ES2233387T3

ES2233387T3 - Amortiguacion de oscilaciones en turbinas eolicas.

Info

Publication number: ES2233387T3
Application number: ES00936678T
Authority: ES
Inventors: Thomas Steiniche Bjertrup Nielsen
Original assignee: Neg Micon AS
Current assignee: Neg Micon AS
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: WO2000077394A1; ATE283975T1; EP1503075A1; DE60016418D1; US6695588B1; EP1203155A1; ES2285347T3; ATE357593T1; PT1503075E; CN1201079C; CA2374803A1; DK1203155T3; CA2589614C; EP1503075B1; AU772084B2; CN1375040A; CA2374803C; EP1203155B1; AU5208800A; DE60016418T2

Abstract

Una turbina eólica que comprende: una parte estacionaria que incluye una torre que se extiende sustancialmente vertical y una cimentación a la cual se fija una parte extrema inferior de la torre, una góndola que comprende un rotor eólico que tiene, al menos, un álabe dispuesto en un árbol principal que tiene un eje de rotación sustancialmente horizontal, y un sistema de transmisión de energía, un sistema de guiñada que comprende una parte estacionaria que está fijada a una parte extrema superior de la torre y una parte móvil que está fijada a la góndola, estando diseñadas la parte estacionaria y la parte móvil de manera que la góndola este soportada vertical y horizontalmente por la torre y pueda pivotar con relación a la torre respecto a un eje de guiñada sustancialmente vertical.

Description

Amortiguación de oscilaciones en turbinas eólicas.

La presente invención se refiere al amortiguamiento de las oscilaciones del primer modo de flexión de una turbina eólica por medio de medios de amortiguamiento de oscilaciones que comprenden uno o más recipientes parcialmente llenos con un líquido para amortiguar las oscilaciones de la primera frecuencia natural de flexión de la turbina eólica.

En particular, la invención se refiere a medios de amortiguamiento que comprenden una pluralidad de recipientes en forma de cajas que tienen una sección transversal cuadrada y que están llenos parcialmente con líquido para proporcionar un amortiguamiento unidireccional de una magnitud que es equivalente a una reducción logarítmica de las oscilaciones de la primera frecuencia natural de flexión de la turbina eólica de, al menos, el 4-8%, siendo igual la masa total del líquido contenido dentro de los recipientes al 1,2-1,8% de la masa de la góndola. En caso de turbinas eólicas marinas, la excitación combinada del viento y de las olas del mar requiere mayor amortiguamiento, siendo el amortiguamiento preferiblemente a una reducción logarítmica del 10-15%, lo cual se puede obtener con una masa total del líquido que sea igual al 2-4% de la masa de la góndola.

Además, la invención se refiere al amortiguamiento de las oscilaciones del segundo modo de flexión de una turbina eólica y al amortiguamiento combinado de las oscilaciones del primer y del segundo modo de flexión de la turbina eólica.

Antecedentes

Todos los edificios altos y las construcciones son excitados por el viento en un espectro de frecuencias completo que incluye las frecuencias naturales de flexión del edificio. Debido a una proporcionalidad positiva entre las fuerzas horizontales que se ejercen sobre el edificio y la velocidad del viento, el viento tiene un efecto de amortiguamiento de las oscilaciones de la primera frecuencia natural de flexión de los edificios con forma de cilindro esbelto, tales como chimeneas, y en las turbinas eólicas tradicionales que tienen una característica de este tipo de fuerzas horizontales.

Las modernas turbinas eólicas tienen una característica de fuerzas horizontales que presenta una meseta, o que incluso tiene una proporcionalidad negativa respecto a la velocidad del viento por encima de un cierto límite. Esta ultima característica es ventajosa con respecto a la producción de energía en la turbina eólica, pero la construcción se hace menos estable debido a que el viento amplificará las oscilaciones de la turbina eólica cuando la velocidad del viento sea superior al limite, que típicamente es de aproximadamente 10 m/s. La proporcionalidad negativa tiene la consecuencia de que se incrementarán las fuerzas horizontales en la turbina eólica cuando la parte superior de la turbina eólica oscile separándose del viento, y la velocidad del viento relativa en la parte superior disminuirá y las fuerzas horizontales disminuirán cuando la parte superior oscile hacia el viento y se incremente la velocidad relativa del viento.

Es conocido en la técnica anterior amortiguar las oscilaciones de la primera frecuencia natural de flexión de las turbinas eólicas por medio de medios de amortiguamiento mecánicos compuestos por una o más masas, resortes y amortiguadores. Las soluciones de este tipo al problema de la oscilación son caras en las turbinas eólicas, puesto que se deben utilizar masas de los medios de amortiguamiento relativamente grandes debido a que la masa oscilante equivalente en el primer modo natural de flexión es muy grande puesto que la góndola comprende un sistema de transmisión de energía que se encuentra dispuesto en la parte superior de una torre esbelta.

