ES2628963T3 - Turbina eólica inclinable - Google Patents
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Abstract
Una turbina eólica (101) que comprende: una cimentación (103) en la que dicha cimentación (103) es una cimentación fija; y una torre (102) conectada a dicha cimentación (103) en la que dicha torre (102) está inclinada respecto a una posición vertical para reducir la carga sobre dicha torre (102); en la que dicha torre (102) está inclinada con un ángulo de inclinación predeterminado hacia una dirección de viento predominante; y caracterizada por que dicho ángulo de inclinación predeterminado se determina basándose en un análisis de las condiciones del viento en una localización de dicha turbina eólica (101).
Description
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DESCRIPCION
Turbina eolica inclinable
La presente invencion se refiere a turbinas eolicas inclinables y en particular a turbinas eolicas que pueden inclinarse respecto a una posicion vertical.
Las turbinas eolicas aprovechan la ene^a eolica para generar energfa electrica y se han convertido en cada vez mas populares como una fuente de ene^a alternativa a las fuentes tradicionales para generacion de ene^a electrica. El aprovechamiento de la ene^a eolica se considera que es una fuente mas sostenible y mas limpia para la generacion de energfa electrica.
Para generar energfa electrica a partir de la energfa eolica, las turbinas eolicas 101 comprenden tipicamente una torre 102 que se basa sobre una cimentacion estable 103, una gondola 104 localizada sobre la torre 102 para alojar los aparatos electricos y mecanicos, tales como el generador, y un rotor 105 con una o mas palas 106 de turbina conectadas a la gondola tal como se muestra en la Figura 1. En terminos basicos y simplistas, las palas de la turbina giran por la energfa eolica incidente, lo que acciona un generador para producir energfa electrica.
Una turbina eolica es cara de fabricar y por lo tanto una motivacion clave en el desarrollo de las turbinas eolicas es la necesidad de reducir el coste de una turbina eolica para hacer de las turbinas eolicas una solucion economica para generacion de energfa electrica.
El documento US7891939B1 describe una torre de turbina giratoria. La torre gira para mantener la turbina enfrentada al viento.
El documento EP2472105A2 describe un conjunto de plataforma flotante que permite la orientacion de la plataforma para obtener condiciones de maxima eficiencia en la turbina eolica.
La presente invencion busca acometer, al menos en parte, las necesidades y desventajas descritas en el presente documento anteriormente.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invencion se proporciona una turbina eolica de acuerdo con la reivindicacion 1.
Las cargas sobre una torre de turbina eolica pueden reducirse ventajosamente mediante la inclinacion de la torre respecto a una posicion vertical.
La torre puede inclinarse hasta un angulo de inclinacion predeterminado en una direccion del viento predominante. La direccion del viento predominante puede determinarse basandose en unos analisis de las condiciones del viento en una localizacion de la turbina eolica. El angulo de inclinacion predeterminado puede determinarse basandose en un analisis de las condiciones del viento en una localizacion de la turbina eolica.
Puede analizarse la localizacion en la que puede montarse la turbina eolica, por ejemplo, mediante la determinacion de una rosa de los vientos. La rosa de los vientos puede mostrar la direccion del viento y/o velocidades del viento en la localizacion y puede identificarse a partir de lecturas de sensores, por ejemplo, un mastil meteorologico que ha estado en la localizacion durante una cantidad de tiempo predeterminada, por ejemplo un ano o cualquier otro periodo de tiempo adecuado para obtener una indicacion de la direccion y velocidad del viento en la localizacion. Pueden medirse tambien otras condiciones del emplazamiento en la localizacion, por ejemplo turbulencia del viento, temperatura, densidad del aire y otros similares. Basandose en al menos una informacion de la rosa de los vientos puede identificarse la direccion del viento predominante y la torre de la turbina eolica puede inclinarse respecto a una posicion vertical en la direccion del viento predominante. El angulo de inclinacion para la inclinacion de la torre puede fijarse como un valor espedfico, por ejemplo 1 grado a 2 grados, o puede determinarse basandose en la velocidad del viento y/o la direccion del viento de modo que la reduccion en las cargas sobre la torre sea proporcional a la inclinacion de la torre en la direccion del viento predominante. La torre puede inclinarse entonces respecto a la posicion vertical en el angulo de inclinacion predeterminado.
La cimentacion es una cimentacion fija, por ejemplo una cimentacion solida en el terreno. En un ejemplo adicional que no es parte de la presente invencion y que se proporciona solamente por referencia, la cimentacion puede ser una plataforma flotante para una turbina eolica marina.
La torre puede inclinarse de modo fijo hasta un angulo de inclinacion predeterminado de modo que la torre puede inclinarse permanentemente respecto a la posicion vertical. Por lo tanto, la turbina eolica puede montarse con una inclinacion permanente respecto a la posicion vertical en la direccion del viento dominante para reducir las cargas sobre la torre de la turbina eolica. La turbina eolica puede comprender adicionalmente un dispositivo conectado operativamente a la torre, en el que el dispositivo permite a la torre inclinarse alrededor de uno o mas ejes y la torre se conecta a la cimentacion mediante el dispositivo. El dispositivo permite a la torre de la turbina eolica girar o
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inclinarse alrededor de uno o mas ejes para inclinar la torre respecto a la posicion vertical. La ventaja de permitir a la torre girar o inclinarse alrededor de uno o mas ejes es que, independientemente de la direccion del viento, pueden reducirse las cargas sobre la torre mediante la inclinacion de la torre respecto a la posicion vertical en la direccion del viento actual.
El dispositivo puede ser uno o mas de una articulacion, una plataforma, un elemento flexible, una junta y una articulacion esferica.
La turbina eolica puede comprender adicionalmente uno o mas dispositivos de seguridad, en los que el dispositivo de seguridad puede impedir que la turbina eolica se incline adicionalmente mas de un angulo de inclinacion predeterminado.
La turbina eolica puede comprender adicionalmente un controlador adaptado para determinar un angulo de inclinacion para la turbina eolica; y el controlador esta adaptado adicionalmente para alterar un parametro de operacion de la turbina eolica de modo que la turbina eolica se incline al angulo de inclinacion determinado en el que la turbina eolica esta equilibrada entre una fuerza de empuje que actua sobre la turbina eolica y la gravedad que actua sobre la turbina eolica.
El controlador puede adaptarse adicionalmente para determinar un angulo de inclinacion optimo en el que el angulo de inclinacion optimo proporciona una produccion de energfa electrica optima por parte de la turbina eolica.
El controlador puede adaptarse adicionalmente para identificar el angulo de inclinacion a partir de una tabla de busqueda; o calcular el angulo de inclinacion en tiempo real.
El controlador puede adaptarse adicionalmente para determinar un angulo de paso para una o mas palas de turbina de la turbina eolica basandose en el angulo de inclinacion determinado; y/o determinar un par del generador para un generador de la turbina eolica basandose en el angulo de inclinacion determinado.
El controlador puede adaptarse adicionalmente para identificar un angulo de inclinacion actual de la turbina eolica; determinar una diferencia entre el angulo de inclinacion actual y el angulo de inclinacion determinado; y alterar los parametros de operacion de la turbina eolica basandose en la diferencia determinada.
El controlador puede ser, o incluir, uno o mas de entre un procesador, memoria, entradas, salidas, y asf sucesivamente de modo que el controlador puede realizar las funciones y caractensticas de los aspectos de la invencion.
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invencion se proporciona un metodo de acuerdo con la reivindicacion 11.
El metodo puede comprender adicionalmente la determinacion de una direccion del viento predominante; y la inclinacion de la torre en un angulo de inclinacion predeterminado en la direccion del viento predominante.
El metodo puede comprender adicionalmente la determinacion del angulo de inclinacion predeterminado basandose en un analisis de las condiciones del viento en una localizacion de la turbina eolica.
El metodo puede comprender adicionalmente la determinacion de un angulo de inclinacion para la turbina eolica; y alterar un parametro de operacion de la turbina eolica de modo que la turbina eolica se incline hasta el angulo de inclinacion determinado y la turbina eolica se equilibre entre la fuerza de empuje que actua sobre la turbina eolica y la gravedad que actua sobre la turbina eolica.
