ES2605421T3 - Sistema y procedimiento de producción de energía eólica en vuelo - Google Patents

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Abstract

Sistema de producción de energía eléctrica a partir del viento (50), el cual comprende un planeador (10) teniendo dicho planeador (10) un plano (14) de sustentación, medios de pilotaje de a bordo con superficies (20, 22, 24) de control para ejercer aerodinámicamente un momento torsor en el planeador para cabeceo, balance y guiñada del planeador (10) cuando se encuentra en vuelo, un medio (64) de control de vuelo para operar los medios (20, 22, 24) de pilotaje y un medio de conexión para un cable (44) de sujeción, comprendiendo el sistema además una estación (40) en tierra, comprendiendo dicha estación (40) en tierra un carrete (42) para el cable (44) de sujeción, una máquina (46) eléctrica rotativa conectada al carrete (42) y un medio (66) de control de la estación en tierra para operar el carrete (42) y la máquina (46) eléctrica rotativa, y comprendiendo el sistema además un medio (62) de control principal para operar el sistema en al menos dos modos de operación alternativos, en el que un primer modo de operación del sistema está previsto para producción de energía eléctrica con la máquina (46) eléctrica rotativa a partir de la rotación del carrete (42) inducido al desenrollarse el cable (44) de sujeción usando una fuerza de elevación generada al exponer el plano (14) de sustentación del planeador (10) en vuelo al viento (50), y en el que un segundo modo de operación del sistema está previsto para recuperación del sistema al accionar el carrete (42) con la máquina (46) eléctrica rotativa, enrollando por tanto el cable (44) de sujeción sobre el carrete (42).

Description

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DESCRIPCION
Sistema y procedimiento de produccion de ene^a eolica en vuelo
La invencion se refiere a un sistema de produccion de energfa electrica a partir del viento. La invencion se refiere ademas a un procedimiento para operar un sistema de produccion de energfa electrica a partir del viento. La invencion tambien se refiere a un planeador para un sistema de produccion de energfa electrica a partir del viento y el uso de un planeador para la produccion de energfa electrica a partir del viento.
La produccion de energfa electrica a partir del viento se lleva a cabo generalmente mediante planos de sustentacion o estructuras con perfil aerodinamico, los cuales producen fuerzas de sustentacion al ser expuestos al viento. De esta manera, se extrae energfa del viento, la cual puede ser convertida en electricidad, por ejemplo mediante la explotacion de dichas fuerzas de elevacion para accionar un generador electrico. Las turbinas eolicas bien conocidas comprenden por ejemplo un rotor con palas de rotor perfiladas aerodinamicamente, en donde la sustentacion de las palas de rotor provocan que el rotor rote. El rotor esta unido a un generador electrico, el cual esta ubicado a modo de ejemplo en la parte superior de una torre, de produccion de electricidad.
Con la finalidad de explorar fuentes energeticas en altitud por encima de algunos cientos de metros sobre el suelo, en donde el viento medio es mas fuerte y constante debido a menores interacciones perturbadoras con la superficie de la tierra, se ha propuesto usar planos de sustentacion en vuelo. Estos conceptos son frecuentemente referidos como energfa eolica en vuelo o produccion de energfa eolica en vuelo.
El documento WO 2007/139 412 A1 desvela un sistema destinado a emplear recursos eolicos que comprende un grupo de estacion de tierra y un grupo aereo mas ligero que el aire mutuamente conectados mediante un grupo de cables. Ademas, un grupo de control se preve para alterar significativamente el vector de fuerza resultante de fuerzas aerodinamicas que actuan en el grupo aereo y tensan el cable para crear una fase de trabajo y una fase de recuperacion, respectivamente.
El documento US 6 254 034 B1 desvela un barrilete sujetado por cable, el cual viaja en un ciclo cerrado. Mientras el barrilete viaja viento abajo, el mismo es impulsado por el viento y el cable de sujecion es desenrollado de un tambor de molinete que esta conectado de forma rotativa con el rotor de un generador electrico. El rotor del generador electrico gira y produce energfa. El ciclo es completado haciendo que el barrilete viaje viento arriba de vuelta al punto de partida. La energfa neta es ganada cuando la energfa generada durante el viaje viento abajo del barrilete excede la energfa requerida para el regreso viento arriba.
Una opcion para bajo consumo de energfa durante el retorno viento arriba consiste en hacer que el viento sople al barrilete a una elevada altitud al final del viaje viento abajo. El barrilete retorna en este caso en picada viento arriba. Sin embargo, este procedimiento adolece de prolongados tiempos muertos puesto que no se genera energfa durante el ascenso y retorno del barrilete. En consecuencia, el rendimiento integral de energfa es relativamente pobre.
Otra opcion consiste en alterar el angulo de ataque o la superficie de plano de sustentacion equivalente del barrilete al final del viaje viento abajo, reduciendo de esta manera la traccion del barrilete sobre el cable de sujecion. El barrilete es trafdo ahora de vuelta conmutando el generador a operacion motriz, en el que debido a la reducida fuerza de traccion se consume menos energfa que la energfa producida durante el viaje precedente viento abajo. Aqrn, una fraccion de la energfa generada tiene que ser gastada por razones de seguridad, puesto que un vuelo controlable del barrilete requiere una cierta fuerza de traccion en el cable de sujecion.
