ES2609772T3

ES2609772T3 - Sistema para la conversión de energía eólica en energía eléctrica a través del vuelo de perfiles de ala de potencia amarrados a tierra mediante cables de longitud fija, sin fases pasivas y con adaptación automática a las condiciones de viento

Info

Publication number: ES2609772T3
Application number: ES12720580.5T
Authority: ES
Inventors: Lorenzo Fagiano; Mario Milanese
Original assignee: Kitenergy SRL
Current assignee: Kitenergy SRL
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2017-04-24
Anticipated expiration: 2032-03-22
Also published as: ITTO20110251A1; PL2689130T3; EP2689130A1; BR112013028356A2; CN103748357A; JP6013445B2; CA2828419C; CA2828419A1; PT2689130T; RU2593318C2; EP2689130B1; BR112013028356B1; JP2014508893A; RU2013146667A; EP2689130B8; US9366232B2; DK2689130T3; WO2012127444A1; US20140077495A1

Abstract

Un método para convertir energía eólica en energía eléctrica o mecánica a través del vuelo de al menos un perfil de ala de potencia, amarrado a través de al menos un cable a una unidad de tierra, movido por dicho perfil de ala de potencia a lo largo de una trayectoria de desplazamiento alternativo para accionar medios generadores, entre el que dicha trayectoria de desplazamiento alternativo es orientable para fijarse en una dirección sustancialmente ortogonal a la dirección del viento, caracterizado porque dicha trayectoria de desplazamiento alternativo es curvada.

Description

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DESCRIPCION

Sistema para la conversion de ene^a eolica en energfa electrica a traves del vuelo de perfiles de ala de potencia amarrados a tierra mediante cables de longitud fija, sin fases pasivas y con adaptacion automatica a las condiciones de viento

Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a un metodo y a un sistema para convertir energfa eolica en ene^a electrica que aprovecha el movimiento alternativo, a lo largo de una trayectoria dada, de una unidad dispuesta en tierra y obtenido mediante un perfil de ala de potencia. Dicho perfil de ala esta amarrado a la unidad de tierra por al menos un cable y es controlado automaticamente por un sistema de control provisto a proposito. El cable o cables que conecta/conectan la unidad de tierra al perfil de ala tiene/tienen una longitud fija durante el funcionamiento normal del sistema. El sistema de conversion es capaz de adaptarse automaticamente, cambiando, de forma adecuada, la trayectoria de la unidad de tierra, en funcion de las variaciones de direccion del viento para optimizar la produccion de energfa. La trayectoria de la unidad de tierra se presenta en dos formas posibles, a saber, un segmento de una lmea recta o bien el arco de una circunferencia, pero pueden ser, en general, de diversas formas.

La presente invencion contempla ademas una estrategia de regulacion optima, en base a la intensidad del viento, en funcion de la altitud desde el nivel de la tierra, de la longitud de los cables para dicho sistema de conversion de energfa eolica en energfa electrica o mecanica.

La presente invencion se refiere ademas a un metodo y a un sistema para aplicar el sistema de conversion antes mencionado y las innovaciones previas en el contexto marino, en particular para aprovechar el viento en alta mar.

La presente invencion se refiere igualmente a una estrategia de control automatico del vuelo de un perfil de ala de potencia para dicho sistema de conversion de energfa eolica en energfa electrica, capaz de tener en cuenta las condiciones del viento, con el fin de maximizar la produccion de energfa, evitando al mismo tiempo condiciones de funcionamiento potencialmente daninas o peligrosas para la integridad del sistema.

Finalmente, la presente invencion se refiere a un metodo y a un sistema para la recuperacion y gestion de la energfa durante las fases de inversion del movimiento de dicho sistema, para convertir energfa eolica en energfa electrica, es decir, cuando la unidad generadora de tierra llega al final de la trayectoria preestablecida y comienza a moverse a lo largo de la misma trayectoria en una direccion opuesta.

