ES2305248T3 - Turbina eolica con rotores secundarios. - Google Patents
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Abstract
Turbina eólica que comprende un rotor principal que tiene al menos una pala con al menos un rotor secundario, estando cada rotor secundario conectado a un generador eléctrico, el rotor secundario está situado cerca de o en la punta de pala de la pala del rotor principal en el centro del vórtice de punta de la pala del rotor principal y tiene una dirección de rotación que es equivalente a la rotación del vórtice de punta, comprendiendo además la turbina eólica al menos un medio de control para controlar las condiciones de funcionamiento del rotor principal y para controlar las condiciones de funcionamiento del rotor secundario, en la que - el control del paso y/o la velocidad del rotor del rotor secundario está/n controlado/s por el medio de control de manera que puede obtenerse un coeficiente de empuje del rotor secundario inferior a 0,4.
Description
Turbina eólica con rotores secundarios.
La presente invención se refiere a una turbina
eólica que comprende un rotor principal que tiene al menos una pala
con al menos un rotor secundario conectado a un generador eléctrico.
La turbina eólica está diseñada preferiblemente de manera que la
solidez del rotor secundario y/o la(s) pala(s) del
rotor secundario está/están giradas y/o el control del paso y/o la
velocidad de rotor del rotor secundario es/son tales que puede
obtenerse un coeficiente de empuje del rotor secundario inferior a
0,4.
Los antecedentes del nuevo diseño de turbina
eólica son una característica fundamentalmente desventajosa del
diseño de turbina eólica tradicional, que se intensifica por el
continuo aumento de escala de las turbinas. En el diseño de la
técnica anterior, la energía eólica se convierte en energía mecánica
mediante las palas y se transforma entonces a través de un árbol
principal de baja velocidad a una caja de cambios en la que se
aumenta la velocidad hasta normalmente 1500 revoluciones por minuto,
que es la velocidad del generador acoplado a la caja de cambios. Al
aumentar de escala las turbinas, la velocidad periférica sólo se
aumenta moderadamente por motivos de ruido, lo que significa que el
par motor M aumenta con el radio del rotor elevado a la tercera
potencia (M \approx R^{3}), mientras que la potencia convertida
P sólo aumenta con el radio elevado a la segunda potencia (P
\approx R^{2}). Puesto que el precio de la caja de cambios es
proporcional a M, esto significa que la caja de cambios supondrá un
porcentaje relativamente más grande del precio de la construcción
total. Además, se sabe bien que la caja de cambios es un componente
crítico con numerosas reparaciones costosas. Finalmente, en la caja
de cambios hay una pérdida de, normalmente, un 1% por fase, y para
turbinas de 1-2 MW, la caja de cambios tiene
3-4 fases.
En el nuevo diseño de turbina eólica, la idea
principal es evitar tener que convertir energía a través de un
árbol principal de rotación lenta moviendo la posición de la
conversión de energía de energía mecánica a energía eléctrica fuera
de la punta de las palas. La conversión de energía se realiza
preferiblemente montando sobre cada pala uno o más rotores
secundarios, cada uno acoplado a su respectivo generador, y en los
que el área del rotor es perpendicular a la velocidad relativa en
el punto en cuestión. Al situar los rotores secundarios sobre la
punta de pala o sobre la parte más exterior de la pala, donde la
velocidad relativa es elevada, se consigue que el radio del rotor
secundario sea sólo una fracción del rotor principal. Por ejemplo el
radio del rotor secundario será de entre 1,5 y 2 m para una turbina
de 3 MW de dos palas (véase un cálculo más detallado más adelante).
Al situar los rotores secundarios por la punta de la pala principal
y con el área del rotor perpendicular a la velocidad del viento
resultante, también se utiliza el hecho de que los rotores
secundarios también proporcionan inducción sobre el flujo en la
dirección del viento, correspondiendo por tanto el diámetro
efectivo del rotor de la turbina a la suma de los diámetros del
rotor principal y el rotor secundario.
Una turbina eólica que tiene rotores secundarios
se conoce por el documento AGARD Nº 243 ('243) como una propuesta
para superar los problemas de transmisión. En el documento '243 la
turbina eólica se describe mediante un esquema que muestra una
turbina de dos palas con un rotor secundario montado próximo a la
punta de pala de cada pala.
A partir del documento US 5.151.610 se conoce
una turbina eólica de dos palas que tiene un rotor secundario
dispuesto en el extremo distal de cada pala. La turbina eólica es
una turbina eólica de tipo contraviento y el rotor de los rotores
secundarios son de tipo propulsor de múltiples palas en el que las
palas se solapan entre sí en una vista frontal y forman un área de
palas frontal elevada para proporcionar un par de arranque elevado.
Tal tipo de rotor se caracteriza por tener un coeficiente de empuje
grande. Se indica que el número de palas puede disminuirse. Sin
embargo, no se da a conocer nada acerca de las condiciones de
funcionamiento de las turbinas eólicas ni aborda la patente la
aerodinámica relativa a las mismas.
El documento DE 27 37 767 también da a conocer
una turbina eólica de dos palas de tipo contraviento que comprende
un rotor secundario. De forma similar, no se da a conocer nada
acerca de la condición de funcionamiento de la turbina eólica ni
aborda la patente la aerodinámica relativa a las turbinas eólicas
que tienen rotores secundarios. El documento
GB-A-211 766 da a conocer una
turbina eólica, en la que el número de revoluciones del rotor
secundario puede regularse.
Un grave problema asociado a las turbinas
eólicas según la técnica anterior es por lo tanto proporcionar un
diseño apropiado de una turbina eólica con rotores secundarios.
A la luz de lo anterior, es un objeto de la
presente invención proporcionar un diseño de una turbina con rotores
secundarios (turbinas de punta) de modo que el coeficiente de
potencia total (eficiencia aerodinámica) del rotor secundario y el
rotor principal sea potencialmente ventajoso.