El problema subyacente de la invencion consiste en proveer produccion de energfa electrica a partir de viento usando un plano de sustentacion en vuelo, en donde en particular el rendimiento energetico integral y/o la seguridad operacional deben ser mejorados con respecto al estado de la tecnica descrito mas arriba.
De acuerdo a la invencion, este problema es resuelto mediante un sistema de produccion de energfa electrica a partir del viento, el cual comprende un planeador que tiene un plano de sustentacion, medios de pilotaje de a bordo con superficies de control para ejercer aerodinamicamente momento torsor en el planeador para cabeceo, balance y guinada del planeador cuando se encuentra en vuelo, un medio de control de vuelo para operar los medios de pilotaje y un medio de conexion para un cable de sujecion, comprendiendo el sistema ademas una estacion en tierra que comprende un carrete para el cable de sujecion, una maquina electrica rotativa conectada al carrete y un medio de control de estacion en tierra para operar el carrete y la maquina electrica rotativa, y comprendiendo el sistema ademas un medio de control principal para operar el sistema en al menos dos modos de operacion alternativos, en el que un primer modo de operacion del sistema esta previsto de produccion de energfa electrica con la maquina electrica rotativa a partir de la rotacion del carrete inducido al desenrollarse el cable de sujecion usando una fuerza de elevacion generada al exponer el plano de sustentacion del planeador en vuelo al viento, y en el que un segundo modo de operacion del sistema esta previsto para recuperacion de sistema al accionar el carrete con la maquina electrica rotativa, enrollando el cable de sujecion sobre el carrete.
Un planeador o velero en terminos de la presente invencion es en particular un aeroplano de ala fija, en el que unos medios de pilotaje de a bordo permiten una maniobrabilidad total de vuelo del planeador alrededor de su eje
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longitudinal, su eje lateral y su eje vertical. En terminos de la invencion, estos tres ejes principales constituyen un sistema de coordenadas cartesianas, en el que el origen de dicho sistema de coordenadas es definido por el centro de gravedad del planeador.
En terminos generales, con referencia a un vuelo recto y nivelado, el eje longitudinal se refiere a la direccion de movimiento, el eje vertical se refiere a la direccion de elevacion y el eje lateral es esencialmente horizontal para completar un sistema de coordenadas cartesianas.
El planeador comprende por ejemplo un fuselaje y un ala principal, en el que el ala principal constituye o comprende un plano de sustentacion. En esta configuracion, el eje longitudinal es esencialmente paralelo al fuselaje, el eje lateral es esencialmente paralelo al ala principal y el eje vertical es perpendicular a los dos ejes longitudinal y lateral. Aquellos entendidos en estas tecnicas apreciaran que el planeador puede tener otra configuracion de aeroplano, por ejemplo un aeroplano de ala delta, con definiciones apropiadas de los ejes principales.
En terminos de la invencion, balance se refiere a la rotacion del planeador alrededor de su eje longitudinal, cabeceo se refiere a la rotacion del planeador alrededor del eje lateral y guinada se refiere a una rotacion del planeador alrededor del eje vertical.
Los medios de pilotaje del planeador comprenden por ejemplo superficies de control para ejercer en forma aerodinamica un momento torsor sobre el planeador alrededor de uno o mas ejes principales del planeador. Estas superficies de control comprenden por ejemplo unos llamados alerones para inducir principalmente balance, unos llamados elevadores para inducir principalmente cabeceo, y un llamado timon para inducir guinada. Sin embargo, aquellos entendidos en estas tecnicas apreciaran que otras superficies de control conocidas en la tecnologfa aeronautica tambien son medios de pilotaje apropiados en terminos de la invencion. En particular, una superficie de control puede inducir una rotacion alrededor de un eje arbitrario que no corresponde a ninguno de los ejes principales del planeador.
Ademas de superficies de control, los medios de pilotaje del planeador comprenden ademas por ejemplo accionadores, tales como motores electricos o sistemas hidraulicos con bombas y cilindros, para mover las superficies de control. Estos accionadores son alimentados por ejemplo por una fuente de energfa a bordo, tal como una batena.
Un planeador provee la ventaja de baja resistencia aerodinamica o rozamiento y una elevada sustentacion aerodinamica debido al ala fija con perfil aerodinamico ngido o plano aerodinamico, respectivamente. Esto es en particular beneficioso debido al hecho de que la energfa extrafda efectivamente del viento depende fuertemente del ascenso y resistencia, en particular del asf llamado coeficiente de planeo.
Puesto que el planeador y el cable de sujecion contribuyen a la resistencia aerodinamica general, se prefiere adicionalmente cuando el cable de sujecion tiene una configuracion o estructura optimizada para reducir la resistencia aerodinamica. Esta puede ser por ejemplo una estructura helicoidal, la cual resulto tener menor resistencia o arrastre aerodinamico que un cable de sujecion con una seccion transversal circular.
Otra ventaja de un planeador es que el vuelo de un planeador es estable aun sin ninguna carga en el cable de sujecion, puesto que un barrilete requiere una cierta traccion ejercida mediante el cable de sujecion para un vuelo estable. En consecuencia, la invencion permite una carga cero de cable de sujecion y un consumo de energfa correspondientemente mmimo durante la recuperacion de sistema en el segundo modo de operacion.
