ES2334522T3 - Sistema de gestion termica para turbina eolica. - Google Patents
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Abstract
Una turbina eólica que comprende: una torre (1) de turbina eólica, un sistema (11) de control electrónico de potencia situado dentro de la torre (1) de turbina eólica, comprendiendo el sistema (11) de control electrónico de potencia componentes (4) generadores térmicos, caracterizada porque los componentes (4) generadores térmicos están montados directamente sobre la superficie interior de la torre (1) de turbina eólica para dispersar el calor generado por los componentes (4) generadores térmicos directamente en la superficie interior de la torre (1) de turbina eólica, con lo que se provee una vía de conducción térmica excelente hasta la totalidad de la torre (1) de turbina eólica.
Description
Sistema de gestión térmica para turbina
eólica.
\global\parskip0.910000\baselineskip
Esta invención se refiere a turbinas eólicas que
comprenden una torre de turbina eólica, un sistema de control
electrónico de potencia situado dentro de la torre de turbina
eólica, en la que el sistema de control electrónico de la potencia
comprende componentes termogeneradores.
A medida que la electricidad generada por el
viento se hace habitual en muchos lugares de todo el mundo, es
conveniente que las instalaciones de turbinas eólicas sean más
estéticas. Una preocupación especial ha sido la ubicación de las
cabinas de control que se sitúan normalmente fuera de las torres de
turbina donde se hacen abiertamente visibles. Para abordar esta
preocupación, se ha hecho normal recientemente ubicar la cabina del
sistema de control dentro de la torre de la turbina eólica.
Típicamente, hay espacio suficiente para dar cabida a dichas
cabinas, pero puede haber problemas graves de en la gestión térmica.
Por ejemplo, en turbinas eólicas de velocidad variable, en las que
se usa normalmente un sistema de control de convertidor
electrónico, puede haber una generación de calor significativo por
el sistema de control de convertidor. Considérese, por ejemplo, un
sistema convertidor saturado con una eficacia del 96% en una turbina
de 1,5 MW. Esto significa que el convertidor dispersa 4% de 1,5 MW,
o 60 kW. Si el convertidor se instala en la torre sin una
ventilación adecuada, puede producirse una gran elevación de la
temperatura dentro de la torre. Esta alta temperatura puede ser
perjudicial para la vida del sistema de control del convertidor y
de otros componentes necesarios dentro de la torre. Para afrontar
este problema de elevación de la temperatura, se han instalado
grandes ventiladores en la torre para evacuar aire caliente; sin
embargo, la eliminación de materiales realizando aberturas en la
torre es indeseable por las razones que se expondrán más adelante.
Lo mejor sería encontrar un enfoque alternativo de eliminación de
calor del interior de la torre.
En la técnica anterior, se usa una torre de
turbina eólica para elevar una turbina. La torre provee soporte
estático y dinámico de las cargas mecánicas a las que se somete la
estructura de la torre. Es habitual que la torre tenga una puerta
de entrada en la base de la torre. Esta puerta tiene rejillas de
ventilación para permitir el paso de aire exterior hacia el
interior de la torre. Además de la puerta de entrada, hay una
abertura diametralmente enfrente de la puerta para permitir la
entrada de aire complementario a la torre desde enfrente de la
puerta. La perforación adicional de la torre es indeseable ya que
debilita la estructura de la torre no obstante ser necesario para
permitir la entrada adecuada de aire al interior de la torre.
En el caso de una turbina eólica de velocidad
variable, el generador está conectado eléctricamente al sistema de
control electrónico de potencia situado dentro de la base de la
torre por medio de cables eléctricos colgantes. Lo mismo es cierto
en la turbina eólica de velocidad constante excepto que el sistema
de control situado en la parte inferior de la torre es más
convencional electromecánicamente o los equipos de conmutación
electrónica de la potencia preferibles al convertidor de velocidad
variable. El sistema de control se asienta sobre una plataforma. La
eliminación de calor del sistema de control se realiza mediante
colectores térmicos situados en la parte superior de una cabina del
sistema de control. El calor generado por el sistema de control se
desplaza a los colectores térmicos donde los ventiladores soplan
aire sobre los colectores calientes para eliminar calor. El calor,
sin embargo, permanece en la torre y esto podría dar lugar a una
elevación de la temperatura en la torre si no fuera por la
ubicación aberturas de escape en la parte superior de la torre. Los
ventiladores activos hacen que el aire caliente ascendente sea
forzado hacia el exterior de la torre inmediatamente debajo de la
parte superior de la torre.
