ES2179785B1 - Turbina eolica autotimonante. - Google Patents

Turbina eolica autotimonante.

Info

Publication number
ES2179785B1
ES2179785B1 ES200101404A ES200101404A ES2179785B1 ES 2179785 B1 ES2179785 B1 ES 2179785B1 ES 200101404 A ES200101404 A ES 200101404A ES 200101404 A ES200101404 A ES 200101404A ES 2179785 B1 ES2179785 B1 ES 2179785B1
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
rotor
self
wind
turbine
head
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
ES200101404A
Other languages
English (en)
Other versions
ES2179785A1 (es
Inventor
Ivan Lahuerta Antoune
Sebastian M. Lahuerta Antoune
Maria Lahuerta Antoune
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to ES200101404A priority Critical patent/ES2179785B1/es
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE60210279T priority patent/DE60210279T2/de
Priority to PT02740780T priority patent/PT1400688E/pt
Priority to AT02740780T priority patent/ATE321947T1/de
Priority to AU2002314219A priority patent/AU2002314219B2/en
Priority to MXPA03011528A priority patent/MXPA03011528A/es
Priority to EP02740780A priority patent/EP1400688B1/en
Priority to CNB028138104A priority patent/CN1304753C/zh
Priority to PCT/ES2002/000303 priority patent/WO2002101234A1/es
Publication of ES2179785A1 publication Critical patent/ES2179785A1/es
Priority to US10/733,429 priority patent/US6974307B2/en
Application granted granted Critical
Publication of ES2179785B1 publication Critical patent/ES2179785B1/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D7/00Controlling wind motors 
    • F03D7/02Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0204Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for orientation in relation to wind direction
    • F03D7/0208Orientating out of wind
    • F03D7/0212Orientating out of wind the rotating axis remaining horizontal
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D13/00Assembly, mounting or commissioning of wind motors; Arrangements specially adapted for transporting wind motor components
    • F03D13/20Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D7/00Controlling wind motors 
    • F03D7/02Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0204Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for orientation in relation to wind direction
    • F03D7/0208Orientating out of wind
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D7/00Controlling wind motors 
    • F03D7/02Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0204Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for orientation in relation to wind direction
    • F03D7/0208Orientating out of wind
    • F03D7/0216Orientating out of wind the rotating axis changing to vertical position
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D80/00Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/70Bearing or lubricating arrangements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03DWIND MOTORS
    • F03D9/00Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20Wind motors characterised by the driven apparatus
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00Components
    • F05B2240/90Mounting on supporting structures or systems
    • F05B2240/91Mounting on supporting structures or systems on a stationary structure
    • F05B2240/915Mounting on supporting structures or systems on a stationary structure which is vertically adjustable
    • F05B2240/9152Mounting on supporting structures or systems on a stationary structure which is vertically adjustable by being hinged
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/728Onshore wind turbines
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Wind Motors (AREA)
  • Crushing And Pulverization Processes (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Turbina eólica autotimonante.
Turbina eólica, de ejecución barlovento o sotavento, de estructura autotimonante formada por dos vigas paralelas armadas a modo de "enrejado" cuyo centro de empuje lateral queda desplazado del eje de la columna donde se apoya y gira. Su rotor bipala en forma de diedro, es autoestable, por tener su centro de empuje detrás de su centro de gravedad y del eje de timonación de la turbina, mejorando la autotimonación en marcha. El empuje axial es controlado, basculando cabeza y rotor, por contrapresión hidráulica, garantizando que no se supere la potencia captada y momentos sobre estructura, zapata y terreno. La estructura autotimonante puede bascular hidráulicamente descendiendo cabeza y rotor, facilitando su montaje y mantenimiento, a un nivel más bajo, pudiendo permanecer "acostada" cuando no produce, reduciendo su impacto visual. Esta turbina aprovecha la fuerza del viento para autocontrolarse, simplificando la fabricación de grandes turbinas conectadas a red o en aplicaciones aisladas.