La determinacion del angulo de inclinacion puede comprender adicionalmente la determinacion de un angulo de inclinacion optimo en el que el angulo de inclinacion optimo proporciona una produccion de energfa electrica optima por parte de la turbina eolica.
La determinacion del angulo de inclinacion puede comprender adicionalmente la identificacion del angulo de inclinacion a partir de una tabla de busqueda; o el calculo del angulo de inclinacion en tiempo real.
La alteracion del parametro de operacion de la turbina eolica puede comprender adicionalmente la determinacion de un angulo de paso para una o mas palas de turbina de la turbina eolica basandose en el angulo de inclinacion determinado; y/o determinar un par del generador para un generador de la turbina eolica basandose en el angulo de inclinacion determinado.
El metodo puede comprender adicionalmente la identificacion de un angulo de inclinacion actual de la turbina eolica; la determinacion de una diferencia entre el angulo de inclinacion actual y el angulo de inclinacion determinado; y la alteracion de los parametros de operacion de la turbina eolica se basa en la diferencia determinada.
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El metodo puede implementarse por un controlador que puede ser un controlador que ya es parte de una turbina eolica o puede ser un controlador separado. El controlador puede incluir cualquier numero de procesadores, memoria, entradas/salidas para implementar el metodo.
Puede determinarse un angulo de inclinacion para una turbina eolica en donde el angulo de inclinacion puede ser un angulo en el que la turbina eolica puede inclinarse de modo que la turbina eolica puede equilibrarse entre una fuerza de empuje que actua sobre la turbina eolica provocada por el viento incidente y la gravedad que actua sobre la turbina eolica. Pueden alterarse uno o mas parametros de operacion de la turbina eolica para inclinar la turbina eolica en el angulo de inclinacion determinado.
La etapa de alteracion de los parametros de operacion puede incluir la alteracion directamente de los parametros de operacion o el inicio/instruccion a uno o mas de otros controladores o sistemas para alterar o cambiar el (los) parametro(s) de operacion.
La etapa de determinacion del angulo de inclinacion puede comprender adicionalmente la etapa de determinacion de un angulo de inclinacion optimo en el que el angulo de inclinacion optimo proporciona produccion optima de energfa electrica por parte de la turbina eolica. Puede haber mas de un angulo de inclinacion en el que la turbina eolica pueda estar equilibrada o en equilibrio entre la fuerza de empuje y la gravedad que actua sobre la turbina eolica.
Tambien, mediante la alteracion del parametro de operacion de la turbina eolica (por ejemplo, un angulo de paso de una o mas palas de turbina) en diferentes cantidades, entonces pueden conseguirse diferentes angulos de inclinacion en los que la turbina eolica pueda estar equilibrada entre la fuerza de empuje y la gravedad.
Por lo tanto, el controlador puede determinar el angulo de inclinacion optimo para la turbina eolica de modo que se genere o produzca la energfa electrica optima por parte de la turbina eolica. El angulo de inclinacion optimo puede determinarse basandose en al menos la velocidad del viento. La velocidad del viento puede medirse o estimarse. La velocidad del viento medida puede tomarse en la turbina eolica o aguas arriba de la turbina eolica y puede medirse usando sensores tales como un anemometro, o un dispositivo de Deteccion y Localizacion por Luz (LiDAR). El sensor puede localizarse en la turbina eolica o estar separado de la turbina eolica. La velocidad del viento puede estimarse o deducirse, por ejemplo, a partir de la produccion de energfa electrica de la turbina eolica, velocidad del rotor y otros similares.
La etapa de determinacion del angulo de inclinacion puede comprender adicionalmente la identificacion del angulo de inclinacion a partir de una tabla de busqueda; o el calculo del angulo de inclinacion en tiempo real.
La etapa de alterar el parametro de operacion de la turbina eolica puede comprender adicionalmente las etapas de determinacion de un angulo de paso para una o mas palas de turbina de la turbina eolica basandose en el angulo de inclinacion determinado; y/o la determinacion de un par del generador para un generador de la turbina eolica basandose en el angulo de inclinacion determinado.
En consecuencia, los parametros de operacion que pueden cambiarse pueden incluir el angulo de paso de las palas de turbina y/o el par generador del generador en la turbina eolica.
El metodo puede comprender adicionalmente las etapas de identificacion de un angulo de inclinacion actual de la turbina eolica; determinacion de la diferencia entre el angulo de inclinacion actual y el angulo de inclinacion determinado; y la etapa de alteracion de los parametros de operacion de la turbina eolica se basa en la diferencia determinada.
En consecuencia, el angulo de inclinacion de la turbina eolica puede medirse y/o seguirse de modo que pueda determinarse una diferencia entre el angulo de inclinacion actual y el angulo de inclinacion requerido. El angulo de inclinacion actual de la turbina eolica puede medirse, estimarse o deducirse a partir de sensores, tales como extensometros, inclinometros, acelerometros, fijados a o localizados en la turbina eolica. El angulo de inclinacion actual puede medirse, estimarse o deducirse a partir de sensores o dispositivos separados respecto a la turbina eolica tales como un sistema de camara, sistema de infrarrojos y otros similares.
El metodo puede comprender adicionalmente un supervisor. El supervisor puede limitar la alteracion de los parametros de operacion para mejorar adicionalmente la estabilidad de la turbina eolica inclinada. El supervisor puede establecer o aplicar lfmites, o bien constantemente o bajo ciertas condiciones de operacion (por ejemplo, velocidades de viento altas, velocidades de viento bajas y otras similares), para impedir que la turbina eolica oscile o caiga eficazmente.
El metodo puede comprender adicionalmente la operacion de la turbina eolica en un modo motor. El modo motor gira eficazmente la turbina eolica como un ventilador. Por lo tanto, mediante la operacion de la turbina eolica en un modo motor puede estabilizarse adicionalmente la turbina eolica o usarse como un mecanismo de seguridad para impedir o recuperarse desde una inclinacion demasiado alejada en cualquier direccion. El parametro de operacion o el par del generador pueden alterarse para cambiar la turbina eolica a un modo motor.
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En un ejemplo que no es parte de la invencion se proporciona un controlador que comprende:
un primer procesador adaptado para determinar un angulo de inclinacion para la turbina eolica; y un segundo procesador adaptado para alterar un parametro de operacion de la turbina eolica de modo que la turbina eolica se incline en un angulo de inclinacion determinado y la turbina eolica se equilibre entre una fuerza de empuje que actua sobre la turbina eolica y la gravedad que actua sobre la turbina eolica.
El primer procesador puede adaptarse adicionalmente para determinar un angulo de inclinacion optimo en el que el angulo de inclinacion optimo proporciona una produccion de energfa electrica optima por parte de la turbina eolica.
El primer procesador puede adaptarse adicionalmente para identificar el angulo de inclinacion a partir de una tabla de busqueda; o calcular el angulo de inclinacion en tiempo real.
El segundo procesador puede adaptarse adicionalmente para determinar un angulo de paso para una o mas palas de turbina de la turbina eolica basandose en el angulo de inclinacion determinado; y/o determinar un par del generador para un generador de la turbina eolica basandose en el angulo de inclinacion determinado.
El controlador puede comprender adicionalmente un tercer procesador adaptado para identificar un angulo de inclinacion actual de la turbina eolica; un cuarto procesador adaptado para determinar una diferencia entre el angulo de inclinacion actual y el angulo de inclinacion determinado; y el segundo procesador se adapta adicionalmente para alterar los parametros de operacion de la turbina eolica basandose en la diferencia determinada.
Del primer procesador al cuarto procesador pueden ser el mismo procesador, diferentes procesadores, o cualquier combinacion de los mismos. El controlador puede comprender cualquier hardware, software o cualquier combinacion de los mismos para implementar cualquiera o todas las caractensticas o funciones de la presente invencion.
