ES2581322T3 - Turbina eólica marítima flotante que incluye un sistema de estabilización activo en inclinación de la góndola - Google Patents

Turbina eólica marítima flotante que incluye un sistema de estabilización activo en inclinación de la góndola Download PDF

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Abstract

Turbina eólica que incluye una góndola (1) instalada sobre un mástil (2) soportado mediante un soporte flotante, caracterizada por que la góndola está articulada con relación a dicho mástil en un plano vertical y porque incluye unos medios de corrección de la inclinación de la góndola, unos medios de regulación automática de dichos medios de corrección en función de captadores de detección de los valores de corrección, siendo síncronos dichos medios de regulación con los movimientos del soporte flotante y estando configurados para mantener la góndola permanentemente orientada según el eje real del viento detectado en inclinación y en azimut, y porque dicha góndola está articulada y suspendida sobre un árbol horizontal.

Description

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DESCRIPCION
Turbina eolica mantima flotante que incluye un sistema de estabilizacion activo en inclinacion de la gondola
El objeto de la presente invencion se refiere a las turbinas eolicas instaladas en el mar sobre un soporte flotante y mas particularmente a los sistemas de mantenimiento del eje de rotacion de las palas segun una direccion impuesta con relacion a la direccion real del viento, para todos los movimientos del soporte de la turbina eolica, es decir el mastil y su soporte flotante.
En el caso de una turbina eolica estandar, la gondola puede llevar tres palas (por ejemplo de una longitud de aproximadamente 60 m) fijadas a un rotor que hace girar, por medio de un reductor de velocidad, un generador electrico y unos accesorios tales como un sistema de orientacion de las palas, unos transformadores electricos, un sistema hidraulico, la ventilacion. La estructura de la gondola reposa sobre una corona de orientacion, a su vez soportada por el mastil.
La gondola esta permanentemente orientada en azimut para tener el plano de rotacion de las palas enfrentado al viento. Para ello la gondola es movil en rotacion con relacion al eje del mastil, mediante la traccion de uno (o varios) engranajes motorizados, que cooperan con una corona dentada. El conjunto de una gondola puede pesar del orden de 200 a 300 toneladas.
El mastil, de una altura de alrededor de 100 m, que soporta la gondola reposa sobre un soporte flotante mantenido y sustancialmente estabilizado mediante unas lmeas de anclaje, en el caso de profundidades de agua superiores a 100 m.
La gondola de la turbina eolica esta sometida a numerosas fuerzas y solicitaciones ligadas a la velocidad del viento. Esto se traduce en un empuje sobre las palas soportado por un apoyo giratorio que tiene su parte movil solidaria con el eje del rotor.
Esta fuerza de empuje, o fuerza axial, orientada segun la direccion del viento, tiene un valor que depende del angulo de cada pala (“pitch”) con relacion a la direccion del viento.
En el caso de turbina eolica sobre soporte flotante, el soporte flotante esta sometido a diferentes fuerzas que proceden de los efectos combinados del viento, de las olas, de las corrientes marinas, de las lmeas de anclaje, de los efectos del mastil sobre el soporte flotante, de su inclinacion y de su flexion por las fuerzas aplicadas debidas al viento y a la gondola.
El sistema “turbina eolica sobre soporte flotante” esta sometido a un conjunto de fuerzas complejas que actuan segun diferentes direcciones, que tienen diferentes valores, estaticas, periodicas, aperiodicas. Estas fuerzas, ligadas e interdependientes, proceden de los efectos del viento sobre las palas y la gondola, el mastil, el soporte flotante, unas lmeas de anclaje y unos efectos del viento, unas olas y unas corrientes sobre este soporte flotante.
Es la direccion del viento la que impone la direccion de la fuerza axial aplicada al rotor puesto que el plano de rotacion de las palas debe estar orientado permanentemente perpendicular a la direccion del viento, y ello para tener una absorcion maxima de la energfa del viento para un mejor rendimiento o eficacia.
La direccion del viento en el espacio puede definirse por dos angulos:
- el angulo de inclinacion que forma la direccion del viento con relacion al plano horizontal tomado como referencia y
- el angulo de azimut que forma, en este mismo plano horizontal, la direccion del viento con la direccion del campo magnetico terrestre tomado como referencia.
Las turbinas eolicas convencionales actualmente utilizadas en tierra o en el mar sobre soporte fijo o flotante, incluyen una gondola movil en rotacion segun un eje del mastil pudiendo estar orientada en azimut. Pero, ninguna turbina eolica incluye unos medios activos de control de la inclinacion de la gondola con relacion a la referencia horizontal en funcion de los desplazamientos periodicos debidos a la flotacion del soporte, o las variaciones de direccion del viento.
