ES2362395T3 - Turbina eólica con control de capa límite. - Google Patents
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Abstract
Turbina eólica que comprende un rotor con un cubo (10) y álabes de turbina (2) y que asimismo comprende un sistema de control de capa límite para dichos álabes, en la que se disponen múltiples cámaras de presión (1) en el álabe distribuidas a lo largo de su longitud, de modo que cada cámara de presión se comunica con el exterior del álabe a través de una o más aberturas correspondientes (4) en la superficie exterior del álabe de la turbina, caracterizada porque asimismo en el interior del álabe se extienden un canal de aspiración (8) y un canal de soplado (5) a para conferir una presión negativa y una sobrepresión, respectivamente, a la cámara de presión, estando conectada cada cámara de presión con por lo menos uno de dichos canales a través de una vía de paso de aire en la que se dispone una válvula accionable activamente (6) que está conectada con una unidad de control, a fin de poder comunicar selectivamente dicha cámara de presión con dicho(s) canal(es) o cortar la comunicación, y de este modo poder soplar aire hacia el exterior de la cámara de presión o inyectar aire en dicha cámara a través de la(s) correspondiente(s) abertura(s) en la superficie del álabe.
Description
Turbina eólica con control de capa límite.
La presente invención se refiere a una turbina
eólica que comprende un rotor con álabes y que comprende asimismo un
sistema de control de capa límite para dichos álabes de turbina.
La industria de turbinas eólicas está creciendo
muy rápidamente. Debido al incremento del precio de los combustibles
fósiles y debido a cuestiones medioambientales, existe una demanda
creciente de energía ecológica. Con el objetivo de asegurar el éxito
duradero de las turbinas eólicas y para satisfacer los requisitos
futuros de dichas turbinas, se están llevando a cabo muchos
proyectos de I+D en relación con todas sus características.
Tomando en consideración las turbinas eólicas
modernas de eje horizontal, el objetivo de los proyectos de I+D es
maximizar el valor de la producción energética de una turbina eólica
dividido por sus costes de producción y sus costes de explotación.
En el pasado, la mayoría del presupuesto de I+D se dedicaba al
desarrollo estructural de los álabes de la turbina eólica y al
desarrollo de todos los componentes mecánicos y eléctricos de una
turbina eólica. En este momento, sin embargo, la optimización
aerodinámica de los álabes de una turbina eólica se convierte cada
vez en un factor más importante. Dado que la energía producida por
una turbina eólica es una función directa del diámetro del rotor, un
diámetro de grandes dimensiones favorece la producción energética
total de una turbina eólica. Sin embargo, los grandes diámetros de
los rotores requieren que los álabes de la turbina eólica sean muy
rígidos y se requiere un procedimiento de control activo para las
cargas aerodinámicas que actúan sobre los mismos. Se necesita una
rigidez de valor suficiente para evitar pérdidas aerodinámicas o
incluso para evitar el choque de un álabe contra la torre debido a
su deflexión excesiva. El control activo de las cargas aerodinámicas
que actúan sobre los álabes de la turbina eólica se convierte en un
factor más importante cuando la potencia del viento capturada por el
rotor a velocidades del viento elevadas excede ampliamente los
límites establecidos de resistencia diseñada de la estructura del
rotor. Ello se revela especialmente importante en el caso de
turbinas eólicas de grandes dimensiones, dado que el margen de
seguridad de los límites de resistencia de los componentes se reduce
a medida que aumenta el tamaño de la turbina. Por ejemplo, el
documento US2004/057828 trata del choque de un álabe contra la torre
en el caso de aerogeneradores de grandes dimensiones. A partir de
dicha publicación, se conocen mediciones de desviación fuera del
plano y mediciones de deformación para controlar una turbina eólica.
Un controlador se encarga de utilizar la señal procedente del sensor
para determinar el riesgo de choque de un álabe contra la torre. El
controlador emprende una acción de control necesaria para prevenir
el choque. Las acciones de control propuestas son la inclinación de
los álabes, la guiñada del cabezal del rotor o bien la detención de
la turbina. En un proceso de optimización aerodinámica dos factores
son importantes para maximizar la producción energética de una
turbina eólica: su rendimiento global y un control activo de la
carga.
El rendimiento global de una turbina eólica de
eje horizontal se puede mejorar maximizando la relación
sustentación/resistencia de un álabe para diferentes condiciones
del viento y/o ángulos de ataque. Incluso en el caso de un flujo de
aire ideal y de conversión sin pérdidas, la relación de trabajo
mecánico extraíble respecto a la potencia del viento está limitada
al valor de 0,593. En la práctica, este valor teórico máximo no se
puede alcanzar debido a distintas pérdidas aerodinámicas. La mayoría
de las pérdidas aerodinámicas son resultado de la creación de una
capa límite en la superficie del álabe de la turbina eólica.