El vuelo del planeador es controlable y estable por sf mismo, en particular sin ninguna conexion con el suelo. Incluso en el caso de falla de sistema, por ejemplo cuando se pierde la carga del generador sobre el carrete o el cable de sujecion se rompe, el planeador puede aterrizar de forma segura. El sistema de acuerdo a la presente invencion provee por lo tanto produccion de energfa electrica particularmente eficiente y segura a partir de la energfa eolica.
Se prefiere que el medio de control de vuelo provea un primer modo de control de vuelo para operacion de vuelo automatizada y un segundo modo de control de vuelo para operacion manual, en particular a traves de una unidad de control remoto con conexion con cables o inalambrica al medio de control de vuelo. Por ejemplo, el primer modo de control de vuelo provee operacion automatizada con rendimiento energetico optimizado, mientras el segundo modo de control de vuelo permite intervencion manual durante mantenimiento y ensayo del sistema, como tambien para intervenciones de emergencia en el caso de fallas. De esta manera, la operacion es simplificada y la seguridad en operacion es incrementada ulteriormente.
Otra realizacion preferida de la presente invencion se caracteriza por el hecho de que el sistema, en particular el planeador, comprende ademas un sensor de velocidad de aire para determinar la velocidad de aire del planeador. En los terminos de la invencion, velocidad aerodinamica se refiere a la velocidad de movimiento o velocidad, respectivamente, del planeador con respecto al aire circundante. En particular, debido a la presencia del viento, la velocidad aerodinamica en general difiere de la velocidad absoluta del planeador con respecto al suelo, es decir la velocidad del planeador con respecto al suelo. El sensor de velocidad aerodinamica es preferiblemente un sensor direccional que provee la magnitud y la direccion de la velocidad aerodinamica del planeador.
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El conocimiento de la velocidad aerodinamica del planeador es particularmente beneficioso para un control optimizado del vuelo, en particular para maximizar la fuerza de sustentacion y el rendimiento energetico medio. Para obtener la mejor precision en la medicion de velocidad aerodinamica, el sensor de velocidad aerodinamica esta dispuesto preferiblemente en el planeador. Alternativamente, el sensor de velocidad aerodinamica tambien puede estar ubicado en el cable de sujecion, en el que la posicion del sensor de velocidad aerodinamica en el cable de sujecion se encuentra preferiblemente proximo al acoplamiento entre el cable de sujecion y el planeador.
En una modalidad de realizacion especialmente preferida de la invencion, el planeador comprende una unidad de control que incorpora el medio de control de vuelo del planeador y el medio de control principal del sistema. De esta manera, la conexion entre el medio de control de vuelo y el medio de control principal es particularmente corta en sentido ffsico, haciendo que la misma sea rapida y robusta contra distorsiones y fallas. En particular, una rapida realimentacion entre las operaciones de vuelo que son mas bien complejas y son influenciadas por condiciones de viento que cambian eventualmente rapidamente, y la operacion del sistema en su conjunto pueden ser establecidas.
Otra modalidad preferida de realizacion de la presente invencion esta caracterizada por el hecho de que el sistema, en particular la estacion en tierra, comprende ademas un sensor de tension para determinar la tension en el cable de sujecion. La tension del cable de sujecion es un buen indicador para la carga general del sistema y puede ser usada por ejemplo como un parametro de entrada para desenrollar de forma controlada el cable de sujecion. El sensor de tension esta dispuesto a modo de ejemplo en la estacion en tierra o integrado en el cable de sujecion, en el que el sensor de tension esta o puede ser conectado preferiblemente al medio de control de la estacion en tierra.
Dicho medio de control de estacion en tierra esta disenado preferiblemente para mantener una tension objetivo predeterminada del cable de sujecion, en particular al desenrollar el cable de sujecion. Por medio de esta medida se puede minimizar el impacto negativo de la carga que es ejercida sobre el planeador a traves del cable, sobre el comportamiento de vuelo del planeador.
El medio de control de estacion en tierra esta disenado preferiblemente para mantener una carga predeterminada durante el enrollado del cable de sujecion. En los terminos de la presente invencion, velocidad de carrete se refiere a la longitud del cable de sujecion que es enrollada o desenrollada en un dado tiempo. De esta manera, la velocidad de carrete esta en particular correlacionada con la velocidad de rotacion del carrete que gira.
Mantener una velocidad predeterminada de carrete, lo cual es llevado a cabo a modo de ejemplo manteniendo una velocidad de rotacion nominal predeterminada del carrete, es muy efectivo para reducir la inflexion del cable de sujecion cuando la fuerza de sustentacion o carga ejercida sobre el cable de sujecion se reduce.
Se prefiere ademas que el cable de sujecion comprenda una lmea de transmision de energfa entre el planeador y la estacion en tierra. De esta manera, se pueden alimentar desde tierra los diferentes sistemas del planeador, tal como circuitos electronicos del medio de control de vuelo o accionadores del medio de control de vuelo. Para casos de emergencia, donde se puede interrumpir la conexion de energfa entre tierra y el planeador, el planeador puede comprender sin embargo una fuente de energfa de capacidad relativamente baja que permita el control y aterrizaje seguro del planeador.
El cable de sujecion comprende preferiblemente una lmea de transmision de datos entre el planeador y la estacion en tierra, por ejemplo para la comunicacion entre el medio de control de vuelo, el medio de control de estacion en tierra y/o el medio de control principal. Adicionalmente, se pueden proveer a modo de ejemplo canales de comunicacion alternativos o redundantes por medio de una transmision inalambrica.
