplo abordan este problema controlando los flujos de aire dentro del espacio central. Especlficamente, el aire es guiado dentro del espacio central para circular (esto es, para viajar en una manera sustancialmente circular, en todo o en parte, o arqueada o curvada) alrededor del eje central de la turbina en la misma direccion que la direccion de rotacion deseada "X" de las veletas del rotor. Al controlar los flujos de aire de esta manera se reducen los niveles de turbulencia formada dentro del espacio central, y tiene el beneficio agregado de hacer que el aire impacte sobre las veletas del rotor en el lado de sotavento de la turbina, en un angulo que imparte una fuerza de gula en la direccion deseada de desplazamiento del rotor. En general, esto se logra posicionando los listones de la gula interna en angulos variables alrededor de su circunferencia, en dependencia de la direccion deseada en que los flujos de aire se desplazaran a diversas zonas dentro de la turbina. As! el aire dentro del espacio central puede ser, dependiendo de la zona en la cual esta localizado, guiado selectivamente hacia y a traves de las veletas del rotor, o aun mas, puede ser apantallado.

Todo el aire que entra inicialmente en la zona de entrada dentro del espacio central, es dirigido en un sentido horario hacia la primera zona de contorno como lo indican las flechas "W". Los listones de la gula interna en la zona de entrada "A" estan angulados sustancialmente en la misma direccion que los listones de la gula externa, en una posicion abierta, como puede verse a partir de la representation detallada de la interaction entre los listones de los dos ensamblajes de gula y las veletas del rotor en la Figura 5. El flujo de aire (W) es guiado desde el exterior de la turbina a traves de las brechas entre los listones (12) de gula externos para impactar sobre las veletas (8) del rotor en un angulo deseado. En vez de permitlrsele entrar al espacio central de manera incontrolada para encontrar su propio camino alrededor y eventualmente hacia afuera de la turbina, el flujo de aire que pasa a traves del ensamblaje de rotor es dirigido hacia la primera zona B de contorno por los listones del ensamblaje estator interno.

Como puede verse en las figuras 4 y 6A, los listones o ambos ensamblajes de gula interno y externo en la primera zona "B" de contorno estan cerrados o casi cerrados de tal manera que poco o ningun aire puede fluir hacia afuera del espacio central hacia las veletas del rotor. El apantallamiento de esta section reduce el impacto de las fuerzas de retroceso sobre las paletas que interrumpen el movimiento suave continuado del rotor. La orientation de los

listones en esta region sirve adicionalmente para favorecer que el flujo cambie de direccion y se mueva hacia la siguiente zona la cual es la zona "C" de salida, localizada en el lado de sotavento de la turbina.

En la zona "C" de salida de aire mostrada en las Figuras 4 y 7, los listones de los ensamblajes de gula tanto interno como externo estan abiertos y orientados hacia la segunda zona "D" de contorno, lo cual favorece que el aire fluya 5 en la misma direccion que la direccion de desplazamiento de las veletas del rotor. La velocidad de flujo de aire que habrla disminuido despues de la entrada en la turbina, se eleva de nuevo especialmente en esta zona por los efectos de succion del area de baja presion que yace por fuera de la turbina sobre su lado de sotavento (en aproximadamente la posicion de tres en punto) para fluir y para salir de la turbina a traves de la zona de salida. Los listones de la gula interna en esta zona estan especlficamente inclinados en angulos para favorecer que el aire de 10 salida entre en contacto con el borde de gula de la veleta del rotor en un angulo deseado de ataque para impartir una fuerza de empuje sobre las veletas en la zona de salida. Esto usa ventajosamente el aire de salida el cual de otra manera habrla ejercido una retropresion contra la direccion de desplazamiento del rotor, para un buen efecto como segunda fuente de fuerza de empuje positiva sobre las veletas del rotor en el lado de sotavento de la turbina.