Introduciendo técnicas de control de dicha capa límite se pueden
minimizar las pérdidas aerodinámicas, lo que conlleva una producción
energética más elevada de la turbina eólica.
Una mejora adicional posible que conlleva una
producción energética más elevada y una eficiencia más elevada de
una turbina eólica moderna de eje horizontal es un sistema activo
para controlar las cargas aerodinámicas que actúan sobre un álabe de
dicha turbina eólica. Las turbinas eólicas están sometidas a cargas
variables relevantes que resultan de la cizalladura del viento, las
rachas de aire, el desalineamiento de guiñada y las estelas de
turbina contra el viento, lo que reduce significativamente su
eficacia y resistencia a la fatiga. La pérdida de sustentación se ha
identificado como uno de los factores clave de ineficiencia y de
disminución de la resistencia a la fatiga. Asimismo, el diseño de
las turbinas eólicas cada vez de mayores dimensiones está limitado,
puesto que la potencia y masa del rotor son proporcionales a la
potencia segunda y tercera del diámetro de una turbina eólica,
respectivamente. Con el objetivo de mejorar la eficiencia y
resistencia a la fatiga de las turbinas eólicas existentes y
futuras, se pretende controlar de modo eficaz la capa límite en los
álabes de la turbina eólica.
A partir del documento GB 2186033 se conoce un
sistema de control de la capa límite. En dicho documento se describe
un álabe de una turbina eólica provista de una entrada a través de
la que el aire penetra y circula a lo largo de una trayectoria
interna, y una salida adyacente y esencialmente paralela al borde de
ataque del álabe, adaptada para dirigir el flujo de aire procedente
de la trayectoria a lo largo de la superficie del álabe hacia el
borde de escape del álabe y por lo tanto aumentando su sustentación
aerodinámica. El flujo de aire a lo largo de la trayectoria hacia la
salida se puede controlar mediante válvulas accionables por
centrifugación. Cerrando las válvulas cuando el rotor se encuentra
en condiciones de sobrevelocidad y de este modo reduciendo el flujo
de aire a lo largo de la trayectoria y por la salida, la corriente
de aire a lo largo de la superficie del álabe empeora, por lo que la
sustentación aerodinámica disminuye y el rotor se ralentiza. El
efecto principal del soplado de la capa límite tangencial propuesto
es el incremento de la corriente de aire a lo largo de la superficie
del álabe y por lo tanto el incremento de la sustentación
aerodinámica. La presión requerida se genera pasivamente mediante la
fuerza centrífuga. La entrada de la trayectoria se describe como una
entrada adaptada para recibir un flujo de aire que circula a lo
largo de la superficie del álabe para aumentar el flujo laminar a lo
largo de dicha superficie, y por lo tanto aumentando la sustentación
aerodinámica.
El documento WO 00/50778 describe un sistema de
control de la capa límite en el que las vibraciones de una cierta
estructura, por ejemplo un álabe de una turbina eólica, proporcionan
impulsos de partículas fluidizadas procedentes de una cámara a
través de una boquilla en el interior de la capa límite de una
superficie de dicha estructura para frecuencias relacionadas con la
frecuencia de vibración de dicha estructura.
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Un objetivo de la presente invención es
proporcionar un sistema mejorado de control de la capa límite para
álabes de turbinas eólicas que se pueda emplear para múltiples
aplicaciones, en función de las condiciones atmosféricas momentáneas
y de las cargas que actúen en cada instante sobre los álabes de la
turbina eólica.
Dicho objetivo se alcanza mediante una turbina
eólica que comprende un rotor con álabes y que asimismo comprende un
sistema de control de capa límite para dichos álabes, en la que se
disponen múltiples cámaras de presión en el álabe distribuidas a lo
largo de su longitud, de modo que cada cámara de presión se comunica
con el exterior del álabe a través de una o más aberturas
correspondientes en la superficie exterior del álabe de la turbina,
y en la que asimismo en el interior del álabe se extienden un canal
de aspiración y un canal de soplado para conferir una presión
negativa y una sobrepresión, respectivamente, a la cámara de
presión, estando conectada cada cámara de presión con por lo menos
uno de dichos canales a través de una vía de paso de aire en la que
se dispone una válvula accionable activamente que está conectada con
una unidad de control, a fin de poder comunicar selectivamente dicha
cámara de presión con dicho(s) canal(es) o cortar la
comunicación y de este modo poder soplar aire hacia el exterior de
la cámara de presión o inyectar aire en dicha cámara a través de
la(s) correspondiente(s) abertura(s) en la
superficie del álabe.
El sistema de control de capa límite para los
álabes de la turbina eólica proporciona la capacidad de aplicar
localmente en la superficie del álabe una aspiración o soplado
activa de aire, en función de la carga que momentáneamente actúe
sobre el álabe. Mediante aspiración, la carga aerodinámica en el
álabe se incrementa localmente y la relación
sustentación/resistencia aumenta, mientras que mediante el soplado
perpendicular a la superficie del álabe, la carga aerodinámica
disminuye localmente.