Estado de la tecnica anterior

Conocidos en el estado de la tecnica, a partir de algunos documentos que aparecen en revistas tanto de caracter cientffico como a nivel popular y de algunas patentes anteriores, existen metodos de conversion de energfa eolica mediante dispositivos capaces de convertir la energfa mecanica generada por la fuente de viento en alguna otra forma de energfa, normalmente energfa electrica, que aprovecha la energfa del viento usando perfiles de ala de potencia (generalmente denominados "cometas") conectados a la misma por medio de cables. Por ejemplo, las patentes estadounidenses US 3,987,987, US 4,076,190, US 4,251,040, US 6,254,034 B1, US 6,914,345 B2, US 6,523,781 B2, US 7,656,053 y la patente internacional WO/2009/035492 describen sistemas para convertir la energfa cinetica de las corrientes de viento en energfa electrica mediante el control del vuelo de los perfiles de ala de potencia conectados a tierra a traves de uno o mas cables. En muchos de estos sistemas, al menos un perfil de ala esta conectado por cables a una unidad de manejo y de generacion de energfa, fijada a tierra, y es guiado dclicamente a traves de una fase de traccion, en la cual sube empujado por el viento y durante la cual el desenrollado de los cables establece el giro de un generador de la unidad de tierra, disenado para generar energfa electrica, y una fase de recuperacion, en la cual el perfil se recupera mediante el reenrollado de los cables y luego se maneja para iniciar otra fase de traccion. Dichas soluciones presentan la ventaja de tener una estructura de tierra que tiene un coste contenido y es relativamente simple de construir. Sin embargo, existe la considerable desventaja de un movimiento continuo de enrollado y desenrollado de los cables, a una velocidad que puede ser alta y con fuerzas de traccion considerables. De ello se deduce que pueden surgir problemas considerables de desgaste de los cables con los consiguientes costes elevados para sus reemplazos frecuentes y la inactividad del generador durante dichas operaciones de sustitucion.

Ademas se conocen soluciones tales como, por ejemplo, la descrita en la patente europea EP 1 672 214 B1, donde la unidad de tierra esta constituida por un carrusel circular, dispuesto en rotacion mediante una serie de perfiles de ala de potencia, y la energfa en generada por el movimiento giratorio del carrusel. Dicha solucion puede obtenerse tambien a traves de una serie de unidades de tierra que se mueven de manera coordinada a lo largo de un carril circular, tal y como se describe, por ejemplo, en el documento de M. Canale, L. Fagiano y M. Milanese, “Generacion de Energfa Eolica Utilizando Cometas de Potencia Controlada", que aparece en IEEE Transacciones en Tecnologfa de Sistemas de Control No. 18, pp. 279 a 293, 2010. Dicha solucion de carrusel puede funcionar tanto con longitud variable de los cables como con longitud fija de los cables. La solucion de carrusel con longitud de cable variable permite obtener tambien energfa a partir del movimiento de desenrollado de los cables, ademas de la obtenida a

partir del movimiento giratorio del carrusel, pero presenta las desventajas de desgaste de los cables, mencionadas anteriormente para configuraciones fijas sobre el terreno y de mayor coste y considerable complejidad constructiva. La solucion de carrusel con longitud de cable fija presenta la ventaja de limitar el desgaste de los cables; Sin embargo, es capaz de generar solo una cantidad limitada de energfa debido a la llamada "fase pasiva", que es 5 necesaria para trazar los perfiles de ala en una direccion opuesta al viento para un angulo de rotacion de aproximadamente 70°.

Las consideraciones resumidas anteriormente estan respaldadas por los estudios teoricos y por los analisis numericos presentes en el trabajo de M. Milanese, L. Fagiano y D. Piga, "El control como tecnologfa clave para una innovacion radical en la generacion de energfa eolica", presentado en la Conferencia Americana de Control 2010, 10 Baltimore, MD, y publicada en los metodos correspondientes, donde emergen claramente las desventajas y ventajas de todas las soluciones mencionadas anteriormente de sistemas generadores basados en el vuelo de perfiles de ala de potencia, con la unidad generadora dispuesta sobre el terreno.

Resumen de la invencion

El objeto de la presente invencion es resolver todos los problemas mencionados anteriormente presentes en las 15 configuraciones actuales proporcionando un metodo y un sistema para convertir energfa eolica en energfa electrica a traves del vuelo de perfiles de ala de potencia amarrados a tierra, en los que la energfa es generada por el movimiento alterno de la unidad de tierra a lo largo de una trayectoria dada. Dicho sistema genera energfa al funcionar con cables de longitud fija, evitando asf problemas de desgaste de los cables. Ademas, aparte de los transitorios de despegue y aterrizaje de los perfiles de ala, por razones de mantenimiento o por ausencia del viento, 20 no presenta fases pasivas, gracias a una adecuada eleccion del recorrido de la unidad de tierra, permitiendo asf como una mayor produccion de energfa en comparacion con las soluciones actuales, dadas las mismas caractensticas del perfil del ala de potencia. Se conoce en el estado de la tecnica anterior un sistema denominado "Buggy" que aparece en la revista Drachen Foundation Journal, No. 16, otono de 2004, y atribuido a Joe Hadzicki. El sistema "Buggy" permite el funcionamiento con longitud de cable constante y no presenta fases pasivas; Sin 25 embargo, esta limitado en la medida en que opera en condiciones optimas solo para valores bien determinados de direccion del viento, mientras que, a medida que dichas condiciones vanan, la energfa producida es menor. La presente invencion permite superar estos lfmites en la medida en que es capaz de adaptarse a las variaciones de direccion del viento. Finalmente, la presente invencion preve la posibilidad de aplicacion al contexto de alta mar, cuya gran ventaja frente a las tecnologfas de alta mar actuales, ademas de permitir la captura de la energfa eolica 30 de alta altitud, es la de no requerir cimientos anclajes al lecho marino. Todo esto permite, en comparacion con las soluciones actuales basadas en torres de viento tradicionales, una considerable reduccion en los costes de generacion en alta mar de energfa eolica y un considerable aumento en el numero de sitios de instalacion.

