ES2285347T3 - Amortiguacion de oscilaciones en turbinas eolicas. - Google Patents

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Abstract

Una turbina eólica que comprende una primera parte inmóvil que incluye una torre que se extiende sustancialmente de forma vertical y una cimentación a la que se fija una parte extrema inferior de la torre, una góndola que comprende un rotor eólico que tiene al menos una pala dispuesta en un árbol principal que tiene un eje de rotación sustancialmente horizontal y un sistema de transmisión de potencia, un sistema de guiñada que comprende una segunda parte inmóvil que está fijada a una parte extrema superior de la torre y una parte movible que está fijada a la góndola, estando diseñadas la parte inmóvil y la parte movible para que la góndola esté soportada verticalmente y horizontalmente por la torre y se pueda pivotar relativamente a la torre alrededor de un eje de guiñada sustancialmente vertical, y un segundo medio de amortiguación de oscilaciones que proporciona una amortiguación sustancialmente unidireccional de las oscilaciones, del cual la frecuencia de amortiguación primaria es sustancialmente igual a la segunda frecuencia de flexión natural de la turbina eólica, proporcionándose el segundo medio de amortiguación de oscilaciones en una parte central de la torre tomada en una dirección vertical en la que la amortiguación del segundo medio de amortiguación de oscilaciones es de una magnitud que es equivalente a un decremento logarítmico de las oscilaciones de dicha segunda frecuencia natural de la turbina eólica de al menos un 2%.

Description

Amortiguación de oscilaciones en turbinas eólicas.
La presente invención se refiere a la amortiguación de oscilaciones de una turbina eólica por medio de un medio de amortiguación de oscilaciones que comprende uno o más contenedores llenados parcialmente de un líquido para amortiguar oscilaciones de la turbina eólica.
En particular, la invención se refiere a un medio de amortiguación que comprende una pluralidad de contenedores en forma de cajas que tienen una sección transversal cuadrada y que están llenados parcialmente de líquido para proporcionar así una amortiguación unidireccional de una magnitud que es equivalente a un decremento logarítmico de las oscilaciones de la primera frecuencia de flexión natural de la turbina eólica de al menos 4-8%, siendo la masa total del líquido contenido dentro de los contenedores igual al 1,2-1,8% de la masa de la góndola. En caso de turbinas eólicas posicionadas en alta mar, la excitación combinada del viento y las olas del mar requiere más amortiguación, la amortiguación es preferentemente equivalente a un decremento logarítmico del 10-15%, que se puede obtener con una masa total del líquido siendo igual al 2-4% de la masa de la góndola.
Adicionalmente, la invención se refiere a la amortiguación de la oscilación del segundo modo de flexión de una turbina eólica y a la amortiguación combinada de las oscilaciones del primer así como del segundo modo de flexión de la turbina eólica.
Antecedentes
Todos los edificios y construcciones altos son excitados por el viento en el espectro de frecuencias total, incluyendo las frecuencias de flexión naturales del edificio. Debido a una proporcionalidad positiva entre las fuerzas horizontales sobre el edificio y la velocidad del viento, el viento tiene un efecto de amortiguación sobre las oscilaciones de la primera frecuencia de flexión natural para edificios de una forma de cilindro esbelto, como chimeneas, y para turbinas eólicas tradicionales que tienen tal característica de las fuerzas horizontales.
La turbina eólica moderna tiene una característica de las fuerzas horizontales que tiene una estabilización o incluso una proporcionalidad negativa a la velocidad del viento por encima de un cierto límite. La última característica es ventajosa respecto a la producción de potencia de la turbina eólica, pero la construcción pasa a ser menos estable debido a que el viento amplificará las oscilaciones de la turbina eólica cuando la velocidad del viento esté por encima del límite, típicamente 10 m/s aproximadamente. La proporcionalidad negativa tiene la consecuencia de que las fuerzas horizontales sobre la turbina eólica aumentan cuando la parte superior de la turbina eólica se balancea en contra del viento y la velocidad relativa del viento en la parte superior disminuye y de que las fuerzas horizontales disminuyen cuando la parte superior se balancea a favor del viento y la velocidad relativa del viento aumenta.
Se sabe de la técnica anterior amortiguar las oscilaciones de la primera frecuencia de flexión natural de las turbinas eólicas por medio de un medio de amortiguación mecánico que comprende una o más masas, muelles y amortiguadores. Tales soluciones al problema de oscilación son caras para las turbinas eólicas ya que se deben usar masas relativamente grandes del medio de amortiguación debido a que la masa de balanceo equivalente en el primer modo de flexión natural es muy grande ya que la góndola que comprende un sistema de transmisión de potencia está dispuesta en la parte superior de una torre esbelta.