Por los documentos EP 0 648 906 A1 y EP 0 686 733 A1 se conoce amortiguar las oscilaciones de edificios esbeltos, tales como chimeneas, mástiles, etc. por medio de recipientes llenados parcialmente con líquido y que están sintonizados para amortiguar la frecuencia natural de la construcción. Los recipientes utilizados son de una sección transversal casi simétrica, tal como la circular, cuadrada o triangular, de manera que exhiban características de amortiguamiento casi simétricas que son ventajosas para las construcciones que tienen un comportamiento de oscilación simétrico. Un amortiguamiento similar de construcciones esbeltas con contenedores casi simétricos es conocido por ejemplo por los documentos US 4.873.798; US 4.783.937; US 4.924.639; US 4.875.313 y US 4.922.671. Los principios de los recipientes aplicados también se pueden utilizar en la presente invención, pero el amortiguamiento de la frecuencia natural de una turbina eólica es muy diferente al amortiguamiento de las oscilaciones de una construcción esbelta.

Contrariamente a una construcción esbelta, tal como una chimenea, la masa oscilante equivalente del primer modo de flexión natural es igual al 85-90% de la masa total de una turbina eólica, mientras que la masa equivalente de una chimenea es de, aproximadamente, el 10-15% de la masa total. La diferencia es debido a la concentración de la masa en la góndola de la turbina eólica, que típicamente contribuye con aproximadamente el 85% de la masa oscilante. Además, el rotor dispuesto en la parte superior de la turbina eólica expone la turbina eólica a fuerzas fuertes de viento en la parte superior así como a una excitación periódica por la frecuencia de rotación del rotor, así como a tres veces la frecuencia de rotación (para una turbina eólica de tres álabes). La formación de un pasillo de vértice de von Karman, que es bien conocida en las construcciones esbeltas, por otra parte es despreciable en las turbinas eólicas.

Las oscilaciones de las turbinas eólicas siempre han existido, pero parece que el problema se está siendo más pronunciado con el desarrollo de las nuevas generaciones de turbinas eólicas muy grandes. A velocidades de viento elevadas (> 20 m/s) y algunos errores de guiñada, los cálculos muestran que la combinación del amortiguamiento estructural de la torre y el amortiguamiento aerodinámico del rotor y de la góndola es demasiado pequeño. La mayor parte de la energía entra en el sistema debido al viento, en lugar de salir del mismo. El resultado es que las oscilaciones se encontrarán fuera de control, lo cual conduce al fallo.

Un generador "suave", por ejemplo un generador con un deslizamiento alto, puede amortiguar las oscilaciones, pero un generador de este tipo es mucho más caro y mayor que el generador con menor deslizamiento. Por lo tanto, se evita como solución al problema.

Las oscilaciones se pueden reducir cambiando la frecuencia natural de la torre, pero esto no soluciona el problema principal de que entre más energía que la que sale del sistema. La solución mejor y más barata es instalar medios de amortiguamiento en la turbina eólica. El amortiguador se puede disponer donde se producen los movimientos pero, puesto que la amplitud de la oscilación es la máxima en la parte superior de la torre y en la góndola, el lugar óptimo será la parte superior de la turbina eólica. El amortiguador se puede colocar en la torre, en la góndola, o fuera.

El amortiguamiento de las oscilaciones en la primera frecuencia natural de flexión de las turbinas en general reducirá las cargas de fatiga en la torre, y debido a esto, reducirá la cantidad necesaria de acero en la torre.

Sin embargo, un amortiguamiento eficiente de la oscilación que conduzca a una construcción más esbelta de la torre de la turbina eólica, especialmente en combinación con turbinas más altas, de hasta aproximadamente 120 metros, puede dar lugar a que se produzcan oscilaciones de la segunda frecuencia natural de flexión de la turbina eólica, lo cual a su vez puede conducir a cargas de fatiga sobre la torre. El amortiguamiento de las oscilaciones de segundo orden no se ha reconocido ni se ha tratado previamente en la literatura conocida de las turbinas eólicas por la razón de que el problema no ha sido relevante en las estructuras más cortas y más robustas de las torres de las turbinas eólicas sin medios de amortiguamiento para amortiguar las frecuencias del primer modo natural de flexión.