En un ejemplo, puede proporcionarse un producto de programa informatico que comprende codigo ejecutable legible por ordenador para: determinar un angulo de inclinacion para la turbina eolica; y alterar un parametro de operacion de la turbina eolica de modo que la turbina eolica se incline hasta el angulo de inclinacion determinado y la turbina eolica se equilibre entre una fuerza de empuje que actua sobre la turbina eolica y la gravedad que actua sobre la turbina eolica.
El producto de programa informatico puede comprender codigo ejecutable legible por ordenador de implementacion de cualquiera o todas las caractensticas y funciones de la presente invencion.
En un ejemplo, puede proporcionarse una turbina eolica que comprende: una torre; una gondola; una o mas palas de turbina fijadas a un rotor que se fija a la gondola; y un dispositivo conectado operativamente a la torre, en el que el dispositivo permite a la torre inclinarse alrededor de uno o mas ejes.
El dispositivo puede ser uno o mas de una articulacion, una plataforma, un elemento flexible, una junta y una articulacion esferica.
La turbina eolica puede comprender adicionalmente uno o mas dispositivos de seguridad, en el que los dispositivos de seguridad impiden que la turbina eolica se incline adicionalmente mas de un angulo de inclinacion predeterminado.
Se describiran ahora realizaciones de la presente invencion, a modo de ejemplo solamente, y con referencia a los dibujos adjuntos en los que:
la Figura 1 muestra un diagrama simplificado de una turbina eolica.
La Figura 2 muestra un diagrama simplificado de una turbina eolica inclinable de acuerdo con muchas de las realizaciones de la presente invencion.
La Figura 3 muestra un diagrama simplificado de una turbina eolica inclinable de acuerdo con muchas de las realizaciones de la presente invencion.
La Figura 4 muestra una serie de dispositivos de seguridad para una turbina eolica articulada de acuerdo con muchas de las realizaciones de la presente invencion.
La Figura 5 muestra un diagrama simplificado de una turbina eolica flotante inclinable que no es parte de la presente invencion y proporcionada solamente para referencia.
La Figura 6 muestra una rosa de los vientos de ejemplo de acuerdo con muchas realizaciones de la presente invencion.
La Figura 7 muestra una envolvente de ejemplo de la carga de momentos de la parte inferior de la torre correspondiente a la rosa de los vientos de la Figura 6.
La figura 8 muestra una envolvente de ejemplo de la carga de momentos de la parte inferior de la torre para una torre inclinada de acuerdo con muchas de las realizaciones de la presente invencion.
Como se ha descrito en el presente documento anteriormente, una turbina eolica comprende tfpicamente una torre
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102 que se basa en una cimentacion estable 103, una gondola 104 localizada sobre la torre 102 para alojar los aparatos electricos y mecanicos, tales como el generador, y un rotor 105 con una o mas palas 106 de la turbina conectadas a la gondola 104.
En funcionamiento, la fuerza de la energfa eolica incidente sobre las palas 106 de la turbina provoca que el rotor gire y tambien provoca una fuerza de empuje sobre la turbina eolica 101 que empuja efectivamente la turbina eolica 101 hacia atras. De ese modo, la torre 102 se disena y fabrica para soportar las fuerzas de empuje que actuan sobre la turbina eolica 101. El coste de la torre 102 es una proporcion significativa del coste de la turbina eolica 101 y de ese modo, si pueden reducirse los costes de la torre 102, entonces tambien se reducira el coste de la turbina eolica.
El principal coste en la fabricacion de la torre 102 es la realizacion de la torre 102 suficientemente fuerte para soportar las fuerzas de empuje que actuan sobre la torre 102. La fuerza de empuje empuja efectivamente a la turbina eolica hacia atras creando un momento sobre la torre 102 y en particular en la base de la torre 102. Por lo tanto, si los momentos experimentados por la torre 102 pueden reducirse, entonces la torre 102 puede disenarse para que incluya menos material, lo que a su vez puede reducir los costes de la torre haciendo a la turbina eolica 101 mas economica.
Se ha identificado que los momentos experimentados por la torre 102 pueden reducirse ventajosamente mediante el reclinado de la torre 102 en la direccion del viento. La torre 102 puede reclinarse hacia el viento mediante una cimentacion fija, mediante un dispositivo que permita a la torre 102 girar o inclinarse alrededor de uno o mas ejes, o mediante una combinacion de fijacion o mantenimiento del dispositivo que permite a la torre 102 inclinarse o girar durante un penodo de tiempo y liberar el dispositivo para permitir la inclinacion o giro de la torre 102 durante otros penodos de tiempo que pueden depender de las condiciones (por ejemplo, condiciones del viento) o de la operacion de las turbinas eolicas.
De ese modo, la presente invencion permite ventajosamente que la torre se recline hacia al menos la direccion del viento principal o mas fuerte para reducir los momentos sobre la base de la torre 102.
El sitio o localizacion de una planta de generacion eolica (WPP, del ingles “Wind Power Plant”) se analiza tfpicamente y se examina previamente al montaje de una o mas turbinas eolicas para formar la WPP en la localizacion deseada. Como parte del analisis, puede ser util determinar la denominada rosa de los vientos del emplazamiento, lo que puede obtenerse a traves de un mastil meteorologico. Se muestra en la Figura 6 un ejemplo de rosa de los vientos para un emplazamiento espedfico. Como se apreciara, la rosa de los vientos es espedfica del emplazamiento y por lo tanto debenan esperarse diferentes patrones de rosa de los vientos para cada emplazamiento. La rosa de los vientos puede determinarse o identificarse para un emplazamiento completo, para diferentes areas del emplazamiento, que pueden depender de las condiciones del terreno/emplazamiento, para grupos de localizaciones de turbina eolica propuestos, o para cualquier otra finalidad.
Como puede verse a partir del ejemplo de rosa de los vientos de la Figura 6, la direccion del viento y la velocidad del viento son asimetricas en este emplazamiento. Mas aun, la velocidad y direccion del viento es significativamente mayor y predominantemente desde el cuadrante suroeste con el pico de velocidad del viento y direccion del viento presentes en la direccion Sur-Oeste. Dado que la direccion del viento y la velocidad del viento en este ejemplo se desvfan hacia el cuadrante suroeste, entonces los momentos sobre la base de la torre seran significativamente mayores desde el viento en esta direccion que desde las otras direcciones.
La Figura 7 muestra una envolvente de ejemplo de cargas de momentos de la parte inferior de la torre que puede experimentar una torre cuando se somete a la rosa de los vientos asimetrica mostrada en la Figura 6. Como puede verse a partir de la Figura 7, las cargas de momentos sobre la parte inferior de la torre son mayores en el cuadrante suroeste dado que esta es la direccion y velocidad del viento predominante que afectara a la turbina eolica cuando se coloque en esta localizacion.
Sin embargo, las torres de turbina eolica tienen tfpicamente que fabricarse suficientemente fuertes para soportar todas las fuerzas, cargas de momentos y/o cargas de fatiga que puedan experimentar durante su vida util, tfpicamente 20 anos. En consecuencia, la torre tendra que fabricarse con suficiente material y resistencia para soportar las cargas de momentos de pico y cargas de fatiga que experimental en el cuadrante suroeste en este ejemplo, incluso aunque las cargas de momentos y cargas de fatiga en los otros cuadrantes de la envolvente de cargas de momentos de la parte inferior de la torre sean significativamente menores.
Por lo tanto, se ha identificado que las cargas de momentos y/o cargas de fatiga sobre la parte inferior de la torre, por ejemplo la base de la torre, pueden reducirse ventajosamente mediante el reclinado o inclinacion de la torre de la turbina eolica hacia la direccion de viento y/o velocidad del viento predominante.