El objeto anterior se consigue según la
invención en un primer aspecto mediante una turbina eólica que
comprende un rotor principal que tiene al menos una pala con al
menos un rotor secundario conectado a un generador eléctrico, en la
que puede obtenerse un coeficiente de empuje del rotor secundario
inferior a 0,4, encontrándose el coeficiente de potencia del rotor
secundario por tanto en el intervalo desde 0,85 hasta 0,9.
Los antecedentes de la invención son que se
reconoce, en conexión con la presente invención, que el coeficiente
de potencia del rotor secundario no está limitado por el límite de
Betz máximo (0,59) ampliamente conocido del coeficiente de potencia
de una turbina eólica estacionaria. Se reconoce también, en conexión
con la presente invención, que el coeficiente de potencia del rotor
secundario tiende a 1 cuando la carga del rotor, en términos de
coeficiente de empuje CT, tiende a 0. Basándose en este
reconocimiento, el rotor secundario está diseñado para funcionar
con un coeficiente de empuje bajo (CT < 0,4) mediante el cual
puede conseguirse potencialmente un coeficiente de potencia entre
0,9 y 1 para el rotor secundario. Por tanto, a diferencia de la
enseñanza habitual que enseña a hacer funcionar el rotor de la
turbina eólica próximo a o en el límite de Betz con el fin de hacer
funcionar la turbina eólica de manera óptima, se sugiere hacer
funcionar el rotor secundario según la presente invención a un
coeficiente de empuje bajo (inferior a 0,4) con el fin de
proporcionar un rendimiento global óptimo de la turbina eólica.
En las realizaciones en las que el generador
está situado sobre las palas del rotor principal, la rotación del
rotor principal provocará un enfriamiento natural del generador, lo
que significa que puede evitarse un enfriamiento que consume
energía adicional del generador.
Además, la presente invención hace posible
utilizar el generador con poco o nada de deslizamiento (slip),
haciendo que se logre una gran eficiencia, provocando los rotores
secundarios una amortiguación considerable de la torsión del
rotor.
Además, una turbina eólica según la presente
invención tiene la ventaja de que el hecho de que el plano del
rotor del rotor secundario y el plano del rotor del rotor principal
pueden situarse en ángulo puede utilizarse para dotar al rotor
principal de un área de barrido efectivamente más grande.
En varias realizaciones preferidas la turbina
eólica comprende al menos un medio de control para controlar las
condiciones de funcionamiento del rotor principal y/o para controlar
las condiciones de funcionamiento del rotor secundario. Las
condiciones de funcionamiento del rotor principal y/o el rotor
secundario se controlan preferiblemente mediante control del paso
y/o la velocidad de rotor del rotor secundario.
Según la presente invención, el medio de control
preferiblemente controla las condiciones de funcionamiento del
rotor principal y el rotor secundario de manera que el coeficiente
de empuje (CT) del rotor principal se mantenga a aproximadamente
0,89, que generalmente es la carga óptima para un rotor de turbina
eólica estacionaria. Sin embargo, esto sólo es válido hasta que se
alcanza la potencia máxima de la turbina. Posteriormente, el
coeficiente de empuje se reduce a medida que aumenta la velocidad
del viento.
Una característica adicionalmente preferida de
la presente invención es que el coeficiente de potencia (C_{p1})
del rotor secundario se mantiene superior a preferiblemente 0,8 y
que el coeficiente de potencia (C_{p}) del rotor principal se
mantiene en un máximo, es decir, a aproximadamente 0,5.
Las condiciones de funcionamiento definidas para
la turbina se proporcionan preferiblemente en funcionamiento por el
medio de control que controla las condiciones de funcionamiento del
rotor principal y el rotor secundario controlando el ajuste del
paso de la(s) pala(s) del rotor principal y/o el
ajuste del paso de la(s) pala(s) del rotor
secundario. Alternativamente o como complemento a lo anterior, el
medio de control controla las condiciones de funcionamiento de la
turbina cambiando el ángulo entre el plano del rotor del rotor
secundario y el plano del rotor del rotor principal.
En una realización actualmente muy preferida de
la invención, el rotor secundario está directamente conectado al
generador, es decir, conectado sin un mecanismo de engranaje, lo que
significa que el medio de transmisión, tal como el engranaje entre
el cubo del rotor secundario y el generador, pueden omitirse
completamente. Sin embargo, en algunas situaciones es adecuado
situar el generador alejado del rotor secundario, por ejemplo si ha
de moverse peso hacia el centro del rotor secundario. En estas
situaciones es necesario por lo tanto que el rotor secundario esté
conectado al generador a través de un medio de transmisión.
En una realización preferida de la invención el
rotor secundario está situado próximo o en la punta de pala de la
pala del rotor principal, lo que significa que el radio del rotor
secundario puede hacerse más pequeño. En varias de estas
realizaciones preferidas el rotor secundario está situado en el
centro del vórtice de punta de la pala del rotor principal y está
diseñado para tener una dirección de rotación que es equivalente a
la rotación del vórtice de punta. Con una configuración de este
tipo la energía en el vórtice de punta, que supone una pérdida en
el rotor principal, puede aprovecharse en parte.
En varias realizaciones de la invención el medio
de control preferiblemente comprende un sistema informático en
comunicación de datos con medios para determinar las condiciones de
funcionamiento del rotor principal y el rotor secundario y en
comunicación de datos con medios para cambiar el ajuste del paso de
la(s) pala(s) del rotor principal, la(s)
pala(s) del rotor secundario y/o el ángulo entre el plano del
rotor del rotor secundario y el plano del rotor del rotor principal
y/o la característica del número de revoluciones del rotor
secundario.
La presente invención ha resultado ser
particularmente útil en conexión con una configuración de rotor tal
como la descrita en el documento WO 99/63218 (figura 1, figura 2 y
línea 19, página 11 a línea 17, página 12). Según estas
realizaciones el rotor principal preferiblemente tiene dos palas
conectadas a un cubo y entre sí de tal manera que un cambio del
paso de una pala provoca mecánicamente que la otra pala cabecee
simultáneamente y de manera idéntica. En tales realizaciones
adicionales la turbina es preferiblemente una turbina de rotor a
favor del viento.