La flexión lateral de la torre de la turbina eólica también puede conducir a problemas de guiñadas oscilantes, lo que se denomina oscilaciones en cola de pescado. En el documento US 4.515.525, se muestra una solución una solución para amortiguar las oscilaciones de guiñada. El amortiguamiento se proporciona por medio0 de un motor de transmisión que conecta la turbina a la torre de soporte, por ejemplo un cojinete de guiñada. El motor de accionamiento acciona la turbina eólica en guiñada y mantiene los ajustes de guiñada deseados de la turbina. El motor también puede ser accionado por las oscilaciones de guiñada de la turbina eólica y al ser accionado de esta manera, disipa la energía de tales oscilaciones. Por lo tanto, el documento US 4.515.525 no amortigua la flexión lateral de la turbina eólica sino las oscilaciones de guiñada que se producen por la flexión lateral.

Descripción de la invención

Con el fin de alcanzar un objetivo de la presente invención de proporcionar un amortiguamiento eficiente de las oscilaciones de la primera frecuencia natural de flexión de la turbina eólica comercialmente, se ha encontrado que es ventajoso proporcionar un amortiguador a la turbina eólica, en el cual la masa oscilante es un líquido, con lo cual se posibilita una construcción simple de los amortiguadores así como la utilización de una masa oscilante barata, tal como el agua.

Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar amortiguamiento de las oscilaciones de la segunda frecuencia natural de flexión, ya sea en sí misma o en combinación con el amortiguamiento de las oscilaciones de la primera frecuencia natural de flexión, de acuerdo con la invención.

El amortiguador para las oscilaciones de la primera frecuencia natural de flexión se puede realizar de muchas maneras, pero en esta memoria hay una descripción del concepto preferido de acuerdo con la invención.

La figura 1 muestra una caja cuadrada en la que la longitud de los lados es L, y el nivel de líquido en el interior de la caja (cuando la caja está en situación estacionaria, es decir, cuando no hay oscilaciones) es H.

A una cierta primera frecuencia natural de flexión de la torre y con un cierto tamaño de la caja, hay el nivel H óptimo de líquido. Se calcula a partir de las dos ecuaciones que siguen:

(ecuación 1)\fint_{0} = \frac{1}{2*\pi}*\sqrt{\frac{\pi*g*tanh\left(\frac{\pi*H_{teo}}{L}\right)}{L}}

(ecuación 2)H_{opt} = 1,06 * H_{teo}

en donde

L = Longitud de la caja

G = Aceleración de la gravedad

H_{teo} = Nivel de líquido óptimo teórico

H_{opt} = Nivel de líquido óptimo empírico

F_{0} = Frecuencia natural del líquido (debe ser la misma que la frecuencia natural de la torre, en el primer modo de flexión)

Se ha determinado teóricamente la ecuación 1 mientras que el factor 1,06 se determina experimentalmente y la magnitud del factor forma parte de la presente invención.

La masa total oscilante de una turbina eólica está determinada por la masa de la góndola, del rotor y por la masa equivalente de la torre, todas ellas en conjunto. La masa equivalente de la torre es la masa que, cuando se coloca en la parte superior de la torre, puede reemplazar todas las otras masas de la torre proporcionando la misma oscilación. Para las turbinas eólicas producidas y comercializadas en la actualidad, la masa oscilante total principalmente se encuentra en el intervalo de 30.000-120.000 kg, pero no es utópica una masa de hasta 300.000 kg en una década.

Los experimentos muestran que estando el nivel de líquido óptimo en cada caja sintonizado a la frecuencia natural de la torre, las oscilaciones de la turbina eólica se amortiguarán en 4-4,5% (reducción logarítmica) cuando la masa de todo el líquido utilizado constituya un 1% de la masa oscilante total. Los experimentos también muestran que el amortiguamiento esperado del sistema es aproximadamente una función lineal de la relación másica (relación entre la masa de líquido total y la masa oscilante total), con un intervalo de relación de masa razonable del 0,5% al 8%. El amortiguamiento de la caja es el mismo en las oscilaciones en todas las direcciones en el plano horizontal.

