ES2615329T3

ES2615329T3 - Turbina eólica con extremos de inducción baja

Info

Publication number: ES2615329T3
Application number: ES09741018.7T
Authority: ES
Inventors: Gustave Paul Corten
Original assignee: CORTEN HOLDING BV
Current assignee: CORTEN HOLDING BV
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2017-06-06
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: US20110176926A1; PT2342453T; DK2342453T3; CA2737886A1; EP2342453B2; EP2342453B1; DK2342453T4; CN102187092B; ES2615329T5; AU2009292717A1; WO2010033018A2; EP2342453A2; BRPI0913564A2; CN102187092A; US9797368B2; BRPI0913564B1; AU2009292717B2; WO2010033018A3; KR20110063541A

Abstract

Una turbina eólica del tipo de giro rápido que comprende un rotor de más de 80 m de diámetro, en el cual la relación de la solidez en una posición radial r1 y la solidez en una posición radial r2, sol(r1/r2) es tal que sol(0.3R/0.5R) es mayor de 1.45 y caracterizada por que sol(0.5R/0.7R) es mayor de 1.5.

Description

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DESCRIPCION

Turbina eolica con extremos de induccion baja

La invencion se refiere a la distribucion de la cuerda a lo largo de la envergadura de una pala de rotor de una turbina eolica de eje horizontal.

Las palas actuales de las turbinas eolicas tienen la desventaja de producir unas cargas altas que aumentan los costes de la energfa eolica. En particular, los momentos flectores en los encastres de las palas son altos. Estas cargas aumentan los costes del area del encastre de la pala, el buje, los rodamientos de inclinacion, etc. Cuando los momentos flectores en el encastre de las palas del mismo rotor no son iguales, se ejerceran unos momentos de guinada y cabeceo altos sobre el buje, la gondola, la torre y la cimentacion. Otra desventaja de la carga alta de las palas es que la turbina generara un deficit de velocidad grande en la estela. En un parque eolico, las turbinas ubicadas en dichas estelas experimentan una carga alta particularmente en el caso de funcionamiento parcial en una estela. Asimismo, la generacion de deficits de velocidad grandes en los parques eolicos reducira la eficiencia global de un parque eolico de acuerdo con el concepto Flujo y Calor al cual se hace referencia en la seccion 2.1.2 en “Flow Separation on Wind Turbine Blades" ISBN 90-393-2582-0 o en el documento US 7357 622 B2. Todas las cargas mencionadas son particularmente altas a aproximadamente una velocidad del viento nominal de la turbina, que es la velocidad del viento minima a la cual la turbina puede generar su potencia maxima. Otra desventaja de las palas existentes es que se han tenido que tomar medidas para evitar que los extremos golpeen la torre, como resultado de una rafaga de viento extrema. Dichas medidas son la utilizacion de unas palas dobladas previamente, la utilizacion de fibras de vidrio adicionales, el aumento del grosor del perfil aerodinamico o la sustitucion de las fibras de vidrio por unas fibras de vidrio mas ngidas o por fibras de carbono.

Ademas, las palas actuales tambien experimentan cargas altas sometidas a condiciones extremas. Por ejemplo, cuando se detiene la turbina, durante una rafaga de viento extrema, las cargas desde las palas hasta la cimentacion pueden ser muy altas y aumentaran el coste de la turbina.

Con un viento aproximadamente nominal, un metodo conocido para aliviar las cargas se denomina tallado de extremos. En este, las palas se inclinan unos pocos grados hacia el vano, de modo que se reduce la sustentacion generada por las palas. Este metodo reduce ciertas cargas, no obstante, no con certeza: las palas aun pueden desarrollar la sustentacion alta cuando cambia la direccion del viento en una rafaga o cuando falla el sistema de control y la pala se inclina en la direccion incorrecta. Existen muchos metodos activos para aliviar las cargas tal como cambiar la forma de los perfiles aerodinamicos o utilizar actuadores activos para controlar la aerodinamica del perfil aerodinamico. No obstante, estos metodos aumentan la frecuencia de mantenimiento y por tanto los costes. E incluso cuando un control activo reduce exitosamente las cargas un 99.9% del tiempo, el caso muy poco probable de errores en el control puede conducir a un aumento de las cargas mas altas. Los disenadores de turbinas eolicas deben tener en cuenta dichos casos. Tanto el tallado de extremos como dichos metodos activos influyen poco o nada en las cargas extremas cuando se detiene la turbina. Otro metodo conocido para reducir las cargas es optimizar el rotor a una induccion axial por debajo del valor optimo de a = 1/3 obtenido por Lanchester en 1915 y denominado a menudo el lfmite de Betz.

