ES2351915A1 - Aerogenerador. - Google Patents

Abstract

Aerogenerador que comprende una torre (11) sobre la que se sitúa una góndola (8) que soporta un rotor (9) que gira por acción de una pluralidad de palas (10), que además, comprende: - una bomba hidráulica (1) conectada al rotor (9), - un circuito hidráulico (7) conectado a la bomba hidráulica (1), - un motor hidráulico (2) conectado al circuito hidráulico (1), y - un alternador (3) conectado al motor hidráulico (2) y a su vez a la red eléctrica, de tal manera que la velocidad del giro del alternador (3) se controla de manera independiente de la velocidad de giro del rotor (9) del aerogenerador.

Description

Aerogenerador.

Campo de la invención

La presente invención se engloba dentro del sector energético, y más en concreto, en el campo de los aerogeneradores.

Antecedentes de la invención

Las palas de los generadores eólicos giran a una velocidad angular pequeña, bastante menor que los 50 o 60 Hz de la red eléctrica, lo que hace necesaria la instalación de una caja multiplicadora entre el rotor y el alternador o, más recientemente, la instalación de un alternador síncrono conectado directamente al propio rotor. El sistema multiplicador empleado en los generadores eólicos es mecánico, habitualmente una caja de engranajes, y tanto éste como el alternador están situados en la góndola del generador. Estos dos elementos suponen una parte importante de la masa del aerogenerador y su ubicación a la altura de la góndola aumenta los problemas de cimbreo de la torre. Además, al estar la caja multiplicadora inmediatamente detrás del rotor, sobre ella recaen los choques debidos a las fluctuaciones de la velocidad del viento lo que se traduce en una fatiga importante y gastos de mantenimiento elevados, sobre todo por la ubicación de la caja a altura sobre el suelo.

La ubicación tradicional de la multiplicadora y el alternador en la góndola es la más razonable si se hace una multiplicación de velocidad mecánica, puesto que bajar el movimiento al pie de la torre de manera mecánica sería costoso y complicado, sobre todo en torres grandes. Sin embargo, esta ubicación presenta problemas importantes. Por un lado, supone colocar a una altura considerable un peso importante que, si bien no incrementa en mucho la resistencia estática que debe tener la torre (puesto que las fuerzas aerodinámicas son mayores aún), sí potencia el cimbreo de la torre y debe tenerse en cuenta en el diseño de la torre y su resistencia frente a las vibraciones. Pero, sobre todo, la multiplicadora mecánica situada inmediatamente detrás del rotor sufre todos los choques producidos por las fluctuaciones de viento, especialmente cuando es racheado, lo que se traduce en una necesidad de mantenimiento continuo, particularmente costoso por la altura a la que se encuentra sobre el suelo.

Por otro lado, habitualmente el multiplicador mecánico tiene una relación de velocidades fija, lo que obliga a mantener la velocidad de rotación del rotor constante mediante el frenado del eje del alternador o mediante el control del paso de las palas, o bien a ajustar la frecuencia de salida de forma electrónica en el caso de los alternadores asíncronos En cualquier caso, esto supone un aprovechamiento reducido de la potencia disponible cuando la velocidad del viento queda fuera del rango de funcionamiento óptimo del generador. En particular se desperdicia una parte importante de la energía cuando la velocidad del viento es mayor que la nominal.

Algunas de las soluciones que se han propuesto recientemente son las siguientes:

El aerogenerador con eje no rotativo: (Patentes ES9902695, DE3529404, US4527072) en el que el peso del rotor y la fuerza aerodinámica están soportados por un eje hueco no rotativo. Esto permite aligerar el peso del eje rotativo, que únicamente soporta el par motor, lo que reduce el peso de la góndola. Además, el eje rotativo adelgazado puede absorber por torsión los picos de par producidos por rachas de aire. Esta solución reduce el peso de la góndola y puede amortiguar el efecto de los picos de carga, pero la totalidad del mecanismo sigue estando en altura.

El aerogenerador con alternador multipolar. (Patente ES200603274, serie TWT desarrollados por el grupo
MTORRES) es un aerogenerador sin caja multiplicadora, con un alternador multipolar conectado directamente al rotor. Eliminan los problemas derivados de los choques sobre la caja de engranajes y admiten variaciones en la velocidad de rotación para adaptarse a los cambios en la velocidad del viento. Su mayor problema es el gran tamaño del alternador y que éste sigue situado en la góndola. Además, carece de un sistema para absorber las fluctuaciones rápidas de la velo-
cidad del viento. Aún así, constituyen la alternativa más prometedora a los aerogeneradores con caja multiplicadora.

