ES2326352B1 - Pala de aerogenerador con alerones deflectables controlados por cambios de la presion en la superficie. - Google Patents

Pala de aerogenerador con alerones deflectables controlados por cambios de la presion en la superficie. Download PDF

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Abstract

Pala de aerogenerador con alerones deflectables controlados por cambios de la presión en la superficie que comprende un primer componente (11) de perfil aerodinámico con un borde de ataque (5), un borde de salida (7) y lados de succión y presión entre el borde de ataque (5) y el borde de salida (7), y un segundo componente (13), unido al borde de salida (7) y/o al borde de ataque (5) del primer componente (11) en al menos una parte de la pala, que comprende uno o varios alerones deflectables (15, 15') hacia arriba y/o hacia abajo que permiten cambiar el flujo sobre la pala, en el que los medios para deflectar cada uno de dichos alerones (15, 15') comprenden una fuerza actuadora o un par motor proporcionado por dispositivos reguladores (21) conectados, mediante un conducto (19), a un lugar predeterminado (17) de la superficie externa de la pala.

Description

Pala de aerogenerador con alerones deflectables controlados por cambios de la presión en la superficie.
Campo de la invención
Esta invención se refiere a un aerogenerador que tiene las palas del rotor con unos alerones arqueables/deflectables y en particular a palas de rotor con alerones deflectables para optimizar las cargas de las palas.
Antecedentes
Los aerogeneradores son dispositivos que convierten energía mecánica en energía eléctrica. Un aerogenerador típico incluye una góndola montada sobre una torre que alberga un tren de potencia para transmitir la rotación de un rotor a un generador eléctrico.
La eficiencia de un aerogenerador depende de muchos factores. Uno de ellos es la orientación de las palas del rotor respecto a la dirección de la corriente del viento que es controlada normalmente por un sistema de regulación de paso que permite ajustar el ángulo de paso de las palas del rotor para mantener la velocidad del rotor en un valor constante o dentro de un rango dado. En otro caso, especialmente con altas velocidades de viento, la carga del rotor excedería los limites establecidos por la resistencia estructural del aerogenerador.
Hay dos métodos básicos para controlar la potencia de un aerogenerador cambiando el ángulo de paso de las palas del rotor: el método de control de "paso variable" y el método de control por "pérdida".
En el método de control de "paso variable" el ángulo de paso de las palas del rotor se cambia hacia un menor ángulo de ataque para reducir la potencia capturada y hacia un mayor ángulo de ataque para incrementar la potencia capturada. Este método permite un control preciso y estable de la potencia aerodinámica capturada y de la velocidad del rotor.
En el método de control por "pérdida", el ángulo de paso de las palas del rotor se cambia hacia un mayor ángulo de ataque hasta el punto en el que el flujo se separa de la superficie de las palas del rotor, limitando consecuentemente la potencia aerodinámica capturada.
Los aerogeneradores con regulación de paso variable también pueden usar el sistema de regulación de paso para reducir las cargas dinámicas bien mediante una regulación cíclica o mediante una regulación individual de cada pala. Sin embargo para palas de aerogeneradores grandes puede ser difícil controlar la carga de la pala ya que esta carga puede variar a lo largo de la pala. A medida que el tamaño del rotor se incrementa, el paso variable de las palas no proporciona necesariamente una carga optimizada a lo largo de toda la pala porque no solo los esfuerzos cortantes del viento, los errores de orientación y las ráfagas de viento afectan al flujo sobre la pala, sino que pueden actuar simultáneamente distintas ráfagas o pueden darse perfiles complejos de esfuerzos cortantes con esfuerzos cortantes negativos.
Adicionalmente al uso del sistema de regulación de paso variable son conocidas varias propuestas en la técnica anterior para optimizar las cargas de las palas.
Una propuesta conocida es el uso de pequeñas superficies de control tales como unos alerones Gurney unidas al borde de salida para optimizar las cargas de las palas. Un inconveniente de los alerones Gurney es el incremento del ruido aerodinámico desde los bordes libres de los alerones Gurney y desde las discontinuidades en los puntos de las palas donde se posicionan los alerones Gurney.
Otras propuestas conocidas están dirigidas al control de las fuerzas aerodinámicas a lo largo de las palas del rotor por medio de una variación continua de la geometría del perfil aerodinámico en la región del borde de ataque y en la región del borde de salida a lo largo de parte o todo el radio de la pala.
Una de estas propuestas, descrita en WO 2004/088130, se refiere a un concepto de diseño por el cual la potencia, las cargas y/o la estabilidad de un aerogenerador pueden ser controlados por una rápida variación de la geometría de las palas usando un control activo de la geometría (por ejemplo mediante materiales inteligentes o actuadores mecánicos embebidos) o usando un control pasivo de la geometría (por ejemplo mediante los cambios derivados de la carga y/o la deformación de la pala) ó por una combinación de los dos métodos. En una realización preferente se disponen placas piezoeléctricas en el borde de salida a lo largo de parte de la pala para modificar su geometría al efecto de reducir las cargas de la pala. Un inconveniente de las placas piezoeléctricas son los cables eléctricos necesarios para llevarles corriente. Estos cables son sensibles a los rayos eléctricos y pueden ser dañados fácilmente en caso de un impacto de rayo.
Otra propuesta, descrita en US 6,769,873, se refiere a un ensamblaje de una pala de un aerogenerador reconfigurable dinámicamente incluyendo una pluralidad de palas reconfigurables montadas sobre un buje, un actuador fijado a cada una de las palas adaptado para llevar a cabo dicha reconfiguración y un regulador de la potencia de los actuadores para regular la potencia eléctrica suministrada a los mismos.
Ninguna de esas propuestas produce resultados completamente satisfactorios y por ello existe una necesidad continua de aerogeneradores que tengan palas de rotor con medios para reducir la carga de las palas.