La reducción logarítmica delta del sistema está definida por la ecuación:

(ecuación 3)\delta = \frac{1}{n} 1n \left(\frac{a_{1}}{a_{n}}\right)*100%

en donde	n es el nº de oscilaciones
	a_{1} es la amplitud de la primera oscilación
	a_{n} es la amplitud de la enésima oscilación

Por lo tanto, la presente invención se refiere a una turbina eólica compuesta por

una parte estacionaria que incluye una torre que se extiende sustancialmente verticalmente y una cimentación a la cual está fijada una parte extrema inferior de la torre,

una góndola compuesta por un rotor eólico que tiene, al menos, un álabe dispuesto en un árbol principal que tiene un eje de rotación sustancialmente vertical y un sistema de transmisión de energía,

un sistema de guiñada compuesto por una parte estacionaria que está fijada a una parte extrema superior de la torre, y una parte móvil que está fijada a la góndola, estando diseñadas la parte estacionaria y la parte móvil de manera que la góndola esté soportada vertical y horizontalmente por la torre y pueda pivotar en relación con la torre alrededor de un eje de guiñada sustancialmente vertical, y

que se caracteriza por un medio de amortiguamiento de oscilaciones dispuesto en una parte superior de la turbina eólica, la parte superior de la torre y/o en la góndola y/o distribuida en el exterior de la torre/góndola, y compuesto por, al menos, un recipiente que se encuentra parcialmente lleno con un líquido, estando diseñado el medio de amortiguamiento de las oscilaciones de la frecuencia primaria de amortiguamiento para amortiguar oscilaciones de la primera frecuencia natural de flexión de la turbina eólica con un amortiguamiento sustancialmente unidireccional de una magnitud que es equivalente a la reducción logarítmica de las oscilaciones de la citada primera frecuencia natural de la turbina eólica de, al menos, el 2% y la masa total de líquido contenido dentro del al menos un recipiente es igual, al menos, al 0,6% de la masa de la góndola.

La turbina eólica tiene, al menos, un rotor, siendo el número más común de álabes de dos o tres en el tipo tratado de turbinas eólicas. El árbol principal tiene un eje de rotación sustancialmente horizontal que incluye ejes que están inclinados tanto como, aproximadamente, 10 grados respecto a la horizontal.

Para obtener una magnitud adecuada de amortiguamiento, la masa total de líquido puede encontrarse en el intervalo de 0,6%-3%, preferiblemente en el intervalo de 0,9%-2,4% y más preferiblemente en el intervalo de 1,2%-1,8% de la masa de la góndola. Por lo tanto, para una turbina eólica que está situada en una posición marina en la cual la torre de la turbina eólica está expuesta a las excitaciones de las olas del mar, la masa total del líquido puede estar en el rango de 1%-6%, preferiblemente en el rango de 1,5%-5% y más preferiblemente en el rango de 2%-4% de la masa de la góndola con el fin de amortiguar suficientemente la excitación combinada de la turbina eólica producida por el viento, incluyendo la excitación del (de los) álabe(s) y la excitación de las olas del mar. La masa de la góndola típicamente está en el intervalo de 25-350 toneladas métricas, por ejemplo en el rango de 70-250 toneladas métricas.

La magnitud del amortiguamiento puede ser equivalente a una reducción logarítmica de las oscilaciones de la citada primera frecuencia natural de la turbina eólica en el rango de 2%-20%, preferiblemente en el rango de 3-12% y más preferiblemente en el rango de 4%-8% con el fin de que el amortiguamiento sea adecuado, dependiendo del nivel permisible de amplitudes y de la construcción de la torre de la turbina eólica, es decir, del amortiguamiento estructural de las oscilaciones. En particular, para una turbina situada en posición marina en la cual la torre de la turbina eólica está expuesta a la excitación producida por las olas del mar, la magnitud del amortiguamiento puede ser equivalente a una reducción logarítmica de las oscilaciones de la citada primera frecuencia natural de la turbina eólica en el rango de 2%-20%, preferiblemente en el rango del 3%-12% y más preferiblemente en el rango de 10%-15% con el fin de que el amortiguamiento sea suficiente.

También se ha encontrado que los medios de amortiguamiento funcionan satisfactoriamente siempre que la primera frecuencia de amortiguamiento del medio de amortiguamiento de oscilaciones se desvíe menos del 5% con respecto a la primera frecuencia natural de flexión de la turbina eólica.

Los experimentos han mostrado que la altura óptima de la superficie del líquido en el interior del al menos un recipiente, desde el fondo de recipiente, es aproximadamente el 106% de la altura que se encuentra utilizando métodos teóricos estándar de cálculo para calcular la altura apropiada de líquido que haga corresponder la frecuencia de amortiguamiento primaria del recipiente con la frecuencia natural primera de flexión de la turbina eólica.

Para la mayor parte de los tipos de turbinas eólicas, la frecuencia primaria de amortiguamiento del medio de amortiguamiento de oscilaciones debe encontrarse por debajo de 0,8 Hz, preferiblemente en el rango de 0,1-0,6 Hz.

