ES2289043T3 - Borde de salida flexible y dentado, para pala de rotor de turbina eolica. - Google Patents

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ES2289043T3 ES02025882T ES02025882T ES2289043T3 ES 2289043 T3 ES2289043 T3 ES 2289043T3 ES 02025882 T ES02025882 T ES 02025882T ES 02025882 T ES02025882 T ES 02025882T ES 2289043 T3 ES2289043 T3 ES 2289043T3
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Abstract

Un método para mejorar la eficiencia de un rotor de turbina eólica, que comprende el equipamiento de un panel dentado en un borde de salida (3) sobre cada una de las palas (1) de rotor de turbina eólica, del rotor de la turbina eólica, teniendo cada uno de los mencionados paneles una pluralidad de muescas periódicas (15), en el sentido de la envergadura, de forma que las estriaciones se extienden desde el borde de salida al flujo de aire por detrás del borde de salida, sobre cada pala de rotor de turbina eólica, del rotor de la turbina eólica, donde las estriaciones están provistas a un ángulo diferente de 0 grados en relación con la cuerda de la pala, caracterizado porque el ángulo de la parte dentada cambia pasivamente en respuesta a la velocidad y al ángulo del flujo de aire en el borde de salida de la pala, debido a la flexión de las estriaciones y/o del panel dentado.

Description

Borde de salida flexible y dentado, para pala de rotor de turbina eólica.
La presente invención se refiere en general al campo de la aerodinámica de turbinas eólicas, y en particular a la optimización de la entrega de energía procedente de un rotor de turbina eólica que consta de una pluralidad de palas.
Típicamente, las superficies aerodinámicas de las palas de turbina eólica tienen bordes de salida afilados o moderadamente romos, desde los que es despedida la estela. La formación de la estela y la confluencia de flujo procedente de los lados de presión y de succión del perfil, son fuentes de ruido aerodinámico, resistencia incrementada y sustentación reducida.
Para un rotor de turbina eólica de un diámetro dado, es posible determinar la potencia mecánica total disponible a una velocidad del viento dada. La eficiencia del rotor de turbina eólica a una velocidad del viento, es la proporción entre la potencia en el eje y la potencia mecánica total disponible en el viento, a esa velocidad del viento.
Para usos corrientes, la eficiencia de un rotor de turbina eólica se muestra en la denominada curva de potencia de la turbina eólica. Una curva de potencia es un gráfico y/o una tabla de la salida de potencia eléctrica procedente de la turbina eólica, en función de la velocidad del viento. Para evaluaciones de eficiencia de las palas en términos absolutos, es necesaria una curva de potencia mecánica, puesto que la eficiencia del rotor de la turbina eólica a una velocidad del viento dada, es la proporción entre la potencia en el eje y la potencia mecánica total disponible. Sin embargo, la medida de una curva de potencia mecánica es difícil, requiriendo instrumentación de par de fuerzas estable sobre el eje rotatorio de la turbina. Por consiguiente, por lo general la eficiencia del rotor se evalúa en base a la potencia eléctrica, incluyendo así de forma inherente los efectos de las pérdidas en la caja de velocidades, el generador y los cables. Para evaluaciones de eficiencia de las palas, en términos relativos esto es suficientemente preciso, toda vez que las pérdidas de la caja de velocidades, el generador y los cables sean conocidas, y se mantengan invariantes durante cualesquiera modificaciones del rotor de turbina eólica.
Para el rango de la velocidad del viento, que contribuye a la mayor parte de la producción de energía anual, la eficiencia de un rotor de turbina eólica es función de la proporción entre sustentación y resistencia sobre los perfiles aerodinámicos de la pala. Se prefiere una relación alta de sustentación/resistencia.
Ciertos perfiles aerodinámicos tienen formas que proporcionan relaciones de sustentación/resistencia superiores a lo normal. Estos denominados perfiles laminares se utilizan, por ejemplo, sobre planeadores que se benefician de elevadas proporciones de sustentación/resistencia. Sin embargo en las turbinas eólicas tales perfiles no son adecuados, puesto que son muy sensibles a la contaminación superficial, por ejemplo mediante insectos o lluvia. Una vez contaminados, su relación de sustentación/resistencia cae hasta las de los perfiles normales, o por debajo de estas.