Otro ejemplo de la tecnica anterior se puede encontrar en el documento WO2006090215. El objetivo de la invencion es superar las desventajas mencionadas anteriormente. Se introducen algunas definiciones. La solidez es una funcion del radio local r y se define como Nc/(2nR). En la presente, R hace referencia al radio del rotor y Nc hace referencia a la longitud total de la cuerda de todas las palas en la posicion radial r. Una turbina eolica puede tener palas de longitudes diferentes o puede tener palas que tengan multiples perfiles aerodinamicos en una posicion radial dada. En todos los casos Nc es igual a la suma de las cuerdas de todos los perfiles aerodinamicos en la posicion radial r. La cuerda c en la posicion radial r se define como el valor mas pequeno de la cuerda en un intervalo de anchura c alrededor de la posicion r. Cuando un perfil aerodinamico esta equipado con un borde posterior flexible, en ese caso las partes que se pueden flexionar durante las condiciones de generacion de potencia en mas de un 1% de c no debenan ser incluidas en la cuerda c. La relacion de solidez en una primera posicion radial ri y en una segunda posicion radial r2 se expresa como sol(ri/ r2). La expresion del tipo de giro rapido significa dedicar la invencion a turbinas eolicas modernas con una solidez total de menos de 0.1. La solidez total se define como la suma de las areas proyectadas de todas las palas del rotor dividida por el area barrida por el rotor.

El objetivo de la invencion se consigue mediante un rotor de turbina eolica de mas de 10 m de diametro del tipo de giro rapido que tiene una sol(ri/r2), que es mayor que un numero indicado en la tabla a continuacion.

: sol (0.3R/0.5R) sol (0.5R/0.7R) sol (0.7R/0.9R)

preferida: 1.45 1.5 1.5

mas preferida: 1.5 1.6 1.65

la mas preferida: 1.6 1.7 1.8

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Una pala con la forma de acuerdo con cualquiera de los criterios de sol^/^ anteriores tiene las siguientes ventajas: A la relacion de velocidades del extremo de aproximadamente la velocidad del viento nominal, la induccion axial inducida por un rotor con dichas palas esta cerca de 0.3 en el centro del rotor y es considerablemente menor en posiciones radiales mas alejadas. De modo que el centro trabaja cerca del optimo mientras que la parte exterior esta mas alejada de ese optimo. Esto reduce las cargas sobre los extremos de la pala y por tanto reduce los momentos flectores en el encastre de las palas, asf como tambien los momentos de cabeceo y guinada, etc. Las cargas en los extremos de las palas tienen un mayor impacto en el coste que las cargas en el encastre de las palas por dos razones: primera, el brazo de las fuerzas es mayor, y segunda, la direccion de la fuerza de sustentacion es menos tangencial. Unicamente se aprovecha la componente tangencial. Para relaciones de velocidades en los extremos mas altas utilizadas, por ejemplo, por debajo de la velocidad del viento nominal, todo el rotor puede trabajar cerca del optimo de Lanchester-Betz. Un beneficio adicional de una realizacion de la invencion es que la ffsica anterior implica que el coeficiente de potencia a velocidades del viento menores es relativamente alto, de modo que se genere una fraccion de energfa mayor a velocidades del viento menores. Esto es beneficioso ya que el valor de la energfa aumenta con un viento menor, en particular, en areas con mucha generacion de potencia eolica. Otra ventaja es que los extremos trabajan cerca de su sustentacion maxima, de modo que una posible rafaga de viento o error del control no pueden aumentar mucho las cargas. Esto otorga a las palas de acuerdo con la invencion una proteccion pasiva contra las sobrecargas. Otra ventaja de las cargas reducidas en la parte exterior de la pala es que ayuda a mantener el extremo alejado de la torre. Un beneficio adicional es que se puede sustituir un rotor convencional por un rotor de acuerdo con la invencion con un mayor diametro. El nuevo rotor tendra un rendimiento mayor para el mismo nivel de carga.