Description

Turbina eólica autotimonante.
La presente invención se refiere a un nuevo diseño de Turbina Eólica Autotimonante, con la que se pretende simplificar la ejecución de este tipo de máquinas al dotarlas de más grados de libertad por tener estructuras autotimonantes y rotores autoestables, en los que la propia fuerza del viento se emplea para protegerlos en lugar de destruirlos, ya que trabajan a "favor de la corriente", aprovechando mejor dicha fuerza y garantizando que en ningún caso, estructura, zapata y terreno soporten fuerzas superiores a las nominales. La propiedad de que la estructura pueda bascular hasta bajar la cabeza y rotor a poca altura sobre el suelo, reduce los tiempos y costes de montaje y mantenimiento, así como las infraestructuras necesarias, resultando un producto altamente competitivo y rentable aplicado a la fabricación de aerogeneradores conectados a red y/o en aquellos casos en que se pretenda aprovechar la energía del viento para bombeo, ahorro de energía, en lugares aislados de
red.
Estado de la técnica
La mayor parte del parque eólico a nivel mundial, lo constituyen aerogeneradores tripala de eje horizontal. No obstante, existe un gran número de aerobombas y aerogeneradores de pequeña potencia que constituyen una parte (poco significativa) muy pequeña de la total instalada.
En cuanto al tamaño unitario, se detectan diferentes estados de madurez tecnológica. Sus dimensiones han ido aumentando paulatinamente pasando de aerogeneradores de 15 m de diámetro y 75 kW, a máquinas de 40-65 m de diámetro y 500-1.500 Kw nominales, todos ellos con rotor tripala a barlovento y torre tubular a sotavento. Durante el desarrollo de la tecnología no ha habido grandes innovaciones. El proceso ha consistido en optimizar y mejorar los diseños y procedimientos de fabricación, teniendo como consecuencia una mejora de la disponibilidad del aerogenerador, rendimientos de producción, disminución de pesos específicos (Peso Específico= Peso [rotor + góndola]/ área barrida rotor), disminución de costes de instalación, operación y mantenimiento pero siempre manteniendo los mismos parámetros estructurales (Altura de la torre = 3/4 diámetro rotor + 10 expresado en metros).
En concreto, los sistemas actuales son:
-
Aerogeneradores tripala con regulación por pérdida aerodinámica con dos velocidades de giro mediante el típico sistema de conexión de polos en generadores asíncronos.
-
Aerogeneradores tripala con regulación por pérdida aerodinámica con generador asíncrono a velocidad fija.
-
Aerogeneradores tripala con regulación por cambio de paso, combinado con un sistema de velocidad variable de pequeño rango (Opti-slip).
-
Sistemas de regulación por cambio de paso a velocidad constante.
-
Aerogeneradores tripala sin caja de multiplicación mediante generadores síncronos multipolos, regulados por cambio de paso y sistema de velocidad variable.
Generalmente, el tipo de aerogenerador es tripala con torre tubular a sotavento, regulación por pérdida y/o cambio de paso y sistema de orientación activo. El rotor acciona un multiplicador y éste al generador; en el eje de salida del multiplicador se coloca un freno de disco.
A pesar de su contrastado buen funcionamiento a nivel de generación y aprovechamiento del viento, estructuralmente tienen diferentes o problemas motivados por el efecto de sombra de las torres sobre las palas, los momentos giroscópicos generados por estar desplazado el centro de gravedad del rotor respecto al eje de giro, los pesos específicos del orden de 14 Kg/m^{2} y los momentos de cabeceo por cambios continuos en la dirección del viento y por diferencias de velocidades 5 entre la pala superior y la inferior, que se repercuten a toda la estructura, fatigándola al montar rotores rígidos, además del inconveniente que representa su montaje y mantenimiento a gran altura.
Es importante resaltar el incremento de peso específico en grandes aerogeneradores. Comparando valores de aerogeneradores de 45 m de diámetro (600 kW de potencia nominal) y de 60 m de diámetro (1 MW), encontramos un incremento superior al 30%, lo que repercute en definitiva en un incremento en coste específico (coste total/área barrida) así como en un incremento del 35% en el coste de kW instalado.
A continuación pasamos a describir algunos de sus componentes fundamentales:
Rotor
Generalmente tripala, cuyo buje se fija rígidamente al eje que está empotrado sobre dos rodamientos amarrados sólidamente al chasis de la góndola, o se monta directamente sobre el eje de entrada del multiplicador. Son rotores lentos, con velocidades en punta de pala de unos 55 m/s, separado su plano de rotación unos cinco metros del eje de la columna sobre la que pivota, producen efectos giroscópicos que tienden a destimonar la máquina. En la mayoría de los casos el rotor se encuentra situado a barlovento de la torre (viento frontal). Esto presenta la ventaja de reducir las cargas de fatiga sobre las palas al minimizar el efecto sombra de la torre y evitar el ruido aerodinámico producido por las palas cuando el rotor se sitúa a sotavento. Actualmente, las máquinas tripala representan el 80% de los aerogeneradores instalados. Sin embargo, a medida que aumenta el diámetro del rotor se incrementa el número de aerogeneradores bipala, siendo éstos usualmente de diseño sotavento, en los que se acusa más el efecto sombra de la torre sobre la pala, produciendo fatigas y vibraciones importantes.
Timonación
La mayoría de los aerogeneradores utilizan un sistema de orientación asistida mediante un servomotor que acciona los engranajes que actúan sobre la corona dentada del rodamiento de acoplamiento de la góndola con la torre soporte. El sistema se complementa con un disco y pinzas de frenado, que lo bloquea cuando está orientado. Esta solución genera además de momentos giroscópicos, otros momentos de cabeceo por los cambios permanentes en la dirección del viento, que se repercuten a través del rotor al multiplicador y estructuras. Control de potencia La potencia generada se regula por dos métodos, control por pérdida aerodinámica o control por cambio de paso. Este último permite una generación óptima en un amplio margen de velocidades de viento permitiendo además, contar con un sistema de seguridad contra vientos altos (palas en bandera), mientras que con el primer sistema son necesarios dispositivos de frenado adicionales. Los del cambio de paso llevan aparejados complejas partes móviles con el consiguiente riesgo de fallos y mayores necesidades de mantenimiento.
Torre