Este enfoque de eliminación de calor del
interior de la torre tiene muchas consecuencias indeseables.
Primero, el enfoque necesita tres aberturas más además de la puerta
de mantenimiento con el fin de introducir aire frío y expulsar aire
caliente. Estas otras aberturas debilitan la torre estructuralmente
y pueden dar lugar a la necesidad de añadir acero, lo que añade
coste a la estructura de la torre. En segundo lugar, el enfoque
introduce contaminantes en la torre que, dependiendo del medio
ambiente, pueden ser corrosivos y perjudiciales para el sistema de
control, cables colgantes, ventiladores y otros componentes de la
torre. Finalmente, los ventiladores de eyección de la parte
superior de la torre pueden contribuir en gran medida a la
contaminación acústica del área que rodea la turbina.
El documento WO 01/77526 A1 revela un sistema de
intercambiador de calor de turbina eólica, comprendiendo el
intercambiador de calor una unidad receptora de calor en el área del
generador y una unidad emisora de calor que está dispuesta en el
área de la torre, en el que se transfiere calor desde la unidad
receptora a la unidad emisora mediante un sistema de conductos.
El documento DE 103 52 023 A1 revela también un
sistema intercambiador de calor para una turbina eólica. Una unidad
receptora de calor está unida a un sistema eléctrico generador de
calor fuera de la torre de la turbina, y una unidad emisora de
calor unida a la torre de la turbina eólica, en el que las dos
unidades están conectadas por un sistema de conductos.
El documento WO 01/06121 A1 revela un sistema de
refrigeración para una turbina eólica en el que el sistema de
refrigeración comprende un circuito de refrigeración por el que el
calor dispersado del circuito de refrigeración se evacua por medio
de la torre de la turbina eólica.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Los sistemas de refrigeración y los sistemas de
intercambio de calor de la técnica anterior utilizan un circuito de
refrigeración, es decir, el calor es recibido en un área de la
turbina y se transfiere a la torre mediante un sistema de
conductos. Este enfoque de eliminación de calor es técnicamente
demandante y exige mucho mantenimiento.
Por lo tanto, un objetivo de la presente
invención es lograr un enfoque mejorado y un aparato para desplazar
calor generado por un sistema de control desde dentro de una torre
al exterior de la torre de manera técnicamente sencilla y
económica.
El objetivo de la presente invención se logra
por medio de una turbina eólica que comprende una torre de turbina
eólica, un sistema de control electrónico de potencia situado dentro
de la torre de turbina eólica, en la que el sistema de control
electrónico de potencia comprende componentes generadores de calor.
Los componentes generadores de calor están montados directamente
sobre la superficie interior de la torre de turbina eólica que
dispersa el calor generado por los componentes generadores de calor
directamente hacia la superficie interior de la torre de turbina
eólica, por lo cual se provee a la totalidad de la torre de turbina
eólica una vía conductora térmica excelente. Con esta disposición,
la torre de turbina eólica que está sometida al viento dominante,
actúa como colector de calor.
El objetivo de la presente invención se logra
también por medio de un enfoque de eliminación de calor del
interior de una torre de turbina eólica, comprendiendo la torre de
turbina eólica un sistema de control electrónico de potencia
situado dentro de la torre de turbina eólica, el sistema de control
electrónico de potencia incluye componentes generadores de calor,
en el que el enfoque comprende las etapas de a) transferencia
directamente del calor de los componentes termogeneradores del
sistema de control electrónica de potencia a una superficie
interior de la torre de turbina eólica, y b) dispersión de al menos
una parte del calor hacia la torre de turbina eólica. Dicho de otra
manera, la invención provee un enfoque de conducción de calor
generado en el convertidor o equipos de conmutación a la torre y de
uso de la torre como colector térmico a fines de refrigeración.
