ES2803823B2 - Sistema aerogenerador de eje vertical y palas para dicho sistema - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

SISTEMA AEROGENERADOR DE EJE VERTICAL Y PALAS PARA DICHO SISTEMA

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un sistema aerogenerador de eje vertical que funciona mediante la sustentación producida por un perfil aerodinámico cuando la velocidad en su eje es alta, mientras que cuando la velocidad angular en su eje no es suficiente para funcionar por sustentación, el aerogenerador puede modificar el ángulo de las palas, es decir, puede abatir la posición de estas para posicionarlas de tal forma que el sistema funcione a bajas velocidades de viento. Por tanto, en el presente invento se define un sistema que permite arrancar con poco aire y proporcionar más energía. Para ello, se requiere que las palas abatibles además tengan un perfil aerodinámico mejorado y diferenciado respecto de los conocidos.

La presente invención se encuentra encuadrada dentro de los diferentes sistemas de generación de energía, concretamente los aerogeneradores, y más específicamente se refiere a una tipología de sistema aerogenerador de eje vertical y a un perfil de ala específico que es implementado en un sistema aerogenerador de eje vertical.

Estado de la técnica

Es por todos conocido la importancia del desarrollo de las generalmente conocidas como energías limpias, entre las que destaca la energía eólica.

La presente invención se centra en el campo de la minieólica, el cual ofrece grandes posibilidades para hogares o uso en zonas remotas, aunque la invención es implementable a otras escalas, pudiéndose generalizar su aplicación para cualquier usuario de la energía eólica. Para el aprovechamiento de la energía eólica se requiere desarrollar un sistema aerogenerador.

Dentro de los tipos conocidos de aerogeneradores, se destacan los aerogeneradores de eje horizontal, que son los modelos más usados debido a su alto coeficiente de potencia, y que han logrado ser escalados hasta alcanzar potencias de varios megavatios, que implican un diámetro de pala que puede superar los 90 metros. La otra tipología de aerogenerador más conocida, está formada por los denominados aerogeneradores de eje vertical, que son menos utilizados debido a que usualmente presentan un menor coeficiente de potencia en condiciones de servicio, pero que tienen la ventaja de su omnidireccionalidad. En todo caso, para el campo de la minieólica el aprovechar la omnidireccionalidad resulta interesante, para poder aprovechar mejor los vientos cambiantes, justificando el uso de aerogeneradores de eje vertical.

Tal como se ha adelantado, la generación de energía eólica requiere de un aerogenerador. Cuando un aerogenerador se basa en el fenómeno de la sustentación es esencial la definición de al menos una pala. A la hora del dimensionado de una pala se tiene que estudiar la sustentación que esta proporciona. La sustentación se basa en la conocida ecuación de Bernoulli. Se demuestra que esta ecuación aplicada a un flujo externo sobre una superficie que experimente un régimen laminar, y en el que la geometría de las paredes permita aprovechar el efecto Coanda, por el que los fluidos tienden a pegarse a superficies tangentes a su trayectoria. Dividiendo, en el caso de un perfil aerodinámico, al fluido en dos superficies por las que el fluido se desplaza a diferente velocidad. En este caso se deduce, a partir de la ecuación de Bernoulli, que hay una presión mayor en aquella superficie por la que el fluido circule a menor velocidad. En la Figura 1 se muestra la sección de un perfil aerodinámico convencional junto con un esquema de las fuerzas de sustentación (F) y la dirección del viento (V), donde dichas fuerzas son las responsables de generar el par que hace girar el aerogenerador. Este fenómeno de la sustentación es aprovechado generalmente por los aerogeneradores de eje horizontal y ciertos modelos de eje vertical.

Entrando específicamente en los aerogeneradores de eje vertical se destacan tres tipologías principales, el aerogenerador Savonius, el aerogenerador Darrieus, y el aerogenerador híbrido Darrieus-Savonius. El modelo Savonius aprovecha la diferencia de empuje que ejerce el viento sobre una pala cuando su geometría difiere entre las dos caras expuestas al viento, siendo diferente el coeficiente de arrastre por una cara que por otra. El modelo Darrieus se impulsa mediante la sustentación, pero tiene un inconveniente, y es que necesita un impulso inicial y una velocidad de viento mínima para poder funcionar. El modelo Darrieus-Savonius es una de las tipologías más recientes de eje vertical y busca aunar las ventajas de ambos aerogeneradores y suplir o reducir sus inconvenientes, donde en la mayoría de los casos este modelo comprende un aerogenerador Savonius para obtener la energía con la que arrancar el modelo Darrieus y poder producir energía a bajas velocidades de viento.