En el extremo del encastre, las palas clasicas estan optimizadas principalmente con relacion a la estructura y mucho menos con relacion a la aerodinamica. Como resultado, el centro de la turbina eolica convencional es una “fuga” en el disco del rotor: el aire fluira a traves del centro del rotor desde el lado de barlovento de alta presion hasta el lado de sotavento de baja presion. Este flujo parasito provoca una perdida de potencia. Cuando sol(0.1R/0.3R) es mayor de 1.0, y en particular mayor de 1.2, y mas en particular mayor de 1.4, se dispone en 0.1 R de cuerda suficiente para cerrar aerodinamicamente el centro del rotor. En una realizacion particular de acuerdo con la invencion, la induccion es relativamente alta en el centro del rotor y por lo tanto el cierre del centro anade mas rendimiento que en el caso de los rotores convencionales. Asimismo, el cierre de la fuga implica que se genera mas potencia en el centro del rotor, que es la potencia que da los menores momentos flectores.

Se obtiene un beneficio adicional cuando las 4 relaciones sol(n/r2) diferentes son mayores que los valores indicados:

sol(0.3R/0.5R):: 1.45; 1.5; 1.6,

sol(0.5R/0.7R):: 1.5; 1.6; 1.7,

sol(0.7R/0.9R):: 1.5; 1.65; 1.8,

sol(0.3R/0.9R):: 2.0; 2.5; 3.0.

Se obtiene una ventaja adicional cuando la cuerda como funcion de la posicion radial disminuye de manera monotona en al menos un 80% del intervalo radial entre 0.3R y 0.99R.

De acuerdo con una realizacion de la invencion, el rotor esta equipado con medios de mejora de la sustentacion. Se obtiene una ventaja adicional cuando dichos medios de mejora de la sustentacion se colocan en una posicion radial mayor de 0.5R, y mas en particular mayor de 0.7R, y preferentemente mayor de 0.9R. Los medios de mejora de la sustentacion son cambios a un contorno del perfil aerodinamico suave que aumentan el coeficiente de sustentacion maximo y que se unen al perfil aerodinamico como elementos independientes o integrados con el perfil aerodinamico. Algunos ejemplos de medios de mejora de la sustentacion son los generadores de vortices, los flaps gurney, los chorros de aire, la succion de la capa lfmite, los microdispositivos electromecanicos o las superficies de los perfiles aerodinamicos con abultamientos o rebajes o alerones. Los medios de mejora de la sustentacion se pueden colocar de manera pasiva o se pueden utilizar de una manera activa, siendo controlados en funcion de un parametro calculado o medido.

Se obtiene una ventaja adicional cuando la cuerda local en el intervalo entre 0.5R y 0.9R es menor que lo que sigue de la ecuacion C=M, suponiendo que el coeficiente de sustentacion local cp0.9, y en particular c=1.0, y mas en particular c=1.3, y preferentemente Cl=1.5. En la presente, C=NrcrC\A/(2nR2) es un numero de cuerda adimensional y M = -1.19 + 9.74CP - 21.01Cp2 + 17.5Cp3 es una estimacion de la perdida de momento adimensional deducida de Cp, que es el coeficiente de potencia electrica de la turbina. La formula para M se puede utilizar en el caso de que Cp este entre 1/3 y 16/27.

Cuando las palas del rotor trabajan a menos de un 80% de la velocidad del viento nominal, se obtiene una ventaja adicional si la relacion de velocidades del extremo (definida como A = wR/V, donde w es la velocidad angular del rotor y V la velocidad del viento) del rotor es mayor que la correspondiente a la velocidad del viento nominal en al

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menos un 10%, en particular en al menos un 20%, y mas en particular en al menos un 30%. Mas en particular, la turbina eolica trabaja con una velocidad del rotor constante, de modo que la relacion de velocidades del extremo aumente de manera automatica al disminuir la velocidad del viento. Las turbinas con velocidad del rotor constante se definen como turbinas que tienen una conexion entre el generador y la red donde la energfa no se transfiere por medio de un enlace de tension CA-CC-CA. A velocidades del viento de menos de un 80% del viento nominal, las cargas son relativamente bajas y no provocan costes altos. Al aumentar la relacion de velocidades del extremo todo el rotor puede trabajar cerca del lfmite de Lanchester-Betz, de modo que se captura la potencia maxima.