En cuanto a la estructura de la torre, la mayor parte son de tipo tubular vertical autoportante en acero. La optimización estructural conduce a una forma troncocónica, con reducción gradual del diámetro desde. la base hasta la góndola. Su gran altura representa un inconveniente tanto a la hora de montarlos como a la de hacer su mantenimiento. Por otra parte, el hecho de situar el generador en la góndola y ser esta pivotante, presenta el problema de transmitir la potencia a través de cables hasta el suelo. Hasta ahora, los diferentes fabricantes hacen un bucle con ellos para minimizar el efecto de los enrollamientos derivados de los cambios de timonación, debiendo prever un sistema controlado por ordenador que tenga en cuenta vueltas acumuladas y ordene giros contrarios de la góndola para desenrollarlos. Aunque ha existido un gradual desarrollo tecnológico relacionado con los trenes de potencia, paso y velocidad variable, sistemas de control, materiales y otras áreas, quizá lo más destacado haya sido los resultados obtenidos con máquinas de gran tamaño. La energía específica (kWh/m^{2}) se incrementa con el diámetro del rotor debido a la mayor altura de la torre, que conlleva en la mayoría de los casos, un incremento de velocidad del viento. No obstante, este aumento de velocidad puede no llegar a compensar el incremento de costes de fabricación cuando, manteniendo los conceptos técnicos actuales de diseño, se intenta diseñar máquinas con diámetros superiores a los 50 metros de rotor. Ello es debido a que las cargas principales que actúan sobre los aerogeneradores son función del cubo del diámetro del rotor, por lo que el peso y los costes de fabricación aumentan en la misma relación, mientras que el incremento de energía producida crece con el áreas del rotor. Por otra parte, los costes específicos de transporte, instalación, operación y mantenimiento de estas máquinas de elevada potencia son superiores a los de los aerogeneradores actualmente comercializados. La opción de fabricar grandes máquinas competitivas pasa por el desarrollo de nuevas y apropiadas concepciones en los diseños, de tal manera que no se incremente sensiblemente el peso específico de las mismas.
Descripción de los dibujos
Los dibujos que acompañan a la presente descripción, muestran lo siguiente:
Figura 1: Muestra representaciones de las turbinas eólicas en versión barlovento (Figura 1a, técnica anterior) y sotavento (Figura 1b), vistas de perfil. La escala adoptada corresponde a máquinas de 1 MW a 11 m/s. Las referencias de la Figura indican lo siguiente:
Referencia 6: Columna de sustentación
Referencia 7: Plataforma o elemento para contrapeso
Referencia 8: Estructura autotimonante
Referencia 12: Rodamiento
Referencia 13: Palas giratorias (tipo "boomerang")
Referencia 15: Palas giratorias (perfil quebrado en "W")
Referencia 16: Zapata de sujeción al terreno
Referencia 19: Eje de pivotamiento
Referencia 21: Conjunto de cabeza y rotor
Figura 2: Compuesta por dos sub-figuras 2a y 2b, muestra el basculamiento del conjunto de cabeza y rotor (21) por efecto del empuje axial, en oposición a los cilindros hidráulicos (5) para la versión de barlovento, con aprovechamiento de características generales de funcionamiento tomadas del estado de la técnica. Las referencias numéricas indican lo siguiente:
Referencia 1: Amortiguador
Referencia 5: cilindro hidráulico
Referencia 8: Estructura autotimonante
Referencia 10: Horquilla
Referencia 17: Centro de unión y basculamiento de la horquilla (centro de gravedad)
Referencia 18: Eje de basculamiento
Referencia 19: Eje de pivotamiento
Referencia 20: Punto de aplicación de empuje axial
Figura 3: Muestra vistas en alzado lateral (Figura 3a) y en planta superior (Figura 3b) del conjunto de cabeza y rotor ubicado en la parte superior de la estructura autotimonante, en cuya vista en planta se aprecia la utilización de dos vigas paralelas armadas, posicionadas de canto, sobre las que bascula. Las referencias numéricas que aparecen en la Figuras indican lo siguiente:
Referencia 1: Amortiguador
Referencia 5: Cilindro hidráulico
Referencia 8: Estructura autotimonante
Referencia 10: Horquilla
Referencia 17: Centro de unión y basculamiento de la horquilla
Referencia 18: Eje de basculamiento
Referencia 19: Eje de pivotamiento
Referencia 20: Punto de aplicación del empuje axial
Figura 4: Representa la cabeza de rotor, mostrando el montaje de la horquilla (10) de rotor a través del rodamiento (11) solidario a la carcasa del multiplicador epicicloidal. Las diferentes referencias de la Figura indican:
Referencia 2: Bomba hidráulica
Referencia 3: Brida de amarre
Referencia 4: Central hidráulica
Referencia 8: Estructura autotimonante
Referencia 10: Horquilla
Referencia 11: Multiplicador epicicloidal (rodamiento)
Referencia 12: Rodamiento
Referencia 13: Rotor oscilante
Figura 5: Muestra el montaje del generador sobre el aro fijo del rodamiento situado en el extremo superior de la columna sobre la que pivota. Sobre el aro móvil se sitúa el servomotor (14) que acciona el generador (9) a través de la transmisión hidrostática (15), procedente de la central hidráulica (4) situada en la cabeza del rotor en el extremo superior de la estructura autotimonante (8). Las referencias numéricas de la Figura indican:
Referencia 4: Central hidráulica
Referencia 6: Columna
Referencia 8: Estructura autotimonante
Referencia 9: Generador
Referencia 12: Rodamiento
Referencia 14: Servomotor hidráulico
Referencia 15: Transmisión hidrostática
Referencia 16: Zapata de fijación al terreno
Figura 6: Representa la turbina eólica de diseño barlovento autotimonante con estructura en forma de "boomerang" con la cabeza y el rotor (21) en posición semi-basculada. Las referencias numéricas indican lo siguiente:
Referencia 6: Columna
Referencia 7: Plataforma para contrapeso
Referencia 8: Estructura autotimonante
Referencia 12: Rodamiento
Referencia 13: Palas giratorias (en "boomerang")
Referencia 16: Zapata de fijación al terreno
Referencia 21: Conjunto de cabeza y rotor
Figura 7: Muestra la turbina eólica de diseño sotavento autotimonante en posición semi-basculada, de diseño en "W" o "alas de gaviota", con aprovechamiento de características constructivas del estado de la técnica, indicando cada una de las referencias numéricas los conceptos que se detallan a continuación:
Referencia 6: Columna
Referencia 7: Elemento de contrapeso
Referencia 8: Estructura autotimonante
Referencia 12: Rodamiento
Referencia 15: Palas giratorias en "W"
Referencia 16: Zapata de fijación al terreno
Referencia 21: Conjunto de cabeza y rotor
Figura 8: Muestra ambos diseños de turbina a sotavento (sub-figura 8a) y barlovento (sub-figura 8b) en posición completamente basculada para la realización de operaciones de mantenimiento, según enseñanzas del estado de la técnica. En ambas sub-figuras aparecen referencias numéricas identificadoras de las partes de la turbina, correspondientes a:
Referencia 6: Columna
Referencia 7: Elemento de contrapeso
Referencia 8: Estructura autotimonante
Referencia 12: Rodamiento
Referencia 15: Palas giratorias en "W"
Referencia 16: Zapata de sujeción al terreno
Referencia 21: Conjunto de cabeza y rotor
Explicación de la invención
Con la presente patente de invención, pretendemos aprovechar la energía del viento con turbinas más sencillas que las clásicas del mercado, por tener una estructura de diseño autotimonante que les confiere una total libertad a la hora de orientarse en la dirección del viento, aprovechando mejor la energía del flujo incidente cuya fuerza sirve,no sólo para captar potencia, sino para autoprotegerla, evitando superar esfuerzos y momentos superiores a los calculados. El diseño de dicha estructura autotimonante, formada por dos vigas paralelas armadas posicionadas de canto a modo de "enrejado", presenta una menor sección proyectada en la dirección frontal del viento (máquina orientada), lo que permite que éste la atraviese con menor resistencia, a la vez que disminuye el efecto sombra sobre la pala y le confiere la propiedad de ser autotimonante por estar su centro de empuje lateralmente desfasado con respecto al eje de giro de la columna sobre la que se apoya. En la ejecución Barlovento, la estructura en forma de "Boomerang" permite, por una parte, distanciarla del plano de rotación de las palas, aún manteniendo éstas la forma de diedro, y por otra, situar el centro de gravedad del rotor en la vertical del eje de la columna, eliminando los efectos giroscópicos (precesión) que tienden a destimonar el rotor. En la ejecución Sotavento, la conicidad del rotor y la inclinación de la estructura autotimonante, hace que éstos sean divergentes, eliminando el efecto "sombra" de la estructura sobre la pala. Estos dos diseños permiten disponer de máquinas de rotor bajo (Barlovento) y de rotor alto (Sotavento), según interese. En lo que se refiere a los pesos específicos [(peso rotor + góndola)/área barrida], la presente invención los disminuye notablemente, pasando a 4,5 kg/m^{2} en lugar de los 14 kg/m^{2} de las máquinas clásicas, por lo siguiente:
a)
Las palas son dos en lugar de tres, de menor peso unitario al estar construidas por un alma troncoelíptica de aluminio de densidad 2,65 kg/dm^{3}, sobre la que se calan los costillares de aluminio de forma aerodinámica, revestidas por una lámina de 1,2 mm de policarbonato de densidad 1,2 kg/dm^{3} remachada sobre los costillares, conformando aerodinámicamente la pala. Su centro de gravedad se sitúa al 39% de su longitud desde la brida de amarre;
b)
El rotor, por tener forma de diedro y compensarse las fuerzas de sustentación con las procedentes de la acción centrífuga, dan como resultante un esfuerzo dominante a tracción, soportado por toda la sección elíptica que forma el alma de la pala, permitiendo diseñar rotores rápidos con velocidades tangenciales del orden de 75 m/s en lugar de los 55 m/s de las palas tradicionales, lo que reduce los pares de entrada en el multiplicador, así como su grado de multiplicación, resultando multiplicadores que para nuestra aplicación pesan 2,2 Tm, en lugar de 7,6 Tm para máquinas de 1 MW de potencia, con diámetros de rotor de 60 m a 11 m/s de velocidad de viento. En nuestro caso, las palas que forman el diedro tienen un ángulo de 12º a 14º con la vertical, quedando el centro de aplicación del empuje axial al 70% de la bisectriz del diedro, muy por detrás de su centro de gravedad, lo que lo hace autoestable;
c)
El empleo de generadores de cuatro polos (1.500 rpm) y media tensión (6 KV), reduce el peso de los mismos y elimina los transformadores a pie de máquina, a la vez que reduce el número y la sección de los cables transmisores de potencia eléctrica. Cuando el generador se sitúa en el centro de la columna (véase la Figura 5, referencia 9), fijo a su extremo superior en lugar de estar situado en la cabeza, para evitar el empleo de racores giratorios de transmisión de potencia, la potencia captada por el rotor se transmite mediante un circuito oleohidrúalico (véase la Figura 5, referencia 15), cuya central y bombas se ubicarán en la cabeza del rotor, disminuyendo aún más el peso específico de la misma, por tener las bombas hidráulicas de alta presión (350 kg/cm^{2}) una relación peso potencia del orden de 0,4 kg/kw, en lugar de los 5,5 kg/kw de los generadores eléctricos. Los racores rotativos en máquinas de gran potencia son componentes caros y complicados.
La alternativa de emplear una transmisión hidrostática compuesta por bomba de cilindrada fija (Figura 4, Marca 2) y servomotor de cilindrada variable (Figura 5, Marca 14), unidos por sus correspondientes conductos hidráulicos, permite accionar generadores a velocidad fija, con rotores de velocidad variable que estén diseñados \lambda (Lambda) constante, lo que mejora el rendimiento a cualquier velocidad y permite el empleo de generadores síncronos que entregarán energía de mejor calidad a la red. Si el generador se sitúa en el aro fijo del rodamiento, concéntrico, fijo a la columna, y el servomotor que lo acciona se sitúa concéntrico sobre el aro móvil en el que apoya la estructura autotimonante, se logra una gran ventaja competitiva al permitir fabricar aerogeneradores autotimonantes de bajo peso específico de gran calidad de la electricidad generada.
Según se ha explicado en relación con los comentarios sobre el estado de la técnica, los diversos fabricantes se preocupan de controlar la potencia captada, controlando en definitiva el hecho de no sobrepasar el par de entrada del rotor. En la presente invención, lo que se controla es el empuje axial, auténtica fuerza generatriz causante de todos los momentos dinámicos sobre la máquina, la zapata y el terreno. El empuje axial (Figura 2) nace como consecuencia de las diferencias de presiones dinámicas entre las caras anterior y posterior del rotor, siendo este empuje la auténtica fuerza motriz que el rotor transformará en potencia mecánica. Por lo tanto, controlando el empuje axial, no sólo se controla la potencia captada por la turbina, sino que se garantiza que las estructuras, la zapata y el terreno no sobrepasen los esfuerzos previstos. Como consecuencia de todo esto, se reduce la envergadura de la obra civil y se construyen máquinas más ligeras. Al reducir los pesos específicos con cabezas y rotores ligeros, se pueden hacer estructuras basculantes que faciliten su montaje y mantenimiento a menor altura del suelo, logrando con todo ello parques eólicos más rentables. Emplazamientos con velocidades medias de 5,4 m/s pueden ser explotadas ampliándose las áreas de mercado.