El problema de la invencion es resuelto ademas por un procedimiento para operar un sistema de produccion de energfa electrica a partir del viento de acuerdo con la invencion, comprendiendo dicho sistema un planeador conectado a un cable de sujecion y a una estacion en tierra con un carrete para el cable de sujecion, en el que dicho sistema es operado alternativamente en un primer modo de operacion para generar energfa electrica y un segundo modo de operacion para recuperacion de sistema, en el que el primer modo de operacion comprende
- pilotar el planeador para seguir un primer patron de vuelo, generando para ello una fuerza de elevacion por medio de un ala del planeador expuesta al viento,
- tirar del cable de sujecion por medio de dicha fuerza de elevacion y desenrollar el cable de sujecion, induciendo de esta manera una rotacion del carrete, y
- convertir la rotacion del carrete en energfa electrica, en particular por medio de una maquina electrica rotativa conectada al carrete,
en el que el segundo modo de operacion comprende
- pilotar el planeador para seguir un segundo patron de vuelo para ejercer reducida fuerza de traccion sobre el cable de sujecion y
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- enrollar el cable de sujecion sobre el carrete por accionamiento del carrete, en particular por medio de dicha maquina electrica rotativa conectada al carrete.
El rendimiento energetico integral, es decir, la cantidad de energfa electrica producida a dadas condiciones de viento en cierto tiempo, se optimiza particularmente cuando la fuerza de elevacion generada por el plano de sustentacion es maximizada durante la operacion del sistema en el primer modo de operacion y minimizada durante la operacion en el segundo modo de operacion. El rendimiento energetico es incrementado ulteriormente cuando el tiempo requerido para enrollar el cable de sujecion, es decir, la minima duracion durante la cual el sistema es operado en el segundo modo de operacion, en el cual no se genera energfa electrica, es lo mas corto posible.
Ambos aspectos son optimizados por la invencion debido a las caractensticas beneficiosas del planeador ya mencionado anteriormente. En particular, la maniobrabilidad de un planeador permite un primer patron de vuelo, el cual es en particular un patron de vuelo de elevada sustentacion, en el que el planeador por ejemplo vuela viento abajo con respecto a la estacion en tierra a traves del viento a lo largo de una trayectoria de vuelo, la cual se asemeja por ejemplo a una figura circular o en forma de ocho. Las fuerzas de sustentacion mas elevada se logran generalmente en el caso de vuelos cruzados rapidos del planeador en el viento.
En el segundo patron de vuelo, el cual es en particular un patron de vuelo de baja sustentacion, el planeador es por ejemplo llevado a una trayectoria descendente hacia la estacion en tierra. Aqu la fuerza de traccion sobre el cable de sujecion es reducida y eventualmente llevada a cero. De esta manera, se consume minima energfa para hacer girar el carrete, no requiriendose energfa para jalar el planeador hacia la estacion en tierra. Al mismo tiempo, la velocidad del planeador hacia la estacion en tierra se maximiza, mientras que el tiempo muerto, es decir el tiempo requerido para la recuperacion de sistema, es minimizado.
Preferiblemente el desarrollo del cable de sujecion es controlado para mantener una tension objetivo del cable de sujecion, la cual en particular es predeterminada como una funcion de la velocidad del planeador en el aire (velocidad aerodinamica). La velocidad aerodinamica del planeador es en particular la velocidad del plano de sustentacion con respecto al aire, y por lo tanto es una indicacion para la fuerza de sustentacion generada por el plano de sustentacion. La tension objetivo no precisa ser constante durante el tiempo. Por ejemplo, la velocidad aerodinamica, la cual es una cantidad vectorial y que tiene una magnitud como tambien un componente direccional, cambiara durante el transcurso del patron de vuelo al variar el angulo entre la direccion del vuelo del planeador y la direccion del viento. Tambien los cambios en las condiciones del viento resultan en diferencias en la velocidad aerodinamica.
Tambien se prefiere que el enrollado del cable de sujecion sea controlado para mantener una velocidad objetivo de carrete, la cual es en particular predeterminada como una funcion de la velocidad aerodinamica del planeador. Sin embargo, la velocidad objetivo del carrete tambien puede ser predeterminada a partir de otros datos observables, por ejemplo la velocidad del planeador con respecto al suelo.
El problema subyacente de la invencion es resuelto ademas mediante un planeador de produccion de energfa electrica a partir del viento mediante un sistema segun la invencion que comprende un plano de sustentacion para generar una fuerza de elevacion al exponer el plano de sustentacion al viento, medios de pilotaje de a bordo con superficies de control para ejercer aerodinamicamente momento torsor en el planeador para cabeceo, balance y guinada del planeador que se encuentra en vuelo, un medio de control de vuelo para operar el medio de pilotaje y un medio de conexion para un cable de sujecion, en el que el planeador comprende una unidad de control de a bordo que incorpora el medio de control de vuelo y un medio de control principal para la operacion del sistema en al menos dos modos de operacion alternativos.
El objetivo de la invencion tambien es resuelto mediante el uso de un planeador para generar energfa electrica a partir del viento por medio de un sistema de acuerdo a la invencion y/o llevando a cabo un procedimiento de acuerdo a la invencion, comprendiendo dicho planeador un plano de sustentacion para generar una fuerza de elevacion al exponer el plano de sustentacion al viento, un medio de pilotaje de a bordo con superficies de control para ejercer aerodinamicamente momento torsor en el planeador para cabeceo, balance y guinada del planeador cuando se encuentra en el aire, un medio de control de vuelo para operar el medio de pilotaje y un medio de conexion para un cable de sujecion, en el que dicho planeador es en particular un planeador segun lo descrito mas arriba.