El sistema de control de capa límite se puede
integrar en un álabe y puede maximizar la producción energética del
aerogenerador. El sistema de control de capa límite se puede
instalar en un diseño de álabe de una turbina eólica con perfiles
convencionales, aunque también es posible integrarlo en un diseño de
álabe novedoso con perfiles optimizados para el empleo de un sistema
de control de capa límite. Como resultado del control de la capa
límite en el álabe de una turbina eólica, se puede optimizar la
relación sustentación/resistencia del álabe para diferentes
condiciones de viento y/o distintos ángulos de ataque, dependiendo
de las condiciones de trabajo de la turbina eólica. El sistema de
control de capa límite se puede emplear asimismo para controlar la
distribución de la carga a lo largo de la envergadura del álabe de
la turbina eólica. El sistema de control de capa límite se puede
alimentar activamente mediante un dispositivo de aspiración/soplado,
aunque también se puede hacer funcionar pasivamente empleando la
fuerza centrífuga como resultado del movimiento de rotación del
álabe.
En particular, el sistema de control de capa
límite se adapta para aplicar aspiración o soplado activo
esencialmente perpendicularmente a la superficie del álabe de la
turbina eólica, dependiendo de la carga (que preferentemente se
mide) que actúa momentáneamente sobre el álabe. Mediante aspiración,
la carga aerodinámica en el álabe se incrementa y la relación
sustentación/resistencia aumenta, dado que el flujo de aire a lo
largo de la superficie del álabe se incrementa. Mediante soplado
perpendicular a la superficie del álabe, la carga aerodinámica
disminuye, dado que el flujo de aire a lo largo de la superficie del
álabe queda perturbado. La diferencia entre la carga aerodinámica
inducida por la aspiración máxima y la carga aerodinámica inducida
por el soplado máximo se puede emplear para controlar el álabe de la
turbina eólica.
Aplicando aspiración de la capa límite, la parte
de baja energía de la capa límite más cerca de la superficie del
álabe queda eliminada, lo que proporciona a la capa límite un perfil
de elevada velocidad (mayores velocidades cerca de la superficie del
álabe). Gracias a dicho perfil de elevada velocidad, la capa límite
es capaz de soportar un gradiente de presión desfavorable más
elevado, lo que implica que la separación de flujo se puede evitar o
mover a un punto más cerca del borde de escape del álabe de la
turbina eólica. Una segunda consecuencia de la aspiración de la capa
límite es que el espesor de la capa límite disminuye. Aplicando
soplado de la capa límite perpendicularmente a la superficie del
álabe, se puede inducir la separación controlada de la capa límite
de la superficie del álabe, si ello se pretende.
Todos los resultados del control de la capa
límite mencionados anteriormente se pueden emplear para distintas
aplicaciones. En primer lugar, se explicará el efecto de la
aspiración de la capa límite sobre el rendimiento global de una
turbina eólica. A continuación, se indican distintas ventajas:
- -
- Gracias a la aspiración de la capa límite, se pueden utilizar álabes de mayor grosor sin provocar una separación temprana de flujo. Los álabes cuyo grosor es mayor presentan una rigidez más elevada, lo que permite emplear menos material a fin de obtener la misma rigidez que con un álabe convencional de una turbina eólica. Una menor cantidad de material implica un menor coste de producción y un peso más reducido. Gracias a la rigidez más elevada de los álabes de mayor grosor, se pueden emplear materiales más flexibles para la fabricación de álabes de turbinas eólicas. Por ejemplo, la fibra de carbono de elevado coste que se emplea para la fabricación de álabes se podría sustituir por fibra de carbono más económica. Con diámetros de rotor cada vez más grandes, la elevada rigidez y el reducido peso, los álabes de las turbinas eólicas se están convirtiendo en elementos cada vez más relevantes.
- -
- La sección transversal del álabe cerca del cubo de la turbina eólica es mayoritariamente circular a fin de posibilitar la inclinación de dicho álabe. Con el objetivo de evitar una transición abrupta en el perfil, existe una zona amplia de la envergadura en la que el perfil pasa de ideal a circular. En esta zona, el álabe de la turbina eólica no presenta una forma aerodinámica óptima, lo que localmente causa la temprana separación de flujo sin la aplicación de aspiración. Mediante aspiración de la capa límite, la sección transversal cerca del pie del álabe puede ser también eficiente, proporcionando una contribución más elevada a la producción energética de la turbina eólica.