Los propositos anteriores y adicionales y las ventajas de la invencion, como se apreciara a continuacion de la descripcion, se consiguen con un metodo para convertir energfa eolica en energfa electrica, que se basa en el vuelo 35 de perfiles de ala amarrados con cables de, predominantemente, longitud fijada y que se adapta a la direccion del viento, segun se define en la reivindicacion 1 y en las reivindicaciones subordinadas a la misma.

Breve descripcion de los dibujos

La presente invencion se describira con mayor detalle a traves de algunos modos de realizacion preferidos de la misma, que se proporcionan a modo de ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

40 La figuras 1 es una representacion esquematica del sistema "Buggy" tal como se presenta en la revista Drachen Foundation Journal, No. 16, y la correspondiente potencia media generada a medida que la direccion del viento vana;

La figura 2 es una representacion esquematica de un primer modo de realizacion del sistema propuesto por la presente invencion;

45 La figura 3 es una representacion esquematica de un segundo modo realizacion del sistema propuesto por la presente invencion;

La figura 4 es una representacion esquematica de un tercer modo realizacion del sistema propuesto por la presente invencion;

La figura 5 es una representacion esquematica de un modo de realizacion en alta mar para el sistema propuesto por 50 la presente invencion;

La figura 6 es una representacion esquematica de una estrategia de control para el sistema propuesto por la presente invencion, con recuperacion y reutilizacion de la energfa en las fases de inversion de movimiento.

Descripcion detallada de la invencion

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Con referencia inicial a la figura 1, puede observarse que en el sistema del tipo "Buggy" la unidad 1 de tierra se mueve de manera alterna a lo largo de una trayectoria 2 en forma de segmento de una lmea recta, tirada, a traves de los cables 3, mediante un perfil 4 de ala de potencia. La unidad 1 de tierra es capaz de manejar el perfil 4 de ala de potencia a traves de soluciones que forman parte del estado de la tecnica anterior, por ejemplo de acuerdo con la solicitud de patente No. T02010A000258 o posiblemente de acuerdo con otras ideas inventivas futuras y soluciones constructivas. La energfa se genera a traves de un sistema 5 de transmision mecanica de tipo cadena o correa que convierte el movimiento de traslacion de la unidad de tierra en un movimiento de rotacion de los generadores 6 electricos. Tal y como se desprende de los analisis presentes en diversas publicaciones, tal como la tesis de graduacion de D. Piga, “Analisi delle prestazioni del sistema kitegen: eolico di alta quota” ("Analisis del rendimiento del sistema Kitegen: energfa eolica de alta altitud") Politecnico de Turin, 2008, y la tesis doctoral de L. Fagiano, “Control de perfiles aerodinamicos amarrados para la generacion de energfa eolica de alta altitud” politecnico de Turin, 2009, la potencia media generada por el sistema Buggy, para caracteristicas fijas del perfil del ala y de la intensidad del viento, varia con el angulo 0 entre la direccion 7 del viento W, mostrada a modo de ejemplo en la figura 1 en dos condiciones posibles, con 0=0° y con 0=90°, y la direccion 8 de la trayectoria de la unidad de tierra. La grafica de dicha variacion, en valor porcentual con respecto al valor maximo alcanzable para las caracteristicas asignadas del perfil de ala y de las condiciones de viento, se representa en la grafica de la figura 1. Observese que la maxima produccion de energfa se obtiene cuando la direccion del viento es perpendicular a la direccion de la unidad de tierra. El sistema introducido con la presente invencion es capaz de modificar la trayectoria de la unidad de tierra para mantener siempre una inclinacion optima con respecto a la direccion del viento.