Sumario de la invención
Un objeto de la invención es proporcionar un aerogenerador que, adicionalmente a un sistema de regulación de paso, tenga medios específicos para alcanzar un control preciso de las cargas de las palas.
Otro objeto de la invención es proporcionar un aerogenerador con medios para controlar los cambios en el flujo al efecto de optimizar el rendimiento conjunto de rotor y minimizar la actividad de regulación de paso de las palas.
Estos y otros objetos se consiguen proporcionando un aerogenerador con palas de rotor que comprenden un primer componente de perfil aerodinámico con un borde de ataque, un borde de salida y lados de succión y presión entre el borde de ataque y el borde de salida y un segundo componente, unido al borde de salida y/o al borde de ataque del primer componente en al menos una parte de la pala, que comprende un alerón deflectable hacia arriba y hacia abajo que permite cambiar el flujo sobre la pala, y medios para deflectar dicho alerón comprendiendo una fuerza actuadora o un par motor proporcionado por un dispositivo regulador conectado, mediante un conducto, a un lugar predeterminado de la superficie externa de la pala al efecto de que los cambios en la presión del viento en dicho lugar puedan ser convertidos en dicha fuerza actuadora o par motor.
Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue en relación con las figuras que se acompañan.
Breve descripción de las figuras
Las Figuras 1a y 1b muestran la presión de la superficie de una pala de aerogenerador en dos situaciones diferentes de flujo.
La Figura 2 es una vista esquemática de una pala de aerogenerador según la presente invención mostrando el segundo componente unido al borde de salida de la pala del primer componente.
Las Figuras 3a y 3b, 4a y 4b, 5a y 5b son vistas esquemáticas parciales de una pala de aerogenerador según la presente invención mostrando, respectivamente, tres realizaciones de los medios usados para causar deflexiones del alerón hacia arriba y hacia abajo.
La Figura 6 es una vista esquemática en sección de una pala de aerogenerador incorporando un alerón deflectable según la presente invención.
La Figura 7 es una vista esquemática en sección de una pala de aerogenerador incorporando dos alerones deflectables según la presente invención.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
La Figura 1a muestra la presión sobre la superficie de la pala de un aerogenerador bajo un flujo de baja velocidad y pequeño ángulo de ataque (flecha F1).
La Figura 1b muestra la presión sobre la superficie de la pala de un aerogenerador bajo un flujo de mayor velocidad y mayor ángulo de ataque (flecha F2).
Según la presente invención, como se muestra en la Figura 2, la pala de aerogenerador está formada por un primer componente 11 que tiene un perfil aerodinámico típico con un borde de ataque 5, un borde de salida 7 y lados de succión y presión entre el borde de ataque 5 y el borde de salida 7 y uno ó varios segundos componentes 13.
Los segundos componentes 13 están unidos al borde de salida 7 del primer componente 11 e incluyen alerones deflectables 15, 15'. La invención también comprende realizaciones en las cuales los segundos componentes 13 están unidos de forma similar al borde de ataque 5 del primer componente 11.
Según la presente invención, los cambios de presión en la superficie ilustrados en las Figuras 1a y 1b se usan como mecanismo directo o indirecto de actuación de dichos alerones deflectables 15, 15' para reducir las cargas de la pala.
Como se muestra en las Figuras 2, 3, 4 y 5 el conducto 19 (que puede ser por ejemplo un tubo o una sonda) es capaz de transferir la presión específica en el orificio 17 en la superficie externa de la pala al dispositivo regulador 21 en el interior de la pala al que está conectado. Esto supone que si la presión cambia en el orificio 17, en el que el conducto 19 está conectado con la superficie, la presión en la entrada del dispositivo regulador 21 cambia en la misma proporción y ello se usa para generar una fuerza F o un par motor T que cambia en paralelo al cambio en la presión.
Esa fuerza F o par motor T se usa para desplazar el alerón deflectable 15 hacia arriba o hacia abajo dentro de los limites derivados del material del alerón y del tipo de junta entre el alerón 15 y el primer componente 11.
La fuerza F puede usarse directamente para deflectar el alerón 15 como se muestra esquemáticamente en las Finuras 3a y 3b o indirectamente para controlar cualquier dispositivo actuador 23 apropiado del alerón 15 como se muestra esquemáticamente en las Figuras 4a y 4b.
Análogamente, el par motor T puede ser usado directamente para desplazar un alerón deflectable 15 hacia arriba y hacia abajo para cambiar la forma del borde de salida como se muestra esquemáticamente en las Figuras 5a y 5b.
La pala puede incluir un alerón individual 15 como se muestra en la Figura 6 o varios alerones 15, 15' como se muestra en la Figura 7. En este último caso cada alerón 15, 15' tiene sus propios medios de accionamiento.
En una realización preferida, la anchura W del alerón ó alerones 15, 15' está comprendida entre el 1-20% de la longitud de la cuerda C en el centro del alerón.
La anchura W del alerón ó alerones 15, 15' puede ser constante o variable. En el primer caso, la anchura será normalmente más pequeña cerca de la región de la punta y más grande hacia la sección de raíz de la pala. En el segundo caso, la anchura W del alerón 15' como se muestra en la Figura 7 decrecerá hacia la punta de la pala.
En otra realización preferida, el alerón o alerones 15, 15' están unidos al borde de ataque 5 de la pala y/o al borde de salida 7 de la pala en una sección de longitud menor de 1/3 de la longitud L de la pala.
Los alerones 15, 15' están realizados preferiblemente de una pieza de un material flexible tal como el caucho y están unido al primer componente 11 por medios que permiten su deflexión en la manera indicada anteriormente. También pueden estar realizados como un perfil pultrusionado, por ejemplo en un material compuesto reforzado con fibra de vidrio.
Aunque la presente invención se ha descrito enteramente en conexión con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas modificaciones dentro del alcance de, no considerando éste como limitado por las anteriores realizaciones, las reivindicaciones siguientes.