Claims (4)

1. Turbina eólica autotimonante, compuesta por una estructura recta que se monta en posición inclinada sobre la columna de la turbina a efectos de equilibro bajo la acción del viento lateral y para conferirle la condición de autotimonante, de modo que la parte superior de la estructura puede ser basculada a voluntad para permitir el descenso del conjunto de cabeza y rotor para facilidad de las operaciones de montaje y mantenimiento, y en la que las distintas versiones de turbina pueden permanecer "acostadas" cuando no están operativas para minimizar su impacto ambiental, caracterizada por comprender un rotor bipala (13) autoestable, que mejora la autotimonación de la turbina durante la marcha en virtud de la forma diédrica adoptada, cuyo centro de empuje axial (20) se sitúa por detrás de su centro de gravedad (17), visto en la dirección del viento incidente, lo que confiere la característica de autoestabilidad, mejorando la autotimonación en marcha del conjunto de la turbina por situarse el punto de aplicación del empuje axial por detrás del eje de giro de la columna sobre la que pivota (19), estando para ello el rotor bipala autoestable soportado por medio de un conjunto de horquilla-bulón (10) situado en un eje que pasa por el centro de gravedad del rotor, lo que le permite oscilar, resultando atenuados mediante un amortiguador (1) los momentos de cabeceo generados al incidir el viento con pequeños ángulos de ataque por los continuos cambios de dirección del mismo y con diferente velocidad entre la pala superior y la inferior, pudiendo el rotor adoptar en general una forma de "W", a modo de "alas de gaviota", cuando interese que el centro de gravedad quede dentro de su estructura.
2. Turbina eólica de acuerdo con las reivindicaciones 1, caracterizada porque el diseño adoptado por la misma permite que los elementos internos del multiplicador (11) no soporten empuje axial, momentos de cabeceo, o vibraciones procedentes del rotor, dado que la horquilla (10) encargada de transmitir el par motor, el empuje axial, los momentos de cabeceo y las vibraciones, procedentes del rotor, ha sido fijada al aro móvil de un rodamiento (12), cuyo aro fijo se ha solidarizado exteriormente a una brida (3) que amarra sobre la parte que forma la carcasa de un multiplicador epicicloidal (11), con lo que estos esfuerzos son transmitidos desde la horquilla hasta la carcasa del multiplicador sin pasar a través de su eje primario, lo que favorece considerablemente la vida útil de los ejes, rodamientos, y engranajes del multiplicador.
3. Turbina eólica de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque, de acuerdo con las características de diseño de la misma, los elementos de generador, bomba, compresor o elemento a accionar (2) pueden ser montados en el aro fijo del rodamiento (12) situado en la cabeza de la columna (6) sobre la que pivota, concéntrico con ésta sin necesidad de utilizar racores rotativos transmisores de potencia, disponiendo sobre el aro móvil de dicho rodamiento, solidario con la estructura autotimonante, un servomotor oleohidráulico (14) de cilindrada fija o variable, encargado de transmitir la potencia al eje del elemento a accionar (9), de modo que una central oleohidráulica (4) ubicada en la cabeza del rotor transforma la energía mecánica del rotor en energía oleohidráulica, transmitiendo la potencia a través de tuberías de presión (15) hasta el servomotor, formando un circuito cerrado.
4. Turbina eólica de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque la turbina responde a la versión de diseño barlovento autotimonante, está compuesta por una estructura en forma de "boomerang", equilibrada en su extremo inferior por una plataforma (7) practicable que sirve de contrapeso, presentando el conjunto de cabeza y rotor (21) en su extremo superior, ubicados ambos de tal manera que el centro de gravedad del rotor se encuentra en la vertical (19) del eje de la columna (6), sobre la que pivota, eliminando con ello los efectos giroscópicos, y de modo que cuando deben bascular por efecto del empuje axial, dicho conjunto de cabeza y rotor (21) bascula sobre la estructura (8) autotimonante, la cual permanece fija.
ES200101404A 2001-06-12 2001-06-12 Turbina eolica autotimonante. Expired - Lifetime ES2179785B1 (es)