Con referencia ahora a la figura 2, puede observarse que un primer modo de realizacion del sistema propuesto por la presente invencion esta constituido por una unidad 9 de tierra, capaz de controlar y manejar un perfil 10 de ala de potencia conectado a la misma a traves de uno o mas cables 11. La unidad de tierra esta obligada a moverse a lo largo de un sistema de carriles 12 rectilmeos y sigue continuamente en direcciones alternas la longitud de dichos carriles, atrafdos por las fuerzas de traccion ejercidas por el perfil 10 de ala sobre los cables 11. La energfa se genera con la tecnica anteriormente ilustrada en la figura 1 o con uno o mas sistemas 13 aplicados a la unidad 9 de tierra, constituidos cada uno por una rueda conectada, a traves de un sistema de transmision, a un generador electrico. Ademas, la energfa tambien se puede generar construyendo de manera apropiada la unidad de tierra y el sistema de rafles para formar un generador/motor lineal. La electricidad generada es gestionada y transmitida adecuadamente a traves de los cables 14 a una estructura fija, disenada para su introduccion en la red electrica y posiblemente para su acumulacion con dispositivos proporcionados a proposito conocidos en el estado de la tecnica, tales como sistemas inerciales o de hidrogeno. La construccion de la unidad 9 de tierra, del sistema de rafles 12 y de los sistemas 13 es tal que garantiza la rodadura de las ruedas de los sistemas 13 en todas las condiciones de viento y condiciones de movimiento de la unidad 9 de tierra para evitar cualquier deslizamiento y consecuentes perdidas de eficiencia por rozamiento. Ademas, el sistema de carriles 12 es capaz de equilibrar las fuerzas ejercidas por los cables 11 sobre la unidad 9 de tierra, excepto por la fuerza en la direccion de movimiento, que esta equilibrada por la fuerza opuesta aplicada por los sistemas 13 generadores y que representan la fuerza util para la generacion de energfa electrica. Los sistemas 13 son controlados, de forma apropiada, automaticamente y coordinados con el sistema para el control del perfil 10 de ala realizado por la unidad 9 de tierra para regular la velocidad de la unidad de tierra de una manera optima, para maximizar la potencia media generada durante el movimiento. Los sistemas 13 son ademas capaces de actuar tambien como motores en las fases de inversion del movimiento de la unidad de tierra, con el fin de contener tanto como sea posible el tiempo requerido para dichas fases. En particular, se implementa una estrategia de recuperacion de energfa durante el frenado de la unidad 9 de tierra y de uso subsiguiente de la energfa recuperada para acelerar la unidad 9 en la trayectoria subsiguiente en la direccion opuesta. Dicha estrategia se describe mas detalladamente a continuacion con referencia a la figura 6. La estrategia de recuperacion de energfa puede obtenerse tambien en el caso, descrito anteriormente, en el que la unidad de tierra y el sistema de rafles constituyen un generador/motor lineal. El sistema de carriles 12 esta ademas equipado con dos o mas sistemas 15 de suspension y de movimiento, que estan constituidos por una estructura mecanica apropiada capaz de soportar y limitar el sistema de carriles 12, opuesto a las fuerzas ejercidas por la unidad 9 de tierra durante su movimiento y limitan ademas las vibraciones consiguientes y estan provistas de ruedas 16 conectadas a motores apropiados controlados automaticamente y coordinados para orientar el sistema de carriles 12 de tal manera que la direccion 17 del movimiento de la unidad 9 de tierra es siempre perpendicular a la direccion 18 del viento W, es decir, el angulo 0 es igual a 90°, tal y como se muestra en la figura 2, obteniendo asf siempre la maxima produccion media de energfa, segun el diagrama cualitativo que aparece en la figura 1. La direccion 18 del viento W se mide en tiempo real a diversas altitudes en un rango desde el nivel 0 (tierra) hasta una altitud suficiente para incluir todas las condiciones de movimiento del perfil del ala, por ejemplo a 1000 m de la tierra; dicha medicion se realiza, por ejemplo, con sistemas de tipo lidar o sodar que permiten medir la direccion y la intensidad del viento, informacion que es necesaria tambien para el control del perfil 10 de ala segun lo ya divulgado en la literatura cienrifica, por ejemplo, en el arriculo de M. Canale, L. Fagiano, 35 y M. Milanese, "Generacion de energfa eolica de alta altitud utilizando cometas de potencia controlada", que aparece en IEEE Transacciones en Tecnologfa de Sistemas de Control, No. 18, pp. 279 a 293, 2010. La rotacion del sistema de carriles 12 es con respecto al eje vertical 19, identificado por la interseccion del plano de simetria del sistema 12 perpendicular a la direccion de los carriles con el plano de simetria del sistema 12 paralelo a la direccion de los carriles, definiendo asf un area de terreno potencialmente ocupada por el sistema generador, que tiene una forma totalmente circular con un diametro igual a L, donde L es la longitud del sistema de rafles 12. Dicha longitud es dimensionada en base a las caracteristicas del viento y de la morfologfa del terreno en el sitio preseleccionado para la instalacion del sistema