- -
- Postergando o evitando la separación de flujo mediante aspiración, el valor del coeficiente de sustentación máximo del álabe de la turbina eólica se puede incrementar. Con una carga máxima constante de valor aceptable en el álabe, un coeficiente de sustentación máximo de valor más elevado significa que la profundidad de ala del álabe se puede reducir. Un álabe cuya profundidad de ala sea menor es menos sensible a las rachas intensas de aire durante el funcionamiento o incluso durante los periodos de paro, lo que significa que se reducirán los daños por fatiga.
- -
- En el caso de turbinas eólicas de alta tecnología y grandes dimensiones, el ruido del borde de escape es el factor dominante de la emisión de ruido. El ruido del borde de escape es una función directa del espesor de la capa límite en el borde de escape de un álabe de una turbina eólica. Dado que el espesor de la capa límite se puede reducir mediante aspiración de la capa límite, con dicha técnica se obtiene una emisión de ruido menor. Dado que la máxima velocidad del extremo de un aerogenerador está limitada debido a la restricción de la emisión de ruido de la turbina, la aspiración de la capa límite permite a los ingenieros realizar diseños con velocidades más elevadas. La energía producida por la turbina eólica está relacionada directamente con la velocidad de rotación. Por este motivo, la aspiración de la capa límite permite incrementar la velocidad en el extremo y consecuentemente, una producción energética mayor.
- -
- Mediante la aspiración de la capa límite, se puede postergar o evitar la separación de flujo y el espesor de la capa límite disminuye. Consecuentemente, la resistencia de presión del perfil disminuye, y el coeficiente de sustentación se incrementa debido a una curvatura efectiva mayor experimentada por el flujo de aire sobre el álabe. Combinando dichas ventajas, la relación sustentación/resistencia para un cierto valor del ángulo de ataque se puede incrementar de modo importante. Incrementando dicha relación, el rendimiento global de la turbina eólica aumenta.
\vskip1.000000\baselineskip
Tal como ya se ha mencionado anteriormente, la
presente invención se refiere un sistema de control de capa límite
que está adaptado para efectuar tanto aspiración activa como soplado
activo perpendicular a la superficie de un álabe de la turbina
eólica, dependiendo de la carga que actúe momentáneamente sobre
dicho álabe. Mediante la aspiración y el soplado, la distribución
aerodinámica de fuerzas en el álabe de un aerogenerador se puede
controlar, y asimismo se puede controlar la carga estructural sobre
dicho álabe. Las ventajas de dicho sistema de control activo de
carga figuran a continuación:
- -
- Mediante aspiración de la capa límite, las fuerzas aerodinámicas que actúan sobre un álabe de una turbina eólica se pueden incrementar. Soplando aire hacia el exterior de la superficie del álabe, se puede inducir la separación de flujo, lo que significa que las fuerzas aerodinámicas de sustentación que actúan sobre el álabe se reducirán. Controlando localmente la aspiración y soplado, basándose en medidas momentáneas locales de la carga aerodinámica que actúa localmente en el álabe o su desplazamiento debido a la carga aerodinámica, se puede evitar la fluctuación de la carga. Variando el valor de aspiración/soplado a lo largo de la envergadura del álabe, se puede obtener una distribución de carga óptima a lo largo de todo el álabe, evitando sobrepasar la solicitación local máxima del material del álabe.
- -
- A altas frecuencias, las fluctuaciones de la carga debido a rachas del viento o por otras condiciones de trabajo cambiantes, se pueden contrarrestar mediante el sistema de control de capa límite. Consecuentemente, el esfuerzo hasta la fatiga se puede reducir o evitar, y de este modo disminuir la posibilidad de daños por fatiga. Disminuyendo la fluctuación de la carga en un álabe de la turbina eólica, la carga que actúa en los componentes mecánicos de una turbina eólica, por ejemplo la transmisión y los rodamientos, se reduce, lo que posibilita un diseño con componentes mecánicos menos robustos, el ahorro de material, peso y coste.
- Ocasionando que
la carga que actúa en los álabes de la turbina eólica sea más
constante, se puede obtener una eficiencia mecánica y eléctrica más
elevada, lo que incrementa la producción energética neta
\hbox{de la turbina eólica.}
- -
- A bajas frecuencias, las variaciones de la carga aerodinámica por las condiciones de viento cambiantes se pueden contrarrestar con el sistema de control de capa límite. Se diseña un álabe de una turbina eólica para que funcione con un ángulo local de ataque de modo que el perfil alcance localmente un valor máximo de la relación sustentación/resistencia. Con velocidad del viento cambiante, el ángulo de ataque del álabe de una turbina eólica varía, lo que significa que el álabe deja de funcionar en condiciones óptimas. Normalmente, en el caso de turbinas con control de inclinación, el sistema de inclinación se emplea para adaptar el ángulo del álabe y asegurar que el álabe funcione de nuevo para un ángulo de ataque local de valor óptimo. Empleando un sistema de control de capa límite en lugar de un sistema de inclinación, se puede aplicar aspiración o soplado localmente sobre el álabe, de modo que el valor de la relación sustentación/resistencia para ángulos de ataque no previstos en la construcción se aproxime al valor de la relación sustentación/resistencia diseñada en todos los puntos de la envergadura del álabe. A este respecto, se puede sustituir el sistema de inclinación por un sistema de control de capa límite. Sin un sistema de inclinación, la separación de flujo en la zona de la envergadura de un álabe en el que el perfil varía de la forma óptima a la forma circular se puede evitar, dado que ya no se necesita el perfil circular. Asimismo, la sustitución del sistema de inclinación por un sistema de control de capa límite disminuye el coste de la turbina eólica, puesto que el sistema de inclinación es un elemento caro y complejo del aerogenerador. Alternativamente, un sistema de control de capa límite se puede combinar con un sistema de inclinación, reduciéndose la utilización del sistema de inclinación. En este caso, los daños en el sistema de inclinación producidos por la carga disminuyen y la vida útil del sistema de inclinación aumenta.