En un segundo aspecto, la presente invención se
refiere a una turbina eólica de tipo a favor del viento que
comprende un rotor principal que tiene dos palas montadas sobre un
cubo que permite la rotación del rotor principal, teniendo cada
pala del rotor principal un rotor secundario dispuesto alejado del
cubo y conectado a un generador eléctrico, en la que las palas del
rotor principal y las palas de los rotores secundarios principales
no pueden cabecear o sustancialmente no pueden cabecear.
Realizaciones según este aspecto proporcionan
efectos ventajosos que están en línea con los efectos obtenidos con
realizaciones con las proporcionadas por realizaciones según el
primer aspecto de la invención. También existen similitudes entre
los dos aspectos y se contempla, por tanto, que un rasgo sólo
mencionado en conexión con uno de los aspectos pueda aplicarse en
realizaciones del otro aspecto. Tal como se dará a conocer más
adelante, la presente invención comprende aspectos adicionales y
puesto que estos aspectos están fuertemente relacionados se
contempla además que puedan intercambiarse rasgos entre los
diferentes aspectos.
En conexión también con este aspecto, se
prefiere generalmente que cada uno de los rotores secundarios esté
conectado sin ningún mecanismo de engranaje al generador
eléctrico.
Se prefiere además, que el eje de rotación de
los rotores secundarios sea fijo o sustancialmente fijo con
respecto al eje de rotación del rotor principal.
Con el fin de extraer la energía en los vórtices
de punta, se prefiere que los rotores secundarios estén situados en
los bordes de salida de las palas del rotor principal.
Se ha descubierto que el presente aspecto de la
presente invención es útil particularmente en conexión con una
turbina eólica de tipo a favor del viento que sea de tipo de
regulación de pérdida. En tales realizaciones se prefiere que la
turbina eólica comprenda además un medio de control para
- disminuir la carga del generador de los
rotores secundarios si la velocidad de rotación del rotor principal
supera un límite preestablecido,
- aumentar la carga del generador de los rotores
secundarios si la velocidad de rotación del rotor principal cae por
debajo de un límite preestablecido,
Preferiblemente, el límite preestablecido se
calcula basándose en un límite de la velocidad periférica de las
palas del rotor principal, siendo dicho límite igual a 200 m/s, tal
como igual a 150, preferiblemente 100 m/s.
Alternativamente o en combinación con ello, el
límite preestablecido para la velocidad de rotación del rotor
principal se calcula basándose en una relación de velocidades
periféricas definida como la relación entre la velocidad periférica
de los rotores secundarios con respecto a la velocidad periférica
del rotor principal, calculándose dicho límite preestablecido de
manera que la relación de velocidades periféricas sea inferior a 3,
preferiblemente inferior a 2,75, tal como inferior a 2,5, más
preferiblemente inferior a 2,25. Esto implica que la velocidad
periférica de los rotores secundarios es preferiblemente inferior a
300 m/s, lo que da como resultado que la velocidad periférica del
rotor principal sea preferiblemente inferior a 100 m/s.
Generalmente se prefiere que la turbina eólica
comprenda un medio de control para aumentar y disminuir la
velocidad de rotación de los rotores de los rotores secundarios para
obtener un coeficiente de empuje de los rotores secundarios
inferior a 0,6, tal como inferior a 0,55, preferiblemente inferior a
0,5, tal como inferior a 0,45, más preferiblemente inferior a 0,4,
o incluso inferior a 0,35.
Preferiblemente, las palas del rotor principal
están montadas en el cubo en sus bordes de entrada y salida.
Además, se prefiere que las palas del rotor principal estén montadas
de una manera flexible en el cubo de manera que se permita la
conicidad de las palas durante el funcionamiento de la turbina
eólica.
Tal flexibilidad en el montaje puede
proporcionarse preferiblemente mediante una viga de flexión que se
extiende desde las palas del rotor principal y hasta el cubo del
rotor principal.
En realizaciones preferidas según el Segundo
aspecto de la presente invención, las palas del rotor principal se
montan con una conicidad previa sobre el cubo en la dirección a
favor del viento para proporcionar un hueco entre una torre que
soporta el rotor principal y las palas del rotor principal para así
mantener los rotores secundarios libres de la torre durante la
rotación del rotor principal.
El cubo permite preferiblemente el balanceo el
rotor principal para evitar que actúen sobre la torre momentos de
flexión excesivos, momentos de flexión que normalmente surgen por
ráfagas de viento, flujo de capa límite del viento hacia la turbina
eólica, turbulencias o similares.
En realizaciones preferidas, las dos palas del
rotor principal de la turbina eólica de tipo a favor del viento
están formadas de manera solidaria en una construcción de ala.
\newpage
Un tercer aspecto de la presente invención se
refiere a un freno de seguridad para una turbina eólica. Según este
aspecto, la turbina eólica comprende un rotor principal que tiene
una o más palas, preferiblemente dos o tres, montadas sobre un cubo
que permite la rotación del rotor principal, teniendo cada pala del
rotor principal un rotor secundario dispuesto alejado del cubo, en
el que cada pala del rotor principal comprende una cavidad en la
que pueden alojarse las palas del rotor secundario, cavidad que está
cubierta por medios de cobertura que cubren las aberturas de la
cavidad y que puede moverse entre una primera posición en la que la
abertura de la cavidad está cubierta y una segunda posición en la
que las palas del segundo rotor pueden extenderse por encima de la
superficie del ala.
Preferiblemente, cada rotor secundario está
dispuesto de manera que su eje de rotación está orientado a lo
largo de una cuerda de la pala.
También en este aspecto, se prefiere que la
turbina eólica sea de tipo de regulación de pérdida. Además, se
prefiere que la turbina eólica sea una turbina eólica de tipo a
favor del viento y/o que el rotor principal tenga dos o tres
palas.