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generador, para maximizar la potencia generada por la unidad de superficie potencialmente ocupada, posiblemente tambien teniendo en cuenta la presencia de otros sistemas de generacion adyacentes similares que constituyen un llamado "parque eolico". La potencia generada por el sistema propuesto por la invencion, tal y como se acaba de describir con referencia a la figura 2, es independiente de la direccion 18 del viento W, gracias a la adaptacion automatica de la orientacion del sistema de carriles 12 a medida que dicha direccion varia, considerando que varia a medida que varian las caracteristicas de intensidad del viento en relacion con la longitud de los cables 11. En particular, para una configuracion dada del sistema, en terminos de diametro de los cables y caracteristicas inerciales, geometricas y aerodinamicas del perfil de ala y para una caracteristica dada de aumento de la velocidad del viento con la altitud desde la tierra, la potencia maxima generada vana en funcion de la longitud de los cables de acuerdo con un grafico concavo, con un maximo correspondiente a una longitud optima de los cables. Dicho fenomeno se debe al equilibrio entre el efecto de fuerzas mayores sobre los cables debido a vientos mas fuertes interceptados con cables mas largos, con la consiguiente mayor generacion de energfa, y el efecto contrario de mayor resistencia aerodinamica de los cables a medida que aumenta su longitud, con la consecuente perdida de eficiencia y por lo tanto una menor generacion de energfa. A efectos de la adaptacion automatica no solo a la direccion del viento, sino tambien a sus caractensticas de intensidad y de variacion de intensidad a medida que varia la altitud desde la tierra, el sistema propuesto por la presente invencion esta provisto de un sistema automatico de regulacion de la longitud de los cables, obtenida de acuerdo con las soluciones presentes en el estado de la tecnica anterior, tal y como la descrita en la solicitud de patente No. T02010A000258, que funciona segun dos posibles estrategias. En una primera estrategia, las mediciones en tiempo real de la velocidad del viento en las diversas altitudes, obtenidas, como ya se ha dicho, a traves de un sistema, por ejemplo, de tipo lidar o sodar, se acondicionan adecuadamente y se utilizan para calcular un modelo de aumento del viento a medida la altitud desde la tierra vana. Dicho modelo se utiliza entonces para calcular la curva de potencia correspondiente a medida que vana la longitud de los cables, de acuerdo con ecuaciones simplificadas tales como, por ejemplo, las publicadas en la tesis de doctorado por L. Fagiano, "Control de perfiles aerodinamicos anclados para generacion de energfa eolica de alta altitud", Politecnico de Turin, 2009, y la longitud optima de los cables se establece y se regula para obtener el maximo de dicha curva. De acuerdo con una segunda estrategia, la longitud de los cables se regula de forma adaptable a intervalos de tiempo regulares, por ejemplo de una hora, aprovechando la concavidad de la caracteristica de potencia en funcion de la longitud de los cables, es decir, variando la longitud de los cables hasta que la potencia electrica media medida alcanza el valor maximo.

La figura 3 muestra un segundo modo de realizacion posible del sistema generador propuesto por la presente invencion. El principio de funcionamiento es similar al de la solucion descrita anteriormente con referencia a la figura 2; sin embargo, en este segundo modo de realizacion, la unidad 20 de tierra esta provista de un sistema 21 constituido por un bastidor mecanico y por una serie de ruedas conectadas a generadores electricos. El sistema 21 es capaz de equilibrar las fuerzas laterales y verticales ejercidas por los cables sobre la unidad de tierra y dirigir, a traves de un sistema de direccion automatica de las ruedas, el movimiento de la unidad de tierra para mantener una direccion 22 perpendicular a la direccion 23 del viento W, maximizando asf la potencia generada. La longitud L de la trayectoria 24 seguida por la unidad de tierra define la ocupacion maxima de la superficie sobre el terreno por el sistema, que tambien en este caso es igual a una circunferencia de diametro L con su centro correspondiente al punto central de la trayectoria 24. El sistema esta provisto de una estrategia de regulacion optima de la longitud de los cables como la descrita anteriormente. De una manera similar a la solucion anterior, la energfa generada es transferida a traves de cables 25 a una estructura fija disenada para su introduccion en la red electrica o para su acumulacion. La ventaja de esta segunda solucion es una mayor simplicidad de construccion de la estructura, a expensas de una mayor complejidad de la unidad de tierra que debe ser capaz de contrarrestar las fuerzas laterales ejercidas por los cables 26 que conectan el perfil 27 de ala de potencia con la unidad 20 de tierra.