Se ha utilizado dispositivos de modificación de la sustentación, sobre palas de turbina eólica, para mejorar la relación de sustentación/resistencia, o para ajustar de otro modo las características aerodinámicas de la pala. Los dispositivos comunes incluyen tiras de pérdida, generadores de torbellino y aletas de Gurney. Generalmente, tales dispositivos tienen efectos negativos sobre la resistencia, y normalmente se espera intercambios entre la sustentación de la resistencia.
Los bordes de salida dentados son conocidos, para mejorar las características de sustentación y resistencia de una superficie elevadora. En la patente de EE.UU. número 5 088 665 se describe varias realizaciones.
Se conoce el uso de las superficies de salida dentadas en turbinas eólicas, por razones de reducción de ruido. En tales aplicaciones las estriaciones están normalmente limitadas al 10-20% hacia el exterior de la envergadura. En la patente de EE.UU. número 5 533 865 se describe una realización para la reducción de ruido, con sección transversal hexagonal de las estriaciones.
Una descripción más general del uso de los bordes de salida dentados en palas de turbina eólica, con el propósito de reducción de ruido, se presenta en el documento "Noise Reduction By Using Serrated Trailing Edges", de K.A. Braun, N.v.d. Borg, T. Dassen, A. Gordner, y R. Parchen, en Proceedings of EWEC 97, Dublin 1 997.
Ninguna de las descripciones o usos anteriores de bordes de salida dentados, ha demostrado mejorar la eficiencia del rotor de la turbina eólica, ni ha sido utilizada para mejorar o intentar mejorar la eficiencia del rotor de turbina eólica.
Resumen de la invención
Un objetivo de la presente invención es proporcionar un método para la mejora de la eficiencia de un rotor de turbina eólica.
Otro objetivo de la presente invención es proporcionar realizaciones para la mejora de la eficiencia de un rotor de turbina eólica.
Estos y otros objetivos de la invención se satisfacen proporcionando, a las palas de un rotor de turbina eólica, bordes de salida dentados que tienen, cada uno, una pluralidad de muescas periódicas, en el sentido de la envergadura, preferentemente con forma de dientes de sierra que tienen aproximadamente ángulos de 60 grados comprendidos entre vértices adyacentes, y que tienen las características acordes con la reivindicación 6.
En otra manifestación de la invención, la eficiencia de un rotor de una turbina eólica existente se mejora mediante la fijación de un aparato a, al menos, parte del borde de salida de las palas de turbina eólica, teniendo el mencionado aparato la forma de un panel dentado que está unido a la superficie de la pala, y que tiene las estriaciones extendiéndose en el flujo de aire, por detrás del borde de salida de la pala existente.
En otra manifestación de la invención, la eficiencia de una nueva pala de turbina eólica se mejora mediante fabricar la pala con las estriaciones, de al menos parte del borde de salida de la pala de la turbina eólica.
La invención se describirá de forma más completa en lo que sigue, con referencia a los dibujos anexos que forman parte del presente documento, en los que se utiliza los mismos números de referencia para partes iguales.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una vista esquemática en sección transversal, de un perfil aerodinámico utilizado de forma general en turbinas eólicas.
La figura 2 es una vista esquemática en planta, de una típica pala de turbina eólica.
La figura 3 es una vista esquemática en sección transversal, de una pala de turbina eólica equipada con dispositivos de modificación de la sustentación, utilizados generalmente en turbinas eólicas.
La figura 4 es una vista esquemática en planta, de una típica pala de turbina eólica equipada con dispositivos de modificación de la sustentación utilizados generalmente en turbinas eólicas.
La figura 5 es una vista en planta, esquemática, de una pala de turbina eólica equipada con el borde de salida dentado aplicado, como es sabido, con propósitos de reducción del ruido.
La figura 6 es una vista esquemática en planta, de una pala de turbina eólica equipada con el borde trasero dentado, con propósitos de mejora de la eficiencia, de acuerdo con la presente invención.
La figura 7 es una ampliación de la figura 6, que muestra algunas dimensiones preferidas de un tipo de panel dentado.
La figura 8 es una vista esquemática en sección transversal, del montaje de una realización preferida del panel dentado de una pala de turbina eólica.
La figura 9 es otra vista esquemática en sección transversal, del montaje de otra realización preferida del panel dentado sobre una pala de turbina eólica.
La figura 10 es un gráfico de la medida de la curva de potencia de una turbina eólica equipada con dispositivos estándar de modificación de la sustentación, utilizados generalmente en turbinas eólicas.