La presente invención provee un nuevo aparato y
un enfoque para eliminar calor del interior de una torre de turbina
eólica que contiene un convertidor electrónico de potencia en una
turbina eólica de velocidad variable o, alternativamente de los
equipos de conmutación de una turbina eólica de velocidad constante.
En todo caso, la invención provee un enfoque único de eliminación
de calor de cualquier sistema de control. Por lo tanto, la
invención se basa en la idea de uso de la torre como colector
térmico.
En una realización, el medio de transferencia de
calor puede comprender una superficie interior plana de dicha torre
sobre la que están montados componentes de dicho sistema de control
para dispersar calor directamente en dicha torre. En esta
realización la torre puede comprender una superficie mecanizada para
dar cabida a los componentes. Normalmente, los componentes
comprenden una superficie plana, pero también pueden comprender una
superficie curva para adaptar los componentes a la superficie
interior de la torre.
Una gran ventaja del aparato de acuerdo con la
presente invención es la capacidad de estar hecho para una gran
variedad de turbinas gracias a las diferentes cantidades de calor
conducidas por los diferentes medios de transferencia de calor.
En otra realización de la presente invención, la
turbina eólica comprende una pluralidad de tubos térmicos usados
para mejor transferir el calor generado por los componentes
generadores de calor a la mayor superficie de la torre de turbina
eólica.
Es preferente que los tubos térmicos estén
conectados externamente a la torre de turbina eólica por medio de
soldadura, soldadura autógena o termoconexión.
La invención se va a describir en detalle con
referencia a los dibujos, en los que:
La figura 1 es una vista en perspectiva de una
torre de turbina eólica de la técnica anterior con ventiladores de
refrigeración;
La figura 2 es una vista en perspectiva de un
sistema de gestión térmica dentro de una torre de turbina; y,
La figura 3 es una vista en perspectiva de un
sistema de gestión térmica dentro de una torre de turbina de
acuerdo con la invención.
La figura 1 es un ejemplo de la técnica
existente usada para eliminar el calor generado dentro de una torre
de turbina eólica. En esta figura se muestra una turbina eólica
orientada contra el viento 8. Este viento crea fuerza ascendente
sobre las palas de la turbina eólica que da lugar a la rotación de
todo el rotor 7. La rotación del rotor tiene como consecuencia la
rotación del árbol 5 principal de baja velocidad que es la entrada
mecánica al acelerador 3. La salida mecánica del acelerador es el
árbol 4 de alta velocidad, que está conectado a un generador 2 de
alta velocidad. La relación de transmisión de la caja de cambios 3
se selecciona para que se corresponda con la velocidad requerida del
árbol 5 de baja velocidad con la del generador 2 de alta velocidad
y con la del árbol 4. La estructura de la torre de turbina eólica
está indicada con el número 1 en la figura. Esta estructura se usa
para elevar la turbina y provee soporte estático y dinámico a las
cargas mecánicas a las que se somete la estructura de la torre de
elevación. Es práctica común que la torre tenga una puerta de
entrada como la mostrada en 9 y que esta puerta tenga aberturas de
ventilación para permitir el paso de aire exterior hacia dentro de
la torre. Además de la puerta, existe una abertura ubicada a 180
grados de la puerta para permitir la entrada de aire adicional en la
torre. 13. la realización de aberturas adicionales en la torre es
indeseable ya que debilita la estructura de la torre, aunque es
necesario para permitir una adecuada entrada de aire a la torre
1.
Además, en la figura 1, en el caso de una
turbina eólica de velocidad variable, el generador está conectado
eléctricamente al sistema 11 de control electrónico de la potencia
por medio de cables 15 colgantes. Lo mismo es cierto en la turbina
eólica de velocidad constante, excepto que el sistema de control,
situado en la parte inferior de la torre 1, es más convencional
electromecánicamente o los equipos de conmutación electrónica más
que un convertidor de velocidad variable. El sistema 11 de control
está asentado sobre una plataforma 10. La eliminación de calor del
sistema 11 de control se realiza mediante colectores 19 térmicos
mostrados en la parte superior de la cabina 11 del sistema de
control. El calor generado por el sistema de control se desplaza al
colector 19 térmico donde los ventiladores 20 soplan aire sobre los
colectores térmicos para eliminar el calor. Sin embargo, el calor
permanece en la torre y esto podría dar lugar a una elevación de la
temperatura en la torre si no fuera por las aberturas 18 de escape
de la parte superior de la torre. Los ventiladores 17 activos hacen
que el aire caliente ascendente sea forzado a salir de la torre a
través de de la parte inmediatamente debajo de la parte superior de
la torre.