Según un cuarto aspecto de la invención, se
refiere a un método para controlar una turbina eólica que comprende
una o más de las características de la turbina según el primer
aspecto de la invención. El método comprende por tanto:
- control del ángulo de paso y/o la velocidad
del rotor de la(s) pala(s) del rotor secundario,
y/o
- control del ángulo de paso de la(s)
pala(s) del rotor principal, y/o
- control del ángulo entre el plano del rotor
del rotor secundario y el plano del rotor del rotor principal
de modo que se consiguen condiciones de
funcionamiento predefinidas de la turbina.
En una realización preferida el coeficiente de
empuje del rotor del rotor secundario se controla, por ejemplo,
mediante un ajuste apropiado del número de revoluciones, de modo que
el rotor principal funciona con el coeficiente de potencia máximo,
preferiblemente en condiciones de velocidad constante.
En algunas situaciones, el control del rotor
principal preferiblemente comprende el control de la carga sobre el
rotor secundario para lograr un coeficiente de potencia
predeterminado del rotor principal, comprendiendo dicho control de
la carga sobre el rotor secundario un ajuste de la velocidad del
rotor secundario y/o un ajuste del paso de pala de las palas del
rotor secundario.
Una ventaja adicional de la presente invención
es que la ralentización del rotor principal puede realizarse al
menos en parte o bien aumentando la velocidad de y/o disminuyendo el
paso de pala del rotor secundario para aumentar el coeficiente de
empuje del rotor secundario.
La presente invención y realizaciones
particularmente preferidas de la misma se describirán a continuación
junto con los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 ilustra esquemáticamente la
conversión de energía que tiene lugar a través de dos rotores
secundarios unidos a la punta de pala sobre el rotor principal. Los
rotores secundarios están cada uno directamente acoplados, es
decir, acoplados sin mecanismo de engranaje, a sus respectivos
generadores, y la potencia eléctrica se dirige a través de cables
al árbol del rotor y a través de un conmutador giratorio a un cable
en la torre.
La figura 2 ilustra un disco actuador que es un
concepto de la conversión de energía ideal en un rotor de turbina
eólica y que se usa para analizar la conversión de energía en el
diseño en cuestión.
La figura 3 ilustra los coeficientes de potencia
C_{p} de un rotor estacionario y C_{p1} de un rotor trasladado
a un flujo estático, mostrados en función del coeficiente de
inducción a a través del rotor.
La figura 4 ilustra los coeficientes de potencia
C_{p} de un rotor estacionario y C_{p1} de un rotor trasladado
a un flujo estático, mostrados en función del coeficiente de empuje
CT.
La figura 5 ilustra el contenido de energía en
función de la velocidad del viento (velocidad periférica).
La figura 6 ilustra el radio de los rotores
secundarios de una turbina de 3MW de dos palas en función de la
velocidad periférica del rotor principal.
La figura 7 da a conocer una turbina eólica de
dos palas de tipo a favor del viento.
La figura 8 da a conocer esquemáticamente el
extremo distal de un ala según la realización según la figura 7.
La figura 9 da a conocer esquemáticamente el
conjunto de cubo de la realización según la figura 7.
La figura 10 da a conocer esquemáticamente el
uso de rotores secundarios sin el uso de generadores para un
sistema de freno de seguridad.
La figura 11 da a conocer esquemáticamente un
conjunto de cubo adicional aplicado en conexión con la presente
invención, y
la figura 12 da a conocer un fragmento del
conjunto de cubo adicional de la figura 11.
Las condiciones subyacentes a la conversión de
energía en el nuevo diseño de turbina eólica pueden analizarse
basándose en el concepto de disco actuador, que es la definición de
una conversión de energía ideal en un rotor, cf. figura 2.
Para el rotor principal se da la siguiente
conexión ampliamente conocida entre el empuje del rotor T y el
caudal a través del plano del rotor V(1-a),
donde a es el coeficiente de interferencia
El coeficiente de empuje CT se define como
\vskip1.000000\baselineskip
La potencia eólica P convertida es
y el coeficiente de potencia
C_{p} viene dado
por
Para el rotor secundario son válidas las mismas
ecuaciones para la conversión de energía, pero en este caso el
rotor se mueve a una velocidad V_{1} a través de un flujo
estático. La potencia convertida viene dada todavía por la
ecuación
donde el índice 1 meramente indica
que se trata del rotor
secundario.
La única diferencia, si bien sustancial, en
comparación con el rotor principal es la definición del coeficiente
de potencia C_{P1}, ya que la potencia, con la que va a
relacionarse ahora la potencia convertida, es
que es la potencia empleada para
trasladar el rotor secundario con la velocidad V. Esto da la
siguiente expresión del coeficiente de potencia C_{P1} del rotor
secundario
Los coeficientes de potencia del rotor principal
y el rotor secundario se representan en la figura 3 en función del
coeficiente de interferencia a, y tal como se observa difieren
sustancialmente. La máxima eficiencia del rotor principal es 0,59,
mientras que es 1 para el rotor secundario. C_{p1} tiende a 1 para
una tendencia a 0, mientras que C_{p} tienden entonces a 0.
Además, los coeficientes de potencia del rotor
principal y el rotor secundario se representan en función del
coeficiente de empuje CT en la figura 4, y se observa que se alcanza
un alto coeficiente de potencia del rotor secundario cuando la
carga es baja (obtenida por una baja solidez, un paso elevado en las
palas y/o condiciones de velocidad periférica baja), mientras que
sucede lo contrario con el rotor principal. En general esto
significa que el uso del rotor secundario para la conversión de
energía puede suceder con una eficiencia de aproximadamente 1 y no,
como para una turbina eólica general, con una eficiencia de 0,59. La
eficiencia más alta de los rotores secundarios es bastante crucial
para que el concepto sea rentable, tanto financieramente como en
relación a la energía.