Teniendo en cuenta estos aspectos, la presente invención se centra o parte de los sistemas que combinan las ventajas de un aerogenerador Savonius y un aerogenerador Darrieus. En este punto se destaca lo divulgado en el documento EP2594785 donde describe un aerogenerador de eje vertical con un sistema de palas abatibles, y lo divulgado en EP2240687 donde se describe una variante del aerogenerador por sustentación respecto del aerogenerador original diseñado por el ingeniero Georges Jean Maríe Darrieus. En todo caso, los modelos con sistemas de palas abatibles presentan inconvenientes cuando el viento sopla en contra debido a su perfil asimétrico, lo que requiere de complejos sistemas electrónicos de abatimiento y posicionamiento de las palas. A diferencia de estos sistemas conocidos, la presente invención presenta un perfil simétrico y no requiere de motores adicionales o gestión electrónica para dicho abatimiento en caso de que el aire sople en una dirección concreta. Por otro lado, los modelos Darrieus que incorporan un modelo Savonius en el centro para arrancar a determinadas velocidades del viento tienen el mismo problema que el anterior, es decir, requieren de motores auxiliares de arranque, además de que al introducir elementos en el interior del conjunto la aerodinámica final se ve afectada. Los modelos Darrieus que incorporan un perfil que puede funcionar en determinadas condiciones por empuje, tal y como sucede en un Savonius para no necesitar sistemas auxiliares de arranque, tienen como problema el aumento de su rozamiento aerodinámico, y ven, por tanto, reducido su coeficiente de potencia.

Para evitar los problemas descritos y desarrollar un sistema aerogenerador que no tenga que comprometer su rendimiento debido a cuestiones como la aerodinámica, la estructura o la elección de las palas, y que permita obtener unos mayores rendimientos que los conocidos aerogeneradores de eje vertical, para, incluso poder competir con la potencia de los aerogeneradores de eje horizontal, la presente invención describe un aerogenerador de eje vertical que funciona mediante la sustentación producida por un perfil aerodinámico simétrico y que incorpora un sistema de arranque que utiliza un mecanismo que permite el abatimiento de las palas a bajas velocidades de viento e impide que las palas se abatan cuando la velocidad angular en el eje de giro alcanza un determinado valor. La estructura interna por tanto difiere de las conocidas hasta la fecha, las cuales, entre otras cosas, no permitían incluir un perfil de pala simétrico bajo las condiciones planteadas.

En este sentido, una de las particularidades de la invención es el que las palas tengan un perfil simétrico frente a los asimétricos de todos los aerogeneradores similares conocidos. Para poder desarrollar dicho perfil se ha estudiado perfiles de alas de aeronaves, y para ello se han analizado una pluralidad de perfiles de alas comprendidas dentro de la base de datos del departamento de ingeniería aeroespacial de la Universidad de Illinois https://m-selig.ae.illinois.edu/ads/coord_database.html. Tras múltiples análisis se constata que ningún perfil alar comprendido en dicha base de datos podría ser implementado en un aerogenerador como el que a continuación se describe en la presente memoria descriptiva, pero se destaca el modelo referenciado como S8035, que se ha utilizado como base para el desarrollo de una pala que realmente si tenga unos buenos resultados https://m-selig. ae. illinois. edu/ads/coord/s8035. dat.

Por tanto, la presente invención consiste en un sistema aerogenerador de eje vertical que funciona mediante una estructura que comprende una nueva tipología de pala para cuyo diseño se ha partido de una configuración de pala/ala ya estudiada en el campo de la aeronáutica. Se aporta como novedad, frente a otras configuraciones conocidas de palas asimétricas, el uso en la presente invención de una pala con configuración simétrica, y que junto con el resto de elementos del sistema permite mejorar los rendimientos de los aerogeneradores de eje vertical conocidos. En este sentido, la presente invención se refiere tanto a la definición del perfil de la pala como a la definición de la estructura del conjunto del sistema aerogenerador que comprende dichas tipologías de palas.

Breve descripción de la invención

La presente invención tiene un primer objeto, que es el desarrollar una nueva tipología de pala cuya sección es simétrica, y que las propiedades aerodinámicas de dicho perfil son aprovechadas para mejorar el rendimiento frente a otros modelos que incorporan mecanismos de rotación en sus palas, por lo que el mecanismo de rotación de la presente invención tiene un funcionamiento diferenciado de cualquier otro modelo actual conocido.

Por tanto, es también objeto de la presente invención la definición de la estructura de un sistema de aerogenerador mejorado respecto de cualquier aerogenerador conocido. La presente invención comprende un mecanismo de bloqueo con un sistema de deslizaderas junto con una pieza que rota alrededor de un eje, dicho sistema se sitúa sobre al menos uno de los brazos de cada pala, que como se ha adelantado tiene un perfil particular también diferenciado de cualquier otro aerogenerador. Este conjunto constituye una innovación muy significativa sobre los sistemas existentes, ya que, a pesar de existir actualmente aerogeneradores que aprovechan simultáneamente los fenómenos de empuje y sustentación (aerogeneradores híbridos), el rendimiento de dichos modelos se ve comprometido por esa hibridación. La presente invención no compromete el rendimiento por aprovechar el empuje (Savonius) y la sustentación (Darrieus) dado que modifica su funcionamiento en función de si aprovecha uno u otro fenómeno. Para posibilitar que el aerogenerador cambie su configuración en función de la fuerza del viento se utiliza el sistema de deslizaderas junto con la pieza que rota para bloquear o permitir el giro de la pala respecto a un eje. Además, se aprovechan las propiedades aerodinámicas de dicho perfil simétrico para mejorar el rendimiento frente a otros modelos que incorporan mecanismos de rotación en sus palas.