Puede anticiparse que una gran parte de flujo de aire que entra en el espacio central saldrla de la camara de la zona 15 "C" de salida. El aire que queda continua circulando alrededor del eje central de la turbina en la direccion "X" a

traves de la segunda zona "D" de contorno, donde los listones de ambos ensamblajes de gula estan configurados para evitar o desfavorecer que el aire salga del espacio central. La configuration de listones de los ensamblajes de gula es similar a la desplegada en la primera zona de contorno, como se representa en detalle en la figura 6B. La figura 4 muestra una disposition en la cual aquellos listones de gula internos en la region mas cerca a la zona de 20 salida estan en una posicion sustancialmente cerrada. Los listones mas cercanos a la zona de entrada estan en una posicion mas abierta en la que estan angulados para permitir un flujo de aire fresco que viaja de izquierda a derecha desde el exterior de la turbina para entrar en la zona de entrada, mientras que estan angulados contra el flujo de aire que circula dentro del espacio central que esta viajando en la direccion opuesta, de derecha a izquierda, o en contra del horario. Esto favorece el flujo de aire dentro del espacio central para cambiar la direccion de tal manera que 25 reingresa a la zona de entrada para ser mezclado con un nuevo flujo de aire lo cual permite ir a traves del ciclo dentro del espacio central en la forma descrita mas arriba.

En resumen, los ensamblajes (10, 14) de gula estan configurados para hacer que o favorecer que un flujo de aire:

• impacte sobre el rotor en un angulo deseado de ataque en la region de zona de entrada,

• cambia la direccion de la primera zona de contorno de tal manera que reduce el arrastre al no salir de la turbina en 30 esta area,

• impacta sobre el rotor en un angulo deseado de ataque en la region de la zona de salida, y

• cambia de direccion en la segunda zona de contorno de tal manera que reduce el arrastre no saliendo de la turbina en esta area.

Como se anoto anteriormente, la ventaja mas grande puede ser obtenida con la operation de los ensamblajes de 35 gula interno y externo en conjuncion uno con otro. Sin embargo, es posible obtener algunas de las ventajas, principalmente en la forma de arrastre reducido dentro de la turbina, usando uno de los ensamblajes en un mayor grado que el otro. Por ejemplo, el uso del ensamblaje de gula interno (configurado en la manera descrita mas arriba) solo podrla tener tal efecto. Alternativamente, un ensamblaje de gula externo que tiene todas sus persianas anguladas de manera identica (esto es, que no tienen secciones apantalladas) usado con un estator interno tambien 40 podrla servir para alcanzar una reduction en el arrastre. Otra alternativa es el despliegue de un ensamblaje de gula interno con listones movibles lo cual ayudarla a mejorar la turbulencia dentro del espacio central.

Como se muestra la Figura 2 anterior, la turbina puede ser alojada en un marco tal como un marco de espacio el cual es una unidad independiente individual. La Figura 8A es otra representation de tal unidad, y la Figura 8B muestra una implementation de la turbina que comprende un arreglo de turbinas similares las cuales pueden ser 45 apiladas o dispuestas una encima de la otra. Cuando se pretende desplegar un cierto numero de turbinas, serla preferible que el marco (particularmente las columnas) estuviese hecho de acero de tal manera que puedan agregarse unidades adicionales segun se requiera de manera modular.

Se entenderla que la turbina no esta restringida al uso solamente con viento o flujos de aire. La description presente puede operar con cualquier flujo de fluido (incluyendo llquidos tales como agua de mar o rlo), con las modificaciones 50 necesarias que permanecen dentro del alcance del concepto de la invention.

Podrlan hacerse otras modificaciones y adiciones a la unidad de turbina para mejorar su capacidad de uso, tales como el acoplamiento de una malla para proteger los listones y las veletas frente a intrusos (humanos y animales), plataformas para desplazamiento circundante para propositos de limpieza y mantenimiento, y similares.

La persona experimentada tambien apreciara que pueden hacerse variaciones al tamano, orientacion, localizacion y configuracion de las partes, y a los materiales utilizados para los componentes y partes que constituyen el aparato, que estarlan dentro del alcance del concepto inventivo.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Reivindicaciones

1. Aparato de gula para guiar un flujo de un fluido (W) para uso con un rotor (6), comprendiendo el rotor un ensamblaje de veletas radiales anulares que tiene una pluralidad de veletas dispuesta concentricamente con el aparato de gula alrededor de un eje (4) vertical central, estando dispuesto el rotor para rotar alrededor del eje vertical,

rodeando el aparato de gula un espacio (18) central que esta intercalado entre cubiertas y el cual esta encerrado por el ensamblaje de veletas radiales,

caracterizado porque

el aparato de gula comprende una pantalla que tiene una pluralidad de listones en persiana formando un arreglo (14) de gula interno rodeado concentricamente por el ensamblaje de veletas radiales, y un arreglo (10) de gula externo que rodea concentricamente el ensamblaje de veletas radiales, estando dispuesta la pantalla para definir dentro del espacio central una pluralidad de zonas que incluyen