\vskip1.000000\baselineskip
Tal como se mencionó anteriormente, el tamaño de
los rotores secundarios sólo será una fracción del tamaño de los
rotores principales dado que están situados en la punta de pala
donde el caudal es alto (velocidad periférica).
El contenido de energía por m^{2} en función
de la velocidad del viento resultante se muestra en la figura 5, y
se observa que en el intervalo de velocidad periférica típico, por
ejemplo 70 m/s, la potencia es 200 kW/m^{2}. El tamaño de los
rotores secundarios de una turbina de 3MW de dos palas se muestra en
la figura 6 en función de la velocidad periférica del rotor
principal y suponiendo un coeficiente de empuje bajo de 0,4 para
mantener un coeficiente de potencia alto.
El coeficiente de potencia C_{P1} del rotor
secundario es para una conversión de energía ideal. Habrá una
pérdida procedente de la rotación de la estela por detrás del rotor
y de la pérdida viscosa procedente del flujo alrededor de las
palas. El coeficiente de potencia real, total del rotor secundario
disminuirá probablemente hasta entre 0,8 y 0,85. Por otro lado no
hay pérdida en la caja de cambios, y puede usarse un generador con
una pérdida muy pequeña (generador con poco deslizamiento),
reduciéndose así la diferencia entre el coeficiente de potencia
total de un diseño tradicional y el nuevo diseño.
El ruido aerodinámico será un problema potencial
debido a una alta velocidad periférica del rotor secundario, pero
el ruido aerodinámico puede reducirse, por ejemplo, diseñando el
rotor secundario como una turbina cerrada.
Sumario de las ventajas y características de la
invención:
\bullet sin caja de cambios
\bullet sin par motor a través del árbol
principal
\bullet construcción de góndola enormemente
simplificada con reducción estimada de peso resultante de la
góndola de 60-80% (principalmente alojamiento de
cojinete para el árbol principal y cojinete de guiñada)
\bullet peso máximo sustancialmente inferior
en la torre da lugar a un diseño de la torre menos caro
\bullet construcción modular - rotor
secundario + generador sustituible rápidamente
\bullet adecuada para rotor de balanceo
flexible de dos palas, siendo ventajoso un determinado peso en la
punta de pala debido a la descarga centrífuga
\bullet buena calidad eléctrica incluso con un
generador con poco deslizamiento
\bullet velocidad variable integrada en el
diseño
\bullet pueden aplicarse generadores que
tienen características superconductoras
\vskip1.000000\baselineskip
Se espera que el nuevo diseño sea más
competitivo que tanto el concepto tradicional de turbina de tres
palas danés como los conceptos extranjeros con un generador
accionado directamente. Los mayores ahorros son resultado de la
omisión de la caja de cambios, y para una turbina de MW la caja de
cambios normalmente supone aproximadamente un 15% del precio total
de la turbina. Adicionalmente, el coste de la góndola, en
particular, se reducirá considerablemente, y la carga sobre el
árbol del rotor será inferior. En general esto significa que el peso
máximo sobre la torres puede reducirse considerablemente, al igual
que el precio de la torre.
El diseño completo es fundamentalmente diferente
de los diseños empleados actualmente. El cambio fundamental
consiste en que la conversión de energía de energía mecánica a
eléctrica se mueve al rotor principal de modo que el árbol
principal se libera completamente del par motor. Adicionalmente,
será posible optimizar los nuevos componentes secundarios;
suspensión y el diseño del rotor secundario; desarrollo de un
generador ligero y compacto; conmutadores giratorios para
transporte de la energía eléctrica desde los rotores secundarios
hacia la parte inferior de la torre; diseño de la góndola, etc.
El diseño es particularmente útil para turbinas
de MW y también para instalaciones en alta mar debido al ruido
aerodinámico superior esperado. El mercado para este tipo de
turbinas crecerá rápidamente en los próximos años y supondrá varios
billones de coronas danesas al año. Características más detalladas
de la invención, rotores secundarios:
\bullet funcionan con un coeficiente de empuje
bajo (inferior a 0,4) con el objeto de lograr una pequeña pérdida
en la conversión de energía,
\bullet rotor acoplado directamente a un
generador diseñado con una carga que depende del número de
revoluciones, lo que significa que el rotor principal se hace
funcionar con un número variable de revoluciones y eficiencia
óptima,
\bullet que tienen tres o más palas con un
cubo fijo para lograr un momento de giro variable no cíclico para
los rotores secundarios,
\bullet utilizándose el momento de giro
variable del rotor con el número de revoluciones para el giro de la
pala principal y para amortiguar las oscilaciones de las palas,
\bullet o que tienen un rotor de dos palas con
un cubo con balanceo y un acoplamiento delta 3 con el objetivo de
eliminar el efecto del momento de giro sobre la pala,
\bullet siendo la dirección de rotación del
rotor tal que se usa la pérdida de punta sobre el rotor
principal,
\bullet formando la periferia de las palas un
elemento anular giratorio encerrado por un segundo elemento anular
(estacionario con respecto a la pala principal), formando los dos
elementos anulares el generador,
\bullet dirigiéndose la potencia del generador
a través de cables en el borde de entrada de la pala principal
(mitad frontal) con vistas a la descongelación y distribución de
masa ventajosa,
\bullet siendo el rotor principal de dos palas
con un cubo con balanceo y palas "articuladas" (concepto
Ris\diameter) para utilizar la descarga centrífuga de la masa de
la punta de las palas,
\bullet consistiendo el sistema de freno y
seguridad de la turbina en dejar los rotores secundarios
"incontrolados", dando como resultado que la presión y por
tanto la resistencia superan el par motor del rotor principal,
\bullet transfiriéndose la potencia eléctrica
a través de un árbol hueco desde el rotor principal directamente a
la torre mediante un conjunto de acoplamiento especial, haciendo que
se evite el giro de cables como resultado de la guiñada,
\bullet diseñándose los rotores secundarios en
lugar de propulsores como rotes de árbol vertical (Darrieus, Gyro)
o bien con el generador situado en la punta de la pala principal o
bien en la raíz y conectado con el rotor mediante árboles (fibra de
carbono).
