Sector tecnológico

La presente invención está relacionada con el sector de rotores para turbinas eólicas cuyo eje se encuentra sustancialmente alineado con la dirección del viento (Clasificación Internacional F03D1/06), más específicamente con la forma de dichos rotores (Clasificación Internacional F03D1/06B).

Antecedentes de la invención

Las turbinas eólicas se clasifican en dos clases principales: aquellas en las que el aire fluye perpendicularmente al eje de la turbina y aquellas en las que fluye paralelamente al eje. Entre las de flujo perpendicular al eje, la mayoría son de eje vertical aunque también se desarrollan con eje horizontal. Las de flujo paralelo al eje son generalmente de eje horizontal puesto que en esa dirección fluye el viento. Sin embargo en algunos casos, si el aire llega a través de un ducto, la turbina puede instalarse con su eje en posición vertical.

El campo de interés de la presente invención es el de las turbinas eólicas con el aire fluyendo paralelamente al eje (salvo ligeras desviaciones que se pueden dar a fin de regular el funcionamiento de la turbina). Dentro de este campo se distinguen las turbinas del tipo propela y las del tipo molino de viento, entre otras.

Las turbinas del tipo propela operan a velocidades relativamente altas, con bajo torque y tienen pocos álabes (típicamente seis o menos, en su gran mayoría solamente dos o tres). Además estos álabes típicamente tienen sección en forma de ala de avión y dejan una significativa área abierta entre ellos de cara al viento. En muchos casos las turbinas cuentan con dispositivos para pivotar los álabes a fin de cambiar su ángulo respecto a la dirección del viento.

En comparación con las del tipo propela, las turbinas de tipo molino de viento operan a velocidades relativamente menores, con menor torque y tienen un número mayor de álabes. Aunque estos álabes también pueden tener sección en forma de alas, tienden a ser más delgados y en su mayoría se forman a partir de láminas, ya sea planas, de curvatura sencilla (en su gran mayoría) o de doble curvatura. También es más frecuente que los álabes se mantengan fijos en el rotor, aunque existen versiones con álabes de posición ajustable.

Las turbinas tipo propela son las más usadas en generación de electricidad, debido a que operan a velocidades más cercanas a las de los generadores eléctricos. Además cuanto más grandes sean, más importante es la reducción de material en relación con la potencia generada, lo cual se logra con menor número de álabes girando a mayor velocidad.

En la generación de electricidad con turbinas pequeñas es factible tanto el uso de turbinas del tipo propela como del tipo molino de viento. En este rango las de molino de viento tienen la ventaja de que, al generar mayor torque y operar a menor velocidad, son capaces de aprovechar vientos de menor velocidad, en los cuales una turbina del tipo propela usualmente se detendría. Esto a su vez permite colocar las turbinas a menor altura, con el consecuente ahorro en infraestructura, o en sitios que no sean particularmente favorables por la velocidad del viento disponible. Además, por operar a menor velocidad, los molinos de viento producen menos ruido. Las turbinas del tipo molino de viento datan de hace varios siglos. Se repasan a continuación algunas de las patentes relacionadas con mejoras al estado del arte de las turbinas del tipo molino de viento. En la patente U.S. 237.467 de 1881 se muestra ya la forma básica de un molino de viento con su cubo central en forma de placa circular, una pluralidad de álabes y un anillo periférico. Se incorpora ya la veleta trasera a fin de alinear el eje con el viento. En este caso la transmisión es vertical de movimiento alternativo (hacia arriba y hacia abajo), lo cual es particularmente apropiado en molinos de viento debido a su baja velocidad.

La patente U.S. 457.168 de 1891 refleja el uso de uno o más anillos de refuerzo y además la implementación de álabes formados a partir de láminas delgadas y curvadas.