De ese modo, la presente invencion se refiere a una turbina eolica.
La gondola puede estar articulada alrededor de un arbol horizontal y reposar sobre un apoyo en sector circular centrado sobre el eje de dicho arbol.
La gondola puede incluir un sistema de transferencia de masa de manera que se desplace el centro de gravedad del conjunto suspendido.
Una masa puede transferirse sobre un deslizador.
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Una masa Kquida puede transferirse por bombeo.
El sector circular puede incluir un sistema dentado que coopera con un pinon motorizado segun los medios de regulacion automatica.
La gondola puede incluir unos medios de desplazamiento del punto de articulacion de manera que desplace el centro de gravedad del conjunto suspendido, con relacion al mastil.
La invencion se comprendera mejor y surgiran mas claramente sus ventajas tras la lectura de los siguientes ejemplos del presente documento, en ningun caso limitativos e ilustrados por las figuras adjuntas en el presente documento a continuacion, entre las que:
- la figura 1 muestra esquematicamente una turbina eolica mantima,
- las figuras 2 y 3 muestran esquematicamente dos modos de realizacion,
- la figura 4 muestra el principio de la gondola articulada y soportada por su base,
- las figuras 5 y 6 muestran esquematicamente la transferencia de masa de equilibrado,
- las figuras 7 y 8 muestran esquematicamente unos medios de desplazamiento del centro de gravedad del conjunto suspendido.
El objeto de la presente invencion se refiere a la estabilizacion activa de la gondola de una turbina eolica por medio de actuadores para mantenerla en permanencia orientada segun el eje real del viento detectado en inclinacion y en azimut.
La gondola es solidaria con el mastil y con el soporte. Para ello la orientacion de la gondola segun el eje real del viento debe hacerse para todos los angulos de inclinacion y de azimut del mastil y para todos los movimientos periodicos o aperiodicos, de amplitudes variables, movimientos ligados a la flexibilidad del mastil y al desplazamiento de su soporte, en particular flotante.
La figura 1 muestra esquematicamente una turbina eolica mantima en la que la gondola 1 soportada por el mastil 2, oscila en un angulo a siguiendo la oscilacion del soporte flotante 3 amarrado por unas lmeas de anclaje 4. El objeto de la presente invencion es equipar a la gondola con un sistema de correccion del plano de rotacion de las palas soportadas por la gondola, continuamente en funcion de las oscilaciones del soporte flotante, o de las flexiones del mastil.
Las figuras 2 y 3 muestran esquematicamente dos modos de realizacion, en su principio.
La figura 2 muestra el principio del pendulo invertido, estando soportada la gondola 1 por una cuna 5 en equilibrio inestable sobre un arbol de rotacion 6 situado por debajo del centro de gravedad del conjunto movil, es decir de la gondola y de la cuna. Unos medios de activacion 7a y 7b, o 9a y 9b, representados por unas flechas, controlan la posicion del eje 8 de la gondola, con relacion a una referencia.
La figura 3 muestra el principio del pendulo suspendido, o balancm, en el que la gondola esta suspendida sobre un arbol de rotacion en suspension 11. Unos medios de activacion 10a y 10b, representados por unas flechas, controlan la posicion del eje 8 de la gondola, con relacion a una referencia.
Para estos dos principios, los medios de activacion estan adaptados para actuar dinamicamente para la estabilizacion de la gondola de manera que efectuen unas correcciones sincronizadas con la frecuencia de las oscilaciones.
Las direcciones de referencia; inclinacion y azimut con relacion, respectivamente a la horizontal y al Norte magnetico, vienen dadas por unos captadores convencionales. Ademas, otros captadores de medida de tipo inclinometro y acelerometro de tres ejes dispuestos sobre la parte movil (gondola) y el soporte oscilante (mastil), veleta, o medidas mediante un haz laser para la localizacion de la direccion del viento, la medicion de la velocidad del viento, las medidas de temperatura y presion, estan acoplados al sistema de control de mando automatico de los medios de activacion de la estabilizacion estatica o dinamica de la gondola con relacion al mastil.
La figura 4 muestra otro modo de realizacion en el que el principio se asemeja al de una gondola suspendida por un arbol de rotacion, pero se completa mediante el soporte inferior en la gondola que permite repartir mejor las cargas y de ese modo aguantar el peso de la gondola sin hacer trabajar el eje de rotacion 12.
En la figura 4, la gondola es sostenida por un arbol 12 que permite una regulacion de la inclinacion. Una parte de corona 13 solidaria con la gondola reposa sobre una parte de corona 14 solidaria con el extremo del mastil 2 por medio de una corona de orientacion en azimut 15. Unos rodillos intercalados entre las dos coronas permiten el desplazamiento relativo entre las dos coronas durante una variacion de inclinacion, en tanto soportan los esfuerzos de compresion debidos al peso de la gondola y de las palas. La corona 13 ligada a la gondola incluye unos dientes