El Aerogenerador vertical (Patente ES200702151) coloca la maquinaria al nivel del suelo con el fin de facilitar su mantenimiento. No obstante, trabaja a alturas menores que los aerogeneradores horizontales por lo que sólo tiene acceso a vientos menores, no tiene arranque automático, sino que siempre precisa de un impulso inicial y, en general, tienen eficiencias menores que los aerogeneradores de eje horizontal como el que se propone en esta invención.

Descripción de la invención

El aerogenerador de la invención resuelve los problemas de los aerogeneradores tradicionales anteriormente mencionados, sustituyendo el sistema mecánico por un conjunto de bomba y motor hidráulico unidos mediante un circuito hidráulico de manera que la velocidad del giro del alternador, al que se conecta el motor hidráulico, se controle de manera independiente de la velocidad de giro del rotor del generador.

La bomba se conecta al rotor del aerogenerador y el motor se conecta al alternador, de manera que la transmisión de potencia entre el rotor y el generador y la multiplicación de la velocidad angular se hacen de forma hidráulica en lugar de mecánica. El motor, la bomba o ambos pueden tener velocidad de giro de sus ejes variable o constante, con el fin de poder ajustar la relación de transmisión entre ellos. De esta manera el rotor puede tener una velocidad de giro variable que aproveche al máximo la potencia disponible en función de la fuerza del viento, mientras el alternador tiene una velocidad de giro constante; o bien, el rotor puede mantener la velocidad de giro constante limitada por la presión resistente del motor; lo que permite usar palas con paso constante o variable coordinado con la bomba o el motor y conectar el generador tanto a alternadores asíncronos como síncronos.

El uso de palas con paso constante supone una simplificación añadida y una nueva reducción de masa en la góndola al eliminarse el mecanismo de rotación de las palas. De la misma manera, opcionalmente de puede emplear un eje no rotativo para soportar el peso del rotor y las flexiones derivadas de la inhomogeneidad de la carga, permitiendo reducir la sección del eje rotativo del rotor y el peso soportado en la góndola.

En el circuito hidráulico puede incluirse un acumulador para absorber las fluctuaciones en la velocidad del viento y evitar picos de presión en el circuito y choques de velocidad en el motor y el alternador.

La refrigeración del sistema multiplicador (bomba más motor) se realiza a través de un radiador que puede estar situado en la góndola o al pie del generador.

La refrigeración del alternador se puede realizar por medio del mismo circuito o con una derivación del mismo.

Al mismo tiempo, la transmisión hidráulica entre la bomba y el motor permite situar éste último junto con el alternador al pie del generador en lugar de en la góndola, lo que reduce sustancialmente el coste del mantenimiento respecto a la solución habitual que sitúa la caja multiplicadora y el alternador en la góndola.

También permite conectar hidráulicamente varios aerogeneradores por medio del circuito hidráulico, utilizando un sólo motor hidráulico y un solo alternador para todos ellos, lo que supone una nueva reducción de costes de instalación y mantenimiento.

En el caso de conectar un conjunto de aerogeneradores, puede asociarse el conjunto a una central hidroeléctrica de bombeo y utilizarse un segundo motor hidráulico conectado al circuito hidráulico del conjunto de aerogeneradores para subir agua a una balsa acumuladora de agua con el fin de acumular excedentes de energía.

Opcionalmente se puede incluir un eje no rotatorio que soporte el peso del rotor y los esfuerzos de flexión, dejando al eje rotativo únicamente el esfuerzo de torsión que se transmite a la bomba hidráulica, con la posibilidad de que absorba y amortigüe, por torsión, picos de potencia.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una figura que ayuda a comprender mejor la invención y que se relaciona expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

La Figura 1 muestra una sección lateral de un generador eólico.