La figura 11 es un gráfico de la medida de la curva de potencia de la misma turbina eólica mostrada en la figura 10, pero equipada con bordes de salida dentados, adicionales a los dispositivos estándar de modificación de la sustentación.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
La figura 1 muestra una sección transversal esquemática, de una pala de turbina eólica 1 que tiene un borde de ataque 2, un borde de salida 3 y una superficie de sustentación 4, entre el borde de ataque y el borde de salida. La superficie de sustentación tiene un lado más convexo 5 aludido como el lado de succión, y un lado menos convexo 6 aludido como lado de presión. Una cuerda 7 es una línea imaginaria dibujada entre el borde de ataque 2 y el borde de salida 3.
La figura 2 muestra una vista en planta, esquemática, de una pala 1 de turbina eólica que tiene un extremo de raíz 8 y un extremo de punta 9. La longitud de la pala desde la raíz a la punta, es aludida como envergadura. Las partes de la pala próximas a la punta son aludidas como estando hacia el exterior, y las partes de la pala próximas a la raíz son aludidas como estando hacia el interior. La parte hacia el exterior de la pala, tiene una sección transversal con forma aerodinámica, por lo general con un perfil que pertenece una de las numerosas "familias" de perfiles aerodinámicos utilizados en la industria aeronáutica. En la parte hacia el interior de la pala, la sección transversal con forma aerodinámica por lo general cambia a una sección transversal cilíndrica en el extremo de raíz. La transición entre una sección perfilada y una sección circular, se extiende típicamente desde el radio de la cuerda más larga 10 a un punto, normalmente aludido como el hombro de la pala, hasta un punto entre el hombro y la raíz.
La figura 3 muestra una vista en sección transversal, esquemática, de una pala 1 de turbina eólica equipada con dispositivos de modificación de la sustentación, utilizados por lo general en turbinas eólicas. Estos dispositivos comprenden una tira de pérdida 11, un generador de torbellino 12 y una aleta de Gurney 13. En la mayoría de los casos, todos estos tipos de dispositivos de modificación de la sustentación no son utilizados simultáneamente sobre ninguna sección concreta de la pala, sino que pueden ser utilizados sobre diferentes secciones.
La figura 4 es una vista esquemática en planta, de una típica pala de turbina eólica equipada con dispositivos de modificación de la sustentación, utilizados generalmente en turbinas eólicas. Se muestra típicas localizaciones de las tiras de pérdida 11, generadores de torbellino 12 y aletas de Gurney 13.
La figura 5 es una vista en planta, esquemática, de una pala de turbina eólica equipada con un borde de salida dentado, como es sabido con propósitos de reducción de ruido. Las estriaciones 14 tienen forma triangular con sección transversal hexagonal, y tienen un ángulo del vértice muy agudo, típicamente menor de 30 grados. La parte dentada en el borde de salida, está limitada a la parte del exterior de la pala, próxima a la punta, teniendo una longitud típicamente del 10-20 por ciento de la envergadura.
La figura 6 es una vista en planta, esquemática, de una pala de turbina eólica equipada con un borde de salida dentado, con propósitos de mejora de la eficiencia, acorde con la presente invención. Las estriaciones 15 se muestran aquí con forma triangular de sección transversal plana, rectangular o redondeada, y teniendo un ángulo de vértice más romo que las estriaciones 14 para reducción del ruido, típicamente del orden de 60 grados. Las estriaciones pueden tener otras formas, por ejemplo con lados redondeados, u otros ángulos de vértice diferentes a 60 grados. La parte dentada del borde de salida no se limita a la parte del exterior de la pala, próxima a la punta, sino que tiene una longitud de típicamente el 40-80 por ciento de la envergadura.
La figura 7 muestra un panel de estriaciones con algunas dimensiones preferidas de las estriaciones, adecuadas para su uso en palas de turbina eólica de 20-50 m de longitud. El panel de estriaciones 16 puede fabricarse a partir de una lámina de 1 000 x 110 mm de policarbonato. Un diente 17 de estriación puede ser un triángulo equilátero con una altura de 50 mm. La sección transversal puede ser rectangular con un grosor 2 mm, y el panel puede curvarse lo largo del eje longitudinal, teniendo la curva 18 un ángulo de 15 grados.
La figura 8 es una vista esquemática en sección transversal, del montaje de diversas realizaciones preferidas del panel dentado, sobre una pala de turbina eólica. Una versión lineal del panel 19 puede montarse sobre el lado de presión 6 de la pala, saliendo por detrás del borde de salida 3. También puede montarse una versión curva del panel 20, sobre el lado de presión 6 de la pala, saliendo por detrás del borde de salida 3, o puede montarse una versión 21 en el lado de succión 5. El panel está fabricado en un material y un grosor suficientes para asegurar que el ángulo de la parte dentada permanece en general invariable, independientemente de la velocidad y el ángulo del flujo de aire en el borde trasero de la pala.