Basandose en la rosa de los vientos para el emplazamiento espedfico, se muestra en la Figura 7 la rosa de los vientos de ejemplo, se determina o identifica que la direccion y velocidad del viento predominante es desde el Sur- Oeste. Por lo tanto, para reducir ventajosamente las cargas de momentos y/o cargas de fatiga sobre la base de la torre, la estructura de la torre puede inclinarse hacia la direccion del viento predominante y/o velocidad del viento
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basandose en al menos la rosa de los vientos determinada. Una reduccion en las cargas de momentos y/o cargas de fatiga experimentadas por la base de la torre puede ser proporcional a la inclinacion de la torre hacia la direccion del viento y/o velocidad del viento predominante. En este ejemplo, basandose en la rosa de los vientos determinada se determina que un angulo de inclinacion predeterminado para la inclinacion de la torre es de 1 grado respecto a la posicion vertical. Como se apreciara, el valor del angulo de inclinacion predeterminado para la inclinacion puede depender del valor y/o tamano de la direccion del viento y/o velocidad del viento predominante y la torre se inclinara hacia la direccion de los vientos predominantes en la localizacion de la turbina eolica. Tambien se apreciara que el angulo de inclinacion predeterminado puede ser un valor establecido, por ejemplo 1 grado o 1,5 grados, y asf sucesivamente, en donde la torre se inclina al valor establecido y el analisis de la rosa de los vientos puede usarse para determinar la direccion de la inclinacion de la torre. El valor del angulo de inclinacion predeterminado para la inclinacion de la torre puede variar desde 0,5 grados a 5 grados y preferentemente entre 1 grado y 2 grados.
La torre puede inclinarse hasta el angulo de inclinacion requerido mediante la instalacion de una cimentacion de torre solida normal y la incorporacion de pletinas en la base de la torre que se disenan con la inclinacion requerida. Esto permite ventajosamente a una torre de cimentacion fija inclinarse hacia el viento predominante basandose en el analisis de la rosa de los vientos del emplazamiento o localizacion de la turbina eolica. Las pletinas de inclinacion podnan usarse tambien sobre una turbina eolica flotante para inclinar la turbina eolica hacia la direccion de viento y/o velocidad predominante para una turbina eolica marina.
Mediante la inclinacion de la torre de la turbina eolica hacia los vientos predominantes puede minimizarse la compensacion de las cargas de momento y/o cargas de fatiga sobre la parte inferior de la torre. Como se muestra en la Figura 8, cuando la torre se inclina hacia la direccion del viento predominante, la envolvente de cargas de momentos de la parte inferior de la torre puede centrarse, lo que significa que pueden reducirse las cargas de momentos extremos y/o cargas de fatiga. Esto permite ventajosamente que la estructura de la torre se fabrique con menos resistencia y material conduciendo a una reduccion en el coste de la torre. De modo similar, mediante la inclinacion de la torre hacia el viento predominante, las cargas de momentos y/o cargas de fatiga efectivas se reducen y asf la torre es capaz de manejar mayores cargas de momentos y/o cargas de fatiga que previamente, significando que la turbina eolica podna montarse en condiciones de viento que la torre no era previamente suficientemente resistente para manejar.
Cuando la torre se inclina hacia una direccion, entonces, si se encuentran fuertes vientos desde otra direccion, puede controlarse la turbina eolica para reducir la potencia de la turbina eolica para proteger a la turbina eolica de cargas excesivas.
Ademas de tener en cuenta el analisis de la rosa de los vientos para determinar el valor del angulo de inclinacion predeterminado para la inclinacion y la direccion de inclinacion de la torre, el analisis puede tener en cuenta adicionalmente la turbulencia del viento, presion de aire, temperaturas, o cualquier otra condicion del viento.
En una realizacion adicional, para reducir los momentos sobre la torre 102, la turbina eolica puede aprovecharse de la gravedad para contrarrestar la fuerza de empuje sobre la turbina eolica, reduciendo de ese modo los momentos (por ejemplo las cargas de momento) y/o cargas de fatiga sobre la torre.
En este ejemplo, la torre puede fijarse o conectarse operativamente a un dispositivo que permita que la turbina eolica gire o se incline alrededor de uno o mas ejes. Al permitir que la torre gire o se incline alrededor de uno o mas ejes, la turbina eolica es capaz de inclinarse o reclinarse hacia el viento de modo que las fuerzas de la gravedad y las fuerzas de empuje de la turbina eolica esten en equilibrio, o equilibradas. En otras palabras, la turbina eolica se inclina o reclina hacia el viento usando la gravedad y se mantiene o se impide que caiga por la fuerza de empuje que actua sobre la turbina eolica. De ese modo, las tensiones y/o cargas sobre la torre pueden reducirse mediante el equilibrado del centro de masas de la turbina eolica contra la fuerza del viento. Como se ha explicado anteriormente, mediante la reduccion de las tensiones o cargas sobre la torre, entonces la torre puede disenarse y fabricarse con menos material y resistencia reduciendo de ese modo los costes de la torre y por ello los costes de la turbina eolica.
El dispositivo puede ser cualquier dispositivo que permite a la turbina eolica inclinarse, por ejemplo, el dispositivo puede ser una articulacion, una articulacion esferica, una plataforma, material flexible, resorte o cualquier otro dispositivo adecuado.
En un ejemplo, mostrado en la Figura 2, la turbina eolica 201 comprende una torre 202 que se conecta a las cimentaciones 203 a traves de una articulacion 204. La articulacion 204 en este ejemplo permite a la turbina eolica 201 inclinarse hacia adelante y atras en la direccion proa-popa. Por ello, en este ejemplo la torre es capaz de girar o inclinarse alrededor de un eje.
Para tener la capacidad de utilizar una turbina eolica articulada, el control de la turbina eolica es un aspecto exigente e importante del ejemplo y realizaciones. La turbina eolica es capaz de girar o inclinarse alrededor de uno o mas ejes y por lo tanto es esencial tener la capacidad de controlar la turbina eolica de modo que no gire o se incline demasiado y efectivamente caiga. La turbina eolica necesita estar controlada de modo que la fuerza de la gravedad y la fuerza de empuje que actuan sobre la turbina eolica sustancialmente se equilibren o esten en equilibrio. Como
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se apreciara, el viento vana y no es consistente y de ese modo la turbina eolica necesita estar controlada para estabilizar la turbina eolica y mantener el balance o equilibrio dado que las fuerzas de empuje que actuan sobre la turbina eolica pueden variar.
Una turbina eolica comprende tfpicamente mecanismos para alterar o cambiar los parametros de operacion de la turbina eolica. Por ejemplo, una turbina eolica es capaz de alterar el paso de las palas de turbina traves de un sistema de control de paso, el par del generador puede alterarse o cambiarse por un controlador de par del generador y la gondola es capaz de orientarse a traves de un sistema de control de guinada. La turbina eolica puede incluir otros mecanismos para alterar los parametros de operacion de la turbina eolica.
El control de la turbina eolica puede basarse en, al menos, la velocidad del viento en la turbina eolica y/o aguas arriba de la turbina eolica. La velocidad del viento puede determinarse o estimarse a partir de sensores tales como un dispositivo de Deteccion y Localizacion por Luz (LiDAR), un sensor anemometro y otros similares, localizados en o separados de la turbina eolica. La velocidad del viento puede deducirse o estimarse alternativamente basandose en, por ejemplo, la potencia electrica que se esta generando, el angulo de paso de las palas de turbina y otros similares.
Para controlar la turbina eolica en las realizaciones de la presente invencion, un controlador altera el (los) parametro(s) de operacion de la turbina eolica de modo que se mantenga la estabilidad de la turbina eolica y mantenga la turbina eolica en equilibrio o equilibrada entre la fuerza de empuje y la gravedad. El controlador puede determinar un angulo de inclinacion para la turbina eolica y alterar (o iniciar la alteracion de) los parametros de operacion de la turbina eolica basandose en el angulo de inclinacion determinado. El angulo de inclinacion puede determinarse a partir de una tabla de busqueda basandose en, por ejemplo, la velocidad del viento, o el controlador puede calcular el angulo de inclinacion en tiempo real basandose en, por ejemplo, la velocidad del viento.