Se sabe de EP0648906A1 y EP0686733A1 amortiguar la oscilación de edificios esbeltos como chimeneas, mástiles, etc., por medio de contenedores que están llenados parcialmente de líquido y que están sincronizados para amortiguar la frecuencia natural del edificio. Los contenedores empleados son de una sección transversal cuasisimétrica como circular, cuadrática o triangular para manifestar así características de amortiguación cuasisimétricas que son ventajosas para edificios que tienen un comportamiento de oscilación simétrica. Una amortiguación similar de edificios esbeltos con contenedores cuasisimétricos se conoce por ejemplo de US4.873.798, US4.783.937, US4.924.639, US4.875.313 y US4.922.671. Los principios de los contenedores aplicados también se pueden usar para la presente invención, pero la amortiguación de la frecuencia natural de una turbina eólica es muy diferente de la amortiguación de las oscilaciones de un edificio esbelto. Se sabe de US4515525 amortiguar una oscilación de guiñada en una turbina eólica con un medio de accionamiento. Adicionalmente, se describe en EP1008747 (técnica anterior según el Artículo 54(3) de la Convención de Patente Europea) el uso de un contenedor en la torre de la turbina eólica para amortiguar las oscilaciones de la torre.
Contrariamente a un edificio esbelto 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 10-15% aproximadamente de la masa total. Esta diferencia es debida a la concentración de masa en la góndola de la turbina eólica que contribuye típicamente con 85% aproximadamente de la masa oscilante. Adicionalmente, el rotor dispuesto en la parte superior de la turbina eólica expone la turbina eólica a fuerzas de viento pesadas en la parte superior así como a la excitación periódica con la frecuencia de rotación del rotor así como tres veces (para una turbina eólica de tres palas) la frecuencia de rotación. La formación de una calle de vórtices de von Karman que es bien conocida para los edificios esbeltos es por otro lado insignificante para las turbinas
eólicas.
Las oscilaciones de las turbinas eólicas han existido siempre pero parece que el problema se está haciendo más pronunciado con el desarrollo de la nueva generación de turbinas eólicas muy grandes. A velocidades de viento altas (> 20 m/s) y con algunos errores de guiñada los cálculos muestran que la combinación de la amortiguación estructural de la torre y la amortiguación aerodinámica del rotor y la góndola es demasiado pequeña. Va más energía dentro del sistema desde el viento que fuera de él. El resultado es que las oscilaciones se quedan fuera de control lo cual llevará a fallo.
Un generador "suave", es decir un generador con un alto deslizamiento, puede amortiguar las oscilaciones, pero tal generador es mucho más caro y más grande que un generador con deslizamiento inferior. Es por tanto evitado como una solución al problema.
Las oscilaciones se pueden reducir cambiando la frecuencia natural de la torre, pero no soluciona el problema principal en cuanto a que va más energía dentro que fuera del sistema. La solución mejor y más barata es instalar un medio de amortiguación en la turbina eólica. El amortiguador se puede colocar donde se producen los movimientos, pero ya que la amplitud de las oscilaciones es más grande en la parte superior de la torre y en la góndola, la parte superior de la turbina eólica es el lugar óptimo. El amortiguador se puede colocar en la torre, en la góndola o por fuera.
La amortiguación de las oscilaciones en la primera frecuencia de flexión de las turbinas eólicas reducirá en general las cargas de fatiga sobre la torre y debido a eso reducirá la cantidad necesaria de acero en la torre.
Sin embargo, una amortiguación eficaz de oscilaciones que lleva a una construcción más delgada de la torre de la turbina eólica, especialmente en combinación con torres más altas, hasta 120 m aproximadamente, puede resultar en la ocurrencia de oscilaciones de la segunda frecuencia de flexión natural de la turbina eólica, que de nuevo puede llevar a cargas de fatiga sobre la torre. No se ha reconocido o tratado previamente la amortiguación de oscilaciones de segundo orden en la literatura conocida de las turbinas eólicas por la razón de que el problema no ha sido relevante para la estructura más corta y más robusta de la torre de la turbina eólica sin medios de amortiguación para amortiguar las frecuencias del primer modo de flexión natural.
Descripción de la invención
Para cumplir un objeto de la presente invención de proporcionar comercialmente una amortiguación eficaz de las oscilaciones de la turbina eólica, se ha encontrado que es ventajoso proveer a la turbina eólica de un amortiguador en el que la masa oscilante es un líquido que se abre tanto a una construcción simple de los amortiguadores así como al uso de una masa oscilante económica, como el agua.