- -
- Para velocidades del viento demasiado elevadas o en el caso de avería del generador eléctrico de una turbina eólica, la alta velocidad de rotación de los álabes de la turbina eólica se debe disminuir. Ello se puede efectuar reduciendo el ángulo de ataque de los álabes de la turbina eólica mediante el control de inclinación, aunque de nuevo es posible evitar la sobrevelocidad mediante el sistema de control de capa límite activando el soplado perpendicular a la superficie del álabe.
- A consecuencia del soplado, la separación de flujo se produce gradualmente, sin el efecto aerodinámico inestable que surge en el caso de sobrevelocidad para turbinas normales con control de parada. Gracias a la separación de flujo, la fuerza aerodinámica que actúa en el álabe disminuye y como resultado la velocidad de rotación del álabe de la turbina eólica disminuye.
- La turbina eólica se puede construir a prueba de fallos por sobrevelocidad diseñando las válvulas situadas entre las cámaras de presión y los canales de aire de modo que se produzca el soplado pasivo cuando exista un fallo eléctrico. Consecuentemente, no se producen sobrecargas en el caso de fallos eléctricos o fallos del sistema de inclinación.
- -
- El rendimiento aerodinámico de un álabe de una turbina eólica depende en gran medida del grado de suciedad de la superficie de dicho álabe debido a influencias ambientales. Especialmente en el caso de turbinas con control de parada dicho efecto se revela importante, puesto que el ángulo de ataque en el que se produce la separación de flujo depende en gran medida de la suciedad del álabe. El resultado del grado de suciedad es que se crea una capa límite de mayor espesor sobre la superficie del álabe, que se separa de la superficie para un ángulo de ataque menor que sin la suciedad. Dicha sensibilidad por el grado de suciedad se reduce significativamente influyendo en el flujo de aire a lo largo del álabe de la turbina eólica mediante un sistema de control de capa límite. De este modo, el sistema de control de capa límite permite evitar la carga de la fatiga debido a una separación de flujo incontrolada o imprevista.
- -
- La aspiración de la capa límite se puede emplear como ayuda en el arranque de una turbina eólica. Durante dicho proceso, la velocidad del flujo de aire a lo largo de un álabe de la turbina eólica es relativamente baja. Si el álabe no se inclina de modo que el ángulo de ataque sea suficientemente pequeño, entonces el flujo de aire se separará de la superficie del álabe y no se generará ninguna sustentación como ayuda para el arranque de la turbina eólica. Mediante la aspiración de la capa límite en el álabe, el flujo no se separa de la superficie del álabe y en consecuencia el álabe genera una fuerza de sustentación que posibilita un arranque más eficaz de la turbina eólica.
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En todos los casos, el sistema de control de
capa límite puede sustituir a un sistema de control de inclinación.
Sin embargo, para obtener redundancia, el sistema de control de capa
límite se puede combinar con un sistema de inclinación. En este
caso, el sistema de control de capa límite se puede emplear durante
el funcionamiento normal del aerogenerador, empleando el sistema de
inclinación para el arranque y en casos de emergencia, por ejemplo
sobrevelocidad.
\vskip1.000000\baselineskip
En las figuras 1 y 2 se representa un posible
perfil de álabe de una turbina eólica, típico para la aplicación de
la aspiración de la capa límite.
En la figura 3 se representa una vista posterior
de una turbina eólica según la presente invención.
En la figura 4 se representa más detalladamente
una parte del álabe de la turbina eólica de la figura 3.
En la figura 5 se representa una sección en
perspectiva de un álabe de la turbina eólica de la figura 3.
En la figura 6 se representa una sección en
perspectiva de un álabe de la turbina eólica de la figura 3, en la
que se han eliminado elementos porosos de la superficie que cubren
unas cámaras de presión.