El funcionamiento de la invención es tal que cuando la velocidad angular del eje principal es reducida (bajas velocidades de viento), el eje de giro de la pala está permitido, posibilitando la apertura o cierre con respecto a la dirección del viento de la pala, de modo que, si la pala se desplaza en el mismo sentido que la corriente de aire, capta la energía eólica, y si, por el contrario la pala se desplaza en sentido opuesto al del viento, dicha pala se coloca en una posición que reduzca lo máximo posible la resistencia que opone al viento. Por otro lado, cuando la velocidad angular del eje principal aumenta (se incrementa la velocidad del viento), el mecanismo de bloqueo por inercia provoca la rotación de la pieza que bloquea el giro de la pala conforme aumenta la velocidad angular del eje principal, el bloqueo se produce cuando las condiciones de rendimiento e inercia sean las adecuadas para realizar el cambio de funcionamiento de bajas velocidades a altas velocidades de viento.

Como se especifica a continuación, el presente aerogenerador supone una mejora de los sistemas existentes al funcionar de una forma diferente según la fuerza del viento, y además dicho modelo es escalable para poder obtener la potencia necesaria en función de las necesidades concretas de cada usuario.

Breve descripción de las figuras

Con el objeto de completar la descripción y de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se presenta un juego de figuras y dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo se representa lo siguiente:

Figura 1: Muestra la sección de un perfil de pala convencional junto con un esquema de las fuerzas de sustentación, donde dichas fuerzas son las responsables de generar el par que hace girar el aerogenerador.

Figura 2: Muestra la sección de un perfil de pala definida en la presente invención, que es una pala simétrica.

Figuras 3A-3C: Muestra el ángulo entre la cuerda y la resultante de sumar el vector velocidad de la pala al vector velocidad del viento en grados (eje Y) para diferentes velocidades de viento a lo largo de una vuelta completa (eje X) para tres valores distintos de w*R.

Figuras 4A - 4C: muestran diferentes gráficas, concretamente donde la Fig.4A muestra las principales características para varios perfiles simétricos elegidos para un valor de Reynolds igual a 900000; la Fig.4B muestra las principales características del perfil S8035 para valores de Reynolds desde 100000 a 2000000 Reynolds incrementando el valor en 100000 unidades en cada muestra; y donde Fig.4C Muestra las principales características del perfil objeto de la presente invención para valores de Reynolds desde 100000 a 2000000 Reynolds incrementando el valor en 100000 unidades en cada muestra.

Figura 5: Muestra una vista en perspectiva del sistema aerogenerador objeto de la presente invención.

Figura 6: representa el funcionamiento del sistema aerogenerador a bajas velocidades de viento.

Figura 7: representa la posición del mecanismo de bloqueo cuando el viento es reducido o nulo.

Figura 8: representa las fuerzas presentes en el mecanismo al aumentar la velocidad de giro del eje principal.

Figura 9: representa una posición intermedia del mecanismo de bloqueo.

Figura 10: representa la posición final del mecanismo de bloqueo.

Figura 11: representa las fuerzas presentes en el mecanismo cuando se reduce la velocidad de giro del eje principal.

Figura 12: muestra un gráfico representado los resultados de la proporción de fuerza que se transmite entre las deslizaderas en función del ángulo que forma uno de los brazos articulados con el brazo que soporta las palas.

Figura 13: representa el funcionamiento del sistema aerogenerador y la posición de las palas a altas velocidades angulares.

Descripción detalla de un modo de realización de la invención.

A continuación, y teniendo en cuenta las anteriores figuras, se tiene primeramente en cuenta los estudios para analizar la tipología y configuración de las palas de los aerogeneradores, siempre tratando de mejorar el rendimiento final obtenido.