Es un objeto adicional de la presente invención proporcionar la amortiguación de las oscilaciones de la segunda frecuencia de flexión natural en sí misma o bien en combinación con la amortiguación de las oscilaciones de la primera frecuencia de flexión natural según la invención.
El amortiguador para las oscilaciones de la primera frecuencia de flexión natural se puede hacer de muchas maneras, pero aquí hay una descripción del concepto preferido según la invención.
La fig. 1 muestra una caja cuadrática donde la longitud de los lados es L y el nivel de líquido dentro de la caja (cuando la caja está inmóvil, es decir no hay oscilaciones) es H.
Para una cierta primera frecuencia natural de flexión de la torre y un cierto tamaño de la caja es dado el nivel de líquido óptimo H_{opt}. Se calcula de las dos ecuaciones siguientes
100
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 (debería ser la misma que la frecuencia natural del primer modo de flexión de la torre)
La ecuación 1 es hallada teóricamente mientras que el factor 1,06 es determinado experimentalmente y la magnitud del factor forma parte de la presente invención.
La masa de balanceo total de una turbina eólica está determinada por la masa de la góndola, el rotor y la masa equivalente de la torre - todas en conjunto. La masa equivalente de la torre es la masa que cuando se coloca en la parte superior de la torre puede reemplazar a todas las otras masas de la torre dando la misma oscilación. Para las turbinas eólicas producidas y vendidas en la actualidad la masa de balanceo total está principalmente en el intervalo de 30.000-120.000 kg, pero una masa de hasta 300.000 kg no es irrealista dentro de una década.
Los experimentos muestran que con el nivel de líquido óptimo en cada caja, sincronizada a la frecuencia natural de la torre, las oscilaciones de la turbina eólica serán amortiguadas en un 4-4,5% (decremento logarítmico) cuando la masa de todo el líquido usado constituye el 1% de la masa de balanceo total. Los experimentos muestran también que la amortiguación esperada del sistema es aproximadamente una función lineal de la relación de masa (relación entre la masa de líquido total y la masa de balanceo total), dentro de un intervalo de relación de masa razonable del 0,5% al 8%. La amortiguación de la caja es la misma para las oscilaciones en todas las direcciones en el plano horizontal.
El decremento logarítmico, \delta, del sistema es definido por la ecuación:
101
donde
n es el número de oscilaciones
a_{1} es la amplitud de la primera oscilación
a_{n} es la amplitud de la oscilación n-ésima
Así, la presente invención se refiere a una turbina eólica que comprende
una parte inmóvil que incluye una torre que se extiende sustancialmente de forma vertical y una cimentación a la que se fija una parte extrema inferior de la torre,
una góndola que comprende un rotor eólico que tiene al menos una pala dispuesta en un árbol principal que tiene un eje de rotación sustancialmente horizontal y un sistema de transmisión de potencia,
un sistema de guiñada que comprende una parte inmóvil que está fijada a una parte extrema superior de la torre y una parte movible que está fijada a la góndola, estando diseñadas la parte inmóvil y la parte movible para que la góndola esté soportada vertical y horizontalmente por la torre y se pueda pivotar relativamente a la torre alrededor de un eje de guiñada sustancialmente vertical, y
un medio de amortiguación de oscilaciones proporcionado en una parte superior de la turbina eólica y que comprende al menos un contenedor que está llenado parcialmente de un líquido, estando diseñada la frecuencia de amortiguación primaria del medio de amortiguación de oscilaciones para amortiguar las oscilaciones de la turbina eólica con una amortiguación sustancialmente unidireccional de una magnitud que sea equivalente a un decremento logarítmico de las oscilaciones de dicha primera frecuencia natural de la turbina eólica de al menos el 2%, y la masa total del líquido contenido dentro del al menos un contenedor que sea igual a al menos el 0,6% de la masa de la góndola.
La turbina eólica tiene al menos una pala, el número más común de palas es dos o tres para el tipo de turbinas eólicas tratadas. El árbol principal tiene un eje de rotación sustancialmente horizontal que incluye ejes que están inclinados tanto como unos 10 grados aproximadamente de la horizontal.
La masa total de líquido puede estar dentro del intervalo del 0,6%-3%, preferentemente dentro del intervalo del 0,9%-2,4% y más preferentemente dentro del intervalo del 1,2%-1,8% de la masa de la góndola para obtener así una magnitud adecuada de la amortiguación. Sin embargo, para una turbina eólica que está situada en una ubicación en alta mar en la que la torre de la turbina eólica está expuesta a la excitación de las olas del mar, la masa total de líquido puede estar dentro del intervalo del 1%-6%, preferentemente dentro del intervalo del 1,5%-5% y más preferentemente dentro del intervalo del 2%-4% de la masa de la góndola para amortiguar suficientemente la excitación combinada de la turbina eólica por el viento, incluyendo la excitación por la(s) pala(s), y la excitación por las olas del mar. La masa de la góndola está típicamente dentro del intervalo de 25-350 toneladas métricas, como dentro del intervalo de 70-250 toneladas métricas.