En la figura 7 se representa una sección de un
álabe de la turbina eólica de la figura 3, mostrándose un
posicionamiento alternativo del sistema de control de capa
límite.
En la figura 8a se representa una sección de un
álabe de la turbina eólica de la figura 3, en la que se emplea una
ranura como conexión entre una cámara de presión y la superficie del
álabe.
En la figura 8b se representa una sección de un
álabe de la turbina eólica de la figura 3, en la que se emplean
múltiples ranuras como conexión entre una cámara de presión y la
superficie del álabe.
En figura 8c se representa una sección de un
álabe de la turbina eólica de la figura 3, en la que se emplea una
ranura como conexión entre un canal de aire y la superficie del
álabe sin emplear una cámara de presión.
En la figura 9 se representa una vista posterior
en perspectiva de una turbina eólica según la presente invención, en
la que el canal de aspiración de aire está abierto en la zona del
extremo del álabe.
En la figura 10 se representa una vista lateral
de una turbina eólica según la presente invención con sensores y
unidad de control.
En la figura 11 se representa una forma de
realización preferida de una turbina eólica según la presente
invención.
En la figura 12 se representa un detalle de la
turbina eólica de la figura 11.
En las figuras 13a y 13b se ilustra la
aspiración y soplado de aire respectivamente hacia/desde la
superficie del álabe de la turbina de la figura 11.
En la figura 14 se representa una forma de
realización preferida adicional de una turbina eólica según la
presente invención.
En la figura 15 se representa un extremo abierto
del álabe de la turbina eólica de la figura 14.
Y finalmente, en las figuras 16a a 16c se
ilustra la aspiración de aire y el soplado de aire hacia/desde la
superficie del álabe de la turbina de la figura 14.
\vskip1.000000\baselineskip
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar un sistema mejorado de control de la capa límite para
álabes de turbinas eólicas que se pueda emplear para múltiples
aplicaciones, en función de las condiciones atmosféricas momentáneas
y de las cargas que actúen en cada instante sobre los álabes de la
turbina eólica.
El sistema de control de capa límite se puede
instalar en un diseño de álabe de una turbina eólica con perfiles
convencionales, aunque también es posible integrarlo en un diseño de
álabe novedoso con perfiles optimizados para el empleo de un sistema
de control de capa límite (figuras 1 y 2).
El sistema de control de capa límite comprende
múltiples cámaras de presión, designadas con la referencia numérica
1 en las figuras 5, 6, 7 y 8, situadas debajo de la superficie del
extradós (parte posterior del lado de aspiración) del álabe 2
(véanse las figuras 4, 5, 6, 7, 8, 9, 12, 13 y 15), sustituyendo
parcialmente el material de la superficie por un material poroso 3
(representado en las figuras 4, 5, 7, 8, 9, 12, 13 y 15). La cámara
de presión 1 es una cavidad en el álabe de la turbina eólica
dispuesta justo por debajo de la superficie del álabe, dicha
superficie posiblemente sustituida por material poroso 3, a través
de la que el aire puede circular en distintas direcciones.
Preferentemente, una cámara de presión presenta un volumen
relativamente reducido a fin de evitar el retardo en la respuesta al
cambiar de aspiración a soplado en el mismo lugar. Como alternativa
para la superficie superior porosa del álabe, se pueden instalar una
o más ranuras 4 (véase la figura 8) en el álabe a fin de conectar
las cámaras de presión con la superficie del álabe.
Las cámaras de presión están conectadas con uno
o más canales de aire 5 (véanse las figuras 5, 6, 7 y 8) con sección
transversal constante o variable que están instaladas en el interior
del álabe. Un canal de aire transporta aire en la dirección de la
envergadura a través del álabe de la turbina eólica, entre por una
parte una abertura en el pie o en el extremo del álabe y por otra
parte una o más cámaras de presión y/o superficies porosas de
sistema. En una forma de realización específica, una o más cámaras
de presión pueden hacerse cargo de la función de un canal de
aire.
La conexión entre las cámaras de presión y los
canales de aire se realiza mediante uno o más dispositivos 6 o
válvulas (véanse las figuras 5, 6, 7 y 8) que controlan el caudal
entre las cámaras de presión y los canales de aire o en sentido
opuesto. Dicho control del caudal se basa ya sea en un modelo
matemático, en medidas locales e instantáneas de la carga
aerodinámica que actúa sobre el álabe, en la deflexión del álabe
debido a la carga aerodinámica o bien en la solicitación del
material de álabe debido a la carga aerodinámica. El modelo
matemático puede ser una función de la velocidad de rotación del
álabe de la turbina eólica, de la velocidad del viento, del ángulo
de ataque del álabe, de la potencia instantánea producida por la
turbina eólica, del momento instantáneo de fuerzas sobre el eje de
la turbina y/o de un dispositivo que permita predecir rachas de
viento. El principio de medida del desplazamiento local del álabe se
representa en la figura 10.