Priority Applications (10)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES200101404A ES2179785B1 (es) 2001-06-12 2001-06-12 Turbina eolica autotimonante.
PCT/ES2002/000303 WO2002101234A1 (es) 2001-06-12 2002-06-11 Turbina eolica autotimonante
AT02740780T ATE321947T1 (de) 2001-06-12 2002-06-11 Selbststeuernde windturbine
AU2002314219A AU2002314219B2 (en) 2001-06-12 2002-06-11 Self-steering wind turbine
MXPA03011528A MXPA03011528A (es) 2001-06-12 2002-06-11 Turbina eolica autotimonante.
EP02740780A EP1400688B1 (en) 2001-06-12 2002-06-11 Self-steering wind turbine
DE60210279T DE60210279T2 (de) 2001-06-12 2002-06-11 Selbststeuernde windturbine
PT02740780T PT1400688E (pt) 2001-06-12 2002-06-11 Turbina eolica de orientacao automatica
CNB028138104A CN1304753C (zh) 2001-06-12 2002-06-11 自导向风力涡轮机
US10/733,429 US6974307B2 (en) 2001-06-12 2003-12-11 Self-guiding wind turbine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES200101404A ES2179785B1 (es) 2001-06-12 2001-06-12 Turbina eolica autotimonante.

Publications (2)

Publication Number Publication Date
ES2179785A1 ES2179785A1 (es) 2003-01-16
ES2179785B1 true ES2179785B1 (es) 2006-10-16

Family

ID=8498094

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES200101404A Expired - Lifetime ES2179785B1 (es) 2001-06-12 2001-06-12 Turbina eolica autotimonante.

Country Status (10)

Country Link
US (1) US6974307B2 (es)
EP (1) EP1400688B1 (es)
CN (1) CN1304753C (es)
AT (1) ATE321947T1 (es)
AU (1) AU2002314219B2 (es)
DE (1) DE60210279T2 (es)
ES (1) ES2179785B1 (es)
MX (1) MXPA03011528A (es)
PT (1) PT1400688E (es)
WO (1) WO2002101234A1 (es)

