ES2586662T3 - Sistema eólico para convertir energía a través de una turbina de eje vertical accionada por medio de cometas - Google Patents

Sistema eólico para convertir energía a través de una turbina de eje vertical accionada por medio de cometas Download PDF

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Abstract

Un sistema eólico para la conversión de energía que comprende: - al menos una cometa (1) que puede ser accionada desde el suelo, inmersa en al menos una corriente de viento W; - una turbina (2) eólica de eje vertical colocada a nivel del suelo, estando dicha turbina (2) eólica equipada con al menos un brazo (3) conectado a través de dos cuerdas (4) a dicha cometa (1), estando dicha cometa (1) adaptada para ser accionada a través de dicha turbina (2) para girar dicho brazo (3) y realizar dicha conversión de energía eólica en energía eléctrica a través de al menos un sistema generador/motor (15a, 15b) que funciona como generador y que coopera con dicha turbina (2), estando dichas cuerdas (4) adaptadas tanto para transmitir energía mecánica desde y hasta dichas cometas (1) y para el control de una trayectoria de vuelo de dichas cometas (1), caracterizado porque dicho brazo (3) de dicha turbina (2) eólica comprende un sistema (10) de enrollado y desenrollado de dichas cuerdas (4), comprendiendo dicho sistema (10) de enrollado y desenrollado de dichas cuerdas (4) al menos dos pares de canales (38) enfrentados empujados por los pistones (39) dentro de cada uno de las cuales una de dichas cuerdas (4) se inserta.