En una forma de realización del sistema, los
canales de aire (elemento 5) conducen a uno o más dispositivos de
aspiración/soplado 7 (véanse las figuras 11 y 13), generándose la
presión deseada a fin de aplicar aspiración y/o soplado en la
superficie del álabe de la turbina eólica. El principio de
aspiración/soplado mediante un dispositivo de aspiración/soplado se
representa la figura 13.
En una forma de realización adicional del
sistema, se utiliza la fuerza centrífuga obtenida a consecuencia del
movimiento de rotación del álabe a fin de generar la presión deseada
en los canales. En este caso, un canal de aire 5 conduce a una
abertura dispuesta en el extremo del álabe 8 (véanse las figuras 9,
14 y 15) con el objetivo de generar una presión reducida en el
canal, y un canal 5 conduce a una abertura dispuesta en el pie del
álabe 9 (representada en la figura 16) con el objetivo de generar
una presión elevada en el interior del canal. La abertura en el pie
del álabe puede ser una abertura interna del cubo del rotor 10
(véanse las figuras 9, 14 y 16). En la figura 16 se representa el
principio de aspiración/soplado mediante la fuerza centrífuga.
Las dos formas de realización mencionadas
anteriormente se pueden combinar asimismo en una nueva forma de
realización. En todas las formas de realización, es posible generar
un flujo de aire a través del cubo del rotor 10 que se origina en el
flujo de aire que sale del álabe o que penetra en el mismo. El flujo
de aire a través del cubo del rotor refrigera la transmisión y la
electrónica dispuesta en su interior.
En la forma de realización preferida del sistema
de control de capa límite, las cámaras de presión 1 están conectadas
con dos canales de aire distintos 5 a través de
dispositivos/válvulas de regulación de caudal 6. Un canal de aire
contiene aire a una presión variable que localmente es más elevada
que la presión que actúa sobre la superficie externa del sistema
(superficie porosa o ranura(s)) en la misma zona en la
envergadura. Las presiones relativamente elevadas en el canal se
pueden generar activamente mediante el dispositivo de
aspiración/soplado 7, o pasivamente creando una conexión entre el
canal de aire y el aire en el interior del cubo del rotor 10 o en el
exterior de la turbina eólica en el pie del álabe, mediante la
fuerza centrífuga. La abertura entre el pie del álabe y el cubo o la
parte exterior puede ser fija, aunque también puede ser variable. El
otro canal de aire contiene aire a una presión variable que
localmente es menor que la presión que actúa sobre la superficie
exterior del sistema (superficie porosa o ranura(s)) en la
misma zona en la envergadura. Las presiones relativamente reducidas
en el canal se pueden generar activamente mediante el dispositivo de
aspiración/soplado 7, o pasivamente creando una conexión entre el
canal de aire y el aire en el exterior de la turbina eólica en el
extremo del álabe 8, mediante la fuerza centrífuga. La forma de la
abertura en el extremo del álabe 8, así como la velocidad y ángulo
de soplado en el extremo pueden ser fijos o variables, a fin de
minimizar sustentación y/o la creación de ruido debido al aire que
sale del canal de aire a baja presión. Controlando los
dispositivos/válvulas de regulación de caudal 6, las cámaras de
presión 1 situadas debajo de la superficie porosa del álabe 3 o
debajo de la(s) ranura(s) 4 se conectan con el canal
de baja presión o con el canal de alta presión, creándose aspiración
o soplado en la superficie del álabe 2, respectivamente. Asimismo,
la cantidad de aspiración/soplado se controla mediante dichos
dispositivos/válvulas de regulación de caudal 6.
\vskip1.000000\baselineskip
La lista siguiente de los documentos mencionados
por parte del solicitante ha sido realizada exclusivamente a fin de
informar al lector y no forma parte del documento de patente
europeo. Ha sido elaborada con mucho esmero; sin embargo, la Oficina
Europea de Patentes no asume ninguna responsabilidad en el caso de
errores u omisiones eventuales.
\bullet US 2004057828 A
\bullet GB 2186033 A
\bullet WO 0050778 A
Claims (20)
1. Turbina eólica que comprende un rotor con un
cubo (10) y álabes de turbina (2) y que asimismo comprende un
sistema de control de capa límite para dichos álabes, en la que se
disponen múltiples cámaras de presión (1) en el álabe distribuidas a
lo largo de su longitud, de modo que cada cámara de presión se
comunica con el exterior del álabe a través de una o más aberturas
correspondientes (4) en la superficie exterior del álabe de la
turbina, caracterizada porque asimismo en el interior del
álabe se extienden un canal de aspiración (8) y un canal de soplado
(5) a para conferir una presión negativa y una sobrepresión,
respectivamente, a la cámara de presión, estando conectada cada
cámara de presión con por lo menos uno de dichos canales a través de
una vía de paso de aire en la que se dispone una válvula accionable
activamente (6) que está conectada con una unidad de control, a fin
de poder comunicar selectivamente dicha cámara de presión con
dicho(s) canal(es) o cortar la comunicación, y de este
modo poder soplar aire hacia el exterior de la cámara de presión o
inyectar aire en dicha cámara a través de la(s)
correspondiente(s) abertura(s) en la superficie del
álabe.