Para determinar cuál es el perfil de pala más adecuado se procede a realizar un estudio exhaustivo de los diferentes perfiles aerodinámicos existentes. Tal como se ha comentado en el estado de la técnica, en la base de datos de la Universidad de Illinois, se pueden descargar más de 1500 perfiles para usos variados, todos ellos relacionados con la aeronáutica. Tras descargar los archivos .dat se procede a analizar los perfiles mediante el software de uso libre xfiró (xfoil) que fue creado originalmente por Mark Drela para el proyecto Daedalus en el MIT (Massachusetts Institute of Technology) en los años 80. Es conocido que el xflr5 es un programa que funciona bien a bajos números de Reynolds, dado que fue diseñado para estudiar flujo subsónico. Por el mismo motivo solo se pueden utilizar aquellos perfiles diseñados para funcionar a bajos números de Reynolds. A pesar de esas limitaciones, la información que nos proporciona se ajusta razonablemente a nuestro caso, y nos va a proporcionar una comparativa de las propiedades relevantes de los diferentes perfiles como son el coeficiente de sustentación, el coeficiente de arrastre y el coeficiente de momento. No obstante, estos cálculos no son suficientes para concluir el análisis del perfil, ya que para dimensionarlo correctamente se debe estudiar además sus propiedades en un rango de ángulos más amplio de lo que nos permite el xflr5. Usando dicho programa se ha comparado las características de los diferentes perfiles. Con el objetivo de conocer un poco mejor cómo se comportan los diferentes perfiles se procede a realizar un análisis de prueba con varios perfiles aleatorios a diferentes números de Reynolds, no obstante, y dado el número reducido de perfiles que se pueden analizar de este modo, en lo sucesivo se decidió analizar un numero de Reynolds en cada gráfico cuando se analizaban varios perfiles. Tras analizar varios grupos de perfiles se concluye que hay determinadas geometrías que se pueden descartar, ya sea debido al bajo rendimiento que pueden proporcionar o a la imposibilidad de ser analizados debido a que no funcionan a bajos números de Reynolds. Por tanto, se procede a realizar una lista de perfiles que puedan ser interés de estudio.

Dado que para que un aerogenerador Savonius pueda funcionar se requiere una asimetría del perfil respecto de la cuerda, se opta por probar primero con perfiles asimétricos (como los mostrados en la Fig.1), no obstante, se incluye en el análisis algún perfil simétrico utilizado en la aeronáutica para observar sus posibles ventajas frente al resto de los perfiles. Tras realizar la selección de perfiles se procede a analizarlos para valores comprendidos entre 100000 y 2100000 Reynolds. Dado que tras el análisis se obtienen múltiples perfiles de interés, no siendo posible discriminar los resultados sin más datos, se procede a analizar cómo influyen realmente la velocidad del viento y la velocidad angular del eje principal en el ángulo de incidencia de la corriente de aire con respecto a la cuerda del perfil alar. Se procede, por tanto, a realizar unos gráficos (Fig.3A-3C) en los que se relaciona el ángulo entre la cuerda y la resultante de sumar el vector velocidad de la pala al vector velocidad del viento en grados (eje Y) para diferentes velocidades de viento a lo largo de una vuelta completa (eje X) a diferentes velocidades, en el primero la relación w*R es mayor que las diferentes velocidades de viento tomadas (Figura 3A), en el segundo, la relación w*R es alcanzada por la velocidad más alta de las estudiadas (Figura 3B), En el tercer caso la relación w*R es superada por varias de las velocidades estudiadas (Figura 3C). Como se observa, si hacemos variar la velocidad angular o el radio que le proporcionamos en los cálculos, la relación velocidad angular*radio, muestra una relación inversamente proporcional respecto al rango de ángulos de incidencia alcanzados a lo largo de una vuelta, del mismo modo, como es lógico, a mayor velocidad de la corriente de aire mayor amplitud tendrá el citado ángulo si mantenemos la relación velocidad angular*radio. También se observa que al aumentar el valor de la relación velocidad angular*radio el área bajo dicho gráfico se reduce. Lo que nos hace concluir que aumentar el valor de la relación velocidad angular*radio, no solo reducirá el rango de valores de la cuerda, sino que también dichos ángulos tendrán valores cercanos a los valores máximos durante un rango menor de posiciones a lo largo de una vuelta. También cobra importancia, como se ha analizado, si el valor velocidad angular*radio supera (Figura 3A) o no a los valores de la velocidad del viento estudiados, ya que de no ser así el rango de valores de ángulos respecto a la cuerda aumentará drásticamente (Figuras 3B y 3C). Teniendo en cuenta estas consideraciones y debido al reducido coeficiente de sustentación que experimentan los perfiles asimétricos cuando la cuerda presenta ángulos negativos se empieza a tomar en consideración la posibilidad de optar por un perfil simétrico que nos permitiría, además de poder aprovechar el fenómeno de la sustentación durante una mayor parte del recorrido de la pala a lo largo de una vuelta, la posibilidad de poder reducir considerablemente la aceleración angular del aerogenerador a altas velocidades de funcionamiento.