Con referencia ahora a la figura 4, un tercer modo de realizacion posible del sistema propuesto por la invencion consiste en proporcionar un sistema 28 de carriles fijos, con una trayectoria circular de radio R, a lo largo de la cual puede moverse, arrastrado por el perfil 29 de ala a traves de la cables 30, la unidad 31 de tierra, hecha de una manera similar a la unidad 9 de tierra de la primera solucion mostrada en la figura 2, con las debidas modificaciones que hacen posible el movimiento a lo largo de una trayectoria circular. De manera similar a la primera solucion descrita anteriormente con referencia a la figura 2, el sistema de rafles 28 es capaz de imitar la unidad de tierra y equilibrar las fuerzas que actuan en todas las direcciones excepto en la direccion tangencial a los propios rafles. La generacion de energfa se obtiene haciendo que la unidad de tierra describa una trayectoria 32 en forma de arco de circunferencia en direcciones alternas y de una manera continua. Tambien en esta solucion, como en la solucion de la figura 2, la energfa se puede generar posiblemente construyendo de manera apropiada la unidad de tierra y el sistema de rafles para formar un generador/motor lineal. La electricidad producida se gestiona y se transmite apropiadamente, por ejemplo, a traves de los cables 33, a una estructura fija, disenada para su introduccion en la red electrica y posiblemente para acumulacion, con dispositivos proporcionados a proposito conocidos en el estado de la tecnica, tal y como ya se ha descrito anteriormente. La trayectoria 32 tiene una amplitud angular igual a 2A9 y se modifica automaticamente, mediante una rotacion con respecto al eje 34 vertical, de manera que sea siempre simetrica con respecto a la direccion 35 del viento W, tal y como se muestra en la figura 4. A medida que el angulo A9 aumenta, la potencia media generada varia segun se muestra en el diagrama de la figura 4. El radio R y la amplitud 2A9 del trayecto se eligen de este modo para lograr el mejor compromiso entre la ocupacion del terreno, definida por el circunferencia de radio 2R, la longitud lineal del trayecto de la unidad de tierra, igual a 2A9R, y la potencia media generada. Tambien esta tercera solucion es capaz de adaptar automaticamente la longitud de los

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cables a las condiciones de intensidad del viento, tal y como se ha descrito anteriormente. La ventaja de esta tercera solucion es la de presentar una mayor simplicidad de construccion de la estructura en comparacion con la primera solucion mostrada en la figura 2, dado que el sistema de rafles 28 esta fijado a tierra y una mayor simplicidad de construccion de la estructura unidad de tierra en comparacion con la segunda solucion mostrada en la figura 3, gracias a la presencia de los rafles 28 que equilibran las fuerzas laterales ejercidas por los cables sobre la unidad 31 de tierra. Estas ventajas se obtienen a expensas de una potencia media inferior generada y de una cierta mayor variabilidad de la potencia generada durante la trayectoria de una forma curvada.

Con referencia a la figura 5, una aplicacion en el contexto de alta mar del sistema propuesto por la presente invencion esta constituida por una embarcacion 36, tirada por el perfil 37 de ala a traves de los cables 38, con funciones similares a la unidad 20 de tierra de la segunda solucion, mostrada en la figura 3. La energfa se genera a traves de turbinas 39 apropiadas situadas debajo del casco de la embarcacion 36, que se oponen al movimiento de la embarcacion misma. Un control automatico proporcionado de forma voluntaria a las turbinas 39 y la presencia de elementos 40 estabilizadores, posiblemente hidrodinamicos y activos de acuerdo con soluciones conocidas por el estado de la tecnica anterior, limitan el enrollado y la flexibilidad y garantizan la direccionalidad de la embarcacion en su movimiento alternativo a lo largo de la trayectoria 41, cuya direccion 42 se regula automaticamente de manera que sea siempre perpendicular a la direccion 43 del viento W, maximizando asf la generacion de potencia. La energfa electrica es gestionada y transmitida adecuadamente a traves de cables 44 submarinos a una estructura fija, disenada para su introduccion en la red electrica y posiblemente para su acumulacion, con dispositivos proporcionados a proposito conocidos en el estado de la tecnica, tales como sistemas inerciales o de hidrogeno. La longitud L de la trayectoria 41 se elige para maximizar la potencia media por unidad de superficie de mar ocupada. La ocupacion del espacio viene dada por una circunferencia de radio L centrada en el punto central de la trayectoria 41. Tambien esta aplicacion en el contexto de alta mar esta provista de un sistema para la regulacion automatica de la longitud de los cables, tal y como se ha descrito anteriormente.