Una vez se ha determinado el angulo de inclinacion requerido, el controlador puede iniciar un cambio en los parametros de operacion de modo que la turbina eolica se incline hacia el angulo de inclinacion requerido o se mantenga en el angulo de inclinacion deseado. Por ejemplo, el controlador puede determinar un angulo de paso para las palas de turbina, tanto individual como colectivamente, e iniciar a traves de un sistema de control de paso el cambio en el angulo de paso de las palas de turbina. El controlador puede determinar un par del generador y/o par del rotor e iniciar la alteracion del par respectivo.
El controlador puede determinar o identificar el angulo de inclinacion actual de la turbina eolica. El controlador puede seguir el angulo de inclinacion de la turbina eolica y mantener un registro del angulo de inclinacion de la turbina eolica. El controlador puede determinar el angulo de inclinacion actual de la turbina eolica basandose en, por ejemplo, sensores en la turbina eolica, en particular en la gondola. Los sensores pueden incluir inclinometros, acelerometros o cualquier otro sensor adecuado para determinar el angulo de inclinacion de la turbina eolica. Alternativamente, o adicionalmente, puede haber sensores separados de la turbina eolica que pueden identificar el angulo de inclinacion actual de la turbina eolica y proporcionar al controlador el angulo de inclinacion actual de la turbina eolica.
Si el angulo de inclinacion actual es conocido, entonces el controlador puede determinar adicionalmente una diferencia entre el angulo de inclinacion actual y el angulo de inclinacion requerido. Los parametros de operacion pueden alterarse entonces para asegurar que la turbina eolica se mueve desde el angulo de inclinacion actual al angulo de inflacion requerido y/o se mantiene en el angulo de inclinacion requerido.
Puede ser necesario tambien considerar el control de la turbina eolica durante la operacion de la turbina eolica. En particular, puede considerarse que, en funcionamiento, la turbina eolica pasa a traves de tres zonas de operacion durante las que el control de la turbina eolica puede variar.
La primera zona es cuando la turbina eolica se somete a bajas velocidades de viento, por debajo de la denominada velocidad del viento nominal para el diseno de la turbina eolica. En esta zona de baja velocidad del viento debena maximizarse la potencia producida o generada por la turbina eolica mientras se mantiene la estabilidad de la turbina eolica articulada.
La segunda zona es una zona de transicion entre una zona de baja velocidad del viento y una zona de velocidad del viento nominal. En la zona de transicion, la velocidad del viento se incrementa desde velocidades del viento por debajo de la nominal a la nominal o por encima de la nominal.
La tercera zona es la zona de velocidad del viento por encima de la nominal en donde la potencia producida o generada debe limitarse a la potencia nominal por el diseno de la turbina eolica.
En la primera zona, la turbina eolica se controla para maximizar la produccion de energfa generada y para mantener estable la turbina eolica, en otras palabras mantener el balance o equilibrio entre la fuerza de empuje y la gravedad. En la primera zona, la velocidad del viento se incrementa desde la velocidad de arranque en todo el intervalo hasta aproximadamente la velocidad del viento nominal para la turbina eolica dada. Para maximizar la energfa electrica
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generada puede mantenerse el angulo de paso de las palas a sustancialmente 0 grados. La velocidad del rotor es proporcional a la velocidad del viento y de ese modo cuando la velocidad del viento se incrementa asf lo hace la velocidad del rotor de la turbina eolica. El par del generador se incrementa asf proporcional al cuadrado de la velocidad del rotor.
En consecuencia, cuando la velocidad del viento se incrementa y por lo tanto tambien se incrementa la velocidad del rotor en esta primera zona, la fuerza de empuje que actua sobre la turbina eolica tambien se incrementa. Se determina por el controlador el angulo de inclinacion requerido (por ejemplo a partir de una tabla de busqueda, calculado en tiempo real, etc.) y se controla la turbina eolica mediante la alteracion de los parametros de operacion para obtener o mantener la turbina eolica con el angulo requerido. En esta primera zona el controlador puede alterar el par del generador y/o el angulo de paso de las palas de turbina para obtener o mantener el angulo de inclinacion requerido.
En la segunda zona, las velocidades del viento se aproximan y estan sustancialmente proximas a la velocidad del viento nominal para la turbina eolica dada. Esta zona se considera como la transicion entre velocidades del viento por debajo de la nominal y velocidades del viento nominales (y por encima). Durante esta zona la operacion de la turbina eolica y los puntos de operacion cambian desde un enfoque en la generacion de la maxima produccion de energfa electrica posible a mantener la maxima produccion de energfa electrica posible para una turbina eolica dada.
En la segunda zona, el controlador determina de nuevo el angulo de inclinacion requerido de la turbina eolica y altera o inicia un cambio en los parametros de operacion de la turbina eolica. Por ejemplo, el controlador puede incrementar el angulo de paso de las palas de turbina para obtener o mantener el angulo de inclinacion requerido de modo que la turbina eolica pueda mantenerse establemente en equilibrio entre la fuerza de empuje que actua sobre la turbina eolica y la gravedad. Sin embargo, el incremento en el angulo de paso significa que la turbina eolica ya no esta generando la maxima produccion de energfa electrica permisible y por lo tanto debena minimizarse el tamano de la segunda zona. El controlador tambien puede alterar el par del generador y/o la guinada de la gondola o alterar cualquier otro parametro de operacion de la turbina eolica para obtener o mantener el angulo de inclinacion requerido o determinado.
En la tercera zona, donde las velocidades del viento estan en o por encima de las velocidades de viento nominales, la turbina eolica se controla para mantener la produccion de energfa electrica en el maximo permisible. Tfpicamente, el controlador incrementa el angulo de paso de las palas de turbina cuando se incrementa la velocidad del viento para mantener la velocidad del rotor constante en la maxima permisible, lo que mantiene el par del generador constante de modo que se mantiene una produccion de energfa electrica constante. Durante esta zona, se determina el angulo de inclinacion requerido y se alteran los parametros de operacion de la turbina eolica para obtener o mantener el angulo de inclinacion determinado requerido mediante, por ejemplo, el incremento del angulo de paso de las palas de turbina.
En consecuencia, el ejemplo descrito en el presente documento anteriormente muestra que puede controlarse una turbina articulada para mantener la estabilidad de la turbina eolica y permitir que la fuerza de empuje que actua sobre la turbina eolica se equilibre por la gravedad que tambien actua sobre la turbina eolica. El controlador puede utilizar el controlador de par del generador y/o el sistema de control de paso para regular el angulo de inclinacion de la turbina eolica.
En el ejemplo anterior, la turbina eolica inclrna una articulacion entre la torre y las cimentaciones para permitir a la turbina eolica inclinarse o reclinarse en direcciones adelante y atras, en otras palabras, girar alrededor de un eje. Sin embargo, la base de la torre puede someterse a momentos, fuerzas, cargas o tensiones en otras direcciones y alrededor de ejes adicionales tales como laterales. De ese modo, puede ser adicionalmente beneficioso permitir que la turbina eolica gire o se incline alrededor de mas de un eje de modo que reduzca los momentos sobre la torre significando que el coste de la torre puede reducirse adicionalmente.
En el siguiente ejemplo, explicado con referencia a la Figura 3, la turbina eolica 301 incluye una torre 302, una articulacion esferica 303 que conecta la torre a las cimentaciones 304. Se fija una gondola 305 a la torre 302 y el rotor 306 se fija a la gondola 305 donde una o mas palas de turbina 307 se fijan al rotor 306.
La articulacion esferica 303 permite que la turbina eolica sea capaz de girar en multiples ejes. En lugar de una articulacion esferica 303 puede utilizarse cualquier otro dispositivo que permita a la turbina girar alrededor de mas de un eje, por ejemplo, un resorte, dos o mas articulaciones, una articulacion que pueda funcionar en mas de un eje, y otros similares.