Esta observación trae a colación el tema de la seguridad, tras observar las gráficas correspondientes a las figuras 3A-3C constatamos otra ventaja de los perfiles simétricos, y es que añaden seguridad al diseño, ya que podemos crear las condiciones para que el coeficiente de sustentación se reduzca considerablemente si se logra que el ángulo de incidencia de la corriente de aire respecto de la cuerda adopte valores próximos a cero. Cabe indicarse que valores de cuerda próximos a cero se pueden obtener si la relación de velocidades es lo bastante alta, siendo la relación de velocidades el cociente entre la relación w*R y la velocidad con la que el viento incide en la pala. Por tanto, si se aprovecha adecuadamente este comportamiento, serviría para limitar considerablemente los casos en los que la velocidad angular del eje adopte valores que pongan en riesgo la estructura del aerogenerador, reduciendo notablemente la necesidad de utilizar un freno de seguridad. Obviamente, para que esto se cumpla la relación w*R debe ser mayor que la velocidad con la que el viento incide en la pala y por tanto la relación de velocidades debe ser mayor que 1. En el caso de los aerogeneradores Darrieus, esta relación suele estar entre los valores 5 a 7. Tras tener en cuenta estas consideraciones, se decide analizar varios perfiles simétricos a un valor de Reynolds de 900000 (Fig.4A). Con este análisis se espera poder determinar si alguno de los perfiles simétricos puede proporcionar coeficientes de sustentación adecuados para un aerogenerador. Dentro de este análisis se decide incluir, entre otros, perfiles NACA que son perfiles ligeramente asimétricos, dado que se han usado con anterioridad en aerogeneradores Darrieus y perfiles del tipo 's', debido a que han mostrado un alto coeficiente de sustentación respecto a otros perfiles analizados.

Tras analizar el grupo de perfiles simétricos (Fig. 4A) se observa que en esos perfiles los coeficientes de sustentación observados llegan a alcanzar un valor de 1,65. Estos valores son menores que los obtenidos para los perfiles asimétricos, no obstante, el mayor coeficiente de sustentación que presentan para ángulos de cuerda mayores que cero no compensa la drástica reducción que estos perfiles experimentan para cuerdas menores que cero, además del resto de ventajas mencionadas. Por tanto, teniendo en cuenta todo lo anterior, se considera más adecuado utilizar un perfil simétrico, aunque se considera necesario estudiar posibles mejoras de los perfiles para obtener un mejor coeficiente de sustentación que los obtenidos en la muestra. También se observa que los perfiles NACA presentan un borde de salida cuya curvatura proporciona propiedades peores frente al empuje que otros perfiles analizados, como el perfil S8035. Este perfil presenta un coeficiente de sustentación inferior al NACA, concretamente el NACA 0024, pero el valor observado se encuentra entre los más altos de la muestra, si además consideramos que el espesor máximo del perfil S8035 es inferior al NACA 0024, por lo que su rozamiento es menor que el NACA 0024 y si a eso añadimos lo observado a cerca del borde de curvatura, se justifica el estudiar el perfil S8035 para un rango de valores de Reynolds comprendidos entre 100000 y 2000000 (Fig.4B), obteniéndose un coeficiente de sustentación máximo de 1,5. Se considera la posibilidad de mejorar este resultado para tratar obtener un coeficiente de sustentación mayor.

Por tanto, se realizan modificaciones con el programa xflr5 sobre el perfil S8035, consiguiendo resultados de coeficiente de sustentación con un valor máximo de 1,81 (Fig.4C) siendo este valor más alto que el obtenido en el caso del perfil S8035 y que además se ha obtenido sin variar demasiado la planicidad del borde de salida ni el espesor máximo que presentaba el perfil S8035. Esto hace que se obtenga una geometría de un nuevo perfil simétrico que puede ser utilizado en aerogeneradores, el uso de este perfil requiere de un mecanismo diseñado específicamente para obtener el comportamiento deseado, por lo que es preciso el desarrollar el sistema aerogenerador de la presente invención, el cual soluciona todos los inconvenientes y problemas expuestos en este documento. Las coordenadas del perfil con el que se solucionan los problemas previamente descritos se pueden observar en la Tabla 1.

En la Fig.2 se puede observar la geometría simétrica de dicho perfil, de acuerdo a las coordenadas de la Tabla 1. En este sentido, el perfil de la pala se representa escalado para una longitud transversal (eje X) total de 1, yendo desde 0 en el punto de partida o borde de ataque (BA) hasta 1 el punto final o borde de salida (BS), y la superficie inferior o intradós (a) equivalente al eje Y inferior, y la superficie superior o extradós (b) equivalente al eje Y superior, también están acorde al dimensionamiento del eje X. El punto de espesor máximo está en el 17,00 ± 0,50% del eje longitudinal X contando desde el borde de ataque (BA) y con un espesor máximo de 14,79 ± 0,20% también de lo que sería el total del eje longitudinal X. En la comparación con el perfil S8035, debido a las particularidades de las alas de los aviones, el punto de máximo espesor está aproximadamente en el 30% del eje longitudinal X contando desde el borde de ataque, el espesor es más continuo y tiene un espesor máximo de 14,00 ± 0,05%. Para mejorar el comportamiento frente al empuje del aire se ha aplanado el perfil aerodinámico, los resultados observados en los argumentos previos y en la gráfica de este nuevo perfil demuestran las ventajas de su implementación en un aerogenerador, para lo cual se requiere modificar cualquiera de las estructuras y configuraciones conocidas, y es también objeto de la presente invención el desarrollar un nuevo sistema aerogenerador de eje vertical que permita la inclusión de esta nueva tipología de pala.

El sistema aerogenerador de eje vertical, que se observa en el resto de las figuras, comprende:

- al menos una pala (1) simétrica de las características previamente indicadas.

