ES2870999T3 - Sistema para descongelar una pala de turbina eólica - Google Patents
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Abstract
Un sistema para descongelar una pala de turbina eólica (30), caracterizado por que el sistema comprende: un actuador de plasma activo (10) aplicado a una parte deseada de la pala de turbina eólica (30); una fuente de alimentación eléctrica (28) configurada para energizar el actuador de plasma (10); y un controlador de forma de onda (34), en el que la fuente de alimentación eléctrica (28) y el controlador de forma de onda (34) juntos se configuran para controlar una forma de voltaje, amplitud, ciclo de trabajo y frecuencia aplicados al actuador de plasma activo (10), en el que el actuador de plasma se configura de modo que la temperatura superficial de la pala de turbina eólica (30) en las proximidades del actuador de plasma (10) aumenta en respuesta al ajuste de la frecuencia de funcionamiento del actuador de plasma (10), ionizando el aire (22, 26) en las proximidades del actuador de plasma (10), aumentando la temperatura superficial lo suficiente como para reducir o eliminar la acumulación de hielo en la parte deseada de la pala de turbina eólica (30).
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema para descongelar una pala de turbina eólica
[0001] La invención se refiere en general a turbinas eólicas, y más específicamente al uso de un actuador de plasma que funciona sin una fuente externa de aire distinta del aire ambiente para modificar la separación de la capa límite de turbina eólica para energizar los flujos retardados y reducir la acumulación de hielo sobre las palas de turbina eólica.
[0002] La separación de la capa límite tiene lugar sobre superficies altamente curvadas para flujos en ángulos de ataque elevados. Esta característica contribuye a la pérdida de presión y, por lo tanto, a una disminución de la eficacia aerodinámica de una turbina eólica. En áreas frías, la acumulación de hielo en las palas de la turbina eólica no solo contribuye a la pérdida de presión, sino que también es peligrosa.
[0003] Se han empleado diferentes técnicas para modificar la interacción de la capa límite para controlar las características de flujo. Muchas de estas técnicas bien conocidas usan procedimientos y dispositivos pasivos, mientras que otras usan modificaciones de superficie piezoeléctrica para el control de flujo. Una técnica conocida emplea dispositivos de descarga de barrera dieléctrica (DBD) para modificar la interacción de la capa límite para controlar las características de flujo asociadas con un sistema de inducción de aire para una aeronave. Otra técnica conocida emplea cavidades superficiales para modificar el crecimiento de la capa límite para mitigar las pérdidas de flujo.
[0004] Se analizan diversos dispositivos y técnicas conocidos, por ejemplo, en el documento US 6.145.787.
[0005] Actualmente, no se usan técnicas para superar la separación de la capa límite y descongelar simultáneamente las palas de turbina eólica. Se han usado generadores de vórtex para retrasar pasivamente la separación de flujo; pero una desventaja importante de esta solución es el flujo mejorado del generador de vórtex, incluso en situaciones en las que ya no se desea retrasar la separación de flujo.
[0006] En vista de lo anterior, sería ventajoso proporcionar un procedimiento para controlar activamente la separación de flujo y descongelar las palas de turbina eólica. El procedimiento emplearía un actuador de plasma que es compacto sin partes móviles expuestas, que funciona sin una fuente externa de aire que no sea el aire ambiental, que requiere poca energía para funcionar, que proporciona más versatilidad que las técnicas pasivas y que se puede aplicar a dispositivos existentes tales como, sin limitación, aspas de ventilador y palas de turbina, con solo modificaciones menores.
[0007] Por tanto, se proporcionan diversos aspectos y modos de realización de la presente invención, como se define por las reivindicaciones adjuntas.