Es una ventaja en el caso de que la turbina eólica esté expuesta a factores ambientales, tales como mareas y variaciones de temperatura que pueden alterar la frecuencia natural de la turbina eólica, que comprenda un medio sensor de oscilaciones dispuesto en una parte superior de la turbina eólica, para detectar oscilaciones de la turbina eólica y producir una salida consecuente, un medio de control para recibir la salida del medio sensor y un medio de control para ajustar la cantidad de líquido dentro del al menos un recipiente, para adaptar la frecuencia primaria de amortiguamiento del al menos un recipiente a las variaciones de la primera frecuencia natural de flexión de la turbina eólica.

Se ha encontrado que los lados de cada uno de los al menos un recipiente para conseguir el efecto óptimo en el recipiente, se extienden preferiblemente verticalmente al menos 1,8 veces la altura de la superficie del líquido dentro del recipiente desde un fondo del recipiente.

Es ventajoso que el medio de amortiguamiento de oscilaciones comprenda una pluralidad de contenedores que estén parcialmente llenos con un líquido para facilitar el ajuste del medio de amortiguamiento en la parte superior de la torre y/o en la góndola y/o distribuido en el exterior de la torre/góndola.

En particular, cada uno de la pluralidad de recipientes preferiblemente tiene una sección transversal casi simétrica vista en un plano horizontal y unas características de amortiguamiento casi simétricas, lo cual es muy adecuado para una turbina eólica que típicamente presenta un comportamiento de oscilaciones simétricas.

Una forma óptima de los recipientes es que tengan una sección transversal casi sustancialmente cuadrada vista en un plano horizontal. Los experimentos han demostrado que un recipiente de este tipo, para una masa oscilante dada, proporciona un amortiguamiento un 60-100% superior al de un recipiente que tenga una sección transversal circular, principalmente porque se impide un movimiento circulante del líquido respecto a un eje vertical en gran medida por las esquinas del recipiente cuadrado. Otra alternativa son los tubos en U, tales como dos tubos en U que contienen un líquido y que están colocados con el fondo de la U en dirección descendente y en el que los tubos están girados mutuamente 90 grados. Sin embargo, con el fin de proporcionar un amortiguamiento adecuado de las oscilaciones, hay una cantidad de líquido en los tubos en U que se extienden verticalmente, no contribuyendo la masa de dicho líquido a la masa oscilante y a la masa total de líquido requerida para que los tubos en U superen la masa de líquido requerida en las cajas cuadradas.

Los lados de cada uno de la pluralidad de recipientes se extienden preferiblemente sustancialmente en dirección vertical desde un fondo del recipiente.

Es muy ventajoso que se pueda aplicar un número de líquidos si la turbina eólica comprende medios de calentamiento para calentar el líquido que se encuentra contenido en el al menos un recipiente. Se puede utilizar el medio de calentamiento para impedir que la temperatura del líquido sea inferior a una temperatura mínima predeterminada y/o para mantener una temperatura sustancialmente constante del líquido. Con el termino "una temperatura sustancialmente constante" se debe entender que la temperatura se puede mantener en un rango estrecho de temperaturas de, típicamente de 10-20 grados Celsius. El medio de calentamiento puede impedir que el líquido se congele si existe este riesgo, dependiendo de las características del líquido y del ambiente de la turbina eólica, definiéndose de esta manera la temperatura de congelación como la temperatura mínima. También se puede definir la temperatura mínima por la temperatura de recristalización de un líquido que comprende una sal, tal como un sulfato ferroso, cloruro de cinc, etc., para evitar la formación de cristales en el líquido. Manteniendo una temperatura sustancialmente constante, se mantendrán las características físicas del líquido, de manera que los cambios ambientales de temperatura no perturben el amortiguamiento de la turbina eólica. El medio de control controla el funcionamiento del medio de calentamiento. Una fuente preferente de calor para el medio de calentamiento es el calor en exceso del sistema de transmisión de energía, es decir, de la caja de engranajes y/o del generador y/o del convertidor de frecuencia, y para ello el medio de calentamiento comprende medios para transferir al líquido el calor de la refrigeración de la transmisión de energía dispuesta en la góndola.

Con el fin de hacer que la turbina eólica se ajuste a los cambios ambientales y sea operativa en la mayor parte de las circunstancias, la temperatura de congelación del líquido debe ser inferior a -10 grados Celsius, preferiblemente inferior a -18 grados Celsius.

La densidad del líquido ventajosamente es, al menos, de 1,1 toneladas métricas por metro cúbico, preferiblemente al menos 1,4 toneladas métricas por metro cúbico, y más preferentemente al menos 1,8 toneladas métricas por metro cúbico, de manera que el tamaño físico del medio de amortiguamiento de oscilaciones no se haga excesivo.