- cada pala es soportada por una pluralidad de brazos (2) que sobresalen de forma radial al eje principal (7) del aerogenerador;

- una deslizadera transversal (3) de brazo en al menos uno de los brazos (2) de cada pala; donde la deslizadera tiene un movimiento axial; y donde la deslizadera comprende dos bielas, una primera biela (31) de la que parte un primer brazo articulado (5) que acciona un elemento de bloqueo (4); y una segunda biela (32) de la que parte un segundo brazo articulado (6) que acciona una deslizadera vertical (8) ubicada en el eje principal (7) del aerogenerador; pudiendo esta deslizadera transversal (3) desplazarse por la parte externa del brazo (2) o bien por la parte interna del brazo (2);

- un elemento de bloqueo (4), accionado por la primera biela (31) de la deslizadera transversal (3), que comprende:

un bloqueador (40) que dispone en uno de sus vértices un punto de articulación (41) , que permite que el bloqueador (40) girar y entrar en contacto con un tope (42) en el extremo del brazo (2);

un tope (42), en contacto con la pala (1), que puede fijar la posición de la pala dependiendo de:

- si el bloqueador está en contacto con el tope la pala queda fija; - si el bloqueador no está en contacto con el tope, la pala puede variar su posición, lo que en adelante se puede denominar como abatimiento de las palas;

- una deslizadera vertical (8), que se desplaza verticalmente a lo largo del eje principal (7) del aerogenerador, y que es accionada por el segundo brazo articulado (6) accionado por la deslizadera horizontal (3), de tal forma que dicha deslizadera vertical (8) se mueve también dependiendo si el elemento de bloqueo (4) está fijado a la pala (1) o no;

- al menos un soporte (9) o plato, del que parte el brazo (2) con sus elementos previamente indicados, hace de tope de la deslizadera vertical (8) y que además puede servir de tope para un elemento resorte (10); y

- pudiendo haber al menos un elemento resorte (10), como un muelle, ubicado alrededor del eje principal (7) del aerogenerador y entrando en contacto también con la deslizadera vertical (8) regulando su movimiento.

En una realización particular de la invención, tanto el primer brazo articulado (5) como el segundo brazo articulado (6) pueden ser cables.

En otra posible realización de la invención, la deslizadera vertical (8) puede ubicarse debajo del soporte (9), por lo que no sería necesaria la presencia del resorte (10), ya que el propio peso de la deslizadera vertical (8) acciona el brazo articulado con el que se desplaza la deslizadera horizontal (3).

También, adicionalmente, el elemento bloqueador (4) puede comprender un motor y un control electrónico que permite actuar sobre el bloqueador (40) para fijar o desbloquea la pala (1) en función de la velocidad del viento, pudiendo este motor y control electrónico actuar junto la acción de la deslizadera horizontal, o puede funcionar de manera independiente ante cualquier tipo de improviso.

El aerogenerador objeto de la presente invención, tal como se puede ver en la Fig.5, es un aerogenerador de eje vertical que funciona mediante la sustentación producida por un perfil aerodinámico, como en otros modelos similares se requiere de un sistema de arranque.

Entonces, el sistema de arranque del aerogenerador utiliza un mecanismo que permite el abatimiento de las palas a bajas velocidades de viento e impide que las palas se abatan cuando la velocidad angular en el eje de giro alcanza un determinado valor. Este innovador diseño es capaz de competir en rendimiento simultáneamente tanto con los modelos diseñados para arrancar con poco aire como aquellos que requieren de un viento más fuerte para funcionar (proporciona más KW/año).

El presente aerogenerador de eje vertical comprende por tanto un mecanismo que le permite funcionar tanto a velocidades bajas como velocidades altas del viento. Este funcionamiento se puede realizar gracias a un mecanismo de bloqueo previamente indicado, basado en el un elemento de bloqueo (4) en contacto con la pala (1) y siendo accionado por el sistema de deslizaderas, tal que, conforme el aerogenerador acelera entra en acción el mecanismo de bloqueo, dicho mecanismo se encarga de modificar la configuración del aerogenerador para poder realizar un aprovechamiento optimo a altas velocidades de viento.

A bajas velocidades de viento el aerogenerador permite girar las palas. Este comportamiento permite en condiciones de poco viento producir energía aprovechando el arrastre que el viento provoca sobre las palas del aerogenerador, tal y como sucede con los aerogeneradores basados en el diseñado por el ingeniero Sigurd J. Savonius. Tal y como indicábamos en puntos anteriores la presente invención difiere de las innovaciones aportadas hasta ahora y que se basaban en este principio, dado que en nuestro caso lo que se hace es aprovechar la simetría de nuestro perfil aerodinámico para, de este modo, minimizar la resistencia cuando la pala se desplaza en sentido contrario al del viento y, al mismo tiempo provocar su apertura en los instantes en los que dicha pala se desplaza en el mismo sentido que el viento. En la Fig.6 se observa con claridad dicho comportamiento. En esa imagen observamos una instantánea del aerogenerador, a la que se han añadido en discontinuo el resto de las posiciones relevantes para comprender el funcionamiento del aerogenerador a lo largo de una vuelta. Del mismo modo se han numerado las posiciones en las que el ala varia su manera de comportarse. Podemos dividir, por tanto, el comportamiento en cuatro zonas (Z1, Z2, Z3 y Z4):