Claims (12)

1. Un aerogenerador con al menos una pala que comprende un primer componente (11) de perfil aerodinámico con un borde de ataque (5), un borde de salida (7) y lados de succión y presión entre el borde de ataque (5) y el borde de salida (7), y un segundo componente (13), unido al borde de salida (7) y/o al borde de ataque (5) del primer componente (11) en al menos una parte de la pala, caracterizado porque
- el segundo componente (13) comprende uno o varios alerones deflectables (15, 15') hacia arriba y/o hacia abajo que permiten cambiar el flujo sobre la pala;
- los medios para deflectar cada uno de dichos alerones (15, 15') comprenden una fuerza actuadora o un par motor proporcionado por dispositivos reguladores (21) conectados, mediante un conducto (19), a un lugar predeterminado (17) de la superficie externa de la pala al efecto de que los cambios en la presión del viento en dicho lugar (17) puedan ser convertidos en dicha fuerza actuadora o par motor.
2. Un aerogenerador según la reivindicación 1, caracterizado porque las uniones de dichos uno o varios alerones deflectables (15, 15') con el primer componente (13) y dichos dispositivos reguladores (21) están configuradas de manera que los dispositivos reguladores (21) proporcionan una fuerza que se usa para deflectar dichos uno o varios alerones deflectables (15, 15').
3. Un aerogenerador según la reivindicación 2, caracterizado porque dicha fuerza se usa directamente para deflectar dichos uno o varios alerones (15, 15').
4. Un aerogenerador según la reivindicación 2, caracterizado porque dicha fuerza se usa para controlar medios específicos (23) de deflexión de dichos uno o varios alerones (15, 15').
5. Un aerogenerador según la reivindicación 1, caracterizado porque las uniones de dichos uno o varios alerones deflectables (15, 15') con el primer componente (13) y dichos dispositivos reguladores (21) están configuradas de manera que los dispositivos reguladores (21) proporcionan un par motor que se usa directamente para deflectar dichos uno o varios alerones deflectables (15, 15').
6. Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque la anchura W de dichos uno o varios alerones (15, 15') está comprendida entre el 1-20% de la longitud de la cuerda C en el centro del alerón (15, 15').
7. Un aerogenerador según la reivindicación 6, caracterizado porque la anchura W de al menos un alerón (15) es constante a lo largo de la pala.
8. Un aerogenerador según la reivindicación 6, caracterizado porque la anchura W de al menos un alerón (15') es variable lo largo de la pala.
9. Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, caracterizado porque dichos uno o varios alerones (15, 15') están unidos al borde de ataque (5) de la pala y/o al borde de salida (7) de la pala en una sección de longitud menor de 1/3 de la longitud L de la pala.
10. Un aerogenerador según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, caracterizado porque dichos uno o varios alerones (15, 15') están realizados en una pieza de un material flexible.
11. Un aerogenerador según la reivindicación 10, caracterizado porque dichos uno o varios alerones (15, 15') están hechos de caucho.
12. Un aerogenerador según la reivindicación 10, caracterizado porque dichos uno o varios alerones (15, 15') están hechos de un material compuesto reforzado con fibra de vidrio pultrusionado.
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