[0008] Diversos rasgos característicos, aspectos y ventajas de la presente invención se comprenderán mejor cuando se lea la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales caracteres similares representan partes similares en todos los dibujos, en los que:
la Figura 1 es una vista en sección transversal de un actuador de plasma controlado activamente para controlar la separación de la capa límite y el descongelamiento de las palas de turbina eólica;
la Figura 2 ilustra el actuador de plasma controlado activamente ilustrado en la Figura 1 configurado como una cinta que se aplica a una superficie de perfil aerodinámico de acuerdo con un modo de realización de la invención;
la Figura 3 ilustra una imagen de infrarrojos (IR) de vista superior de una distribución de temperatura del actuador de plasma a lo largo de la superficie del actuador de plasma durante el funcionamiento a aproximadamente 5 KHz durante un período de 3 segundos;
la Figura 4 ilustra una imagen de IR de vista superior de una distribución de temperatura del actuador de plasma a lo largo de la superficie del actuador de plasma durante el funcionamiento a aproximadamente 5 KHz durante un período de 4 segundos;
la Figura 5 ilustra una imagen de IR de vista superior de una distribución de temperatura del actuador de plasma a lo largo de la superficie del actuador de plasma durante el funcionamiento a aproximadamente 5 KHz durante un período de 7 segundos;
la Figura 6 ilustra una imagen de IR de vista superior de una distribución de temperatura del actuador de plasma a lo largo de la superficie del actuador de plasma durante el funcionamiento a aproximadamente 25 KHz durante un período de 1,5 segundos;
la Figura 7 ilustra una imagen de IR de vista superior de una distribución de temperatura del actuador de plasma a lo largo de la superficie del actuador de plasma durante el funcionamiento a aproximadamente 25 KHz durante un período de 3,5 segundos; y
la Figura 8 ilustra una imagen de IR de vista superior de una distribución de temperatura del actuador de plasma a lo largo de la superficie del actuador de plasma durante el funcionamiento a aproximadamente 25 KHz durante un período de 7 segundos.
[0009] Aunque las figuras de los dibujos anteriormente identificadas exponen modos de realización particulares, también se contemplan otros modos de realización, como se indica en el análisis. En todos los casos, esta divulgación presenta modos de realización ilustrados de la presente invención a modo de representación y no de limitación. Otras numerosas modificaciones y modos de realización pueden ser ideados por los expertos en la técnica, que caen dentro del alcance de esta invención.
[0010] Los modos de realización descritos en el presente documento con referencia a las figuras están dirigidos a procedimientos para controlar la separación de la capa límite y la acumulación de hielo en las palas de turbina eólica usando un actuador de plasma activo. Un actuador de plasma activo es un dispositivo que usa electricidad para ionizar el aire. El gradiente en el campo eléctrico da como resultado una fuerza corporal que actúa sobre el flujo externo y transmite impulso a las partículas de fluido. También puede proporcionar un aumento de la temperatura superficial, que se puede controlar ajustando la frecuencia de funcionamiento del dispositivo. Las aplicaciones del dispositivo actuador de plasma descritas en el presente documento pueden modificar de forma ventajosa la separación de la capa límite mediante la ionización del aire para mitigar las pérdidas de flujo y aumentar la temperatura superficial para potenciar el descongelamiento de las palas de turbina eólica, entre otras cosas.
[0011] A menos que se defina de otro modo, los términos técnicos y científicos usados en el presente documento tienen el mismo significado como entiende comúnmente uno de los expertos en la técnica a la que pertenece la presente invención. Los términos "primero", "segundo" y similares, tal como se usan en el presente documento, no indican ningún orden, cantidad o importancia, sino que se usan para distinguir un elemento de otro. Además, los términos "un" y "una" no denotan una limitación de la cantidad, sino que denotan la presencia de al menos uno de los elementos citados, y los términos "frontal", "posterior", "inferior" y/o "superior", a menos que se indique de otro modo, se usan simplemente por conveniencia de la descripción, y no se limitan a ninguna posición u orientación espacial. Si se divulgan los rangos, los criterios de valoración de todos los rangos dirigidos al mismo componente o propiedad son inclusivos. El modificador "aproximadamente" usado en relación con una cantidad incluye el valor establecido y tiene el significado dictado por el contexto (por ejemplo, incluye el grado de error asociado con la medición de la cantidad particular).