La figura 9 es una vista esquemática en sección transversal, del montaje de otra realización preferida del panel dentado, sobre una pala de turbina eólica. El panel 22 está montado sobre el lado de presión 6 de la pala, y es curvo a lo largo de su eje. El panel está fabricado de un material y un grosor, suficientes para asegurar que el ángulo de la parte dentada cambia en respuesta a la velocidad y al ángulo del flujo de aire en el borde trasero de la pala. A una velocidad de viento incidente muy baja, que proporciona un vector resultante 23 de la velocidad del viento con un ángulo suave respecto de la cuerda 7, la forma del panel es próxima a la forma cuando está descargado. A una velocidad superior del viento incidente, el vector resultante de velocidad del viento 24 tiene un ángulo mayor respecto a la cuerda 7, y el panel se reflexiona a una nueva posición 25 o a cualquier otra posición dentro de un rango definido por la combinación de las características de dureza del panel dentado y el rango de fuerzas aerodinámicas en el rango operativo de la velocidad del viento, de la turbina eólica. Esto significa que mediante el ajuste apropiado de las características de dureza del panel dentado, las propiedades aerodinámicas del borde de salida dentado pueden ajustarse de forma automática e instantánea a las condiciones reales del viento, de modo que es especialmente beneficioso para la mejora de la eficiencia del rotor de turbina eólica.
La figura 10 es un gráfico de la medida de la curva de potencia de una turbina eólica de 1,3 MW con un diámetro de rotor de 62 m, equipada con dispositivos estándar de modificación de la sustentación utilizados por lo general en turbinas eólicas.
La figura 11 es un gráfico de la medida de la curva de potencia de la misma turbina eólica que se muestra en la figura 10, pero equipada con un borde de salida además de con los dispositivos estándar de modificación de la sustentación. Los bordes dentados se proporcionaron como modificación sobre paneles dentados, estando cada panel fabricado de policarbonato de 2 mm, teniendo una longitud de 1 000 mm y una anchura de 107 mm, y teniendo estriaciones en forma de dientes de sierra, con una altura de 50 mm y con ángulos de 60 grados comprendidos entre vértices adyacentes. Los paneles fueron montados con cintas doblemente adhesivas sobre el lado de presión de la pala, con 75 mm de anchura de panel (de los que 50 mm eran estriaciones) extendiéndose por detrás del borde de salida de la pala existente, sobre una extensión en envergadura del radio desde un 50 por ciento hasta un 90 por ciento. Como resultado, la curva de potencia se ha desplazado hacia la izquierda a velocidades del viento medias-altas, lo que significa que se ha mejorado la producción de energía anual de la turbina eólica. En el ejemplo que nos ocupa, la mejora en la entrega de energía anual es aproximadamente del 4 por ciento. Esta mejora puede conducir a un incremento en la producción anual de energía, de aproximadamente 150 000 kWh a una velocidad del viento moderada, correspondiente a un incremento en los ingresos de unos 6 000 \textdollar. El coste de los paneles dentados del borde de salida, necesarios para esta mejora en la eficiencia de la turbina eólica, es menor de 100 \textdollar.
En cualquiera de las realizaciones descritas arriba, el tamaño, la forma y la flexibilidad de las estriaciones, pueden variarse a lo largo de la envergadura del ala, y puede dejarse partes grandes o pequeñas de la envergadura del ala sin estriaciones, todo con el propósito de maximizar la mejora en la eficiencia del rotor de la turbina eólica.
Las muchas características y ventajas de la presente invención son evidentes a partir de los detalles de la especificación y así, mediante las reivindicaciones anexas se pretende cubrir la totalidad de tales características y ventajas del panel dentado, que caigan dentro de los verdaderos espíritu y alcance de la invención. Además puesto que, a aquellas personas cualificadas en el arte, se ocurrirá fácilmente numerosas modificaciones y cambios basados en la presente revelación, no se desea limitar la invención a la construcción y funcionamiento exactos ilustrados y descritos. Por consiguiente, para todas las modificaciones adecuadas y sus equivalentes puede recurrirse que estas caen dentro del alcance de la invención.