2. Turbina eólica según la reivindicación 1, en
la que las aberturas de la superficie exterior del álabe están
dispuestas de modo que si durante el funcionamiento se sopla aire
hacia fuera, el flujo de aire a lo largo de la superficie del álabe
queda perturbado.
3. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 2, en la que las aberturas de la superficie
exterior del álabe están dispuestas de modo que durante el
funcionamiento el aire circula hacia el interior de la cámara de
presión o sale de la misma en una dirección esencialmente
perpendicular a la superficie exterior en dicho punto.
4. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, de modo que las aberturas de la
superficie exterior están situadas en el extradós (parte posterior o
lado de aspiración) del álabe en la zona del borde de escape.
5. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, de modo que la superficie exterior en
la que se disponen las aberturas está formada por una estructura
porosa (3) y por lo tanto las aberturas comprenden poros de dicha
estructura porosa.
6. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, de modo que se proporcionan unos medios
de medición en los álabes de la turbina, conectados con la unidad de
control y adaptados para medir la desviación de los álabes y la
solicitación de su material, a fin de determinar las condiciones de
la carga que actúa sobre los álabes de la turbina.
7. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que las válvulas son válvulas de
regulación de caudal.
8. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, de modo que las válvulas dispuestas
entre
la(s) cámara(s) de presión y los canales se diseñan de modo que se produce el soplado pasivo en el caso de una avería eléctrica o de un fallo de un sistema de inclinación posiblemente existente.
la(s) cámara(s) de presión y los canales se diseñan de modo que se produce el soplado pasivo en el caso de una avería eléctrica o de un fallo de un sistema de inclinación posiblemente existente.
9. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que el canal de aspiración está
conectado con un dispositivo de aspiración (7).
10. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que el canal de soplado está
conectado con un dispositivo de soplado (7).
11. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en la que el canal de soplado está abierto
en su extremo en una zona (9) del cubo del rotor, de modo que por
rotación del rotor se origina una sobrepresión en el canal de
soplado por la fuerza centrífuga.
12. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, 10 y 11, en la que el canal de aspiración de
aire está abierto en la zona del extremo (9) del álabe, de modo que
por rotación del rotor se origina una presión negativa en el canal
de aspiración por la fuerza centrífuga.
13. Turbina eólica según la reivindicación 12,
de modo que en la zona del extremo del álabe, la abertura, la
velocidad de soplado y/o el ángulo de soplado pueden ser fijos o
variables, a fin de minimizar la generación de sustentación y/o
ruido debido al aire que sale del canal de aspiración.
14. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, de modo que el aire que penetra en el
canal de soplado procedente del cubo del rotor o que sale de dicho
canal de soplado en dirección hacia el dicho cubo del rotor se
conduce en calidad de un fluido refrigerante por los componentes
electrónicos y mecánicos dispuestos en la turbina, por ejemplo una
transmisión, un alternador y/o un controlador.
15. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que las cámaras de presión
presentan un volumen reducido, de modo que se evita el retardo en la
respuesta al cambiar de aspiración a soplado y viceversa.
16. Turbina eólica según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en la que el sistema de control de capa
límite se combina con un sistema de control de la inclinación de los
álabes.
17. Procedimiento para controlar la carga que
actúa sobre un álabe de una turbina eólica, en el que se emplea una
turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores.
18. Procedimiento según la reivindicación 17, en
el que el control de las válvulas se basa en un modelo matemático,
que puede ser una función de la velocidad de rotación del álabe de
la turbina eólica, de la velocidad del viento, del ángulo de ataque
del álabe, de la potencia instantánea producida por la turbina
eólica, del momento instantáneo de fuerzas sobre el eje de la
turbina y/o de un dispositivo que permita predecir rachas de
viento.
19. Procedimiento según la reivindicación 17, en
el que la solicitación del material del álabe de la turbina debido a
la carga aerodinámica que actúa en dicho álabe se mide en uno o más
puntos de dicho álabe y la apertura de las válvulas se controla
instantáneamente basándose en las mediciones locales de la
solicitación del material del álabe.
20. Procedimiento según la reivindicación 17, en
el que la deflexión del álabe de la turbina debido a la carga
aerodinámica que actúa en dicho álabe se mide en uno o más puntos, y
la apertura de las válvulas se controla instantáneamente basándose
en las mediciones locales de la deflexión del álabe de la
turbina.
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