[0012] La Figura 1 es una vista en sección transversal de un actuador de plasma controlado activamente 10 para controlar la separación de la capa límite y el descongelamiento de las palas de turbina eólica de acuerdo con un modo de realización. El actuador de plasma 10 comprende un electrodo de base 12 que puede ser, por ejemplo, y sin limitación, una lámina de cobre, que tiene una superficie plana superior 14 y una superficie plana inferior 16. Una capa aislante adecuada puede ser, por ejemplo, sin limitación, una película de Kapton, que se fija a o se dispone encima de la superficie plana superior 14 del electrodo de base 12. Un segundo electrodo 20, que también puede ser, sin limitación, una lámina de cobre, se puede fijar a o disponer encima de la capa aislante opuesta a la superficie plana superior 14 del electrodo de base 12. De acuerdo con otro modo de realización, el electrodo de base 12 se puede incrustar dentro de una parte deseada de una pala de turbina eólica 18, mientras que el segundo electrodo 20 se puede fijar o disponer sobre una parte superficial exterior deseada de la pala de turbina eólica 18, tal como se muestra en la Figura 1.
[0013] De acuerdo con un modo de realización, el actuador de plasma 10 se puede fabricar de forma ventajosa como una cinta que se puede fijar a una superficie deseada, tal como la superficie de una pala de turbina eólica 18. Una vez fijado a la superficie de la pala de turbina eólica, el actuador de plasma 10 funciona para energizar los flujos retardados y simultáneamente reducir la acumulación de hielo sobre la superficie de la pala de turbina eólica 18. El actuador de plasma 10 anula, por tanto, la disminución de la eficacia asociada con la pérdida de presión y la acumulación de hielo en las palas de turbina eólica.
[0014] Continuando con la referencia a la Figura 1, el flujo de aire 22 que tiene un ángulo de ataque elevado con respecto a la superficie curva de una pala de turbina eólica se ioniza por medio del actuador de plasma activo 10. El actuador de plasma activo 10 se energiza por medio de una fuente de energía eléctrica 28. El gradiente resultante en el campo eléctrico 24 produce una fuerza corporal, que actúa sobre el flujo externo 22 y transmite impulso a las partículas de fluido para energizar los flujos retardados y modificar la separación de la capa límite de la turbina eólica. El gradiente en el campo eléctrico 24 también da como resultado una temperatura superficial, que se puede controlar ajustando la frecuencia de funcionamiento del dispositivo 10 para aplicaciones de palas de turbina eólica. Este rasgo característico promueve de forma ventajosa el descongelamiento de las palas de turbina eólica e inhibe la acumulación de hielo en las palas de turbina eólica
en regiones frías que de otro modo podrían causar pérdida de presión y una reducción de la eficacia de la turbina eólica.
[0015] En una explicación resumida, la separación de la capa límite tiene lugar sobre superficies altamente curvadas para flujos en ángulos de ataque elevados. Esto contribuye a la pérdida de presión y, por lo tanto, a una disminución en la eficacia aerodinámica de una turbina eólica, mientras que la acumulación de hielo en las palas de turbina eólica en áreas frías también da como resultado condiciones de funcionamiento peligrosas de la turbina eólica. Se proporciona un actuador de plasma controlado activamente 10 para controlar simultáneamente la separación de la capa límite y el descongelamiento de las palas de turbina eólica. El actuador de plasma 10 se fabrica de acuerdo con un modo de realización, en forma de cinta, similar a una cinta eléctrica que se puede aplicar a una parte deseada de una superficie curva, tal como una parte de una pala de turbina eólica. El actuador de plasma 10 funciona en ausencia de una fuente de aire externa, tal como chorros de aire o generadores de corriente de aire, que no sea aire ambiental y no tiene partes móviles expuestas. Debido a que el actuador 10 se puede fabricar como una cinta que se puede fijar a la(s) superficie(s) de la pala, cada operación se puede realizar bajo demanda. Por tanto, las palas de turbina eólica se pueden diseñar para tener un área superficial reducida y, por tanto, cargas extremas reducidas durante las condiciones de estacionamiento.