Families Citing this family (48)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7317260B2 (en) * 2004-05-11 2008-01-08 Clipper Windpower Technology, Inc. Wind flow estimation and tracking using tower dynamics
ES2297998B1 (es) * 2005-10-28 2009-07-20 GAMESA INNOVATION & TECHNOLOGY, S.L. Pala partida para aerogeneradores.
US7276809B2 (en) * 2006-01-04 2007-10-02 Aerovironment, Inc. Wind turbine assembly and related method
FR2902158B1 (fr) * 2006-06-07 2008-08-22 Societe Francaise Des Alizes Sarl Eolienne munie d'un mat articule
US7569943B2 (en) * 2006-11-21 2009-08-04 Parker-Hannifin Corporation Variable speed wind turbine drive and control system
CN100460669C (zh) * 2007-02-08 2009-02-11 上海交通大学 基于风向标和输出功率的风力机偏航控制方法
FR2918420B1 (fr) * 2007-07-02 2017-07-07 Serameca Eolienne dotee d'un mat rabattable
US20090167023A1 (en) * 2007-12-27 2009-07-02 Jacob Johannes Nies Forward leaning tower top section
FR2929345B1 (fr) * 2008-03-26 2017-06-23 Tecddis Dispositif de roulement pour nacelle d'eolienne
US8677744B2 (en) 2008-04-09 2014-03-25 SustaioX, Inc. Fluid circulation in energy storage and recovery systems
US20100307156A1 (en) 2009-06-04 2010-12-09 Bollinger Benjamin R Systems and Methods for Improving Drivetrain Efficiency for Compressed Gas Energy Storage and Recovery Systems
US8479505B2 (en) 2008-04-09 2013-07-09 Sustainx, Inc. Systems and methods for reducing dead volume in compressed-gas energy storage systems
WO2009126784A2 (en) 2008-04-09 2009-10-15 Sustainx, Inc. Systems and methods for energy storage and recovery using compressed gas
US8250863B2 (en) 2008-04-09 2012-08-28 Sustainx, Inc. Heat exchange with compressed gas in energy-storage systems
US7802426B2 (en) 2008-06-09 2010-09-28 Sustainx, Inc. System and method for rapid isothermal gas expansion and compression for energy storage
US8474255B2 (en) 2008-04-09 2013-07-02 Sustainx, Inc. Forming liquid sprays in compressed-gas energy storage systems for effective heat exchange
US20110266810A1 (en) 2009-11-03 2011-11-03 Mcbride Troy O Systems and methods for compressed-gas energy storage using coupled cylinder assemblies
US7958731B2 (en) 2009-01-20 2011-06-14 Sustainx, Inc. Systems and methods for combined thermal and compressed gas energy conversion systems
US8225606B2 (en) 2008-04-09 2012-07-24 Sustainx, Inc. Systems and methods for energy storage and recovery using rapid isothermal gas expansion and compression
US8359856B2 (en) 2008-04-09 2013-01-29 Sustainx Inc. Systems and methods for efficient pumping of high-pressure fluids for energy storage and recovery
US8240140B2 (en) 2008-04-09 2012-08-14 Sustainx, Inc. High-efficiency energy-conversion based on fluid expansion and compression
US8037678B2 (en) 2009-09-11 2011-10-18 Sustainx, Inc. Energy storage and generation systems and methods using coupled cylinder assemblies
US8448433B2 (en) 2008-04-09 2013-05-28 Sustainx, Inc. Systems and methods for energy storage and recovery using gas expansion and compression
WO2010098814A1 (en) * 2009-02-28 2010-09-02 Ener2 Llc Improved wind energy device
WO2010105155A2 (en) 2009-03-12 2010-09-16 Sustainx, Inc. Systems and methods for improving drivetrain efficiency for compressed gas energy storage
US8104274B2 (en) 2009-06-04 2012-01-31 Sustainx, Inc. Increased power in compressed-gas energy storage and recovery
EP2458199B1 (en) 2009-06-30 2016-04-13 Tempero 2000 S.L. Wind turbine with compensated motor torque
US20110044811A1 (en) * 2009-08-20 2011-02-24 Bertolotti Fabio P Wind turbine as wind-direction sensor
US7891939B1 (en) * 2009-09-05 2011-02-22 Zuteck Michael D Hybrid multi-element tapered rotating tower
US8562300B2 (en) * 2009-09-14 2013-10-22 Hamilton Sundstrand Corporation Wind turbine with high solidity rotor
DE102009051117B4 (de) * 2009-10-28 2014-12-11 Voith Patent Gmbh Horizontalläufer-Turbine mit passiver Gierwinkel-Einstellvorrichtung
GR1007431B (el) * 2010-01-08 2011-10-12 Μυρων Ιωαννη Νουρης Ανεμογεννητρια κατακορυφου αξονα με πτερυγια αναστολης υπερβολικης ταχυτητας
US8191362B2 (en) 2010-04-08 2012-06-05 Sustainx, Inc. Systems and methods for reducing dead volume in compressed-gas energy storage systems
US8171728B2 (en) 2010-04-08 2012-05-08 Sustainx, Inc. High-efficiency liquid heat exchange in compressed-gas energy storage systems
US8277184B2 (en) * 2010-04-22 2012-10-02 General Electric Company Tilt adjustment system
US8234863B2 (en) 2010-05-14 2012-08-07 Sustainx, Inc. Forming liquid sprays in compressed-gas energy storage systems for effective heat exchange
US8495872B2 (en) 2010-08-20 2013-07-30 Sustainx, Inc. Energy storage and recovery utilizing low-pressure thermal conditioning for heat exchange with high-pressure gas
US8578708B2 (en) 2010-11-30 2013-11-12 Sustainx, Inc. Fluid-flow control in energy storage and recovery systems
US20120297772A1 (en) 2011-05-17 2012-11-29 Mcbride Troy O Systems and methods for efficient two-phase heat transfer in compressed-air energy storage systems
WO2013106115A2 (en) 2011-10-14 2013-07-18 Sustainx, Inc. Dead-volume management in compressed-gas energy storage and recovery systems
US9046076B1 (en) * 2014-03-18 2015-06-02 Umm Al-Qura University Rail mounted wind turbine
WO2015197876A1 (es) * 2014-06-27 2015-12-30 Nabrawind Sl Dispositivo para el cambio del angulo de inclinacion en aerogeneradores
CN105480407A (zh) * 2014-10-07 2016-04-13 姚元恺 旋转桨叶的叶端喷推技术
WO2016057107A1 (en) * 2014-10-11 2016-04-14 Richard Von Berg Spacer for wind turbine rotor blade
US9592910B1 (en) 2015-12-18 2017-03-14 Amazon Technologies, Inc. Geometrically reconfigurable propellers
US10287006B1 (en) 2015-12-18 2019-05-14 Amazon Technologies, Inc. Adjustable propeller blades for sound control
US10370098B1 (en) * 2015-12-18 2019-08-06 Amazon Technologies, Inc. Adjustable propeller blade with sound flaps
CN114945745A (zh) * 2019-11-12 2022-08-26 维斯塔斯风力系统集团公司 带有倾斜轴线和/或锥形转子的铰接叶片风力涡轮机