Ulteriores caractensticas de la invencion se haran evidentes en la descripcion de modalidades de realizacion de acuerdo a la invencion junto con las reivindicaciones y los dibujos adjuntos. Las modalidades de realizacion de acuerdo a la invencion pueden satisfacer caractensticas individuales o una combinacion de diferentes caractensticas.
De acuerdo a la invencion, con respecto a una caractenstica en particular o medios particulares, la caractenstica es una caractenstica opcional.
La invencion sera descrita mas abajo, sin restringir la intencion general de la invencion, basada en modalidades ejemplares de realizacion, en las que se hace referencia expresa a los dibujos con respecto a la memoria descriptiva de todos los detalles de acuerdo a la invencion que no estan explicados con mayor detalle en la memoria. En los dibujos:
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la Fig. 1 la Fig. 2a
la Fig. 2b
la Fig. 3
ilustra esquematicamente un sistema de acuerdo a la presente invencion;
ilustra esquematicamente la operacion de un sistema de acuerdo a la invencion en un primer modo de operacion;
ilustra esquematicamente la operacion de un sistema de acuerdo a la invencion en un segundo modo de operacion;
ilustra un diagrama de bloques para ilustrar el control de un sistema de acuerdo a la invencion.
En los dibujos, los mismos o similares tipos de elementos o respectivamente partes correspondientes estan provistos con los mismos numeros de referencia a fin de evitar que los elementos precisen ser introducidos nuevamente.
La Fig. 1 ilustra una modalidad ejemplar de realizacion de un sistema para generar energfa electrica a partir del viento de acuerdo a la invencion.
La parte del sistema que vuela o potencialmente puede volar comprende un planeador 10, el cual en la modalidad de realizacion mostrada en la fig. 1 esta disenado para ser un aeroplano de ala fija. El planeador 10 comprende un fuselaje 12, un ala 14 principal, un ala 16 de cola y superficies 20, 22, 24 de control. Tambien se ilustra el eje 32 longitudinal, el eje 34 lateral y el eje 36 vertical, los cuales se interceptan en el centro 30 de gravedad del planeador y que constituyen el sistema de coordenadas intrmsecas del planeador.
En el ejemplo ilustrado, el fuselaje 12 comprende una construccion tubular de material compuesto reforzado como parte mecanica resistente entre el ala 14 principal y el ala 16 de cola, y una gondola para componentes electronicos, fuentes de energfa electrica, sensores y similares, la cual esta montada por delante del ala 14 principal.
El ala 14 principal puede estar constituida por una sola ala, como en el caso de la modalidad de realizacion ilustrada en la fig. 1. Sin embargo, dentro del alcance de la presente invencion tambien son posibles disenos alternativos, por ejemplo con alas 14 principales separadas por cada lado del fuselaje 12.
En vuelo, el planeador 10 es maniobrado por medio de superficies de control, las cuales en la modalidad ejemplar de realizacion comprenden alerones 20 por cada lado del ala 12 principal, como tambien elevadores 22 y un timon 24 en el ala 16 de cola. Las superficies 20, 22, 24 de control son por ejemplo superficies articuladas usadas para inducir momento torsor alrededor de los ejes 32, 34, 36 principales del planeador 10 por efectos aerodinamicos.
El momento torsor alrededor del eje 32 longitudinal es inducido por medio de los alerones 20, los cuales pueden ser o son operados en forma simultanea y en direcciones opuestas. En este caso, direcciones opuestas significa cuando el aleron izquierdo es desplazado hacia arriba con respecto al ala 14 principal, mientras que el aleron derecho es desplazado hacia abajo. Con esta medida, la sustentacion es incrementada por el lado derecho del ala 14 principal y reducido por el lado izquierdo del ala 14 principal, provocando un momento torsor alrededor del eje 32 longitudinal. El movimiento resultante del planeador 10, es decir una rotacion alrededor de su eje 32 longitudinal, es referido como balance.
Una rotacion del planeador 10 alrededor de su eje 34 lateral, la cual es referida como cabeceo, se logra mediante los elevadores 22, que son usados para aumentar o reducir la sustentacion del ala de cola, induciendo de esta manera un momento torsor alrededor del eje 34 lateral.
La rotacion del planeador 10 alrededor de su eje 36 vertical, el cual es referido como movimiento de guinada, es inducido por el timon 24.
El planeador 10 esta conectado a la estacion 40 en tierra a traves de un cable 44 de sujecion, el cual esta fijado a o conectado con el planeador 10 en un medio de conexion que esta dispuesto preferiblemente en la proximidad del centro 30 de gravedad del planeador 10. De esta manera, las cargas variantes que actuan sobre el cable de sujecion no perjudican significativamente el equilibrio del planeador 10 en vuelo.
En la estacion 40 en tierra, la longitud en exceso del cable 44 de sujecion es recogida sobre un carrete 42, el cual esta conectado a una maquina 46 electrica rotativa. La maquina 46 electrica rotativa esta conectada a un sistema de almacenamiento y/o distribucion (no ilustrado), tal como una red de distribucion de energfa electrica, una estacion transformadora o un reservorio de energfa de gran escala. Los entendidos en estas artes apreciaran que el sistema de almacenamiento de energfa y/o distribucion de energfa electrica puede ser cualquier dispositivo o sistema capaz de recibir electricidad y de suministrar electricidad a la maquina electrica rotativa.