Asf, ademas del primer ejemplo (en donde el controlador altera los parametros de operacion de la turbina eolica para inclinar la turbina eolica para mantener el balance o equilibrio entre la fuerza de empuje que actua sobre la turbina eolica y la gravedad en la direccion adelante y atras), el controlador puede controlar adicionalmente la inclinacion o giro lateral mediante la alteracion del par del rotor y/o par del generador. El par del generador puede traducirse a traves de la estructura de la gondola en un movimiento lateral de la torre que puede usarse para equilibrar los laterales de la torre. Adicionalmente, en combinacion con el control del angulo de paso, puede usarse para equilibrar
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la turbina eolica contra la fuerza de empuje en multiples direcciones. Alternativa o adicionalmente, el controlador puede cambiar o alterar adicionalmente la guinada de la gondola a traves de un sistema de control de la guinada para obtener la inclinacion requerida en las multiples direcciones alrededor del eje de giro del dispositivo articulado.
En los ejemplos y realizaciones descritas en el presente documento anteriormente, los parametros de operacion de la turbina eolica se alteran o cambian para inclinar la turbina eolica de modo que la fuerza de empuje y la gravedad que actuan sobre la turbina eolica se equilibren. El angulo de inclinacion requerido para la turbina eolica puede determinarse a partir de una tabla de busqueda basada en uno o mas de entre la fuerza de empuje determinada que actua sobre la turbina eolica, velocidad del rotor, angulo de paso de las palas de turbina, par del generador, velocidad del viento (real o estimada), cizalladura del viento (real o estimada) y direccion del viento. El angulo de inclinacion requerido puede alternativa o adicionalmente calcularse o determinarse en tiempo real.
El controlador puede iniciar los sistemas respectivos o correspondientes dependiendo del parametro de operacion que necesite ser alterado o cambiado para mantener el equilibrio entre la fuerza de empuje y la gravedad. Por ejemplo, el sistema de control de paso para alterar el angulo de paso de las palas de turbina.
El angulo de inclinacion de la turbina eolica puede seguirse o identificarse de modo que pueda determinarse la diferencia entre el angulo de inclinacion actual y el angulo de inclinacion requerido. Pueden alterarse entonces los parametros de operacion de la turbina eolica en una cantidad necesaria para alcanzar el angulo de inclinacion deseado a partir del angulo de inclinacion actual. De modo similar, la diferencia entre el angulo de inclinacion actual y el angulo de inclinacion requerido puede convertirse en, o determinarse como, una diferencia en los parametros de operacion, por ejemplo la diferencia entre el angulo de paso actual de las palas de turbina y el angulo de paso requerido. Por ejemplo, si el angulo de inclinacion determinado es, digamos, 4 grados respecto a la vertical en la direccion hacia delante, entonces el angulo de inclinacion actual puede supervisarse, seguirse o medirse de modo que los parametros de operacion pueden alterarse para mantener la turbina eolica en 4 grados en este ejemplo.
De ese modo, el controlador puede seguir y mantener un registro de los angulos de inclinacion. El controlador puede tambien seguir o registrar fuerzas de empuje, angulos de paso, par del generador, par del rotor, velocidades del viento, cizallamiento del viento, y otros similares, de modo que sea capaz de mantener la turbina eolica en el angulo de inclinacion determinado o requerido.
El controlador puede tambien tener en cuenta el rendimiento de la turbina eolica cuando determina el cambio en los parametros de operacion para inclinar la turbina eolica en el angulo de inclinacion apropiado. Por lo tanto, el controlador puede basar adicionalmente la determinacion del angulo de inclinacion y/o la alteracion de los parametros de operacion en las condiciones que afectan a la turbina eolica y/o en las condiciones de operacion de la turbina eolica y/o en la produccion de energfa electrica requerida. En otras palabras, puede ser adecuado mas de un angulo de inclinacion para el equilibrado de la turbina eolica entre la fuerza de empuje y la gravedad y por lo tanto el controlador puede determinar el angulo de inclinacion que proporciona la mejor u optima generacion de energfa electrica u otros factores para la turbina eolica. De ese modo, en la determinacion del angulo de inclinacion y/o el cambio en los parametros de operacion de la turbina eolica, el controlador puede tener en cuenta las condiciones optimas para la turbina eolica.
Las realizaciones y ejemplos descritos en el presente documento anteriormente pueden incluir adicionalmente un supervisor para incrementar la estabilidad de la turbina eolica. La turbina eolica puede caer si pierde el equilibrio entre la fuerza de empuje y la gravedad. Una reduccion subita en la velocidad del viento significa una reduccion en la fuerza de empuje que actua sobre la turbina eolica. El controlador intenta compensar la reduccion en la velocidad del viento disminuyendo el angulo de paso de las palas de turbina para incrementar la fuerza de empuje que actua sobre la turbina eolica. Sin embargo, puede ser beneficioso asegurar que el control de la turbina eolica no hace que la turbina eolica oscile adelante y atras (o en cualquier otra direccion alrededor de los ejes de giro). Por lo tanto, puede implementarse un supervisor para supervisar el control de la turbina eolica para impedir que la turbina eolica oscile o se incline demasiado en cualquier direccion e incrementar la estabilidad de la turbina eolica. El supervisor puede, por ejemplo, limitar el angulo de paso de las palas de turbina, puede limitar el par del rotor y/o el par del generador.
En consecuencia, en los ejemplos anteriores, la turbina eolica puede controlarse para inclinar o girar en la direccion adelante/atras y/o en la direccion lateral. La turbina eolica puede controlarse independientemente en esas direcciones o el control de la turbina eolica puede combinarse de modo que sea capaz de controlar la turbina eolica no solamente en la direccion adelante/atras y/o la direccion lateral sino en mas direcciones, tales como la diagonal.
El controlador puede determinar constantemente el angulo de inclinacion requerido y alterar los parametros de operacion en consecuencia. Alternativamente, el controlador puede determinar el angulo de inclinacion requerido a cualquier frecuencia adecuada o penodo de tiempo con la finalidad de la invencion de modo que mantenga la turbina eolica equilibrada.
En el periodo entre determinaciones subsiguientes del angulo de inclinacion requerido, el controlador puede controlar u operar la turbina eolica de modo que mantenga el ultimo angulo de inclinacion determinado. Por lo tanto,
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el controlador puede supervisar o seguir el angulo de inclinacion actual de la turbina eolica y puede alterar los parametros de operacion de la turbina eolica si el angulo de inclinacion actual vana respecto al ultimo angulo de inclinacion determinado y antes de que se determine un nuevo angulo de inclinacion para mantener la turbina eolica en el ultimo angulo de inclinacion determinado.
En los ejemplos y realizaciones anteriores, el controlador puede alterar adicionalmente los parametros de operacion de la turbina eolica para girar u operar la turbina eolica efectivamente como un ventilador. En particular, la turbina eolica puede controlarse en un modo motor de modo que pueda utilizarse para incrementar adicionalmente la estabilidad de la turbina eolica. El par del generador puede ser bidireccional y tener tanto par positivo como negativo. En el modo motor, la turbina eolica puede consumir energfa electrica en lugar de generar energfa electrica pero el modo motor puede ser util para maniobrar la turbina eolica al angulo de inclinacion requerido o usarse como una ayuda para impedir que la turbina eolica caiga o como una ayuda para estabilizar la turbina eolica.
El controlador puede determinar o calcular la fuerza de empuje que actua sobre la turbina eolica a traves de una variedad de medios y sensores. Por ejemplo, la fuerza de empuje puede determinarse basandose en el angulo de paso de las palas de turbina, la velocidad del rotor y la velocidad del viento. Cuando la velocidad del viento vana, entonces el efecto de la fuerza de empuje que actua sobre la turbina eolica puede tambien variar. Ademas, los cambios en el angulo de paso pueden afectar o alterar el efecto de la fuerza de empuje sobre la turbina eolica.
En consecuencia, los ejemplos y realizaciones anteriores muestran que la turbina eolica puede controlarse de modo que se incline o gire de forma que la turbina eolica pueda mantenerse establemente en equilibrio entre la fuerza de empuje y la gravedad que actuan sobre la turbina eolica.
Para permitir que la turbina eolica sea controlada en esta forma, la turbina eolica necesita ser capaz de girar o inclinarse alrededor de uno o mas ejes. La torre de la turbina eolica se conecta operativamente a un dispositivo que permite que la turbina eolica gire o se incline alrededor de uno o mas ejes. Por ejemplo, el dispositivo puede ser una articulacion de un eje, una articulacion de dos o mas ejes, una articulacion esferica, un resorte, una plataforma, una torre flexible, un sistema de cable y polea, o cualquier otro dispositivo que permita que la turbina eolica gire o se incline alrededor de uno o mas ejes.