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Por supuesto, pueden utilizarse otros medios mecanicos al alcance del experto en la materia para hacer girar la parte movil con relacion a la parte fija.
En lo que se refiere al modo de realizacion pendular, se pueden concebir dos sistemas de estabilizacion, acoplados o utilizados simultaneamente:
- Unos medios de estabilizacion “estaticos” que utilizan el principio de equilibrado del peso de la gondola sometida a diferentes fuerzas aplicadas como el efecto de empuje del viento sobre las palas. Esta estabilizacion estatica utiliza el efecto de la fuerza de gravedad sobre un pendulo. Como complemento, unos sistemas adaptativos pueden desplazar el centro de gravedad de la gondola para, o bien compensar unas fuerzas externas variables (viento, efectos giroscopicos,...), o bien permitir tener un tiempo de respuesta suficientemente rapido del sistema automatico de regulacion.
Las figuras 5 y 6 ilustran dos medios de estabilizacion denominados “estaticos”. La figura 5 muestra la transferencia de una masa 17 vinculada a la gondola 1, sobre un carril o equivalente 18. Esta masa modifica la posicion del centro de gravedad con relacion al eje del arbol de rotacion, lo que proporciona un brazo de palanca que desarrolla un par de recuperacion. La frecuencia del desplazamiento de la masa de equilibrado 17 es por tanto sustancialmente del mismo orden que la frecuencia de las oscilaciones que debe compensar. La figura 6 esta en el mismo principio, pero la masa transferida es un volumen de lfquido desplazado por bombeo entre dos depositos 19 y 20.
Las figuras 7 y 8 muestran el principio en el que el conjunto suspendido, gondola y palas, se desplaza sobre un carril 21 segun un eje paralelo al rotor, relativamente al eje de rotacion vinculado al mastil. El desplazamiento de la gondola segun este eje desplaza su centro de gravedad con relacion a su eje de rotacion. De ese modo, es toda la masa de la gondola la que contribuye a su posicionamiento y no ya una masa adicional anexa, solida o lfquida, a desplazar. La figura 7 muestra la variante articulada suspendida y la figura 8 muestra la variante articulada inestable.
- Unos medios de estabilizacion “dinamicos” mediante unos gatos hidraulicos, unos gatos electricos, o mediante unos sistemas electromecanicos de engranajes de cremallera o pinones sobre coronas. Un objetivo es utilizar un mmimo de potencia para corregir los movimientos en inclinacion periodicos de la gondola con relacion al mastil, siendo los movimientos de la gondola de tipo periodico o aperiodico con unas amplitudes angulares limitadas.
Se observa que el eje de rotacion de la gondola puede estar desplazado, hacia adelante o atras, con relacion al centro de gravedad de la gondola. En efecto, el empuje del viento tiene tendencia a hacer flexionar el mastil en la direccion opuesta a la del viento, el eje de rotacion de la gondola puede estar desplazado, posicionado ligeramente por detras del centro de gravedad de la gondola para permitir a la gondola en ausencia de viento inclinarse naturalmente por la accion del peso de la gondola.
Las ventajas de esta invencion pueden ser principalmente:
- la gondola es estandar conteniendo el multiplicador de velocidad y el generador,
- utilizacion de la fuerza giroscopica de rotacion de las palas por el viento segun una direccion vertical (alto o bajo),
- utilizacion del efecto pendular directo o inverso segun la variante propuesta,
- correccion continua de la inclinacion, con unos medios que necesitan poca potencia.
El eje del arbol de rotacion de la gondola esta preferentemente relativamente proximo al eje del rotor de la gondola.
El rotor es el eje de arrastre de las palas, el rotor esta unido, en el caso general, al multiplicador de velocidad y al generador. La fuerza de empuje del viento sobre el plano de rotacion de las palas, con una superficie de por ejemplo 10.000 m2, es considerable. Esta fuerza de empuje del viento es transmitida por las palas al rotor y a la gondola. Para evitar un par muy grande de rotacion producido por la fuerza axial de empuje sobre el rotor en la distancia entre el eje del rotor y el eje de rotacion de la gondola, debe optimizarse la distancia entre el eje de rotacion de la gondola y el eje del rotor. En presencia de viento, la fuerza de empuje del viento tiene tendencia a hacer inclinar el mastil en oposicion a la direccion del viento y por tanto a hacer levantar la parte delantera de la gondola. Cuando la gondola es movil alrededor de su eje de rotacion y segun la opcion mantenida este eje de rotacion se situa por encima del eje del rotor, el par de rotacion aplicado por la fuerza de empuje del viento sobre la eje del rotor tiene tendencia a hacer bajar la parte delantera de la gondola para volverla a situar segun el eje del viento.
La optimizacion del punto de rotacion de la gondola axial y radialmente con relacion a su centro de gravedad y con relacion al eje de rotacion del rotor reducira los esfuerzos de correccion a aplicar para mantener la gondola horizontal.