Hay muchas consecuencias indeseables de este
enfoque de eliminación de calor del interior de la torre. En primer
lugar, el enfoque requiere tres aberturas más además de la puerta de
mantenimiento con el fin de introducir aire frío y extraer aire
caliente. Estas aberturas más debilitan estructuralmente la torre y
pueden dar lugar al aumento de acero y del coste de la estructura
de la torre. En segundo lugar, el enfoque introduce contaminantes
en la torre los cuales, dependiendo del medio ambiente, pueden ser
corrosivos y perjudiciales para el sistema de control, cables
colgantes y para otros componentes de la torre. Finalmente, los
ventiladores de de expulsión situados en la parte superior de la
torre pueden contribuir en gran medida a la contaminación acústica
del área que rodea la turbina. Por estas razones, sería deseable
encontrar un enfoque mejorado para desplazar el calor generado por
el sistema de control al exterior de la torre.
Con referencia a la figura 2; se muestra una
turbina eólica orientada contra el viento 8. Este viendo crea
fuerza ascendente sobre las palas 6 de la turbina eólica que da
lugar a la rotación de todo el rotor 7. La rotación del rotor
produce la rotación del árbol 5 principal de baja velocidad, que es
la entrada mecánica al acelerador 3. La salida mecánica del
acelerador es el árbol 4 de alta velocidad, que está conectado a un
generador 2 de alta velocidad. La relación de transmisión de la caja
de cambios 3 se selecciona para que concuerde con la velocidad
requerida del árbol 5 de baja velocidad, con la del generador 2 de
alta velocidad y con la del árbol 4 de alta velocidad. La
estructura de la torre de turbina eólica esté indicada con el número
1 en la figura. Esta estructura se usa para elevar la turbina y
proveer soporte estático y dinámico a las cargas mecánicas sobre la
estructura de la torre elevada. Es habitual que la torre tenga una
puerta de entrada como la mostrada en 9. Debido a que la torre es
una estructura que soporta carga, la realización de aberturas para
la eliminación de calor es muy indeseable.
La figura 2 es otro ejemplo de la técnica
existente usada para eliminar el calor generado dentro de una torre
de turbina eólica. En el caso de una turbina de velocidad variable,
el generador está conectado eléctricamente al sistema 11 de control
electrónico de la potencia por medio de cables 15 colgantes. Lo
mismo es cierto en una turbina eólica de velocidad constante,
excepto que, el sistema de control situado en la parte inferior de
la torre 11 electromecánicamente convencional o los equipos de
conmutación electrónica más que un convertidor de velocidad
variable. El sistema de control está asentado sobre una plataforma
10 y contiene un sistema de refrigerante líquido que consta de una
tubería 13 y una bomba 12 de circulación. La entrada eléctrica al
sistema de control es desde los cables 15 colgantes del generador y
la salida de potencia del sistema de control está conectada al
transformador montado sobre soporte elástico de la turbina por medio
de conductores 14 subterráneos mostrados saliendo de la base de la
torre. La bomba de circulación hace que fluya líquido a través de
la parte del sistema de control que genera calor. Este líquido se
calienta con el calor del sistema de control y sale a una
temperatura elevada. El líquido está hecho conductor térmicamente en
la torre por medio de un tubo espiral como el mostrado en 13. Al
pasar el líquido a través de la tubería 13 cede su calor a la torre
1. El viento 8 que sopla sobre la torre 1 hace que el calor cedido a
la torre se disperse en el viento. Dado que el calor es alejado
finalmente por el viento, no se acumula calor significante alguno
dentro de la torre. Seguidamente, el líquido a baja temperatura del
otro extremo del tubo espiral se recircula de nuevo hacia la
entrada del sistema de control a través de la tubería 13. Hay
numerosos enfoques para unir la tubería a la torre de turbina
eólica. Por ejemplo, serían enfoques aceptables la soldadura, la
soldadura autógena, o la termoconexión. El número de vueltas y la
altura del tubo espiral se pueden dimensionar sobre la base de los
kilovatios a eliminar del sistema de control; más altura permitiría
dispersas más kilovatios para lograr una elevación de temperatura
deseada. Es habitual eliminar entre cinco y cientos de kilovatios
para tratar de mantener elevaciones de temperatura de
10-80 grados Celsius.