Otra ventaja es valida para la eficiencia de los parques eolicos. Si la estela de una turbina en un parque interfere con las turbinas a sotavento, dicha turbina puede trabajar con una velocidad del extremo menor frente a la curva de velocidad del viento, en comparacion con las turbinas cuyas estelas no estan interfiriendo. Como resultado, la eficiencia del parque aumenta y la carga de las turbinas se reduce. La relacion de velocidades del extremo de una turbina se controla de manera implfcita o explfcita mediante una funcion o algoritmo A( V) que proporciona la relacion de velocidades del extremo A en funcion de la velocidad del viento V. En un parque, si una turbina a barlovento esta controlada mediante Aup( V) y una turbina a sotavento mediante Adown( V), en ese caso, para alguna V, Aup( V)< Adown( V) / f, donde f es 1.05, y en particular 1.1, y mas en particular 1.15.

Las realizaciones anteriores de la invencion sirven al objetivo de mejorar la relacion entre rendimiento y cargas. Este objetivo es de mayor importancia a mayor tamano de la turbina. Para una turbina pequena los materiales adicionales para reforzar la estructura tienen un impacto en el coste relativamente pequeno en comparacion con los costes de diseno y mantenimiento. No obstante, para grandes turbinas, los ahorros de materiales asociados con el alivio de las cargas son altos. Por lo tanto, se obtiene una ventaja adicional cuando la invencion se aplica a turbinas con un diametro mayor de 80 m, en particular mayor de 100 m, y mas en particular mayor de 120 m. Para turbinas menores de 10 m de diametro la reduccion de las cargas es de poca importancia y dichas turbinas no se utilizan en los parques. Por lo tanto, las turbinas de menos de 10 m de diametro estan excluidas de la invencion.

Se obtiene un beneficio adicional cuando la turbina de viento de acuerdo con la invencion comprende una pala con un perfil aerodinamico en una posicion radial mayor de 0.8R del cual el coeficiente de sustentacion maximo cuando se retiran cualesquiera medios de mejora de la sustentacion, en condiciones bidimensionales con un numero de Reynolds en funcion de la cuerda de 1.5 millones, es mayor de 1.4, y en particular mayor de 1.5, y mas en particular mayor de 1.6 y preferentemente mayor de 1.7.

Y, por ultimo, se obtiene un beneficio adicional cuando la turbina eolica de acuerdo con la invencion comprende una pala con un perfil aerodinamico en una posicion radial mayor de 0.6R del cual el coeficiente de sustentacion maximo que incluye los medios de mejora de la sustentacion, en condiciones bidimensionales con un numero de Reynolds en funcion de la cuerda de 1.5 millones, es mayor de 1.6, y en particular mayor de 1.7, y mas en particular mayor de 1.8 y preferentemente mayor de 1.9.

Las figuras a continuacion muestran las realizaciones preferidas de la invencion. figura 1 turbina eolica; figura 2 pala de turbina eolica; figura 3 distribucion de la induccion.

La figura 1 muestra una turbina eolica 1 con una torre 2, una gondola 3, un buje 4 y una pala 6, con el encastre de la pala 5. El radio de la turbina es R. La distribucion de la cuerda frente a la posicion radial es de acuerdo a la invencion. La figura 2 muestra el lado de succion de una pala 6 con el encastre de la pala 5. La pala tiene las cuerdas locales 10, 11, 12 y 13 en 0.3R, 0.5R, 0.7R y 0.9R respectivamente (0.1R no aparece explfcita en la figura). La pala tiene unos medios de mejora de la sustentacion en forma de generadores de vortices 14, que se muestran a una escala mayor y con numeros mas pequenos por razones de claridad. En la figura, la cuerda 10 dividida por la cuerda 11 es igual a sol(0.3R/0.5R) y es 1.5. La figura 3 muestra un ejemplo de la induccion axial frente a la posicion radial para un rotor de acuerdo con la invencion a una velocidad del viento nominal de 11 m/s (curva “a del invento nominal”) y con un viento de 8 m/s (curva a del invento 8 m/s). Se puede observar que, en la nominal, la parte exterior del rotor esta bastante lejos de a = 1/3 mientras que la parte interior esta aun cerca de a = 1/3. Las relaciones para un diseno actual se muestran mediante las curvas “a nominal” y “a 8 m/s”. En este caso nominal, la induccion en la parte exterior del rotor esta mucho mas cercana a a = 1/3. Por lo tanto, el rotor actual tendra un coeficiente de potencia mayor Cp pero experimental cargas mayores. El rotor de acuerdo con la invencion se puede hacer mas grande de modo que capture incluso mas energfa con cargas menores. Los valores de induccion precisos en el eje y no son relevantes y pueden ser mayores o menores. Lo relevante son las tendencias respectivas en las curvas, que ilustran los principios subyacentes de la invencion.