La magnitud de la amortiguación puede ser equivalente a un decremento logarítmico de las oscilaciones de dicha primera frecuencia natural de la turbina eólica dentro del intervalo de 2%-20%, preferentemente dentro del intervalo de 3%-12% y más preferentemente dentro del intervalo de 4-8% para que la amortiguación sea adecuada, dependiendo del nivel de amplitudes admisible y de la construcción de la torre de la turbina eólica, es decir la amortiguación estructural de las oscilaciones. En particular, para una turbina eólica que está situada en una ubicación en alta mar en la que la torre de la turbina eólica está expuesta a la excitación de las olas del mar, la magnitud de la amortiguación puede ser equivalente a un decremento logarítmico de las oscilaciones de dicha primera frecuencia natural de la turbina eólica dentro del intervalo de 2%-20%, preferentemente dentro del intervalo de 3%-12% y más preferentemente dentro del intervalo de 10-15% para que la amortiguación sea suficiente.
También se ha encontrado que el medio de amortiguación funciona satisfactoriamente siempre y cuando la frecuencia de amortiguación primaria del medio de amortiguación de oscilaciones se desvíe menos de 5% de la primera frecuencia de flexión natural de la turbina eólica.
Los experimentos han mostrado que la altura óptima de la superficie del líquido dentro del al menos un contenedor desde una parte inferior del contenedor es el 106% aproximadamente de la altura encontrada al usar procedimientos teóricos estándares de cálculo de la altura apropiada de líquido para ajustar la frecuencia de amortiguación primaria del contenedor con la primera frecuencia de flexión natural de la turbina eólica.
Para la mayoría de los tipos de turbinas eólicas, la frecuencia de amortiguación primaria del medio de amortiguación de oscilaciones debería estar por debajo de 0,8 Hz, preferentemente dentro del intervalo de 0,1-0,6 Hz.
Es una ventaja en caso de que la turbina eólica esté expuesta a factores medioambientales como la marea y la variación de temperatura que pueden alterar las frecuencias naturales de la turbina eólica, que comprenda un medio de detección de oscilaciones proporcionado en la parte superior de la turbina eólica para detectar las oscilaciones de la turbina eólica y producir una salida como corresponda, un medio de control para recibir la salida del medio de detección y medios controlantes para ajustar la cantidad de líquido comprendido dentro del al menos un contenedor para adaptar así la frecuencia de amortiguación primaria del al menos un contenedor a las variaciones de la primera frecuencia de flexión natural de la turbina eólica.
Se ha encontrado que las partes laterales de cada uno del al menos un contenedor para conseguir el efecto óptimo del contenedor se extienden preferentemente de forma vertical al menos 1,8 veces la altura de la superficie del líquido dentro del contenedor desde una parte inferior del contenedor.
Es ventajoso que el medio de amortiguación de oscilaciones comprenda una pluralidad de contenedores que estén llenados parcialmente de un líquido que haga más fácil montar el medio de amortiguación en la parte superior de la torre y/o en la góndola y/o distribuido por fuera de la torre/góndola.
En particular, cada uno de la pluralidad de contenedores tiene preferentemente una sección transversal cuasisimétrica como se ve en un plano horizontal y características de amortiguación cuasisimétricas lo cual es muy adecuado para una turbina eólica que manifiesta típicamente un comportamiento de oscilación simétrica.
Una forma óptima de los contenedores es que tengan una sección transversal sustancialmente cuadrática como se ve en un plano horizontal. Los experimentos han mostrado que tal contenedor para una masa oscilante dada da una amortiguación de un 60-100% más que un contenedor que tiene una sección transversal circular, principalmente porque un movimiento circulante del líquido alrededor de un eje vertical es impedido en gran medida por las esquinas del contenedor cuadrático. Otra alternativa es los tubos en U, como dos tubos en U que contienen un líquido y que están colocados con la parte inferior de la U en una dirección hacia abajo y estando mutuamente los dos tubos girados 90 grados. Sin embargo, para proporcionar una amortiguación correcta de las oscilaciones, los tubos en U tienen una cantidad de líquido en los tubos que se extienden verticalmente, la masa de cuyo líquido no contribuye a que la masa de balanceo y la masa total de líquido requerido para los tubos en U exceda a la masa de líquido requerida para cajas cuadradas.