\vskip1.000000\baselineskip
Con referencia a la 7 se dará a conocer ahora
una realización actualmente más preferida de la presente invención.
La turbina eólica de la 7 es una turbina denominada a favor del
viento, es decir, el rotor principal 10 de la turbina eólica está
ubicado aguas abajo de la torre 14 que soporta el árbol principal 16
montado de manera giratoria sobre el que están dispuestas las dos
palas 12a, 12b a través de un cubo 18. Sobre cada pala 12 está
ubicado alejado un rotor secundario 20. Preferiblemente, los rotores
secundarios están situados en la punta de las palas 12, pero pueden
estar situados en otras posiciones a lo largo de la extensión de las
palas. Tal como se indica en la figura 8, el rotor 22 del rotor
secundario 20 está ubicado aguas abajo de la pala, es decir,
ubicado en el borde de salida de la pala 12, por lo que la energía
en el vórtice de punta puede recuperarse por el rotor secundario.
Alternativamente, el rotor 22 del rotor secundario 20 puede estar
ubicado aguas arriba, es decir, en el borde de entrada de la pala
12, y en tal disposición el rotor 22 no estará a la sombra de viento
del viento 12.
La turbina eólica de la figura 7 es una turbina
eólica de regulación de pérdida y las palas 12 están, por tanto,
fijadas al cubo 18 de tal manera que su ángulo de paso es fijo.
Además, los rotores secundarios 20 están unidos a las palas 12 de
tal manera que el ángulo entre el eje de rotación del rotor
principal 10 y el ángulo de rotación de los rotores 22 es fijo.
Además, el ángulo de paso de las palas de los rotores 22 es
fijo.
Se consigue un efecto muy ventajoso en conexión
con la presente invención tal como se dará a conocer a continuación.
Cuando una turbina eólica a favor del viento se expone al viento,
se generan fuerzas que inician la conicidad de las palas. Tal
conicidad introducirá un momento en la raíz de la pala 12 que o bien
debe compensarse o bien debe soportarse la pala 12 en el cubo de
manera que no pueda absorberse ningún momento. Según la presente
invención, los rotores secundarios 20 que tienen cada uno un peso
sustancial se sitúan en el extremo distal de las palas. En cuanto
aparece una pequeña conicidad, las fuerzas centrífugas tendrán una
componente a contraviento actuando sobre las palas 12 que tiende a
desequilibrar o desequilibra totalmente las fuerzas que generar la
conicidad. Este efecto puede aprovecharse para mantener una
conicidad preestablecida constante o sustancialmente constante
durante el funcionamiento de la turbina eólica, conicidad
preestablecida que es deseable en el sentido de que ayuda a
garantizar que los rotores secundarios 20 quedan libres de la torre
14 durante el funcionamiento de la turbina eólica.
Tal como se indica en la figura 9 las palas 12a,
12b están unidas al cubo 18 en las ubicaciones 24a, 24b, 24c y 24d.
Las palas están unidas al cubo de manera flexible, o bien
incorporando un efecto de muelle en las fijaciones 24 o aplicando
una viga de flexión 26 tal como se muestra en la figura 9. Además,
el cubo 18 permite un movimiento de balanceo del rotor principal
10.
Como alternativa al conjunto de cubo dado a
conocer en la figura 9, las dos palas 12 podrían fabricarse de una
sola pieza con medios de fijación para unir esta construcción de
pala al árbol 16 de manera que se permita el movimiento de balanceo
del rotor principal 10. En tal construcción, se prefiere integrar en
la construcción de pala cerca de los medios de fijación una o más
secciones que son más flexibles que el resto de la construcción de
pala para permitir la conicidad de las palas.
Cada pala comprende una carcasa que tiene la
forma aerodinámica deseada de las palas. La carcasa está reforzada
en la(s) región (regiones) de borde de entrada y/o salida,
refuerzo que comprende cadenas de fibras Kevlar, fibras de carbono
o similares. Estas cadenas sirven para reforzar las palas y para
absorber momentos de flexión de las fuerzas gravitacionales que
surgen de los rotores secundarios 20. Esto último da como resultado
que las fuerzas centrífugas se distribuyan a lo largo de toda la
longitud de las palas, haciendo que sea más fácil desequilibrar la
tensión longitudinal en las palas que surge de las fuerzas
centrífugas.
El modo de funcionamiento preferido de la
turbina eólica se caracteriza porque la relación de velocidad
periférica para el rotor secundario 20 con respecto a la velocidad
periférica del rotor principal 20 se mantiene inferior a 3. Un modo
de funcionamiento típico es cuando la velocidad periférica del rotor
principal es de aproximadamente 100 m/s y cuando la velocidad
periférica de los rotores secundarios 20 es como máximo de 300
m/s.
El control de la turbina eólica se realiza
controlando la carga de los generadores de los rotores secundarios
20, de la siguiente manera:
- si la velocidad de rotación del rotor
principal 10 supera un límite superior preestablecido, la carga de
los generadores se reduce para permitir que la velocidad de los
rotores 22 aumente generándose así un empuje de frenado mayor y
- si la velocidad de rotación del rotor
principal 10 cae por debajo de un límite inferior preestablecido,
la carga de los generadores se aumenta para permitir que la
velocidad de los rotores 22 disminuya generándose así un empuje de
frenado inferior.
Con esta manera de controlar el funcionamiento
de la turbina eólica se consigue un efecto adicional muy ventajoso,
concretamente un freno de seguridad. La propiedad de freno de
seguridad se activa dejando que los rotores secundarios funcionen
libremente, es decir, no se aplica ninguna carga a los generadores
por lo que los rotores secundarios aceleran dando como resultado la
generación de un empuje de frenado muy alto que frena el movimiento
de rotación del rotor principal.