(Z1) - (Z2): Entre estos dos puntos el aerogenerador abrirá la pala (1) para poder captar el máximo viento posible, al ser esta la zona en la que la pala se desplaza en el mismo sentido que el viento (V)

(Z2) - (Z3): En este intervalo el perfil posiciona su eje de simetría paralelo a la dirección del viento (V), esto se debe a que un perfil simétrico siempre tendrá a colocarse en la posición antes descrita y con el viento entrando por el borde de ataque para oponer la mínima resistencia posible. En este intervalo debido a las características del diseño, esta posición está permitida.

(Z3) - (Z4): Al llegar la pala (1) al punto (Z3) el tope del elemento de bloqueo (4) de giro impide que el perfil se posicione de la forma que lo hacía en el intervalo anterior, además, este comportamiento crea un momento que se opone a la dirección permitida del giro del ala, por lo que durante este intervalo el ala permanece en una posición fija con respecto al brazo.

(Z4) - (Z1): A partir del punto (Z4) el empuje sobre el borde de ataque del perfil provocará un momento en el sentido de giro permitido de la pala (1), lo cual provocará el giro de esta hasta llegar a la posición (Z1).

Para terminar el análisis del funcionamiento del sistema aerogenerador a bajas revoluciones se debe indicar que entre los puntos (Z1) y (Z2) de funcionamiento los valores que tomará el ángulo de la pala con respecto a la dirección del viento estarán comprendido entre 0° y 90°.

Tras haber analizado su comportamiento a bajas velocidades de viento pasamos a mostrar el funcionamiento del mecanismo de transición. En este sentido, conforme el aerogenerador acelera entra en acción el mecanismo de bloqueo, dicho mecanismo se encarga de modificar la configuración del aerogenerador para poder realizar un aprovechamiento optimo a altas velocidades de viento.

La Fig.7 representa la posición del mecanismo de bloqueo cuando el viento es reducido o nulo

Inicialmente, cuando la velocidad del viento es reducida o nula el mecanismo permite el giro del perfil aerodinámico de la pala (1) produciendo el funcionamiento que hemos indicado en el punto anterior. Conforme aumentan las revoluciones en el eje, se genera una fuerza centrífuga en una deslizadera transversal (3) del brazo que provoca el desplazamiento de esta a lo largo de dicho brazo (2) variando la configuración del sistema de bielas (31,32), dicho movimiento se propaga al elemento de bloqueo (4) a través de una de las bielas. Por otro lado, a través de la segunda biela el movimiento se transmite a la deslizadera vertical (8) del eje principal (7) provocando el descenso o ascenso de esta dependiendo del sentido en el que se desplace la deslizadera transversal (3) del brazo como se ve más adelante. Por último, este sistema queda sujeto al eje principal (7) mediante un soporte o plato (9), siendo esta pieza la encargada de transmitir la fuerza al eje principal generando el par de giro que será aprovechado por el generador para producir energía eléctrica.

En este sentido, cuando la velocidad del viento es baja el mecanismo permite el giro de la pala (1) produciendo el funcionamiento que hemos indicado en el punto anterior. Conforme el aumentan las revoluciones en el eje la inercia creada en los brazos (2) provoca el desplazamiento de la deslizadera horizontal (3) del brazo. En la Fig.8 se puede observar fuerzas y momentos que experimentan los principales componentes.

Tal y como se observa, la inercia descrita antes provoca un par de giro en el bloqueador (40), por tanto, el objetivo de este mecanismo es posicionar elemento bloqueador (4) de forma que impida el giro de la pala (1) que observamos a bajas revoluciones.

No obstante, para que el elemento bloqueador (4) se coloque en la posición adecuada es necesario que realice la última parte del giro en el intervalo (Z3)-(Z4) que describíamos antes, dado que en los otros intervalos dicho giro queda bloqueado, tal y como se indica en la Fig.9.

Para finalizar el proceso de bloqueo se deben bloquear todos los brazos (2). En la Fig.10 se puede observar el resultado final de dicho proceso y posición final de mecanismo de bloqueo.

Si en algún momento el viento cesa el aerogenerador volverá a recuperar su posición inicial. En la Fig.11 se muestran las fuerzas que se producen cuando se reduce o cesa el viento. De este modo se puede ver que el aerogenerador altera su funcionamiento en función de la velocidad del viento.