Description

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con un multiplicador adecuado a fin de aumentar la velocidad de rotación de entrada;
-el accionamiento de muchos generadores a través de un sistema de engranajes que se caracteriza por una rueda que se engrana con muchos piñones, uno para cada generador, con la función de multiplicar y arrastrar muchos sistemas de generación.
La disposición alternativa a la colocación del generador 15a en el centro de la turbina 2 eólica solamente puede aplicarse si los brazos 3 de la turbina 2 descansan en el suelo por medio de carros de amortiguación 20 que funcionan en soporte elástico. En tal caso, los generadores 15b pueden ser colocados directamente junto a los carros 20 y ser accionados por la rotación de las ruedas 21. Por ejemplo, se puede pensar en proporcionarle a cada carro 20 cuatro generadores 15b, dos para cada rueda 21, dispuestos uno en cada parte. En caso de adoptarse esta disposición, es necesario que la estructura cuente con un colector para la transferencia de la energía eléctrica a partir de la parte giratoria de la turbina 2 eólica a la parte fija.
Esta disposición proporciona las siguientes ventajas con respecto a las anteriores:
-dimensionando adecuadamente el diámetro de las ruedas 21 de los carros 20 y la distancia de las ruedas 21 desde el centro de la turbina eólica 2, la velocidad de rotación angular de las ruedas es mayor que la velocidad de la turbina 2.
Esto es obviamente una ventaja con respecto a las dimensiones de los generadores 15b para la producción de electricidad;
-cuando los generadores 15b se montan en los carros de amortiguación 20, la rigidez requerida para los brazos 3 de la turbina 2 es menor, ya que el torque motriz se descarga al lado del punto en que se genera y, por tanto, el torque de flexión en los brazos 3 es menor. La menor rigidez se traduce en un menor peso de los brazos 3 y por lo tanto menos disipación de energía debido a la inercia (en el arranque) y sobre todo en menores costes de fabricación para la estructura.
En la turbina 2 eólica a la que se refiere la presente invención, los generadores/motores 15a o 15b también funcionan como motores, puesto que determinan la rotación de los brazos 3 durante el arranque, con el fin de hacer que el asenso de las cometas 1 sea más fácil.
También los generadores/motores 15a o 15b son accionados por el sistema de control inteligente y la turbina 2 eólica puede ser equipada con un número variable de generadores/motores 15a o 15b, también de acuerdo con el hecho de que están montados en el sistema de soporte de los brazos 5b o colocados en el centro de la turbina 2.
El sistema de control inteligente es el sistema a través del cual se accionan automáticamente las cometas 1. La tarea principal de este componente consiste, entre otras cosas, en el control y accionamiento de forma automática del vuelo de cada cometa 1 mediante el accionamiento del funcionamiento de los motores de los cuales depende la rotación de los primero y segundo cabrestantes 11 y 13, respectivamente, de los sistemas de enrollado y desenrollado 10 de las cuerdas 4 y de los sistemas de almacenamiento 12. Obviamente, cada cometa 1 es accionada independientemente de las otros, pero de todos modos evitando que pueden ocurrir interferencias durante el vuelo.
El control automático del vuelo de una sola cometa 1 realizado por el sistema de control inteligente se lleva a cabo por medio de algoritmos de control predictivo implementados por medios de procesamiento del sistema de control inteligente mismo a través del cual se acciona la cometa 1 con el fin de evitar oscilaciones, controlando la inestabilidad y la tracción mecánica máxima. Se predice la trayectoria recorrida por las cometas 1 con el fin de optimizar la energía producida durante un ciclo de funcionamiento con la máxima seguridad, bajo el máximo cumplimiento de las especificaciones dinámicas y minimizando el tiempo necesario para pasar de la posición real a la prevista.
El accionamiento automático de una sola cometa 1 se produce por medio de un proceso en tiempo real que recibe y procesa la información procedente del conjunto de sensores de tierra y a bordo de la cometa 1. A bordo de la cometa 1, podría ser necesario el procesamiento previo de los datos detectados por el conjunto de sensores, a fin de no sobrecargar la comunicación inalámbrica. La información que ingresa está relacionada con la posición en el espacio de la cometa 1, con aceleraciones, con fuerzas (por ejemplo, la carga de la cuerda determinada por la lectura de los torques del motor) y con cantidades definidas geométricamente. El proceso procesa dichas entradas a través de los algoritmos de predicción y produce una salida que acciona los motores 36 y 41 conectados a los primeros cabrestantes 11 y 13.
El procesamiento de la información de entrada requiere de un intervalo de tiempo que es proporcional al tiempo que toma el análisis de los datos. Al minimizar el tiempo de dicho intervalo, se reduce el retardo con el que se acciona la
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sistema eólico como el descrito anteriormente.