La patente U.S. 1.467.227 de 1921 muestra la búsqueda de álabes que no sólo se forman a partir de superficies curvadas o con variación entre su ángulo de entrada y salida, sino que también tienen bordes curvados, de modo que dichos álabes se extienden formando una leve espiral. La patente U.S. 2.417.022 de 1945 muestra el uso de engranes cónicos a fin de transmitir potencia en forma de movimiento rotatorio, a través de una barra de transmisión vertical. Esto amplía el ámbito de aplicaciones de las turbinas y las haría aptas, por ejemplo, para mover un generador eléctrico ubicado cerca de la base de la torre.

Las patentes U.S. 4.086.498 de 1978 y U.S. 4.140.433 de 1979 muestran un tipo de turbina, que si bien conserva vestigios del diseño tipo molino de viento, es concebida específicamente para la generación de electricidad. Además el rotor de esta turbina y sus partes estáticas muestran el uso de superficies cónicas, o aproximadamente cónicas, para guiar el viento hacia los álabes y para evitar el flujo centrífugo escapando de la periferia del rotor.

La patente U.S. 5.910.688 de 1999 sigue mostrando, en fechas relativamente recientes, la búsqueda de álabes curvados a partir de láminas delgadas. En este caso un álabe de forma helicoidal, el cual no sólo tiene forma de superficie curva sino que también sus bordes son curvos y su ángulo de entrada y salida varían según la distancia al centro del rotor.

Si bien en el campo de las turbinas de viento del tipo propela se han hecho grandes avances en cuando a su forma aerodinámica, como se puede apreciar en las patentes citadas no sucede lo mismo en las turbinas del tipo molino de viento. En este caso se ha puesto mayor énfasis en el aspecto constructivo y además existen limitaciones importantes en cuanto a la geometría de los álabes, debido a que lo más económico es construirlos a partir de láminas planas o ligeramente curvadas, cuyo espesor es constante.

Resulta por tanto necesario desarrollar un rotor de turbina tipo molino de viento, cuyos álabes puedan siempre fabricarse a partir de láminas, pero con una forma que permita el aprovechamiento de la energía eólica de la manera más eficiente posible. Breve descripción de los dibujos

Los dibujos incluidos muestran la mejor manera de llevar a cabo la invención así como ejemplos de otras varias realizaciones posibles de la invención.

La figura 1 muestra una vista general de una típica turbina de eje horizontal alineado con la dirección del viento, mostrando sus componentes principales y una realización posible del rotor objeto de la presente invención.

La figura 2 muestra otra vista general de una típica turbina de eje horizontal alineado con la dirección del viento, mostrando principalmente una realización posible del rotor objeto de la presente invención.

La figura 3 muestra una realización posible del rotor objeto de la presente invención

La figura 4 muestra la generación de una superficie cónica y cómo se recorta de ella la forma de un alabe posible para el rotor objeto de la presente invención.

Descripción

La presente invención provee un rotor para turbina eólica del tipo cuyo eje se encuentra sustancialmente alineado con la dirección del viento. Dicho rotor incluye un cubo central conectado a dicho eje, a partir del cual se extienden una pluralidad de alabes. Cuenta además con un anillo periférico rodeando los extremos de dichos álabes y opcionalmente un anillo de refuerzo que atraviesa todos los álabes aproximadamente a la mitad de su extensión radial.

La característica principal de este rotor es que sus álabes tienen forma de superficie cónica, recortada de tal modo que el borde por donde incide el viento y el borde por donde sale el viento son aproximadamente perpendiculares a cualquier recta que se trace desde el vértice de dicha superficie cónica hasta cualquier punto de intersección con dichos bordes.

Descripción detallada

El área de aplicación de esta invención es la de rotores para turbinas éolicas con eje sustancialmente alienado con la dirección del viento. En una configuración preferida, un rotor (1) está acoplado a un eje (2) que lo conecta con el resto de los componentes en un cuerpo central (3). Dicho cuerpo central (3) pivota sobre una torre (4) a fin de mantener el eje (2) alineado con la dirección del viento. A fin de alinear el eje con la dirección del viento, la turbina cuenta con una veleta de cola (5) unida al cuerpo central (3) en la ubicación opuesta al rotor (1).