En la figura anteriormente citada se identifican una serie de referencias que corresponden a los elementos indicados a continuación, sin que ello suponga carácter limitativo alguno:

1.-

bomba

2.-

motor

3.-

alternador

4.-

acumulador

5.-

intercambiador de calor

6.-

radiador

7.-

circuito hidráulico

8.-

góndola

9.-

rotor

10.-

palas

11.-

torre

Descripción detallada de un modo de realización

El generador eólico industrial de la invención, según una realización preferida de la invención (figura 1), comprende una torre (11) sobre la que se sitúa una góndola (8) que soporta un rotor (9) que gira por acción de una pluralidad de palas (10), el cual se diferencia esencialmente de los generadores eólicos conocidos, en que comprende:

-

una bomba hidráulica (1) conectada al rotor (9) y situada en el interior de la góndola (8),

-

un circuito hidráulico (7) conectado a la bomba hidráulica (1), que recorre el interior de la torre (11),

-

un motor hidráulico (2) situado en la base de la torre (11) receptor de la potencia del circuito hidráulico (1) al que está conectado,

-

un alternador (3) conectado al motor hidráulico (2) y a la red eléctrica,

de tal manera que la velocidad del giro del alternador (3) se controla de manera independiente de la velocidad de giro del rotor (9) del generador.

La bomba hidráulica (1) gira a la velocidad impuesta por el rotor (9), por lo que el caudal del circuito hidráulico (7) será variable, mayor cuanto mayor sea la velocidad del viento (siempre por debajo de la velocidad máxima del rotor (9), controlada aerodinámicamente).

El motor (2) es un motor hidráulico variable que mantiene la velocidad de rotación constante a la frecuencia de la red eléctrica, a pesar de la variabilidad del caudal. El eje del motor hidráulico (2) se conecta al alternador (3) que suministra la potencia eléctrica de salida del generador.

En el circuito (7) de bajada de la bomba hidráulica (1) al motor hidráulico (2) se sitúa un acumulador hidráulico (4) con el fin de absorber las fluctuaciones de caudal y presión en el circuito originadas por los cambios bruscos en la velocidad del viento y dotar de una mayor suavidad a la potencia de salida del motor y el alternador.

En el tramo de retorno del circuito (7) que sube a la góndola (8), se sitúa un radiador (6) que refrigera el fluido hidráulico con el aire que atraviesa el tubo de corriente del generador.

El alternador (3) se refrigera mediante un intercambiador de calor (5) en una derivación del circuito.

Claims (13)

1. Aerogenerador que comprende una torre (11) sobre la que se sitúa una góndola (8) que soporta un rotor (9) que gira por acción de una pluralidad de palas (10), caracterizado por comprender

-

una bomba hidráulica (1) conectada al rotor (9),

-

un circuito hidráulico (7) conectado a la bomba hidráulica (1),

-

un motor hidráulico (2) conectado al circuito hidráulico (1), y

-

un alternador (3) conectado al motor hidráulico (2) y a su vez a la red eléctrica,

de tal manera que la velocidad del giro del alternador (3) se controla de manera independiente de la velocidad de giro del rotor (9) del aerogenerador.

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2. Aerogenerador según reivindicación 1 caracterizado por que el motor hidráulico se sitúa al pie de la torre (11) del aerogenerador, junto al alternador (3).

3. Aerogenerador según reivindicaciones anteriores caracterizado por comprender un acumulador hidráulico (4) en el circuito (7) que une la bomba hidráulica (1) al motor hidráulico (2).

4. Aerogenerador según reivindicaciones anteriores caracterizado por comprender un radiador (6) de refrigeración de la bomba (1) y el motor (2).

5. Aerogenerador según reivindicación 4 caracterizado por que el radiador (6) se sitúa en la góndola (8).

6. Aerogenerador según reivindicación 4 caracterizado por que el radiador (6) se sitúa al pie de la torre (11) del aerogenerador.

7. Aerogenerador según reivindicaciones anteriores caracterizado por comprender un intercambiador de calor (5) refrigerador del alternador (3).

8. Aerogenerador según reivindicación 7 caracterizado por que el intercambiador de calor (5) es una derivación del circuito hidráulico (7).

9. Aerogenerador según reivindicación 7 caracterizado por que el intercambiador de calor (5) es el propio circuito hidráulico (7).

10. Aerogenerador según reivindicaciones anteriores caracterizado por que comprende un eje no rotativo de soporte del peso del rotor (9).

11. Aerogenerador según reivindicaciones anteriores caracterizado por que las palas (10) son palas de paso constante.

12. Parque eólico caracterizado por comprender una pluralidad de aerogeneradores según reivindicación 1 en el que el circuito hidráulico (7), el motor hidráulico (2) y el alternador (3) es común para todos ellos.

13. Parque eólico según reivindicación 12 caracterizado por que comprende un segundo motor hidráulico, conectado al circuito hidráulico común al conjunto de aerogeneradores, de elevación del agua a la balsa de una central hidroeléctrica de bombeo.