En las Figuras anteriores se observan los mecanismos de giro y deslizamiento presentes en el sistema aerogenerador, donde destaca que hay una deslizadera vertical (8) en el eje principal (7) con un resorte (10), por tanto, quedaría por analizar cómo influye el ángulo que forma la segunda biela (32) que transmite el movimiento entre la deslizadera vertical (7) del eje y primera biela (31) que transmite el movimiento en el brazo (2) y que está sujeta al desplazamiento que experimenta la deslizadera horizontal (3). En la Fig.12 se muestra un gráfico representado los resultados del desplazamiento de una deslizadera con respecto a otra en función del ángulo, representándose en p el valor del ángulo de la biela con el eje, y donde se muestran los resultados de la proporción de fuerza que se transmite entre las deslizaderas (3 y 8) en función del ángulo que forman el segundo brazo articulado (6) con el brazo (2).

Por lo que se puede observar, el desplazamiento de una deslizadera influirá más en el de la otra cuando la biela que las une forme ángulos cercanos a los 45° con el eje principal. El objetivo de este sistema es, por tanto, bloquear el giro de la pala transformando el movimiento de la deslizadera del brazo, creado por la inercia de la pala, en el giro del bloqueador (40) el cual bloquea el giro de la pala (1).

Por último, en la siguiente figura, procederemos a mostrar el funcionamiento cuando el eje principal adquiere unas altas velocidades angulares.

Finalmente, se vuelve a indicar que este mecanismo de bloqueo incorpora una deslizadera vertical (8) en el eje principal (7), que en las imágenes se ha posicionado por encima del brazo (2) que incorpora el elemento bloqueador (4) y además se ha incorporado un resorte (10) en el eje principal. En función de las condiciones físicas o las necesidades energéticas se podría situar la deslizadera del eje principal por debajo del citado brazo e incorporar o no dicho resorte.

Finalmente, cuando la fuerza del viento es suficiente, el aerogenerador aprovechará el fenómeno de la sustentación tal y como sucede en los aerogeneradores basados en el diseño de Georges Jean Maríe Darrieus. En la Fig.13 se puede observar la posición de las palas en esa configuración.

Claims (9)

1. r e iv in d ic a c io n e s

   1 Pala para sistema aerogenerador de eje vertical, que se caracteriza por que el perfil tiene una geometría simétrica, comprendiendo el espesor máximo en un punto ubicado en el 17,00 ± 0,50% del eje longitudinal contando desde el borde de ataque y comprendiendo un espesor máximo de 14,79 ± 0,20% del total del eje longitudinal.
2. 2.- Pala para sistema aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 1, donde siendo el eje X el eje longitudinal, x=0 el borde de ataque, x=1 el borde de salida, el eje Y inferior el intradós de la pala y el eje Y superior el extradós de la pala, la geometría del perfil de la pala es de acuerdo con las siguientes coordenadas:

   

   

   

   
3. 3. - Sistema aerogenerador de eje vertical, que modifica el ángulo de las palas para posicionarlas en función de la velocidad del viento, que se caracteriza por comprender:

   - al menos una pala (1) con un perfil simétrico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-2;

   - una pluralidad de brazos (2) que sobresalen de forma radial a un eje principal (7) del aerogenerador; y sustentan a cada pala (1);

   - una deslizadera transversal (3) de brazo con movimiento axial en al menos uno de los brazos (2) de cada pala; y donde la deslizadera comprende dos bielas, una primera biela (31) de la que parte un primer brazo articulado (5) que acciona un elemento de bloqueo (4); y una segunda biela (32) de la que parte un segundo brazo articulado (6) que acciona una deslizadera vertical (8) ubicada en el eje principal (7) del aerogenerador;

   - un elemento de bloqueo (4), en contacto con la pala (1), que comprende un bloqueador (40) que, al accionarse el elemento de bloqueo (4), varía su posición y fija o desbloquea la pala (1);

   - una deslizadera vertical (8), que se desplaza verticalmente a lo largo del eje principal (7) del aerogenerador, y que es accionada por el segundo brazo articulado (8);

   - al menos un soporte (9) o plato, del que parte el brazo (2) y hace de tope de la deslizadera vertical (8), y que está ubicado en el eje principal (7).
4. 4. - Sistema aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 3, donde el elemento de bloqueo (4) comprende un bloqueador (40) que dispone en uno de sus vértices un punto de articulación (41), que accionado por el primer brazo articulado (5) permite al bloqueador (40) girar y entrar en contacto con un tope (42) en el extremo del brazo (2); un tope (42), en contacto con la pala (1), que puede fijar la posición de la pala dependiendo de la posición del bloqueador (40).
5. 5. - Sistema aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 3, donde alrededor del eje principal (7) del aerogenerador, y entrando en contacto con la deslizadera vertical (8) cuando esta está sobre el soporte (9), se dispone de un elemento resorte (10).
6. 6. - Sistema aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 5, donde el elemento resorte (10) se apoya en el soporte (9) o plato.
7. 7. - Sistema aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 5, donde el elemento resorte (10) es un muelle.
8. 8. - Sistema aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 3, donde cualquiera de los brazos articulados (5 y 6) son cables.
9. 9. - Sistema aerogenerador de eje vertical, según la reivindicación 3, donde el elemento de bloqueo (4) comprende un motor y un control electrónico que acciona el bloqueador (40).