Además, este freno aerodinámico tiene el
potencial de ser seguro en caso de avería, en el sentido de que si
falla el control de uno o más de los generadores o se produce otra
avería en el generador, lo que en una turbina eólica tradicional
provocaría que el rotor principal aumentara continuamente su
velocidad de rotación, la velocidad de los rotores secundarios
aumentará generando rápidamente una fuerza de frenado.
El resultado es que la velocidad de rotación del
rotor principal de una turbina eólica según la presente invención
estará limitada.
El control de la carga de los generadores se
realiza de una manera conocida utilizando una unidad de control que
recibe una señal de velocidad desde un detector dispuesto en la
turbina eólica y que mide la velocidad de rotación del rotor
principal 10. Un ordenador de la unidad de control compara de manera
continua la velocidad de rotación del rotor principal y si la
velocidad se sitúa fuera de rango, la carga de los generadores se
cambia según con la misma, cambiando por ejemplo la corriente
magnetizadora de los generadores.
Este tipo de freno aerodinámico también puede
implementarse de la manera dada a conocer en la figura 10 que da a
conocer una pala 12. En una cavidad 70 de la pala cerca de la punta
de pala, está dispuesto un rotor 20 montado de manera giratoria.
Durante el funcionamiento normal, es decir, cuando no es necesario
un frenado, la cavidad está cubierta mediante cubiertas 72, una a
cada lado de la pala 12, unidas a la pala 12 mediante
articulaciones 74. Cuando es necesario un frenado, estas cubiertas
se abren y el aire que pasa por la cavidad iniciará la rotación del
rotor 20. Una vez iniciada la rotación, el rotor aumentará su
velocidad de rotación con bastante rapidez dando como resultado la
generación de una gran potencia de frenado. Cuando deja de
necesitarse potencia de frenado, las palas 12 del rotor 20 se
disponen alineadas con la dirección longitudinal de la pala 12 y la
cavidad se cierra disponiendo las cubiertas 72 en su posición
original.
Con referencia a la figura 11 se comentará una
realización específica de un conjunto de cubo 18. El conjunto de
cubo está diseñado para permitir el cabeceo de las palas. Sin
embargo, el conjunto de cubo puede modificarse fácilmente para no
permitir un cabeceo sustancial de las palas. En esta realización, el
rotor 10 comprende las palas 12a, b con bordes de entrada y bordes
de salida, un árbol principal 35 y un árbol de balanceo 40. El cubo
18 comprende dos partes principales de cubo 45a y 45b, extendiéndose
la parte principal de cubo 45b desde una articulación 50a dispuesta
cerca del borde de entrada 20 de la pala 12a hasta una articulación
50d dispuesta cerca del borde de salida 25 del ala 15b. De forma
similar, la parte principal de cubo 45a se extiende desde una
articulación 50b dispuesta en el borde de salida 25 de la pala 12a
hasta una articulación 50c dispuesta en el borde de entrada 20 de
la pala 12a.
Las dos partes principales de cubo 45a y 45b
están conectadas al árbol de balanceo a través de cojinetes 53 que
permiten que las dos partes principales de cubo 45a, b giren
alrededor de la dirección longitudinal del árbol de balanceo 40. El
árbol de balanceo 40 está conectado a su vez al árbol principal 35 a
través de una articulación 57 permitiendo que el árbol de balanceo
gire alrededor de su dirección longitudinal.
La articulación 57a través de la que el árbol de
balanceo está conectado al árbol principal 35 puede omitirse en
esta realización de la invención ya que los cojinetes a través de
los cuales las partes principales de cubo 45a y 45b están
conectadas al árbol de balanceo pueden proporcionar el movimiento de
balanceo del rotor.
Mediante este modo de articular las palas 12a y
b al árbol principal 35 el rotor puede balancear y las alas pueden
adoptar una conicidad así como cabecear.
Además, el ángulo de paso de cada una de las
palas 12a y b se ajusta o controla de manera síncrona debido a las
partes principales de cubo 45a y 45b. Puesto que estas partes están
conectadas de manera pivotante al árbol de balanceo 40, una
rotación de la pala 12 a alrededor de su dirección longitudinal en
el sentido horario provocará que la parte principal de cubo 45b
gire alrededor de la dirección longitudinal del árbol de balanceo
40 lo que a su vez hace que la pala 12b también gire en el sentido
horario alrededor de su dirección longitudinal debido al
acoplamiento de las palas por la segunda parte principal de cubo
45a. Ha de indicarse que esta descripción únicamente cubre un modo
de observar la dinámica implicada en la interacción entre las dos
palas 15a y b, puesto que esta interacción en realidad es cíclica en
el sentido de que todas las acciones se producen
simultáneamente.
Puesto que las articulaciones 50a, b y 50c, d
permiten que las palas adopten una conicidad, ha de aplicarse una
resistencia a estas articulaciones de manera que las palas 12a, b
puedan soportar las fuerzas del viento que actúan sobre las alas en
una dirección normal a la superficie de las alas, de lo contrario la
conicidad de las alas sólo se controlaría, si bien esto puede
preferirse en ciertas realizaciones preferidas de la invención, por
las fuerzas centrífugas que resultan de la rotación de las palas
12a, b.
Tal resistencia es, en la realización preferida
mostrada en la figura 2, una denominada viga de flexión indicada en
general por el número 55 que proporciona rigidez adecuada y que
permite al mismo tiempo la conicidad del ala. En general la viga de
flexión 55 debería permitir una conicidad del ala de hasta
60-70º para reducir el empuje del rotor, en caso de
que el rotor esté parado en condiciones a favor del viento en
condiciones de mucho viento.
Adicionalmente, la viga de flexión 55 también
puede estar diseñada para controlar el paso de las palas, y en este
caso la viga de flexión debería poder y debería estar diseñada para
resistir la torsión, dado que se aplicaría torsión a la misma
cuando las palas cabecean.