En un ejemplo, que no es parte de la invencion y se proporciona solamente por referencia, si el dispositivo es una plataforma (por ejemplo, una plataforma flotante o una plataforma terrestre) el controlador puede alterar adicionalmente o iniciar la alteracion de la plataforma como uno de los parametros de operacion de la turbina eolica, tanto independientemente como en combinacion con los otros parametros de operacion descritos en el presente documento anteriormente. Por ejemplo, si la plataforma incluye pistones hidraulicos, entonces el controlador puede controlar o iniciar el control de la plataforma hidraulica para inclinar la turbina eolica.
Como se muestra en la Figura 5, proporcionada solamente por referencia, el grado de libertad para girar o inclinarse puede proporcionarse por una plataforma flotante.
La Figura 5a muestra una turbina eolica 501 montada sobre una plataforma flotante 502 de tipo de boya simple. En este ejemplo, la plataforma flotante de boya incluye dos impulsores 503 que pueden usarse para mover e inclinar la turbina eolica 501.
La Figura 5b muestra una turbina eolica 504 montada sobre una plataforma flotante 505 de boya simple en donde el lastre, en este ejemplo agua, puede bombearse o drenarse para cambiar el angulo de inclinacion de la turbina eolica 504. Como se apreciara, el sistema de lastre activo puede incorporar un sistema cerrado con diferentes camaras para controlar la inclinacion de la turbina eolica. El sistema de lastre puede ser un sistema de lastre abierto que use el agua de la masa de agua en la que esta localizada la plataforma de boya.
Tambien, en la Figura 5, se muestra la plataforma flotante como una plataforma de tipo de boya simple, sin embargo, como se apreciara, puede haber cualquier numero de boyas o la turbina eolica puede montarse sobre una plataforma soportada por dos o mas tanques de lastre en donde el lastre puede moverse activamente entre los tanques de lastre para inclinar la turbina eolica.
La turbina eolica puede combinar dispositivos para controlar el giro o inclinacion de la turbina eolica y para mantener establemente el equilibrio entre la fuerza de empuje y la gravedad que actuan sobre la turbina eolica. Por ejemplo, la turbina eolica puede incluir una articulacion que conecte operativamente la torre de la turbina eolica a una plataforma.
La turbina eolica puede incluir tambien uno o mas dispositivos de seguridad tal como se muestra en la Figura 4.
Por ejemplo, la Figura 4a muestra una turbina eolica 401 articulada que incluye una falda mecanica 402. En la Figura 4a, la falda mecanica 402 tiene una forma triangular o piramidal, sin embargo, como se apreciara, la falda mecanica 402 puede tener cualquier forma adecuada. La falda mecanica 402 puede ser un bastidor o una falda solida o una combinacion de los mismos. En este ejemplo, la falda mecanica 402 es capaz de girar alrededor de la
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conexion a la torre de la turbina eolica 401 o puede fijarse a la turbina eolica 401 de modo que la turbina eolica no quede obstaculizada cuando se inclina o reclina en un angulo mas bajo que un lfmite predefinido. Si la turbina eolica 401 intenta reclinarse o inclinarse mas alla de un lfmite predefinido, entonces la falda mecanica 402 se pone en contacto con el terreno impidiendo que la turbina eolica se recline o incline mas que el lfmite predefinido impidiendo de ese modo que la turbina eolica caiga.
Se muestra otro ejemplo en la Figura 4b, en el que la turbina eolica 401 articulada se fija a una plataforma deslizante 403. La plataforma deslizante 403 puede conectarse operativamente a un sistema de poleas 404 o un dispositivo similar que sea capaz de deslizar la plataforma deslizante 403 atras y adelante o en cualquier otra direccion. Por lo tanto, si la turbina eolica 401 se reclina o inclina mas alla de un lfmite predefinido, entonces puede activarse la plataforma deslizante 403 a traves del sistema de poleas 404 para impedir que la turbina eolica caiga.
La Figura 4c muestra un ejemplo adicional en el que la turbina eolica 401 articulada se conecta a un sistema de poleas 405 de modo que si la turbina eolica se reclina o inclina mas alla de un lfmite predefinido, entonces puede activarse el sistema de poleas 405 para tirar o empujar, en una o mas direcciones, para impedir que la turbina eolica caiga o sobrepase el angulo de inclinacion predefinido. El sistema de poleas 405 puede ser un sistema hidraulico, un sistema de cable o cualquier otro sistema de poleas adecuado para su uso como el sistema de seguridad.
En la Figura 4d, la turbina eolica 401 articulada se conecta a una plataforma 406 que esta soportada por un tnpode de pistones o columnas hidraulicas. Por lo tanto, si la turbina eolica 401 se reclina o inclina mas alla de un lfmite predefinido, entonces puede activarse el tnpode 406 de modo que se impida que la turbina eolica 401 caiga o se incline mas alla del lfmite predefinido.
Se muestra otro ejemplo en la Figura 4e, en el que la turbina eolica 401 articulada se cuelga invertida. La turbina eolica 401 articulada puede conectarse a un bastidor y al colgar invertida se impedira que caiga.
En la Figura 4f, la turbina eolica 401 articulada incluye una gondola 407 movil de modo que si la turbina eolica intenta inclinarse mas alla de un lfmite predefinido, entonces puede moverse la gondola 407 para contrarrestar la inclinacion e impedir que la turbina eolica 401 caiga.
En la Figura 4g, la turbina eolica 401 articulada se conecta a dos o mas cables 408 que pueden extenderse o retraerse a traves de, por ejemplo, un sistema de poleas 409. Por lo tanto, mientras la turbina eolica esta dentro del lfmite del angulo de inclinacion predefinido, la turbina eolica es capaz de inclinarse, sin embargo los cables 408 y el sistema de poleas 409 pueden utilizarse para impedir que la turbina eolica 401 se incline mas alla del lfmite predefinido.
En la Figura 4h, la gondola de la turbina eolica se monta sobre una torre flexible 410 que es capaz de doblarse o moverse. La cantidad de flexibilidad y elasticidad significa que la turbina eolica es incapaz de caer pero proporciona suficiente libertad para inclinar o girar. La torre flexible puede ser el dispositivo que permita a la turbina eolica inclinarse.
Se muestran en la Figura 4 varios disenos de turbinas eolicas que permiten a la turbina eolica inclinarse o girar alrededor de uno o mas ejes y tambien muestran uno o mas dispositivos de seguridad que pueden impedir que la turbina eolica caiga. Uno o mas de los dispositivos de seguridad pueden combinarse con uno o mas de los disenos de turbina eolica mostrados o descritos en el presente documento anteriormente.
En turbinas eolicas fijas convencionales el mayor esfuerzo procede del momento en la base de la torre debido a las fuerzas de empuje que actuan sobre la torre desde el viento. Ventajosamente, en la turbina eolica que es capaz de girar o inclinarse alrededor de uno o mas ejes, el esfuerzo provocado por el momento en la base de la torre se niega efectiva y sustancialmente. En consecuencia, la implementacion de una articulacion (o dispositivo similar) proporciona una reduccion significativa en los esfuerzos de los momentos sobre la torre, lo que permite a la torre disenarse con un diametro mas pequeno dado que se reducen las cargas y esfuerzos que actuan sobre la torre.