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Referencias citadas en la descripción
La lista de referencias citadas por el solicitante es solo para comodidad del lector. No forma parte del documento de Patente Europea. Incluso aunque se ha tomado especial cuidado en recopilar las referencias, no puede descartarse errores u omisiones y la EPO rechaza toda responsabilidad a este respecto.
Documentos de patentes citados en la descripción
\bullet US 5 088 665 A [0008]
\bullet US 5 533 865 A [0009]

Claims (9)

1. Un método para mejorar la eficiencia de un rotor de turbina eólica, que comprende el equipamiento de un panel dentado en un borde de salida (3) sobre cada una de las palas (1) de rotor de turbina eólica, del rotor de la turbina eólica, teniendo cada uno de los mencionados paneles una pluralidad de muescas periódicas (15), en el sentido de la envergadura, de forma que las estriaciones se extienden desde el borde de salida al flujo de aire por detrás del borde de salida, sobre cada pala de rotor de turbina eólica, del rotor de la turbina eólica, donde las estriaciones están provistas a un ángulo diferente de 0 grados en relación con la cuerda de la pala, caracterizado porque el ángulo de la parte dentada cambia pasivamente en respuesta a la velocidad y al ángulo del flujo de aire en el borde de salida de la pala, debido a la flexión de las estriaciones y/o del panel dentado.
2. Un método para mejorar la eficiencia de un rotor de turbina eólica, acorde con la reivindicación 1, en el que las estriaciones (15) están provistas como una modificación de un rotor de turbina eólica existente, mediante la fijación de un panel dentado a la superficie de la pala de turbina eólica cerca del borde de salida existente, y donde las estriaciones se extienden desde el borde de salida existente (3), de la pala, al flujo de aire por detrás del borde de salida existente.
3. Un método para mejorar la eficiencia de un rotor de turbina eólica, acorde con la reivindicación 1, en el que las estriaciones (15) se proporcionan como parte de una nueva pala.
4. Un método para mejorar la eficiencia de un rotor de turbina eólica, acorde con cualquiera de las reivindicaciones previas, en el que las estriaciones (15) se proporcionan sobre una extensión del borde de salida, en el sentido de la envergadura, que tiene una longitud entre el 30 y el 100 por cien del radio de la pala.
5. Un método para mejorar la eficiencia de un rotor de turbina eólica, acorde con cualquiera de las reivindicaciones previas, en el que las estriaciones (15) se proporcionan en forma de dientes de sierra que tienen ángulos comprendidos de unos 60 grados entre vértices adyacentes.
6. Un aparato para mejorar la eficiencia de un rotor de turbina eólica, que comprende un panel dentado conectado a cada pala de rotor de turbina eólica, una superficie superior y una superficie inferior sobre cada panel, una pluralidad de muescas periódicas (15) sobre cada panel, en el sentido de la envergadura, medios para conectar el panel dentado a un borde de salida (3) sobre cada una de las palas de rotor de turbina eólica, del rotor de la turbina eólica, de forma que los paneles dentados se extienden desde el borde de salida al flujo de aire por detrás del borde de salida, sobre cada pala de rotor de turbina eólica, del rotor de la turbina eólica, donde las estriaciones sobre cada pala de rotor de turbina eólica tienen un ángulo diferente de 0 grados respecto de una superficie de montaje sobre cada una de las palas de rotor de turbina eólica, del rotor de la turbina eólica, caracterizado porque las estriaciones en cada uno de los paneles dentados tienen una dureza dada que permite que un ángulo de las estriaciones cambie pasivamente en respuesta a la velocidad y al ángulo del flujo de aire en el borde de salida de cada una de las palas (1) de rotor de turbina eólica, debido a la flexión de las estriaciones (15) y del panel dentado.
7. Un aparato para mejorar la eficiencia de un rotor de turbina eólica, acorde con la reivindicación 6, en el que las estriaciones (15) tiene una extensión del borde de salida, en el sentido de la envergadura, que tiene una longitud entre el 30 y el 100 por cien del radio de la pala.
8. Un aparato para mejorar la eficiencia de un rotor de turbina eólica, acorde con cualquiera de las reivindicaciones 6 o 7, en el que las estriaciones (15) tienen forma de dientes de sierra con ángulos comprendidos de unos 60 grados entre vértices adyacentes.
9. Un aparato para mejorar la eficiencia de un rotor de turbina eólica, acorde con cualquiera de las reivindicaciones 6-8, en el que parte de las estriaciones (15) del panel dentado tienen forma de dientes de sierra que tienen ángulos comprendidos de unos 60 grados entre vértices adyacentes.
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