La figura 6 es una representacion esquematica de una estrategia de control adecuada para todas las soluciones propuestas por la presente invencion. En particular, apareciendo en la figura 6 estan las salientes, en el plano perpendicular a la direccion del viento, de la unidad 45 de tierra y del perfil 46 de ala en diferentes posiciones a lo largo de la trayectoria, designados como posiciones 47, 48 y 49. Dicha posiciones se reproducen dos veces, de manera especular, en la medida en que se producen durante el movimiento de la unidad 45 de tierra en ambas direcciones a lo largo de su trayectoria. La estrategia de control esta constituida por tres etapas identificadas por segmentos apropiados L1 y L2 en la figura 6, los cuales sumados vienen a formar la proyeccion de la trayectoria de la unidad 45 de tierra en el plano perpendicular a la direccion del viento. Sin que esto implique una perdida de generalidad, la longitud de dicha proyeccion se designa por L en la figura 6: en el caso de la primera y segunda soluciones propuestas por la presente invencion, mostradas en la figura 2 y en la figura 3, respectivamente, dicha longitud coincide con la longitud de la trayectoria de la unidad 45 de tierra, mientras que en el caso de la tercera solucion mostrada en la figura 4, la longitud efectiva de la trayectoria de la unidad 45 de tierra sera mayor que L y, precisamente, igual a LA9/sin(A9). Como se desprende de la figura 6, la longitud L puede desglosarse como L=L-i+2L2, y la longitud L1 es tfpicamente mucho mayor que la longitud L2. La primera etapa de la estrategia de control se denomina "etapa de aceleracion" y esta comprendida entre el momento en que la unidad 45 de tierra comienza desde un estadio estacionario en uno de los dos extremos de la trayectoria L (posicion designada por 47 en la figura 6) y acelera en la direccion del otro extremo, y el momento en el que la unidad 45 de tierra ha alcanzado un cierto valor v de velocidad, denominada "velocidad en estado estacionario" (posicion designada por 48 en la figura 6). Al comienzo de la etapa de aceleracion, el perfil 46 de ala se maneja de manera que este muy inclinado en la direccion de la aceleracion para suministrar una fuerza de traccion considerable en presencia de una baja velocidad de la unidad 45 de tierra. Durante la etapa de aceleracion, dicha inclinacion del perfil 46 de ala disminuye gradualmente mientras que la unidad 45 de tierra aumenta su propia velocidad para mantener una alta velocidad efectiva del viento en el perfil 46 de ala de potencia. Los motores/generadores fijados en la unidad 45 de tierra son controlados automaticamente de tal manera que se alcanzara la velocidad v despues de cubrir una longitud L2 de la trayectoria, tal como se muestra en la figura 6, reutilizando tambien la energfa recuperada en la "etapa de frenado" descrita a continuacion. Despues de la etapa de aceleracion, comienza la "etapa de estado estacionario", durante el cual la unidad 45 de tierra es arrastrada por el perfil 46 de ala de potencia a una velocidad v constante, regulada mediante un control automatico previsto de los generadores aplicados sobre la unidad 45 de tierra. Durante la etapa en estado estacionario, el perfil de ala se controla para describir desplazamientos rapidos hacia arriba y hacia abajo para maximizar la velocidad efectiva y, por consiguiente, la potencia generada. Despues de cubrir la longitud L1, la etapa de frenado comienza finalmente, con la unidad 45 de tierra puesta en la posicion designada por 49 en la figura 6, donde los generadores aplicados sobre la unidad de tierra se utilizan junto con un sistema de frenado para detener el movimiento de unidad de tierra en el espacio L2, recuperando tanta energfa como sea posible. Simultaneamente, el perfil 46 de ala se controla de manera que se situa en una posicion util para la etapa de aceleracion subsiguiente, es decir, con una inclinacion considerable a lo largo de la trayectoria en una direccion opuesta al movimiento de la unidad de tierra durante la etapa de frenado. El sistema de control esta ademas disenado para contener el movimiento del perfil de ala entre una altura minima H y una altura maxima H+^H desde la tierra y para controlar el movimiento del perfil de ala con el fin de evitar que las fuerzas de traccion actuen sobre los cables de superar un valor cntico para la integridad del sistema. Los valores de L, L1, L2, H y □H se establecen para maximizar la potencia media generada, limitando al mismo tiempo la ocupacion del espacio aereo. Todas las

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funciones descritas pueden obtenerse, por ejemplo, a traves de algoritmos de control de tipo predictivo no lineal, seleccionando adecuadamente las restricciones y la funcion de coste, de una manera totalmente similar a la que se describe con respecto a sistemas de conversion diferentes de los propuestos por el presente invencion, en el artfculo de M. Canale, L. Fagiano y M. Milanese, “Generacion de Energfa Eolica Utilizando Cometas de Potencia Controlada", que aparece en IEEE Transacciones en Tecnologfa de Sistemas de Control No. 18, pp. 279 a 293, 2010.