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DK140382B (da) * 1977-07-25 1979-08-13 Peder Ulrik Poulsen Vindmotor.
DE2916878A1 (de) * 1979-04-26 1980-11-06 Ernst Rogge Windkraftanlage
US4533297A (en) * 1982-09-15 1985-08-06 Bassett David A Rotor system for horizontal axis wind turbines
US4449889A (en) * 1983-01-20 1984-05-22 Belden Ralph A Windmill
JPS6067786A (ja) * 1983-09-22 1985-04-18 Hayashibara Takeshi 風車
DE4029932A1 (de) * 1990-09-21 1992-03-26 Siegfried Pretzsch Rohr-mast fuer windgeneratoren
ES2065803B1 (es) * 1992-02-24 1997-02-01 Antoune Ivan Lahuerta Turbina eolica pendular de potencia regulable por empuje axial.
US5295793A (en) * 1992-03-02 1994-03-22 Telect, Inc. Wind turbine
CZ290785B6 (cs) * 1998-12-16 2002-10-16 Obec Domanín Zařízení pro vyuľívání energie větru

Also Published As

Publication number Publication date
US20040120801A1 (en) 2004-06-24
MXPA03011528A (es) 2004-10-28
EP1400688B1 (en) 2006-03-29
PT1400688E (pt) 2006-08-31
ATE321947T1 (de) 2006-04-15
US6974307B2 (en) 2005-12-13
DE60210279D1 (de) 2006-05-18
AU2002314219B2 (en) 2006-04-27
ES2179785A1 (es) 2003-01-16
CN1304753C (zh) 2007-03-14
CN1526054A (zh) 2004-09-01
EP1400688A1 (en) 2004-03-24
WO2002101234A1 (es) 2002-12-19
DE60210279T2 (de) 2006-12-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2179785B1 (es) Turbina eolica autotimonante.
US10871149B2 (en) Floating marine wind turbine
ES2348252T3 (es) Volante tensor en un sistema de rotor para turbinas eolicas e hidraulicas.
US10253755B2 (en) Wind energy conversion devices
US6465899B2 (en) Omni-directional vertical-axis wind turbine
ES2771523T3 (es) Aerogenerador flotante con turbinas gemelas de eje vertical con rendimiento mejorado
US9328717B1 (en) Golden ratio axial flow apparatus
US20120051914A1 (en) Cable-stayed rotor for wind and water turbines
US20110164977A1 (en) Vertical-axis wind turbine
US20120183407A1 (en) Vertical-axis wind turbine
US8137052B1 (en) Wind turbine generator
US20120134823A1 (en) Wind Turbine
US7766602B1 (en) Windmill with pivoting blades
KR100893299B1 (ko) 수직축 방식의 풍력발전장치
JP2008520894A (ja) 縦軸型タービン装置
EP2937557B1 (en) Wind wheel (with two alternatives)
RU2248463C2 (ru) Пирамидальный ветряной двигатель
ES2315091B1 (es) Dispositivo para la generacion de energia electrica a partir de un fluido.
KR20120028500A (ko) 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템

Legal Events

Date Code Title Description
EC2A Search report published

Date of ref document: 20030116

Kind code of ref document: A1

FC2A Grant refused

Effective date: 20050113

PC2A Transfer of patent
GD2A Contractual licences

Effective date: 20101014