La figura 3 muestra una realización de una
turbina eólica de acuerdo con la invención. Este enfoque usa una
estructura 1 de torre similar a la estructura 1 de torre ya
descrita. En la figura se muestra una abertura de la torre revelada
por la invención. En un lado de la torre 1 se muestra una superficie
6 plana mecanizada. La superficie 6 está mecanizada para que acepte
componentes 4 planos a montar y que estas dispongan de una vía de
conducción térmica excelente en toda la torre 1. Son componentes 4
comunes usados en el sistema de control los módulos electrónicos
que contienen IGBTs, SCRs y diodos. Dichos módulos están diseñados
para su montaje en superficies planas. Seguidamente, el calor
generado por estos componentes 4 se transfiere a través de la
superficie plana y sobre la pared interior de la torre 1. Los
elementos 5 son tubos térmicos usados para transferir mejor el
flujo de calor desde los componentes 4 hasta la superficie mayor de
la torre. El dimensionado de los tubos térmicos se determina sobre
la base de la cantidad de flujo térmico a desplazar. A mayor flujo
térmico, tubos térmicos más largos. Los tubos térmicos están
conectados térmicamente a la torre por medio de soldadura,
soldadura autógena o termoconexión y sirven para transferir el calor
de los componentes 4 una mayor superficie de la torre. En algunas
aplicaciones, puede no ser necesario el uso de tubos térmicos.
Las características y ventajas descritas en esta
especificación no incluyen todas y especialmente, muchas otras
características y ventajas se harán evidentes para los expertos en
la técnica a la vista de las figuras, de la especificación y de las
reivindicaciones de la misma. Además, se debe advertir que el
lenguaje usado en la memoria ha sido seleccionado principalmente a
fines de legibilidad e instrucción y, por lo tanto, recúrrase a las
reivindicaciones, si es necesario, para determinar el objeto
inventivo.
Claims (5)
1. Una turbina eólica que comprende:
- una torre (1) de turbina eólica,
- un sistema (11) de control electrónico de potencia situado dentro de la torre (1) de turbina eólica, comprendiendo el sistema (11) de control electrónico de potencia componentes (4) generadores térmicos,
caracterizada porque
los componentes (4) generadores térmicos están
montados directamente sobre la superficie interior de la torre (1)
de turbina eólica para dispersar el calor generado por los
componentes (4) generadores térmicos directamente en la superficie
interior de la torre (1) de turbina eólica, con lo que se provee una
vía de conducción térmica excelente hasta la totalidad de la torre
(1) de turbina eólica.
2. La turbina eólica de la reivindicación 1,
caracterizada porque se dispone de una superficie (6) plana
en un lado de la torre (1) de turbina eólica y en la que los
componentes (4) generadores térmicos comprenden una superficie
plana.
3. La turbina eólica de la reivindicación 1 o 2,
caracterizada porque la turbina eólica comprende una
pluralidad de tubos (5) térmicos usados para transferir mejor el
calor generado por los componentes (4) termogeneradores a la
superficie mayor de la torre (1) de turbina eólica.
4. La torre de turbina eólica de cualquiera de
las reivindicaciones 1-3, caracterizada
porque los tubos (5) térmicos están conectados térmicamente a la
torre (1) de turbina eólica por medio de soldadura, broncesoldadura
o unión t.
5. Un enfoque de eliminación de calor del
interior de una torre (1) de turbina eólica que comprende un sistema
(11) de control electrónico de potencia situado dentro de la torre
(1) de turbina eólica, incluyendo el sistema (11) de control
electrónico de potencia componentes (4) generadores térmicos, en el
que el enfoque comprende las etapas de:
- a)
- transferir directamente el calor de los componentes (4) generadores térmicos del sistema electrónico de control de potencia a una superficie interior de la torre (1) de turbina eólica; y
- b)
- disipar al menos un aparte del calor en la torre (1) de turbina eólica.
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