- una zona (A) de entrada de fluido para la entrada de fluido en el espacio central,

- una zona (C) de salida de fluido para la salida del fluido del espacio central, y

- zonas de retencion de fluido (B, D) para desfavorecer que el fluido salga del espacio central, estando ademas la pantalla dispuesta en uso tal de manera que los listones en persiana que definen la zona de entrada de fluido y la zona de salida de fluido esten abiertas, y los listones en persiana que definen las zonas de retencion de fluido esten cerradas o casi cerradas, para guiar el fluido con el fin de que circule sustancialmente alrededor del eje vertical dentro del espacio central en la misma direccion que el desplazamiento del rotor.
2. Aparato de gula de acuerdo con la reivindicacion 2 en donde cada uno de la pluralidad de listones en persiana puede ser inclinado de manera selectiva.
3. Aparato de gula de acuerdo con la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2 en donde

- los listones en persiana del arreglo de gula interno que definen la zona de entrada de fluido estan angulados hacia el espacio central sustancialmente en la misma direccion que el desplazamiento del rotor para dirigir el fluido que entra en la zona de entrada en la misma direccion que el desplazamiento del rotor durante el uso, y

- los listones en persiana del arreglo de gula interno que define la zona de salida de fluido del arreglo de gula interno estan angulados hacia el espacio central sustancialmente en la direccion opuesta al desplazamiento del rotor para favorecer que el fluido salga del espacio central de la zona de salida del fluido durante el uso.
4. Aparato de gula de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente, en donde

- los listones en persiana del arreglo de gula externo que definen la zona de entrada de fluido estan angulados hacia el espacio central sustancialmente en la misma direccion que el desplazamiento del rotor para favorecer que el fluido impacte sobre el ensamblaje de veletas radiales antes de la entrada en la zona de entrada de fluido durante el uso, y

- los listones en persiana del arreglo de gula externo que definen la zona de salida de fluido estan angulados hacia el espacio central sustancialmente en la direccion opuesta al desplazamiento del rotor para favorecer que el fluido salga del espacio central desde la zona de salida de fluido durante el uso.

5 Aparato de gula de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4 en donde el angulo de cada uno de la pluralidad de listones en persiana es variable.
6. Aparato de gula de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes que incluye adicionalmente un sincronizador para asegurar que todas las partes de una veleta del rotor se desplazan a la misma velocidad.
7. Un sistema (2) de turbina eolica que comprende

- un rotor (6) que tiene un ensamblaje de veletas radiales anulares que rodean un espacio (18) central, y dispuesto para rotar alrededor de un eje vertical (4), y

- un aparato de gula segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes al cual el rotor esta conectado operativamente.
8. Un sistema de turbina eolica segun la reivindicacion 7 que incluye adicionalmente un generador.
9. Un ensamblaje de turbina eolica que comprenden una pluralidad de sistemas de turbina eolica apilados segun la reivindicacion 7 o la reivindicacion 8.
10. Un metodo de gula de flujo de un fluido (W) destinado para uso con un rotor (6), comprendiendo el rotor un 5 ensamblaje de veletas radiales anulares que rodean un espacio (18) central intercalado entre cubiertas, estando

dispuesto el rotor para rotar alrededor de un eje (4) vertical que comprende

-usar una pantalla que tiene una pluralidad de listones en persiana que forman un arreglo (14) de gula interno rodeado concentricamente por el ensamblaje de veletas radial, y un arreglo (10) de gula externo que rodea concentricamente el ensamblaje de veleta radial, para definir en el espacio central una pluralidad de zonas que 10 incluye una zona (A) de entrada de fluido para entrada del fluido hacia el espacio central, una zona (C) de salida de fluido para salida del fluido desde el espacio central, y zonas (B, D) de retencion de fluido para desfavorecer la salida del fluido del espacio central, y

-usar la pantalla abriendo los listones en persiana que definen la zona de entrada de fluido y la zona de salida de fluido, y cerrar o casi cerrar los listones en persiana que definen las zonas de retencion de fluido cerradas o casi 15 cerradas, para guiar el fluido para que circule sustancialmente alrededor del eje vertical dentro del espacio central en la misma direccion de desplazamiento del rotor.
11. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 10 que incluye adicionalmente la etapa de reangular los listones en persiana.