[0016] La Figura 2 ilustra el actuador de plasma controlado activamente 10 ilustrado en la Figura 1 configurado como una cinta que se aplica a una superficie de perfil aerodinámico 30 tal como la superficie de una pala de turbina eólica, de acuerdo con un modo de realización de la invención. El actuador de plasma 10 puede tener un espesor de aproximadamente 1 mm de acuerdo con un modo de realización cuando se fabrica como una cinta.
[0017] El actuador de plasma 10 se puede conectar a una fuente de energía 28 que incluye un controlador de forma de onda 34 que se configura para controlar un nivel de voltaje de entrada y frecuencia, ciclo de trabajo y forma de voltaje pulsante, variable o de CA, de modo que el aire localizado en la región del campo eléctrico enumerada 24 en la Figura 1 se ioniza de la manera deseada para crear una región de descarga de plasma. De esta manera, el actuador de plasma 10 ejerce una fuerza sobre las partículas ionizadas capaz de cambiar la trayectoria de movimiento de las partículas frente a otras fuerzas, tal como la inercia, que tiende a mantener las partículas en su trayectoria normal. Por tanto, el flujo de aire representado por las flechas 22 y 26 se energiza con un impulso incrementado en una región cercana a la superficie de modo que la separación de flujo se puede retrasar o prevenir. Si, por ejemplo, el flujo se ha separado previamente, se puede volver a fijar.
[0018] Simultáneamente, el gradiente en el campo eléctrico enumerado 24 en la Figura 1, da como resultado un aumento de temperatura superficial, que se puede controlar ajustando la frecuencia de funcionamiento del dispositivo 10 para aplicaciones de palas de turbina eólica, para promover el descongelamiento de las palas de turbina eólica y/o inhibir la acumulación de hielo en las palas de turbina eólica en regiones frías que, de otro modo, podrían causar pérdida de presión y reducción de la eficacia de la turbina eólica, como se indica en el presente documento.
[0019] Continuando con la referencia a la Figura 2, la orientación de un actuador de plasma 10 se define en el presente documento como la dirección en la que se transmite impulso. El actuador de plasma 10 en un modo de realización está orientado para transmitir impulso en general paralelo a la dirección de flujo 36 y acelerar la capa límite en la región cercana a la superficie, aunque el impulso se puede agregar en cualquier dirección paralela a la superficie en la que se fija el actuador de plasma 10.
[0020] La Figura 3 ilustra una imagen de infrarrojos (IR) de vista superior de una distribución de temperatura del actuador de plasma a lo largo de la superficie del actuador de plasma durante el funcionamiento a aproximadamente 5 KHz durante un período de 3 segundos.
[0021] La Figura 4 ilustra una imagen de IR de vista superior de una distribución de temperatura del actuador de plasma a lo largo de la superficie del actuador de plasma durante el funcionamiento a aproximadamente 5 KHz durante un período de 4 segundos.
[0022] La Figura 5 ilustra una imagen de IR de vista superior de una distribución de temperatura del actuador de plasma a lo largo de la superficie del actuador de plasma durante el funcionamiento a aproximadamente 5 KHz durante un período de 7 segundos.
[0023] Se puede ver una distribución de temperatura bastante uniforme a lo largo de la superficie del actuador de plasma. La temperatura máxima obtenida es de aproximadamente 38 grados Celsius después de 7 segundos de funcionamiento del actuador a la frecuencia de funcionamiento de 5 KHz.
[0024] La Figura 6 ilustra una imagen de IR de vista superior de una distribución de temperatura del actuador de plasma a lo largo de la superficie del actuador de plasma durante el funcionamiento a aproximadamente 25 KHz durante un período de 1,5 segundos.
[0025] La Figura 7 ilustra una imagen de IR de vista superior de una distribución de temperatura del actuador de plasma a lo largo de la superficie del actuador de plasma durante el funcionamiento a aproximadamente 25 KHz durante un período de 3,5 segundos.
[0026] La Figura 8 ilustra una imagen de IR de vista superior de una distribución de temperatura del actuador de plasma a lo largo de la superficie del actuador de plasma durante el funcionamiento a aproximadamente 25 KHz durante un período de 7 segundos.