Un líquido menos caro que se puede elegir para la masa oscilante es agua que comprenda al menos un agente para disminuir la temperatura de congelación del agua y/o al menos un agente para incrementar la densidad del líquido. Además, el agua no presenta un peligro ambiental si se fuga de los recipientes.

Se puede utilizar un número de diferentes agentes, entre ellos un número de sales. Un agente preferido es cloruro sódico debido a que es ambientalmente no peligroso, y debido a la solubilidad del cloruro sódico en el agua varía muy poco con la temperatura, de manera que no se producirá cristalización en el recipiente. El cloruro sódico disminuye la temperatura de congelación del agua así como incrementa la densidad.

El agua puede comprender al menos un porcentaje de masa del 18% de cloruro sódico, preferiblemente al menos un porcentaje en masa del 22% de cloruro sódico, y más preferiblemente, aproximadamente un porcentaje en masa del 26% de cloruro sódico.

Otros agentes baratos, más preferentes, son el cloruro de cinc, que es menos agresivo a los metales que el cloruro sódico, y el sulfato ferroso, con la utilización de los cuales se puede alcanzar fácilmente una densidad de al menos 2, y 1,4 toneladas métricas por metro cúbico, respectivamente. También se puede utilizar nitrato ferroso como agente y se puede añadir un número de agentes aplicables al agua que se puedan encontrar en el documento Densities of Aqueous Solutions of Inorganic Substances, Söhnel y Novotny, ISBN 0-444-99596, 1985.

Otro agente adecuado para ambos propósitos es la glicerina.

La turbina eólica puede comprender adicionalmente:

segundos medios de amortiguamiento de oscilaciones, en los cuales se diseña la frecuencia primaria de amortiguamiento para amortiguar unidireccionalmente sustancialmente la oscilación de la segunda frecuencia natural de flexión de la turbina eólica.

Los segundos medios de amortiguamiento de oscilaciones preferiblemente se encuentran dispuestos en una parte media de la torre, tomada en una dirección vertical, por la razón de que la torre de una turbina eólica en el segundo modo natural de flexión de la turbina eólica en gran manera actúa como si estuviese fijada en la parte superior así como en el extremo inferior debido a la concentración de masa en el extremo superior. Por lo tanto, la amplitud de la oscilación tiene un máximo aproximadamente en la mitad de la torre, y los medios de amortiguamiento se deben situar cerca del lugar de la amplitud máxima.

La frecuencia primaria de amortiguamiento del segundo miembro de amortiguamiento de oscilaciones para mayor parte de las turbinas eólicas se debe encontrar en el intervalo de 1-10 Hz, preferiblemente en el intervalo 2-5 Hz.

El amortiguamiento del segundo miembro de amortiguamiento de oscilaciones en una realización preferente de la presente invención es de una magnitud que es equivalente a la reducción logarítmica de las oscilaciones de la segunda frecuencia natural citada de la turbina eólica de, al menos, el 2%, de manera que se encuentre en el rango de 2%-20%, preferiblemente en el rango de 3%-12%, y más preferiblemente en el rango de 4-8%.

El segundo miembro de amortiguamiento de oscilaciones puede comprender uno o más elementos de amortiguamiento de oscilaciones que tienen un elemento de masa dispuesto de manera móvil en una dirección vertical desde y hacia una posición neutra del elemento de masa y medios de almacenamiento de energía para recibir y almacenar la energía cinética del elemento de masa cuando se está moviendo separándose de la posición neutra y para suministrar energía cinética al elemento de masa cuando se está moviendo hacia la posición neutra. El elemento de masa puede ser un líquido, pero preferiblemente en el actual medio de amortiguamiento es uno o más sólidos. Los elementos de almacenamiento de energía pueden comprender uno o más resortes o elementos similares pero alternativamente pueden ser medios para mover la masa a lo largo de una trayectoria curva, de manera que la energía se almacene por la posición vertical de la masa como energía potencial.

Los uno o más elementos de amortiguamiento de oscilaciones pueden comprender ventajosamente medios de amortiguamiento adicionales para recibir energía cinética del elemento de masa cuando éste se está moviendo.

Aunque la turbina eólica que comprende el segundo medio de amortiguamiento de oscilaciones constituye una invención por si mismo, el segundo medio de amortiguamiento de oscilaciones ventajosamente puede estar combinado con el medio de amortiguamiento de oscilaciones para amortiguar oscilaciones del primer modo natural de flexión de la turbina eólica, de acuerdo con la invención, como se ha descrito más arriba.