Esto no excluye la posibihdad de ubicar el rotor en una configuración de turbina diferente, por ejemplo, detrás del cuerpo principal. En este caso no se requiere veleta, pero la operación y durabilidad del rotor se puede ver afectada por turbulencias generadas alrededor del cuerpo central (3) y de la torre (4). Otra posibilidad es instalar el rotor en un marco para fijar a la azotea de un edificio o para armar un conjunto de varias turbinas pequeñas formando una pared.

El cuerpo central (3) aloja una serie de componentes, por ejemplo, una caja de engranes para dirigir la energía mecánica a través de una barra de transmisión vertical hasta un generador ubicado cerca de la base de la torre, uno o varios generadores que entrarían a funcionar según la potencia que logre captar el rotor, un gobernador y otros dispositivos de control típicos de las turbinas eólicas. También puede alojar un generador, su correspondiente caja de engranes para adaptar la velocidad del eje (2) a la velocidad del generador, así como diversos tipos controladores eléctricos, electrónicos o mecánicos.

En la configuración preferida del rotor (1), éste está compuesto por un cubo central (6) acoplado directamente al eje (3), un conjunto de álabes (7), un anillo periférico (8) y un anillo de refuerzo (9), todos fijamente unidos entre sí.

El cubo central (6) se extiende radialmente en forma de placa circular con un diámetro y espesor lo suficientemente grande para proveer suficiente área para la fijación de los álabes (7). Esto no excluye la posibilidad de utilizar un cubo de configuración diferente siempre y cuando puedan fijarse a él dichos álabes.

Los álabes (7) se extienden radialmente a partir del cubo central (6) formando cada uno una leve espiral. Estos álabes tienen la forma de una superficie cónica (10) recortada de tal forma que su borde por donde ingresa el viento (11) y su borde por donde sale el viento (12) son aproximadamente perpendiculares a la generatriz (13) de dicha superficie cónica (10) en el punto en que dicha generatriz (13) los interseca al girar alrededor de su eje (14). Esto es lo mismo que decir que cualquier recta que se trace a partir del vértice (15) de la superficie cónica (10) intersecará el borde de entrada (11) y el de salida (12) del álabe (7) en forma aproximadamente perpendicular. Esta forma de álabe permite la posibilidad de modular el ángulo de ataque y el ángulo de salida del viento, así como el flujo del viento a través del rotor de tal forma que se produzca un mínimo de turbulencia y se capte la mayor energía posible.

En una configuración preferida, el anillo periférico (8) es de forma cilindrica con su eje coincidente con el eje (2) de la turbina y rodea los álabes (7) extendiéndose axialmente hasta cubrir la extensión axial de dichos álabes (7). Dicho anillo periférico (8) cumple tres funciones: aportar rigidez al ensamble, eliminar pérdidas por turbulencias en las puntas de los álabes (7) y evitar fugas de energía en forma de flujo centrífugo. El anillo de refuerzo (9) se une fijamente con todos los álabes (7) aproximadamente a la mitad de su extensión radial y aporta rigidez adicional.

Finalmente, en la configuración preferida se fija una ojiva (16) de forma aproximadamente cónica frente al cubo central (6). El eje de dicha ojiva (16) coincide con el eje de la turbina (2), su vértice (17) apunta en dirección opuesta al viento y su base (18) cubre al menos parcialmente el cubo central (6). Esta ojiva (16) recibe el flujo de aire que de otra manera chocaría contra el cubo central (6) y lo direcciona suavemente hacia los álabes (7). Esta descripción no excluye la posibilidad de variantes en el diseño que mantengan el espíritu básico de la invención, como por ejemplo un anillo periférico (8) de menores dimensiones, álabes (7) que se extiendan más allá del anillo periférico (8), variaciones en la orientación y curvatura de los álabes (7), reducción o eliminación del anillo de refuerzo (9), cubo central (6) de forma aerodinámica de modo que se pueda prescindir de la ojiva (16).