Sera obvio para el experto en la tecnica, que las figuras y la descripcion son meros ejemplos de la invencion y que se pueden realizar multiples variaciones que estan dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Una turbina eolica del tipo de giro rapido que comprende un rotor de mas de 80 m de diametro, en el cual la relacion de la solidez en una posicion radial ri y la solidez en una posicion radial 2 sol(ri/r2) es tal que sol(0.3R/0.5R) es mayor de 1.45 y caracterizada por que sol(0.5R/0.7R) es mayor de 1.5.
2. La turbina eolica de acuerdo con la reivindicacion 1, donde sol(0.5R/0.7R) es mayor de 1.6 y mas en particular mayor de 1.7.
3. La turbina eolica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que sol(0.7R/0.9R) es mayor de 1.5, y en particular mayor de 1.65 y mas en particular mayor de 1.8.
4. La turbina eolica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que sol(0.5R/0.9R) es mayor de 2.0, y en particular mayor de 2.5 y mas en particular mayor de 3.0.
5. La turbina eolica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una pala de rotor donde la cuerda como funcion del radio disminuye de manera monotona en al menos un 80% del intervalo radial entre 0.3R y 0.99R.
6. La turbina eolica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una pala de rotor que esta equipada con unos medios de mejora de la sustentacion, donde dichos medios estan ubicados en particular en una posicion radial mayor de 0.5R, y mas en particular en una posicion radial mayor de 0.7R y preferentemente en una posicion radial mayor de 0.9R.
7. Un grupo de turbinas eolicas que comprende una primera y segunda turbina eolica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, de las cuales dicha primera turbina eolica esta a barlovento de dicha segunda turbina y trabaja con una relacion de velocidades del extremo que cumple la funcion Aup(V) y dicha segunda turbina trabaja con una relacion de velocidades del extremo que cumple la funcion Adown(V), donde Aup(V) < Adown(V) / f, para f = 1.05, y en particular f = 1.1 y mas en particular f = 1.15.
8. La turbina eolica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que en el intervalo de velocidades del viento entre un 60% y un 90% de la velocidad del viento nominal tiene un aumento de la relacion de velocidades del extremo de al menos un 20% y mas en particular, en la cual la relacion de velocidades del extremo aumenta linealmente con la velocidad del viento.
9. La turbina eolica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el diametro es mayor de 100 m y preferentemente es mayor de 120 m.
10. La turbina eolica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una pala con un perfil aerodinamico en una posicion radial mayor de 0.8R, donde el coeficiente de sustentacion maximo de dicho perfil aerodinamico cuando se eliminan cualesquiera medios de mejora de la sustentacion, en condiciones bidimensionales con un numero de Reynolds de 1.5 millones, es mayor de 1.4, y en particular mayor de 1.5, y mas en particular mayor de 1.6 y preferentemente mayor de 1.7.
11. La turbina eolica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una pala con un perfil aerodinamico en una posicion radial mayor de 0.8R, donde el coeficiente de sustentacion maximo de dicho perfil aerodinamico tal como esta aplicado que incluye, por tanto, los medios de mejora de la sustentacion si estan presentes, en condiciones bidimensionales con un numero de Reynolds de 1.5 millones, es mayor de 1.6, y en particular mayor de 1.7, y mas en particular mayor de 1.8 y preferentemente mayor de 1.9.