Ejemplo

Se realizó un experimento a escala completa en una turbina eólica NM 1000/60-59 (turbina eólica de 1 MW, diámetro de rotor 60 m, altura de cubo 59 m) en Alemania. Se colocaron 25 cajas cuadradas del tamaño L = 745 mm en la parte superior de la torre y en la góndola. Las cajas tenían 44,8 kg de una solución de agua y sal al 26% (porcentaje de masa) que proporciona una relación de masa total de 1,73%. Siguiendo el experimento que se ha mencionado más arriba, esto proporciona un amortiguamiento esperada de la torre de 4% x 1,73 = 7% (reducción logarítmica).

Las mediciones de la turbina eólica NM1000/60-59 con un amortiguador de torre instalado mostraban una clara reducción en las cargas de fatiga con velocidades de viento superiores a 13 m/s y con velocidades de viento entre 4-5 m/s (a 4-5 m/s, la turbina eólica está funcionando con el generador auxiliar que proporciona oscilaciones de torre mayores) en comparación con las cargas de fatiga de la turbina eólica sin que se haya instalado un amortiguador de torre.

Se espera que un amortiguamiento del 5% (reducción logarítmica) sea suficiente para solucionar los problemas de las oscilaciones. Por lo tanto, la masa necesaria de líquido para una turbina eólica dada con una masa oscilante dada es (5%/4%) = 1,25% de la masa oscilante. La cantidad óptima de líquido en cada caja se conoce cuando se determinan el tamaño de las cajas y la primera frecuencia de flexión de la torre. La cantidad necesaria de cajas en la turbina eólica puede ser calculada de esta manera. Las cajas se colocan en dos columnas en la parte superior de la torre y las columnas se colocan una sobre la otra.

Es importante que las cajas sean lo más grande posible debido a que esto reduce claramente la cantidad necesaria de cajas. El líquido utilizado debe tener la densidad más alta posible, debe ser barato y no se debe congelar por debajo de -20ºC. La solución de agua-sal de 26% que se ha mencionado más arriba tiene estas tres cualidades:

1. La densidad es 1,2 kg/m^{3}

2. El agua de mar es fácil de obtener y es barata

3. El punto de congelación es -20ºC

pero también se pueden utilizar otros líquidos

Las frecuencias naturales del primer modo de flexión de las torres en las turbinas eólicas NEG Micons que se venden en la actualidad se encuentran en el intervalo de 0,3 a 0,7 Hz. Es realista que en el intervalo de una década se encuentren en el intervalo de 0,1 a 0,8 Hz, que es el límite de trabajo de este concepto de amortiguador con líquidos en cajas.

El amortiguamiento es próximo al óptimo, incluso aunque la frecuencia natural de la torre se mantenga dentro del 5% de la frecuencia natural del agua. Es importante recordar que la frecuencia natural de la torre puede variar en la misma turbina eólica debido a diferentes condiciones del subsuelo.

Claims

1. Una turbina eólica que comprende:

una parte estacionaria que incluye una torre que se extiende sustancialmente vertical y una cimentación a la cual se fija una parte extrema inferior de la torre,

una góndola que comprende un rotor eólico que tiene, al menos, un álabe dispuesto en un árbol principal que tiene un eje de rotación sustancialmente horizontal, y un sistema de transmisión de energía,

un sistema de guiñada que comprende una parte estacionaria que está fijada a una parte extrema superior de la torre y una parte móvil que está fijada a la góndola, estando diseñadas la parte estacionaria y la parte móvil de manera que la góndola este soportada vertical y horizontalmente por la torre y pueda pivotar con relación a la torre respecto a un eje de guiñada sustancialmente vertical,

que se caracteriza por un medio de amortiguamiento de oscilaciones dispuesto en la parte superior de la torre y/o en la góndola y/o distribuido en el exterior de la torre/góndola y que están compuesto por, al menos, un recipiente que está lleno parcialmente con un líquido, estando diseñada la primera frecuencia primaria de amortiguamiento del medio de amortiguamiento de oscilaciones para amortiguar oscilaciones de la primera frecuencia natural de flexión de la turbina eólica con un amortiguamiento sustancialmente unidireccional de una magnitud que es equivalente a una reducción logarítmica de las oscilaciones de la citada primera frecuencia natural de la turbina eólica de, al menos, el 2%, y la masa total del líquido contenido en el interior del al menos un recipiente es igual al menos al 0,6% de la masa de la góndola.

2. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la masa total de líquido se encuentra en el intervalo de 0,6%-3%, preferiblemente en el intervalo de 0,9%-2,4% y más preferiblemente en el intervalo de 1,2%-1,8% de la masa de la góndola.

3. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1 y que está situada en una posición marina, en la cual la torre de la turbina eólica está expuesta a la excitación de las olas del mar, en la que la masa total de líquido se encuentra en el intervalo de 1%-6%, preferiblemente en el intervalo de 1,5%-5% y más preferiblemente en el intervalo de 2%-4% de la masa de la góndola.

4. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en la que la citada magnitud de amortiguamiento es equivalente a una reducción logarítmica de las oscilaciones de la citada primera frecuencia natural de la turbina eólica en el intervalo de 2%-20%, preferiblemente en el intervalo de 3%-12% y más preferiblemente en el intervalo de 4%-8%.

5. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-3, y que está situada en una posición marina en la cual la torre de la turbina eólica se encuentra expuesta a excitación de las olas del mar, en la que la citada magnitud de amortiguamiento es equivalente a una reducción logarítmica de las oscilaciones de la citada primera frecuencia natural de la turbina eólica en el rango de 2%-20%, preferiblemente en el rango 3%-12% y más preferiblemente en el rango de 10%-15%.

6. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la frecuencia primaria de amortiguamiento del medio de amortiguamiento de oscilaciones se desvía menos del 5% respecto a la primera frecuencia natural de flexión de la turbina eólica.

7. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la altura (H) de la superficie del líquido dentro del al menos un recipiente, desde el fondo del recipiente, es de aproximadamente el 106% de la altura que se encuentra utilizando los procedimientos teóricos estándar de cálculo de la altura apropiada (H) del líquido para que se corresponda con la frecuencia de amortiguamiento primaria del recipiente con la primera frecuencia natural de flexión de la turbina eólica.

8. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la frecuencia de amortiguamiento primaria del medio de amortiguamiento de oscilaciones es inferior a 0,8 Hz, preferiblemente en el intervalo de 0,1-0,6 Hz.

9. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes y que comprende un medio de detección de oscilaciones dispuesto en una parte superior de la turbina eólica y que produce una salida consecuente, un medio de control para recibir la salida del medio de detección y un medio de control para ajustar la cantidad de líquido situado dentro del al menos un recipiente para que adapte la frecuencia de amortiguamiento primaria del al menos un recipiente a las variaciones de la primera frecuencia natural de flexión de la turbina eólica.

10. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que cada uno de los al menos un recipiente comprende partes laterales que se extienden verticalmente al menos 1,8 veces la altura (H) de la superficie del líquido contenido en el recipiente, desde el fondo del recipiente.

11. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el medio de amortiguamiento de oscilaciones comprende una pluralidad de recipientes que están parcialmente llenos con un líquido.

12. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 11, en la que cada uno de la pluralidad de recipientes tiene una sección transversal casi simétrica vista en un plano horizontal y características de amortiguamiento casi simétricas.

13. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 12, en el que cada uno de la pluralidad de recipientes tiene una sección transversal sustancialmente cuadrada vista en un plano horizontal.

14. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11-13, en la que cada uno de la pluralidad de recipientes comprende lados que se extienden sustancialmente verticalmente desde el fondo del recipiente.

15. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un medio de calentamiento para calentar el líquido contenido en el interior del al menos un recipiente.

16. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 15, que comprende un medio de control para controlar el funcionamiento del medio de calentamiento, de manera que impida que la temperatura del líquido llegue a ser inferior a una temperatura mínima predeterminada.

17. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 16, que comprende un medio de control para controlar el funcionamiento del medio de calentamiento, de manera que mantenga una temperatura del líquido sustancialmente constante.

18. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15-17, en la que el medio de calentamiento comprende un medio para transferir calor de la refrigeración de la transmisión de energía dispuesta en la góndola, al líquido.

19. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la temperatura de congelación del líquido es inferior a -10 grados Celsius, preferiblemente inferior a -18 grados Celsius.

20. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 19, en la que el líquido es agua que comprende al menos un agente para disminuir la temperatura de congelación del agua.

21. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la densidad del líquido es al menos 1,1 toneladas métricas por metro cúbico, preferiblemente al menos 1,4 toneladas métricas por metro cúbico y más preferiblemente 1,8 toneladas métricas por metro cúbico.

22. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 21, en la que el líquido es agua que comprende al menos un agente para incrementar la densidad del líquido.

23. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 20-22, en la que al menos un agente es cloruro sódico.

24. Una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 23, en la que el líquido es agua que comprende al menos el 18% de porcentaje en masa de cloruro sódico, preferiblemente al menos el 22% en masa de cloruro sódico y más preferiblemente aproximadamente el 26% de porcentaje en masa de cloruro sódico.

25. Una turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 20-24, en la que al menos un agente es glicerina.