El sistema ilustrado en la fig. 1 es operado en forma alternada en un primer modo de operacion para la produccion de energfa electrica, ilustrado en la fig. 2a, y en un segundo modo de operacion para recuperacion del sistema, ilustrado en la fig. 2b.
En el primer modo de operacion, el cual en particular es un modo de operacion de produccion de energfa electrica, el planeador 10 es pilotado para seguir un patron de vuelo de elevado efecto de elevacion indicado por la lmea 55
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viento abajo de la estacion 40 en tierra. La direccion del viento esta indicada mediante una flecha 50. Durante el vuelo con viento cruzado, en particular vuelo cruzado con viento rapido, el plano de sustentacion o ala 14 principal, respectivamente, del planeador 10 genera una fuerza de elevacion mucho mas grande que la requerida para mantener el planeador a una altitud dada. Como consecuencia, el planeador 10 ejerce una fuerza de traccion sobre el cable 44 de sujecion, la cual esta correlacionada con el exceso de fuerza de elevacion.
La fuerza de traccion sobre el cable 44 de sujecion es usada para desarrollar el cable 44 de sujecion del carrete 42 en la direccion de la flecha R, induciendo de esta manera una rotacion del carrete 42. El momento torsor resultante, el cual depende en particular del diametro del carrete 42 y la fuerza con la cual el cable de sujecion es jalado, es transmitido a la maquina 46 electrica rotativa, en el que la energfa mecanica es transformada en energfa electrica. Opcionalmente, esta dispuesta una caja de engranajes entre el carrete 42 y la maquina 46 electrica rotativa, la cual no esta ilustrada en las figuras por razones de simplicidad.
Mediante el control y la influencia sobre la velocidad de rotacion del carrete 42, por ejemplo mediante un par antagonico ajustable de la maquina electrica rotativa, se puede influir sobre la carga ejercida sobre el cable 44 de sujecion y el planeador 10 respectivamente.
Mientras se desenrolla el cable 44 de sujecion, el planeador vuela alejandose de la estacion 40 en tierra. El mantenimiento del sistema en el primer modo de operacion esta limitado por lo tanto por la longitud total del cable 44 de sujecion.
De acuerdo a la invencion, se ha previsto ademas un segundo modo de operacion para recuperacion de sistema, en particular para recuperacion del cable de sujecion. Este segundo modo de operacion esta ilustrado en la fig. 2b.
Para recuperar el cable 44 de sujecion, es decir para enrollar el cable 44 de sujecion sobre el carrete 42, la maquina 46 electrica rotativa es operada como motor en lugar de generador. La energfa necesaria es provista o suministrada a modo de ejemplo por el sistema de almacenamiento y/o distribucion electrica.
Con la finalidad de minimizar el consumo de energfa durante la recuperacion del sistema, la fuerza de traccion ejercida sobre el cable 44 de sujecion es reducida pilotando el planeador 10 para seguir un patron de vuelo de reducida sustentacion indicado mediante una lmea 54 de trazos. Este patron 54 de vuelo de reducida sustentacion puede ser un vuelo rapido descendente o en picada del planeador 10 contra el viento 50 hacia la estacion 40 en tierra. El patron de vuelo de baja sustentacion tambien puede ser una aproximacion del planeador 10 hacia la estacion 40 en tierra sin perdida en altitud, incluido una leve ganancia en altitud.
A medida que el planeador 10 se aproxima a la estacion 40 en tierra, se acorta la longitud libre del cable 44 de sujecion, siendo el cable 44 de sujecion enrollado sobre el carrete 42 como se indica mediante la flecha R'.
Resulta preferible que la fuerza de traccion sobre el cable 44 de sujecion sea lo mas reducida posible con la finalidad de minimizar el consumo de energfa para enrollar el cable 44 de sujecion lo mas rapido posible con la finalidad de minimizar el tiempo muerto, es decir, el periodo o tiempo durante el cual el sistema no produce energfa electrica. Estas metas son preferiblemente satisfechas mediante el control del enrollado del cable 44 de sujecion para mantener la velocidad objetivo de enrollado, la cual depende en particular de la velocidad del planeador 10 que se aproxima a la estacion 40 en tierra, la cual puede ser derivada a modo de ejemplo de la velocidad aerodinamica del planeador 10.
La fig. 3 ilustra un diagrama de bloques de un esquema de control ejemplar para el sistema descrito mas arriba.
El esquema de control provee un diseno modular con medios 64 de control de vuelo, un medio 66 de control de estacion en tierra y un medio 62 de control principal.
Los medios 64 de control de vuelo estan disenados para controlar y/o regular los dispositivos y accionadores asociados con la operacion de vuelo del planeador 10. Por ejemplo, estos incluyen, pero no estan limitados, a alerones 20, elevadores 22 y timon 24 del planeador 10.
El medio 64 de control de vuelo comprende a modo de ejemplo algoritmos y bucles de realimentacion para una operacion de vuelo automatizada del planeador 10. Aquellos entendidos en estas artes podran apreciar que habra sensores apropiados conectados a los medios 64 de control de vuelo para determinar y monitorear las condiciones de vuelo, en el que un sensor 18 de velocidad aerodinamica esta ilustrado en la fig. 3 como un ejemplo.