Las partes laterales de cada uno de la pluralidad de contenedores comprenden la extensión sustancialmente de forma vertical preferentemente desde una parte inferior del contenedor.
Es muy ventajoso para un número de líquidos que se pueden aplicar si la turbina eólica comprende un medio de calentamiento para calentar el líquido contenido dentro del al menos un contenedor. El medio de calentamiento se puede usar para impedir que la temperatura del líquido pase a estar por debajo de una temperatura mínima predeterminada y/o para mantener una temperatura sustancialmente constante del líquido. Por "una temperatura sustancialmente constante" se entiende que la temperatura se puede mantener dentro de un estrecho intervalo de temperatura de típicamente 10-20 grados Celsius. El medio de calentamiento puede impedir que el líquido se congele si existe tal riesgo, dependiendo de las características del líquido y del entorno de la turbina eólica, definiendo así una temperatura de congelación como la temperatura mínima. Una temperatura mínima también puede ser definida por la temperatura de recristalización de un líquido que comprende una sal, como sulfato ferroso, cloruro de zinc etc. para evitar así la formación de cristales en el líquido. Manteniendo una temperatura sustancialmente constante las características físicas del líquido se mantienen para que los cambios medioambientales de temperatura no perturben a la amortiguación de la turbina eólica. El medio de control controla la operación del medio de calentamiento. Una fuente de calor preferida para el medio de calentamiento es el calor excesivo del sistema de transmisión de potencia, es decir la caja de engranajes y/o el generador y/o el convertidor de frecuencia, y el medio de calentamiento comprende así un medio para transferir el calor de la refrigeración de la transmisión de potencia dispuesto en la góndola al líquido.
Para hacer que la turbina eólica sea apta para hacer frente a los cambios medioambientales y sea operativa bajo la mayoría de circunstancias, la temperatura de congelación del líquido debería estar por debajo de -10 grados Celsius, preferentemente por debajo de -18 grados Celsius.
La densidad del líquido es ventajosamente de al menos 1,1 tonelada métrica por metro cúbico, preferentemente de al menos 1,4 tonelada métrica por metro cúbico y más preferentemente de al menos 1,8 tonelada métrica por metro cúbico para que el tamaño físico del medio de amortiguación de oscilaciones no pase a ser demasiado excesivo.
Un líquido menos caro que elegir para la masa oscilante es el agua que comprende al menos un agente para bajar la temperatura de congelación del agua y/o al menos un agente para aumentar la densidad del líquido. Además, el agua no presenta un peligro medioambiental si se escapa de los contenedores.
Se puede emplear un número de agentes diferentes, entre estos un número de sales. Un agente preferido es el cloruro sódico porque es ambientalmente inofensivo y porque la solubilidad del cloruro sódico en el agua apenas cambia con la temperatura para que no se produzca una cristalización en el contenedor. El cloruro sódico tanto baja la temperatura de congelación del agua como aumenta la densidad.
El agua puede comprender al menos un porcentaje de masa de 18 de cloruro sódico, preferentemente al menos un porcentaje de masa de 22 de cloruro sódico y más preferentemente un porcentaje de masa de 26 aproximadamente de cloruro sódico.
Más agentes preferidos y económicos son el cloruro de zinc, que es menos agresivo a los metales que el cloruro sódico, y el sulfato ferroso, con cuyo uso una densidad de respectivamente al menos 2, y 1,4 toneladas métricas por metro cúbico se pueden alcanzar fácilmente. El nitrato ferroso también se puede aplicar como un agente y un número de agentes aplicables que añadir al agua se pueden encontrar en: Densities of Aqueous Solutions of Inorganic Substances, Söhnel y Novotný ISBN 0-444-99596, 1985.
Otro agente adecuado para ambos propósitos es el glicerol.
La presente invención se refiere además a una turbina eólica que comprende
una parte inmóvil que incluye una torre que se extiende sustancialmente de forma vertical y una cimentación a la que se fija una parte extrema inferior de la torre,
una góndola que comprende un rotor eólico que tiene al menos una pala dispuesta en un árbol principal que tiene un eje de rotación sustancialmente horizontal y un sistema de transmisión de potencia,
un sistema de guiñada que comprende una parte inmóvil que está fijada a una parte extrema superior de la torre y una parte movible que está fijada a la góndola, estando diseñadas la parte inmóvil y la parte movible para que la góndola esté soportada verticalmente y horizontalmente por la torre y se pueda pivotar relativamente a la torre alrededor de un eje de guiñada sustancialmente vertical, y
un segundo medio de amortiguación de oscilaciones del cual la frecuencia de amortiguación primaria está diseñada para una amortiguación sustancialmente unidireccional de las oscilaciones de la segunda frecuencia de flexión natural de la turbina eólica.