En general, el proceso de acuerdo con la presente invención, que integra el proceso de conversión de energía a partir de energía eólica con energía eléctrica promulgada a través del sistema eólico de acuerdo con la presente invención, comprende cuatro etapas que se repiten cíclicamente durante la operación de sistema eólico. Con referencia a manera de ejemplo a un solo brazo 3 de la turbina 2, durante los tres primeros pasos del proceso de acuerdo con la presente invención, la rotación del brazo 3 es debida a la energía eólica sustraída del viento por medio de las cometas 1 conectadas a dicho brazo 3. Por consiguiente, el sistema de control inteligente guía la cometa 1 conectada al brazo 3 de tal manera que la energía eólica que es posible sustraer del viento tiene una compatibilidad máxima con la necesidad de mantener las dos cuerdas 4 tanto como sea posible en forma perpendicular al brazo 3 durante toda la etapa. De hecho, entre más tangenciales las cuerdas 4 con el arco de la circunferencia seguida por el extremo externo del brazo 3, mayor es el componente útil de la fuerza de tracción con el fin de generar el momento que hace que el brazo 3 gire. El hecho de que las cuerdas 4 se mantengan perpendiculares al brazo 3 de la turbina 2 implica que el sistema de control acciona la cometa 1 con el fin de aprovechar principalmente la fuerza de sustentación, a saber, el componente de la fuerza que es perpendicular a la velocidad del viento. De tal manera que, la cometa 1 avanza cepillando la superficie enfrentada al viento. El viento hace avanzar entonces la cometa 1 tensionando las cuerdas 4 conectadas al brazo 3 de la turbina 2: este efecto de arrastre hace que el brazo 3 gire y produzca energía eléctrica por medio de los generadores/motores 15a o 15b dependiendo de los generadores accionados por dicha rotación, a través de la posible interconexión de los reductores. Hay que recordar que los brazos 3 de la turbina 2 se debe considerar que hacen parte de un solo cuerpo rígido ya que están limitados a un solo eje central giratorio 16. Esto significa que la energía eólica disponible para la conversión en energía eléctrica en un instante dado del ciclo de operación, está dada por la suma de las contribuciones de todos los brazos 3.
En cambio la cuarta etapa del proceso de acuerdo con la presente invención, ocurre en el área del viento descendente. El sistema de control inteligente acciona la cometa 1 con el fin de cruzar rápidamente dicha área sin producir ningún efecto de frenado sobre el brazo 3 de la turbina 2. En particular, no sólo el sistema de control inteligente guía a la cometa 1 con el fin de girar el brazo 3, sino, durante dicha etapa, esta presente aún un efecto de arrastre por parte de las cometas 1 (incluso si es poco eficiente). La rotación del brazo 3 examinado durante dicha etapa, por lo tanto se produce, sobre todo, debido al efecto de rotación de los brazos 3 de la turbina 2 que están en los otros tres pasos, y por lo tanto se debe a la energía eólica sustraída al viento por medio de las cometas 1 conectadas a los otros brazos 3.
Con referencia particular a la figura 16 que muestra una trayectoria potencial seguida durante un ciclo de operación estándar del sistema eólico de acuerdo con la presente invención y suponiendo que la dirección de la velocidad del viento W y el sentido de rotación indicada por la flecha R de la turbina 2 se mantienen constantes, se centra la atención en un solo brazo 3 de la turbina, las cuatro etapas que componen el proceso de acuerdo con la presente invención, designado respectivamente a través de las cajas discontinuas a, b, c y d que delimitan las diferentes áreas de espacio en el que la cometa 1 está, dependiendo de la dirección de la corriente de viento W en la cual está inmerso, son los siguientes:
a) durante dicha etapa las cometas 1 proceden transversalmente con respecto a la dirección del viento W (caja a en la figura 16). El viento por lo tanto, sopla transversalmente con respecto a la dirección de avance de la cometa. La longitud de las secciones de cuerda desenrolladas aumenta ya que las cometas 1 se alejan del brazo 3 de la turbina
2. Al comienzo de la etapa, el efecto de arrastre de la cometa 1 se utiliza para levantar el contrapeso del sistema correspondiente de acumulación de energía 9. Esto ocurre por el aprovechamiento de la misma carga de las cuerdas 4 y evitando que los segundos cabrestantes 13 del sistema 12 de almacenamiento de las cuerdas 4 giren. De esta manera, se acumula la energía potencial gravitacional, que será retornada en la siguiente etapa cuarta de viento descendente, cuando ocurre un giro en azimut, para compensar la disminución repentina de la carga de la cuerda. En esta etapa es necesario por lo tanto controlar la trayectoria de vuelo de la cometa 1, preferiblemente a través del sistema de control inteligente, de modo que la cometa 1 proceda transversalmente con respecto a la dirección del viento W, tensionando por lo tanto la cometa 1 las cuerdas 4 conectadas al brazo 3 de la turbina eólica 2, girando en consecuencia el mismo brazo 3 debido al efecto de arrastre y alejándose del brazo 3 de la turbina eólica 1, haciendo que el contrapeso 35 del respectivo sistema de acumulación de energía 9 se eleve;
b) durante dicha etapa, la cometa 1 procede a lo largo de la misma dirección W en la que sopla el viento (caja b en la fig. 16). En dicha etapa, se aprovecha que la resistencia de la cometa 1 se suma para aprovechar la elevación de la cometa 1. Esto hace que la velocidad de la cometa 1 sea mayor que la velocidad del viento y, con el fin de aprovechar el efecto de arrastre, es necesario enrollar parcialmente las cuerdas 4. A pesar de dicha recuperación, incluso durante esta etapa, el balance energético es positivo. En dicha etapa, por lo tanto es necesario controlar la trayectoria de vuelo de la cometa de manera que proceda a lo largo de la misma dirección en la que sopla el viento, la cometa 1, por lo tanto, tensiona las cuerdas 4 conectadas al brazo 3 de la turbina 2 eólica haciendo girar el mismo brazo 3 debido a su efecto de arrastre, y haciendo que la cometa 1 aproxime el brazo 3 de la turbina 2 eólica enrollando las cuerdas 4 a través de los primeros cabestrantes 11 de los primeros motores eléctricos 36 sin disminuir el contrapeso 35 del respectivo sistema de acumulación de energía 9;
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