El medio 66 de control de estacion en tierra tiene el proposito de controlar y/o regular los componentes de la estacion 40 en tierra, en particular el carrete 44 y la maquina 46 electrica rotativa. Aquellos entendidos en estas artes apreciaran que la conversion de energfa mecanica en energfa electrica, es decir, la operacion de la maquina 46 electrica rotativa como motor, tambien es controlada y/o regulada por el medio 66 de control de estacion en tierra.
El medio 64 de control de vuelo y el medio 66 de control de estacion en tierra proveen en particular diferentes comportamientos asociados con diferentes modos de operacion del sistema de acuerdo a la invencion. El modo de operacion del sistema por sf mismo, en particular un primer modo de operacion de produccion de energfa electrica y
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un segundo modo de operacion para recuperacion de sistema, es controlado y/o regulado por un medio 62 de control principal. En particular, el medio 62 de control principal comprende preferiblemente operaciones de toma de decision automatizada y conmutacion entre un modo de operacion y el otro.
Segun se indica mediante las flechas en la fig. 3, el medio 64 de control de vuelo, el medio 66 de control de estacion en tierra y el medio 62 de control principal estan conectados entre sf a traves de canales de comunicacion bidireccionales, en los que en particular el medio 64 de control de vuelo y el medio 66 de control de estacion en tierra comunican informacion de estado respecto al planeador 10 y a la estacion 40 en tierra, respectivamente, al medio 62 de control principal. Al reves, el medio 62 de control principal comunica el modo actual de operacion del sistema al medio 64 de control de vuelo y al medio 66 de control de estacion en tierra, siendo llevado el control y/o la regulacion del planeador 10 y de la estacion 40 en tierra en forma independiente del medio 64 de control de vuelo y el medio 66 de control de estacion en tierra, respectivamente.
El diseno modular del sistema de control ilustrado en la fig. 3 tiene la ventaja de que la seguridad operacional del planeador 10 y de la estacion 40 en tierra, los cuales estan separados normalmente en algunos cientos de metros, esta garantizada en forma individual incluso en el caso de demoras de transmision de senales, distorsiones de senal y fallas en los canales de comunicacion.
Esto no contradice la aproximacion modular cuando el medio 62 de control principal esta dispuesto en la proximidad inmediata ya sea del medio 64 de control de vuelo o del medio 66 de control de estacion en tierra. En particular, el medio 62 de control principal y el medio 64 de control de vuelo estan dispuestos preferiblemente ambos a bordo del planeador 10 y pueden ser combinados en particular en una sola unidad de control.
Mientras la estacion 40 en tierra y el medio 66 de control de estacion en tierra, los cuales preferiblemente estan ffsicamente ubicados en o proximos a la estacion 40 en tierra, son facilmente accesibles para su mantenimiento y ensayo, pero no lo es el planeador 10 en vuelo. Por lo tanto, resulta deseable disponer de la posibilidad de intervenir en el control, en particular el control de vuelo del planeador 10. Para dicha finalidad, el medio 64 de control de vuelo permite acceso externo al control de vuelo a traves de una unidad 68 de control remoto, la cual esta conectada preferiblemente al medio 64 de control de vuelo a traves de un canal de comunicacion inalambrica.
Todas las caractensticas mencionadas, inclusive aquellas tomadas solamente de los dibujos, y caractensticas individuales, las cuales estan descritas en combinacion con otras caractensticas, son consideradas por sf solas y en combinacion como importantes para la presente invencion. Las modalidades de realizacion de acuerdo a la invencion pueden ser materializadas a traves de caractensticas individuales o una combinacion de diferentes caractensticas.
Lista de referencias
10
planeador
12
fuselaje
14
ala principal
16
ala de cola
18 sensor de velocidad aerodinamica
20 aleron
22 elevador
24 timon
30 centro de gravedad
32 eje longitudinal
34 eje lateral
36 eje vertical
40 estacion en tierra
42 carrete
44 cable de sujecion
46 maquina electrica rotativa
48 sensor de tension
50 viento
52 patron de vuelo de alta sustentacion
54 patron de vuelo de baja sustentacion
62 medio de control principal
64 medio de control de vuelo
66 medio de control de estacion en tierra
68 unidad de control remoto

Claims (13)

  1. 5
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    15
    20
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    55
    REIVINDICACIONES
    1. Sistema de produccion de ene^a electrica a partir del viento (50), el cual comprende un planeador (10) teniendo dicho planeador (10) un plano (14) de sustentacion, medios de pilotaje de a bordo con superficies (20, 22, 24) de control para ejercer aerodinamicamente un momento torsor en el planeador para cabeceo, balance y guinada del planeador (10) cuando se encuentra en vuelo, un medio (64) de control de vuelo para operar los medios (20, 22, 24) de pilotaje y un medio de conexion para un cable (44) de sujecion, comprendiendo el sistema ademas una estacion (40) en tierra, comprendiendo dicha estacion (40) en tierra un carrete (42) para el cable (44) de sujecion, una maquina (46) electrica rotativa conectada al carrete (42) y un medio (66) de control de la estacion en tierra para operar el carrete (42) y la maquina (46) electrica rotativa, y comprendiendo el sistema ademas un medio (62) de control principal para operar el sistema en al menos dos modos de operacion alternativos, en el que un primer modo de operacion del sistema esta previsto para produccion de energfa electrica con la maquina (46) electrica rotativa a partir de la rotacion del carrete (42) inducido al desenrollarse el cable (44) de sujecion usando una fuerza de elevacion generada al exponer el plano (14) de sustentacion del planeador (10) en vuelo al viento (50), y en el que un segundo modo de operacion del sistema esta previsto para recuperacion del sistema al accionar el carrete (42) con la maquina (46) electrica rotativa, enrollando por tanto el cable (44) de sujecion sobre el carrete (42).