Claims (23)
1. Turbina eólica que comprende un rotor
principal que tiene al menos una pala con al menos un rotor
secundario, estando cada rotor secundario conectado a un generador
eléctrico, el rotor secundario está situado cerca de o en la punta
de pala de la pala del rotor principal en el centro del vórtice de
punta de la pala del rotor principal y tiene una dirección de
rotación que es equivalente a la rotación del vórtice de punta,
comprendiendo además la turbina eólica al menos un medio de control
para controlar las condiciones de funcionamiento del rotor
principal y para controlar las condiciones de funcionamiento del
rotor secundario, en la que
- el control del paso y/o la velocidad del rotor
del rotor secundario está/n controlado/s por el medio de control de
manera que puede obtenerse un coeficiente de empuje del rotor
secundario inferior a 0,4.
2. Turbina eólica según la reivindicación 1, en
la que el(los) medio(s) de control controla(n)
las condiciones de funcionamiento del rotor principal y del rotor
secundario controlando el ajuste del paso de la(s)
pala(s) del rotor principal y/o el ajuste del paso de
la(s) pala(s) del rotor secundario.
3. Turbina eólica según la reivindicación 1 ó 2,
en la que el rotor secundario está conectado al generador sin
ningún mecanismo de engranaje.
4. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 2, en la que el rotor secundario está conectado
al generador mediante un medio de transmisión.
5. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que el medio de control comprende
un sistema informático en comunicación de datos con medios para
determinar las condiciones de funcionamiento del rotor principal y
el rotor secundario y en comunicación de datos con medios para
cambiar el ajuste del paso de la(s) pala(s) del rotor
principal, la(s) pala(s) del rotor secundario y/o la
característica de rotación del rotor secundario.
6. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que la turbina es una turbina de
rotor a favor del viento.
7. Turbina eólica de tipo a favor del viento que
comprende un rotor principal que tiene dos palas montadas sobre un
cubo que permite la rotación del rotor principal, teniendo cada pala
del rotor principal un rotor secundario dispuesto alejado del cubo
y conectado a un generador eléctrico, en la que las palas del rotor
principal y las palas de los rotores secundarios no pueden cabecear
o sustancialmente no pueden cabecear, comprendiendo además la
turbina eólica un medio de control para aumentar y disminuir la
velocidad de rotación de los rotores secundarios para obtener un
coeficiente de empuje de los rotores secundarios inferior a 0,4.
8. Turbina eólica de tipo a favor del viento
según la reivindicación 7, en la que cada uno de los rotores
secundarios está conectado al generador eléctrico sin ningún
mecanismo de engranaje.
9. Turbina eólica de tipo a favor del viento
según la reivindicación 7 u 8, en la que el eje de rotación de los
rotores secundarios es fijo o sustancialmente fijo con respecto al
eje de rotación del rotor principal.
10. Turbina eólica de tipo a favor del viento
según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en la que los
rotores secundarios están ubicados en los bordes de salida de las
palas.
11. Turbina eólica de tipo a favor del viento
según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en la que la
turbina eólica es de tipo con regulación de pérdida.
12. Turbina eólica de tipo a favor del viento
según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, que comprende
además un medio de control para
- disminuir la carga del generador de los
rotores secundarios si la velocidad de rotación del rotor principal
supera un límite preestablecido,
- aumentar la carga del generador de los rotores
secundarios si la velocidad de rotación del rotor principal cae por
debajo de un límite preestablecido.
13. Turbina eólica de tipo a favor del viento
según la reivindicación 12, en la que el límite preestablecido se
calcula basándose en un límite de la velocidad periférica de las
palas del rotor principal, siendo dicho límite igual a 200 m/s, tal
como igual a 150, preferiblemente 100 m/s.
14. Turbina eólica de tipo a favor del viento
según la reivindicación 12, en la que el límite preestablecido para
la velocidad de rotación del rotor principal se calcula basándose en
una relación de velocidades periféricas definida como la relación
entre la velocidad periférica de los rotores secundarios con
respecto a la velocidad periférica del rotor principal,
calculándose dicho límite preestablecido de manera que la relación
de velocidades periféricas sea inferior a 3, preferiblemente
inferior a 2,75, tal como inferior a 2,5, más preferiblemente
inferior a 2,25.
15. Turbina eólica de tipo a favor del viento
según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 14, en la que las
palas del rotor principal están montadas en el cubo en sus bordes de
entrada y salida.
16. Turbina eólica de tipo a favor del viento
según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 15, en la que las
palas del rotor principal están montadas de una manera flexible para
permitir la conicidad de las palas durante el funcionamiento de la
turbina eólica.
17. Turbina eólica de tipo a favor del viento
según la reivindicación 16, en la que la flexibilidad en el montaje
se proporciona por una viga de flexión.
18. Turbina eólica de tipo a favor del viento
según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 17, en la que las
palas del rotor principal están montadas con una conicidad previa
sobre el cubo en la dirección a favor del viento.
19. Turbina eólica de tipo a favor del viento
según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 18, en la que el cubo
permite el balanceo del rotor principal.
20. Turbina eólica de tipo a favor del viento
según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 19, en la que las dos
palas están formadas de manera solidaria en una construcción de
ala.
21. Método para controlar una turbina eólica
según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, comprendiendo el
método
- controlar el ángulo de paso y/o la velocidad
del rotor de la(s) pala(s) del rotor secundario
de modo que se consigan condiciones de
funcionamiento predefinidas de la turbina.
22. Método según la reivindicación 21, en el que
el control del rotor principal comprende controlar la carga sobre
el rotor secundario para lograr un coeficiente de potencia
predeterminado del rotor principal, comprendiendo dicho control de
la carga sobre el rotor secundario el ajuste de la velocidad del
rotor secundario y/o el ajuste del paso de pala de las palas del
rotor secundario.
23. Método según la reivindicación 21 ó 22, en
el que la ralentización del rotor principal se realiza al menos en
parte o bien aumentando la velocidad de y/o disminuyendo el paso de
pala del rotor secundario para así aumentar el coeficiente de empuje
del rotor secundario.
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