[0027] Las corrientes de plasma con altas temperaturas son evidentes en las Figuras 6-8. La temperatura máxima obtenida es de aproximadamente 208 grados Celsius después de 7 segundos de funcionamiento del actuador 10 a la frecuencia de funcionamiento de 25 KHz.
[0028] Las Figuras 3-8 demuestran que se puede aumentar la temperatura superficial usando los actuadores de plasma 10. Adicionalmente, también se puede controlar la temperatura ajustando la frecuencia de funcionamiento del dispositivo actuador de plasma 10. De acuerdo con un modo de realización, la frecuencia de funcionamiento del dispositivo actuador de plasma 10 se puede ajustar entre aproximadamente 5 KHz y aproximadamente 30 MHz.
[0029] Si bien en el presente documento solo se han ilustrado y descrito determinados rasgos característicos de la invención, a los expertos en la técnica se les podrán ocurrir muchas modificaciones y cambios.
Claims (9)
1. Un sistema para descongelar una pala de turbina eólica (30), caracterizado por que el sistema comprende:
un actuador de plasma activo (10) aplicado a una parte deseada de la pala de turbina eólica (30);
una fuente de alimentación eléctrica (28) configurada para energizar el actuador de plasma (10); y
un controlador de forma de onda (34), en el que la fuente de alimentación eléctrica (28) y el controlador de forma de onda (34) juntos se configuran para controlar una forma de voltaje, amplitud, ciclo de trabajo y frecuencia aplicados al actuador de plasma activo (10), en el que el actuador de plasma se configura de modo que la temperatura superficial de la pala de turbina eólica (30) en las proximidades del actuador de plasma (10) aumenta en respuesta al ajuste de la frecuencia de funcionamiento del actuador de plasma (10), ionizando el aire (22, 26) en las proximidades del actuador de plasma (10), aumentando la temperatura superficial lo suficiente como para reducir o eliminar la acumulación de hielo en la parte deseada de la pala de turbina eólica (30).
2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el actuador de plasma (10) está configurado además de modo que la temperatura superficial de la pala de turbina eólica (30) en las proximidades del actuador de plasma (10) aumenta en respuesta al ajuste del período de tiempo de funcionamiento del actuador de plasma (10).
3. El sistema de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que el actuador de plasma se energiza además por la fuente de alimentación eléctrica (28) de modo que el flujo de aire en las proximidades del actuador de plasma (10) se energiza con un impulso incrementado en una región cercana a la superficie de la pala de turbina eólica (30) para retrasar o evitar la separación de flujo de aire de la región cercana a la superficie de la pala de turbina eólica (30) simultáneamente con el aumento de la temperatura superficial de la pala de turbina eólica (30) para reducir o eliminar la acumulación de hielo.
4. El sistema de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que el actuador de plasma (10) se energiza además por la fuente de energía eléctrica (28) de modo que el flujo de aire en las proximidades del actuador de plasma (10) se energiza con un impulso incrementado en ausencia de aire forzado en una región cercana a la superficie de la pala de turbina eólica (30) para retrasar o prevenir la separación de flujo de aire de la región cercana a la superficie de la pala de turbina eólica (30) simultáneamente con el aumento de la temperatura de la pala de turbina eólica (30) para reducir o eliminar la acumulación de hielo.
5. El sistema de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que el sistema carece de recursos externos de aire forzado.
6. El sistema de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que el actuador de plasma (10) está al menos parcialmente embebido en una parte deseada de la pala de turbina eólica (30).
7. El sistema de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que el actuador de plasma (10) está configurado de modo que la temperatura superficial para una parte deseada de la pala de turbina eólica (30) en las proximidades del actuador de plasma (10) aumenta en respuesta al aumento de la frecuencia de funcionamiento del actuador de plasma (10).
8. El sistema de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que la frecuencia de funcionamiento del actuador de plasma (10) está entre 5 KHz y 30 MHz.
9. El sistema de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en el que el actuador de plasma (10) se configura como una cinta flexible.
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