  2. 2. Sistema de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque el medio (64) de control de vuelo provee un primer modo de control de vuelo para operacion de vuelo automatizada y un segundo modo de control de vuelo para operacion manual, en particular a traves de una unidad (68) de control remoto con conexion con cables o inalambrica al medio (64) de control de vuelo.
  3. 3. Sistema de acuerdo con reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque el sistema, en particular el planeador (10), comprende un sensor (18) de velocidad del aire para determinar una velocidad aerodinamica del planeador (10).
  4. 4. Sistema de acuerdo con una cualquiera de la reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el planeador (10) comprende una unidad de control que incorpora el medio (64) de control de vuelo y el medio (62) de control principal.
  5. 5. Sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el sistema, en particular la estacion (40) en tierra, comprende ademas un sensor de tension para determinar la tension del cable (44) de sujecion.
  6. 6. Sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el medio (66) de control de la estacion en tierra esta disenado para mantener una tension objetivo predeterminada del cable (44) de sujecion, en particular al desenrollarse el cable (44) de sujecion.
  7. 7. Sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el medio (66) de control de la estacion en tierra esta disenado para mantener una velocidad objetivo predeterminada del carrete, en particular durante el enrollado, en el cable (44) de sujecion.
  8. 8. Sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el cable (44) de sujecion comprende una lmea de transmision de energfa electrica y/o una lmea de transmision de datos entre el planeador (10) y la estacion (40) en tierra.
  9. 9. Procedimiento de operacion de un sistema de produccion de energfa electrica a partir del viento (50), de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, comprendiendo dicho sistema un planeador (10) conectado a un cable (44) de sujecion y a un estacion (40) en tierra con un carrete (42) para el cable (44) de sujecion, en el que dicho sistema es operado alternativamente en un primer modo de operacion para producir energfa electrica y un segundo modo de operacion para recuperacion del sistema, en el que el primer modo de operacion comprende
    - pilotar el planeador (10) para seguir un primer patron (52) de vuelo, generando con ello una fuerza de elevacion por medio de un plano de sustentacion (14) del planeador (10) expuesto al viento (50),
    - tirar del cable (44) de sujecion por medio de dicha fuerza de elevacion y desenrollar el cable (44) de sujecion, induciendo de esta manera una rotacion del carrete (42), y
    - convertir la rotacion del carrete (42) en energfa electrica, en particular por medio de una maquina (46) electrica rotativa conectada al carrete (42),
    en el que el segundo modo de operacion comprende
    - pilotar el planeador (10) para seguir un segundo patron (54) de vuelo para reducir la fuerza de traccion sobre el cable (44) de sujecion, y
    - enrollar el cable (44) de sujecion sobre el carrete (42) por accionamiento del carrete, en particular por medio de dicha maquina (46) electrica rotativa conectada al carrete (42).
  10. 10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 9, caracterizado porque el desarrollado del cable (44) de sujecion es controlado para mantener una tension objetivo del cable (44) de sujecion, la cual es en particular predeterminada como una funcion de la velocidad aerodinamica del planeador (10).
  11. 11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 9 o 10, caracterizado porque el enrollado del cable (44) de sujecion es controlado para mantener una velocidad objetivo de carrete, la cual es predeterminada en particular como una funcion de la velocidad aerodinamica del planeador (10).
  12. 12. Planeador (10) para un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, el cual comprende 5 un plano (14) de sustentacion para generar una fuerza de elevacion al exponer el plano (14) de sustentacion al
    viento (50), medios de pilotaje de a bordo con superficies (20, 22, 24) de control para ejercer aerodinamicamente un momento torsor en el planeador para cabeceo, balance y guinada del planeador (10) cuando se encuentra en vuelo, un medio (64) de control de vuelo para operar los medios (20, 22, 24) de pilotaje y un medio de conexion para un cable (44) de sujecion, en el que el planeador (10) comprende una unidad de control de a bordo que incorpora el 10 medio (64) de control de vuelo y un medio (62) de control principal para la operacion del sistema en al menos dos modos de operacion alternativos.
  13. 13. Uso de un planeador (10) para producir energfa electrica a partir del viento (50) por medio de un sistema de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 y/o para ejecutar un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, comprendiendo dicho planeador (10) un plano (14) de sustentacion para
    15 generar una fuerza de elevacion al exponer el plano (14) de sustentacion al viento (50), medios de pilotaje de a bordo con superficies (20, 22, 24) de control para ejercer aerodinamicamente un momento torsor en el planeador para cabeceo, balance y guinada del planeador (10) cuando se encuentra en el aire, un medio (64) de control de vuelo para operar los medios (20, 22, 24) de pilotaje y un medio de conexion para un cable (44) de sujecion, en el que dicho planeador (10) es en particular un planeador (10) de acuerdo con la reivindicacion 12.
    20
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