Los segundos medios de amortiguación de oscilaciones se proporcionan preferentemente en una parte central de la torre tomada en una dirección vertical por la razón de que la torre de una turbina eólica en el segundo modo de flexión natural de la turbina eólica en general actúa como si estuviera fijada en el extremo superior así como en el inferior debido a la concentración de masa en el extremo superior. La amplitud de las oscilaciones tiene por tanto un máximo en torno al centro de la torre, y el medio de amortiguación debería posicionarse cerca del lugar de amplitud máxima.
La frecuencia de amortiguación primaria del segundo medio de amortiguación de oscilaciones debería para la mayoría de las turbinas eólicas estar dentro del intervalo de 1-10 Hz, preferentemente dentro del intervalo de 2-5 Hz.
La amortiguación del segundo medio de amortiguación de oscilaciones es en una forma de realización preferida de la presente invención de una magnitud que es equivalente a un decremento logarítmico de las oscilaciones de dicha segunda frecuencia natural de la turbina eólica de al menos el 2%, como dentro del intervalo del 2%-20%, preferentemente dentro del intervalo del 3%-12% y más preferentemente dentro del intervalo del 4-8%.
El segundo medio de amortiguación de oscilaciones puede comprender uno o más elementos de amortiguación de oscilaciones que tienen un elemento de masa dispuesto de forma movible en una dirección vertical desde y hasta una posición neutra del elemento de masa y un medio de almacenamiento de energía para recibir y almacenar energía cinética del elemento de masa cuando se está alejando de la posición neutra y para suministrar energía cinética al elemento de masa cuando se está acercando a la posición neutra. El elemento de masa puede ser un líquido pero para el presente medio de amortiguación es preferentemente uno o más sólidos. El medio de almacenamiento de energía puede comprender uno o más muelles o similares pero alternativamente puede comprender un medio para mover la masa a lo largo de una trayectoria curvada para que la energía sea almacenada por la posición vertical de la masa como energía potencial.
El uno o más elementos de amortiguación de oscilaciones adicionalmente pueden comprender de forma ventajosa un medio de amortiguación para recibir energía cinética del elemento de masa cuando se está moviendo.
Aunque la turbina eólica que comprende el segundo medio de amortiguación de oscilaciones constituye una invención en sí misma, el segundo medio de amortiguación de oscilaciones puede estar combinado ventajosamente con el medio de amortiguación de oscilaciones para amortiguar las oscilaciones del primer modo de flexión natural de la turbina eólica según la invención como se describe previamente.
Ejemplo
Un experimento a gran escala se hace en un NM1000/60-59 (turbina eólica de 1 MW, diámetro de rotor de 60 m, altura del buje de 59 m) en Alemania. 25 cajas cuadráticas del tamaño L=745 mm se colocaron en la parte superior de la torre y en la góndola. Las cajas tienen 44,8 kg de un 26% (por ciento de masa) de una solución de sal y agua dentro dando una relación de masa total del 1,73%. Siguiendo lo anteriormente mencionado esto da una amortiguación esperada de la torre de un 4% x 1,73% = 7% (decremento logarítmico).
Las mediciones de la turbina eólica NM1000/60-59 con un amortiguador de la torre instalado muestran una clara reducción de las cargas de fatiga a velocidades de viento por encima de 13 m/s y a velocidades de viento entre 4-5 m/s (a 4-5 m/s la turbina eólica está funcionando con el generador auxiliar que da oscilaciones de la torre mayores) comparadas a las cargas de fatiga para la turbina eólica sin un amortiguador de la torre instalado.
Se espera que una amortiguación del 5% (decremento logarítmico) sea suficiente para solucionar los problemas de oscilación. La masa de líquido necesaria para una turbina eólica dada con una masa de balanceo dada es por tanto el (5%/4%) = 1,25% de la masa de balanceo. La cantidad de líquido óptima en cada caja es conocida cuando el tamaño de las cajas y la primera frecuencia de flexión de la torre están determinados. La cantidad necesaria de cajas en la turbina eólica se puede por tanto calcular. Las cajas se colocan en dos columnas en la parte superior de la torre y las cajas se colocan en la parte superior de cada una.
Es importante que las cajas sean lo más grandes posibles debido a que esto reduce claramente la cantidad necesaria de cajas. El líquido usado debería tener una densidad lo más alta posible, debería ser económico y no debería congelarse por debajo de -20ºC. La solución mencionada de sal y agua en un 26% tiene las tres cualidades:
1.
La densidad es de 1,2 kg/m^{3}
2.
La sal y el agua son fáciles de conseguir y económicos
3.
El punto de congelación es de -20ºC
pero también se pueden usar otros líquidos.