Como se ha descrito en el presente documento anteriormente, el viento actua con una fuerza sobre el plano del rotor que puede dividirse en dos componentes perpendiculares. Un componente de la fuerza provoca que el rotor gire, denominado el par del rotor, el otro componente empuja a la turbina eolica hacia atras, denominada la fuerza de empuje. La fuerza de empuje anade una carga sobre la estructura de la turbina eolica. La estructura debe ser capaz de soportar esta fuerza, lo que eleva los requisitos para la resistencia de la estructura y por ello el coste. El tener una articulacion o junta en la parte inferior de la torre (que conecta operativamente la torre con la cimentacion) le permite a la turbina reclinarse contra el viento. El reclinado de la turbina permite que la fuerza de gravitacion actue en oposicion a la fuerza de empuje, por lo que la torre de la turbina puede liberarse de los esfuerzos mecanicos inducidos por el empuje y reducir los momentos en la base de la torre y/o cimentaciones. Las estrategias de control descritas en el presente documento muestran que mediante la manipulacion de los parametros de operacion de la turbina eolica, la torre puede equilibrarse contra el viento mientras mantiene una produccion de energfa optima.
En un ejemplo adicional, los ejemplos de inclinacion fija descritos en el presente documento anteriormente pueden combinarse con ejemplos que se refieren a que la torre se fije a un dispositivo que permita a la torre girar o inclinarse alrededor de uno o mas ejes. Por ejemplo, el dispositivo puede fijarse (por ejemplo, por medio de un pasador, un freno, u otra disposicion de fijacion) para permitir que la torre se incline hacia el viento predominante que se ha
5 determinado o identificado a partir de la rosa de los vientos y el analisis del emplazamiento.
La torre de la turbina eolica puede mantenerse en una inclinacion fija durante un penodo de tiempo, o bajo ciertas condiciones del viento y/o condiciones de operacion. En otros momentos o bajo otras condiciones del viento y/o condiciones de operacion, la disposicion fija puede liberarse permitiendo a la torre girar o inclinarse alrededor de uno 10 o mas ejes. Al combinar las realizaciones puede conseguirse un control eficiente y flexible de la turbina eolica.
Aunque se han mostrado y descrito realizaciones de la invencion, se entendera que dichas realizaciones se describen solamente a modo de ejemplo. Se les ocurriran a los expertos en la materia numerosas variaciones, cambios y sustituciones sin apartarse del alcance de la presente invencion tal como se define por las
15 reivindicaciones adjuntas. En consecuencia, se pretende que las reivindicaciones que siguen cubran todas esas
variaciones o equivalentes tal como caen dentro del espmtu y el alcance de la invencion.
Claims (17)
- 5101520253035404550556065REIVINDICACIONES1. Una turbina eolica (101) que comprende:una cimentacion (103) en la que dicha cimentacion (103) es una cimentacion fija; yuna torre (102) conectada a dicha cimentacion (103) en la que dicha torre (102) esta inclinada respecto a una posicion vertical para reducir la carga sobre dicha torre (102);en la que dicha torre (102) esta inclinada con un angulo de inclinacion predeterminado hacia una direccion de viento predominante; ycaracterizada por que dicho angulo de inclinacion predeterminado se determina basandose en un analisis de las condiciones del viento en una localizacion de dicha turbina eolica (101).
- 2. La turbina eolica (101) de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que dicha torre (102) se inclina de modo fijo a dicho angulo de inclinacion predeterminado de modo que dicha torre (102) se incline permanentemente respecto a dicha posicion vertical.
- 3. La turbina eolica (101) de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende adicionalmente:un dispositivo operativamente conectado a dicha torre (102), en la que dicho dispositivo permite a dicha torre (102) inclinarse alrededor de uno o mas ejes y dicha torre (102) se conecta a dicha cimentacion (103) mediante dicho dispositivo.
- 4. La turbina eolica (101) de acuerdo con la reivindicacion 3 en la que dicho dispositivo es uno o mas de entre una articulacion, una plataforma, un elemento flexible, una junta, y una articulacion esferica.
- 5. La turbina eolica de acuerdo con las reivindicaciones 3 o 4 que comprende adicionalmente:uno o mas dispositivos de seguridad, en la que dicho dispositivo de seguridad impide que dicha turbina eolica se incline mas alla de un angulo de inclinacion predeterminado.
- 6. La turbina eolica (101) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, que comprende adicionalmente:un controlador adaptado para determinar un angulo de inclinacion para dicha turbina eolica (101); y dicho controlador esta adicionalmente adaptado para alterar un parametro de operacion de dicha turbina eolica (101) de modo que dicha turbina eolica se incline a dicho angulo de inclinacion determinado en el que dicha turbina eolica (101) esta equilibrada entre una fuerza de empuje que actua sobre dicha turbina eolica (101) y la gravedad que actua sobre dicha turbina eolica (101).
- 7. La turbina eolica (101) de acuerdo con la reivindicacion 6 en la que dicho controlador esta adicionalmente adaptado para determinar un angulo de inclinacion optimo en el que dicho angulo de inclinacion optimo proporciona una produccion de energfa electrica optima mediante dicha turbina eolica (101).
- 8. La turbina eolica (101) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6 o 7 en la que dicho controlador esta adicionalmente adaptado para identificar dicho angulo de inclinacion a partir de una tabla de busqueda; o calcular dicho angulo de inclinacion en tiempo real.
- 9. La turbina eolica (101) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8 en la que dicho controlador esta adicionalmente adaptado para determinar un angulo de paso para una o mas palas (106) de turbina de dicha turbina eolica (101) basandose en dicho angulo de inclinacion determinado; y/o determinar un par del generador para un generador de dicha turbina eolica (101) basandose en dicho angulo de inclinacion determinado.
- 10. La turbina eolica (101) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, en la que dicho controlador esta adicionalmente adaptado para:identificar un angulo de inclinacion actual de dicha turbina eolica (101);determinar una diferencia entre dicho angulo de inclinacion actual y dicho angulo de inclinacion determinado; y alterar dichos parametros de operacion de dicha turbina eolica (101) basandose en dicha diferencia determinada.
- 11. Un metodo que comprende:inclinar una torre (102) de una turbina eolica (101), en el que dicha torre se conecta a una cimentacion fija, de modo que dicha torre (102) se incline respecto a una posicion vertical para reducir cargas sobre dicha torre; comprendiendo adicionalmente el metodo: determinar una direccion del viento predominante;inclinar dicha torre (102) en un angulo de inclinacion predeterminado hacia dicha direccion del viento510152025303540predominate; y determinar dicho angulo de inclinacion predeterminado basandose en un analisis de las condiciones del viento en una localizacion de dicha turbina eolica (101).
- 12. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 11, en el que dicha torre (102) se inclina de modo fijo a dicho angulo de inclinacion predeterminado de modo que dicha torre (102) se inclina permanentemente respecto a una posicion vertical.
- 13. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 11, que comprende adicionalmente: determinar un angulo de inclinacion para dicha turbina eolica (101); yalterar un parametro de operacion de dicha turbina eolica (101) de modo que dicha turbina eolica (101) se incline a dicho angulo de inclinacion determinado y dicha turbina eolica (101) se equilibre entre una fuerza de empuje que actua sobre dicha turbina eolica y la gravedad que actua sobre dicha turbina eolica.
- 14. El metodo de acuerdo con la reivindicacion 13 en el que la determinacion de dicho angulo de inclinacion comprende adicionalmente:determinar un angulo de inclinacion optimo en el que dicho angulo de inclinacion optimo proporciona una produccion de energfa electrica optima mediante dicha turbina eolica (101).
- 15. El metodo de acuerdo con las reivindicaciones 13 o 14 en el que la determinacion de dicho angulo de inclinacion comprende:identificar dicho angulo de inclinacion a partir de una tabla de busqueda; o calcular dicho angulo de inclinacion en tiempo real.
- 16. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15 en el que la alteracion de dicho parametro de operacion de dicha turbina eolica comprende:determinar un angulo de paso para una o mas palas (106) de turbina de dicha turbina eolica (101) basandose en dicho angulo de inclinacion determinado; y/odeterminar un par del generador para un generador de dicha turbina eolica (101) basandose en dicho angulo de inclinacion determinado.
- 17. El metodo de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16 que comprende adicionalmente: identificar un angulo de inclinacion actual de dicha turbina eolica;determinar una diferencia entre dicho angulo de inclinacion actual y dicho angulo de inclinacion determinado; y dicha alteracion de dichos parametros de operacion de dicha turbina eolica (101) se basa en dicha diferencia determinada.
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