Claims (7)

  1. 5
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    20
    25
    REIVINDICACIONES
    1. Turbina eolica que incluye una gondola (1) instalada sobre un mastil (2) soportado mediante un soporte flotante,
    caracterizada por que la gondola esta articulada con relacion a dicho mastil en un plano vertical y porque incluye unos medios de correccion de la inclinacion de la gondola, unos medios de regulacion automatica de dichos medios de correccion en funcion de captadores de deteccion de los valores de correccion, siendo smcronos dichos medios de regulacion con los movimientos del soporte flotante y estando configurados para mantener la gondola
    permanentemente orientada segun el eje real del viento detectado en inclinacion y en azimut, y porque dicha
    gondola esta articulada y suspendida sobre un arbol horizontal.
  2. 2. Turbina eolica segun la reivindicacion 1, en la que la gondola esta articulada alrededor del arbol horizontal y reposa sobre un apoyo de sector circular centrado sobre el eje de dicho arbol.
  3. 3. Turbina eolica segun la reivindicacion 2, en la que la gondola incluye un sistema de transferencia de masa de manera que el centro de gravedad del conjunto suspendido se desplace.
  4. 4. Turbina eolica segun la reivindicacion 3, en la que se transfiere una masa sobre un deslizador.
  5. 5. Turbina eolica segun la reivindicacion 3, en la que se transfiere una masa de lfquido por bombeo.
  6. 6. Turbina eolica segun la reivindicacion 2, en la que el sector circular incluye un sistema dentado que coopera con un pinon motorizado segun los medios de regulacion automatica.
  7. 7. Turbina eolica segun la reivindicacion 1, en la que la gondola incluye unos medios de desplazamiento del punto de articulacion de manera que el centro de gravedad del conjunto suspendido se desplace con respecto al mastil.
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