En resumen, el sistema de acuerdo con la presente invencion incluye medios para orientar la trayectoria de desplazamiento alternativo del perfil de ala de potencia en una direccion sustancialmente ortogonal a la direccion del viento. El sistema puede incluir ademas medios para medir la intensidad del viento y su gradiente en relacion con la altura del perfil de ala de potencia con respecto a tierra, y medios para mantener, durante las fases de vuelo del perfil de ala de potencia, en condiciones de generacion de energfa, dicho al menos un cable a una longitud constante elegida en funcion de la intensidad y de los gradientes medidos. El sistema incluye ademas medios para medir la potencia suministrada por dichos medios generadores y medios para mantener, durante las fases de vuelo operativo del perfil de ala de potencia, dicho al menos un cable a una longitud constante elegida en funcion de la potencia medida. La trayectoria de desplazamiento alternado esta definida por carriles de grna y dicha unidad de tierra esta provista de miembros de rodadura acoplados a dichos carriles de grna. Los elementos de rodadura de la unidad de tierra estan operativamente conectados a dichos medios generadores. Dichos carriles de grna pueden ser rectilmeos o, mas convenientemente, curvados y pueden orientarse alrededor de un eje vertical que pasa por su centro. Los carriles de grna estan provistos de elementos para rodar sobre la tierra que se pueden dirigir para definir dicha trayectoria de desplazamiento alternativo. Dichos miembros rodantes sobre la unidad de tierra estan conectados operativamente a dichos medios generadores. Dichos carriles de grna pueden ser circulares y dicho trayecto de desplazamiento alternativo puede estar constituido por un sector angularmente variable de dichos carriles de grna circulares. Asociados de forma operativa a dichos miembros de rodadura ah medios de frenado para la inversion del movimiento de la unidad de tierra con respecto a dicha trayectoria de desplazamiento alternativo, y medios para recuperar la energfa de frenado para acelerar dicha unidad de tierra despues de la inversion del movimiento. De forma conveniente, dicha trayectoria de desplazamiento alternado esta definida por carriles de grna y dichos carriles y dicha unidad de tierra constituyen un generador/motor lineal capaz de generar energfa. Dicho generador/motor lineal es capaz de convertir el movimiento de dicha unidad de tierra en energfa electrica, asf como de frenar dicha unidad de tierra y efectuar la recuperacion de la energfa de frenado para acelerar dicha unidad de tierra despues de la inversion de movimiento. En un modo de realizacion alternativo, dicha unidad puede consistir en un cuerpo que flota sobre una superficie de lfquido y dichos medios generadores del cuerpo que flota pueden incluir turbinas sumergidas que pueden ser accionadas para determinar la direccion de dicho desplazamiento alternativo.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un metodo para convertir ene^a eolica en energfa electrica o mecanica a traves del vuelo de al menos un perfil de ala de potencia, amarrado a traves de al menos un cable a una unidad de tierra, movido por dicho perfil de ala de potencia a lo largo de una trayectoria de desplazamiento alternativo para accionar medios generadores, entre el que dicha trayectoria de desplazamiento alternativo es orientable para fijarse en una direccion sustancialmente ortogonal a la direccion del viento, caracterizado porque dicha trayectoria de desplazamiento alternativo es curvada.
2. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque durante las fases de vuelo del perfil de ala de potencia, en condiciones de generacion de energfa, la longitud de dicho al menos un cable se mantiene constante.
3. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 2, caracterizado porque el valor de la longitud constante de dicho al menos un cable se determina en base a la medida de la intensidad del viento y de su gradiente en relacion con la altura de la potencia con un respecto a tierra.
4. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 2 o la reivindicacion 3, caracterizado porque el valor de la longitud constante de dicho por lo menos un cable se determina de manera adaptativa en funcion de la potencia suministrada por dichos medios generadores.
5. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha trayectoria de desplazamiento alternativo esta orientada alrededor de un eje vertical que pasa a traves de su centro.
6. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha trayectoria curvada de desplazamiento es el arco de una circunferencia angularmente variable alrededor de un eje vertical que pasa a traves de su centro de rotacion.
7. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha trayectoria de desplazamiento alternativo esta situada sobre la tierra, caracterizado porque su orientacion con respecto a tierra se obtiene por medio de un contacto de rodadura.
8. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha unidad de tierra es guiada a lo largo de dicha trayectoria de desplazamiento alternativo con un contacto no deslizante.
9. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 8, caracterizado porque dicho contacto se proporciona mediante elementos de rodadura aplicados a dicha unidad de tierra y conectados, de forma operativa, a dichos medios generadores.
10. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 9, caracterizado porque preve la direccion controlada de dichos miembros de rodadura.
11. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 9, caracterizado porque dichos miembros de rodadura se someten a frenado para inversion de movimiento de la unidad de tierra con relacion a dicha trayectoria de desplazamiento alternativo, y la energfa de frenado se recupera para acelerar dicha unidad de tierra despues de la inversion de movimiento.
12. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 5, caracterizado porque dicha trayectoria de desplazamiento alternativo esta situada sobre una superficie lfquida de flotacion.
13. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dicha trayectoria de desplazamiento alternativo constituye, junto con la unidad de tierra, un motor/generador lineal.
14. Un sistema para convertir energfa eolica en energfa electrica o mecanica a traves del vuelo de al menos un perfil de ala de potencia atado a traves de al menos un cable a una unidad de tierra movido por dicho perfil de ala de potencia a lo largo de una trayectoria de desplazamiento alternativo para accionar medios generadores, incluyendo medios para orientar dicha trayectoria de desplazamiento alternativo en una direccion sustancialmente ortogonal a la direccion del viento, caracterizado porque dicha trayectoria de desplazamiento alternativo es curvada.