Las frecuencias naturales del primer modo de flexión de las torres en las turbinas eólicas de NEG Micon vendidas en la actualidad están en el intervalo de 0,3 a 0,7 Hz. Es realista que dentro de una década estén en el intervalo de 0,1 a 0,8 Hz, que es el límite de trabajo de este concepto de amortiguador con líquido en las cajas.
La amortiguación está cercana a ser óptima aunque la frecuencia natural de la torre permanece dentro del 5% de la frecuencia natural del agua. Es importante tener en mente que la frecuencia natural de la torre puede variar para la misma turbina eólica debido a condiciones de subsuelo diferentes.

Claims (30)

1. Una turbina eólica que comprende
una primera parte inmóvil que incluye una torre que se extiende sustancialmente de forma vertical y una cimentación a la que se fija una parte extrema inferior de la torre,
una góndola que comprende un rotor eólico que tiene al menos una pala dispuesta en un árbol principal que tiene un eje de rotación sustancialmente horizontal y un sistema de transmisión de potencia,
un sistema de guiñada que comprende una segunda parte inmóvil que está fijada a una parte extrema superior de la torre y una parte movible que está fijada a la góndola, estando diseñadas la parte inmóvil y la parte movible para que la góndola esté soportada verticalmente y horizontalmente por la torre y se pueda pivotar relativamente a la torre alrededor de un eje de guiñada sustancialmente vertical, y
un segundo medio de amortiguación de oscilaciones que proporciona una amortiguación sustancialmente unidireccional de las oscilaciones, del cual la frecuencia de amortiguación primaria es sustancialmente igual a la segunda frecuencia de flexión natural de la turbina eólica,
proporcionándose el segundo medio de amortiguación de oscilaciones en una parte central de la torre tomada en una dirección vertical
en la que la amortiguación del segundo medio de amortiguación de oscilaciones es de una magnitud que es equivalente a un decremento logarítmico de las oscilaciones de dicha segunda frecuencia natural de la turbina eólica de al menos un 2%.
2. Una turbina eólica según la reivindicación 1, en la que la frecuencia de amortiguación primaria del segundo medio de amortiguación de oscilaciones está dentro del intervalo de 1-10 Hz, preferentemente dentro del intervalo de 2-5 Hz.
3. Una turbina eólica según la reivindicación 1, en la que dicha magnitud de la amortiguación es equivalente a un decremento logarítmico de las oscilaciones de dicha segunda frecuencia natural de la turbina eólica dentro del intervalo de 2%-20%, preferentemente dentro del intervalo de 3%-12% y más preferentemente dentro del intervalo de 4-8%.
4. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en la que el segundo medio de amortiguación de oscilaciones comprende uno o más elementos de amortiguación de oscilaciones que tienen un elemento de masa dispuesto de forma movible en una dirección vertical desde y hasta una posición neutra del elemento de masa y un medio de almacenamiento de energía para recibir y almacenar energía cinética del elemento de masa cuando se está alejando de la posición neutra y para suministrar energía cinética al elemento de masa cuando se está acercando a la posición neutra.
5. Una turbina eólica según la reivindicación 4, en la que uno o más elementos de amortiguación de oscilaciones comprenden un medio de amortiguación para recibir energía cinética del elemento de masa cuando se está moviendo.
6. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-5 y que comprende un medio de amortiguación de oscilaciones proporcionado en la parte superior de la torre y/o en la góndola y/o distribuido por fuera de la torre/góndola y que comprende al menos un contenedor que está llenado parcialmente de un líquido, estando diseñada la frecuencia de amortiguación primaria del medio de amortiguación de oscilaciones para amortiguar las oscilaciones de la primera frecuencia de flexión natural de la turbina eólica con una amortiguación sustancialmente unidireccional de una magnitud que es equivalente a un decremento logarítmico de las oscilaciones de dicha primera frecuencia natural de la turbina eólica de al menos 2%, y la masa total del líquido contenido dentro del al menos un contenedor siendo igual a al menos 0,6% de la masa de la góndola.
7. Una turbina eólica según la reivindicación 6, en la que la masa total de líquido está dentro del intervalo de 0,6%-3%, preferentemente dentro del intervalo de 0,9%-2,4% y más preferentemente dentro del intervalo de 1,2%-1,8% de la masa de la góndola.
8. Una turbina eólica según la reivindicación 6 y que está situada en una ubicación en alta mar en la que la torre de la turbina eólica está expuesta a la excitación de las olas del mar, en la que la masa total de líquido está dentro del intervalo de 1%-6%, preferentemente dentro del intervalo de 1,5%-5% y más preferentemente dentro del intervalo de 2%-4% de la masa de la góndola.
9. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 6-8, en la que dicha magnitud de la amortiguación es equivalente a un decremento logarítmico de las oscilaciones de dicha primera frecuencia natural de la turbina eólica dentro del intervalo de 2%-20%, preferentemente dentro del intervalo de 3%-12% y más preferentemente dentro del intervalo de 4-8%.
10. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 6-8 y que está situada en una ubicación en alta mar en la que la torre de la turbina eólica está expuesta a la excitación de las olas del mar, en la que dicha magnitud de la amortiguación es equivalente a un decremento logarítmico de las oscilaciones de dicha primera frecuencia natural de la turbina eólica dentro del intervalo de 2%-20%, preferentemente dentro del intervalo de 3%-12% y más preferentemente dentro del intervalo de 10-15%.
11. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la frecuencia de amortiguación primaria del medio de amortiguación de oscilaciones se desvía menos de 5% de la primera frecuencia de flexión natural de la turbina eólica.
12. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la altura (H) de la superficie del líquido dentro del al menos un contenedor desde una parte inferior del contenedor es 106% aproximadamente de la altura encontrada al usar procedimientos teóricos estándares de cálculo de la altura (H) de líquido apropiada para ajustar la frecuencia de amortiguación primaria del contenedor con la primera frecuencia de flexión natural de la turbina eólica.
13. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la frecuencia de amortiguación primaria del medio de amortiguación de oscilaciones está por debajo de 0,8 Hz, preferentemente dentro del intervalo de 0,1-0,6 Hz.
14. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones precedentes y que comprende un medio de detección de oscilaciones proporcionado en una parte superior de la turbina eólica para detectar las oscilaciones de la turbina eólica y producir una salida como corresponda, un medio de control para recibir la salida del medio de detección y medios controlantes para ajustar la cantidad de líquido comprendido dentro del al menos un contenedor para adaptar así la frecuencia de amortiguación primaria del al menos un contenedor a las variaciones de la primera frecuencia de flexión natural de la turbina eólica.
15. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que cada uno del al menos un contenedor comprende partes laterales que se extienden verticalmente al menos 1,8 veces la altura (H) de la superficie del líquido dentro del contenedor desde una parte inferior del contenedor.
16. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que el medio de amortiguación de oscilaciones comprende una pluralidad de contenedores que están llenados parcialmente de un líquido.
17. Una turbina eólica según la reivindicación 16, en la que cada uno de la pluralidad de contenedores tiene una sección transversal cuasisimétrica como se ve en un plano horizontal y características de amortiguación cuasisimétricas.
18. Una turbina eólica según la reivindicación 17, en la que cada uno de la pluralidad de contenedores tiene una sección transversal sustancialmente cuadrática como se ve en un plano horizontal.
19. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 16-18, en la que cada uno de la pluralidad de contenedores comprende partes laterales que se extienden sustancialmente de forma vertical desde una parte inferior del contenedor.
20. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que comprende un medio de calentamiento para calentar el líquido contenido dentro del al menos un contenedor.
21. Una turbina eólica según la reivindicación 20, que comprende un medio de control para controlar la operación del medio de calentamiento para impedir así que la temperatura del líquido pase a estar por debajo de una temperatura mínima predeterminada.
22. Una turbina eólica según la reivindicación 21, que comprende un medio de control para controlar la operación del medio de calentamiento para mantener así una temperatura sustancialmente constante del líquido.
23. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 20-22, en la que el medio de calentamiento comprende un medio para transferir el calor de la refrigeración de la transmisión de potencia dispuesto en la góndola al líquido.
24. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la temperatura de congelación del líquido está por debajo de -10 grados Celsius, preferentemente por debajo de -18 grados Celsius.
25. Una turbina eólica según la reivindicación 24, en la que el líquido es agua que comprende al menos un agente para bajar la temperatura de congelación del agua.
26. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la que la densidad del líquido es al menos 1,1 tonelada métrica por metro cúbico, preferentemente al menos 1,4 tonelada métrica por metro cúbico y más preferentemente al menos 1,8 tonelada métrica por metro cúbico.
27. Una turbina eólica según la reivindicación 26, en la que el líquido es agua que comprende al menos un agente para aumentar la densidad del líquido.
28. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 25-27, en la que al menos un agente es cloruro sódico.
29. Una turbina eólica según la reivindicación 28, en la que el líquido es agua que comprende al menos un porcentaje de masa de 18 de cloruro sódico, preferentemente al menos un porcentaje de masa de 22 de cloruro sódico y más preferentemente un porcentaje de masa de 26 aproximadamente de cloruro sódico.
30. Una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 25-29, en la que al menos un agente es glicerol.
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