ES2925357T3 - Estructura de turbina eólica flotante con altura de torre reducida y método para optimizar el peso de la misma - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un método y una estructura de turbina eólica para optimizar el peso de la turbina eólica y la cimentación marina. El aerogenerador funciona en función de la altura de ola medida que, a su vez, permite reducir la altura de la torre de modo que la relación entre la altura de la torre y la longitud de las palas del aerogenerador sea superior a 0,5. El rotor se estaciona en una posición predeterminada con un espacio libre máximo o mínimo entre el extremo de la punta de las palas de la turbina eólica y el nivel del mar si la altura de la ola medida supera un umbral predeterminado. Una unidad de control dispuesta en relación con la turbina eólica detecta si uno o más objetos se encuentran dentro de un área de control. Si se encuentra un objeto dentro del área de monitoreo, la turbina eólica se apaga y el rotor gira a la posición de estacionamiento. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Estructura de turbina eólica flotante con altura de torre reducida y método para optimizar el peso de la misma
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un método para optimizar el peso de una estructura de turbina eólica que comprende una turbina eólica provista de una base en alta mar.
La presente invención también se refiere a una estructura de turbina eólica que comprende una turbina eólica configurada para ser instalada en una base en alta mar en una ubicación en alta mar.
Antecedentes de la invención
Se sabe que las bases flotantes para las turbinas eólicas son estructuras grandes y pesadas diseñadas para proporcionar suficiente estabilidad y flotabilidad a la turbina eólica durante su operación y en condiciones extremas. Se sabe además que la torre de turbina eólica actúa como un gran brazo de momento durante el movimiento de inclinación de la turbina eólica, por lo que la base flotante también tiene que contrarrestar el momento de flexión introducido en la base flotante durante la inclinación. Tradicionalmente, esto se resuelve aumentando el tamaño y el peso de la base flotante, lo que incrementa los costos de producción y, opcionalmente, también los costos de instalación.
Además, se necesita una resistencia estructural adicional en la parte superior de la torre de la turbina eólica para compensar este momento de flexión y las cargas estructurales introducidas en la torre de la turbina eólica mediante las cargas de viento, así como las cargas de olas y corrientes. Esto se resuelve tradicionalmente añadiendo material adicional al extremo superior de la torre de turbina eólica, lo que aumenta el peso de la torre de turbina eólica y, por tanto, los costos de producción.
La turbina eólica debe tener una altura de torre que esté entre dos y tres veces la longitud de las palas de turbina eólica, esto proporciona un equilibrio óptimo entre los costos de la torre de turbina eólica y el aumento de la capacidad de salida de potencia en altitudes más altas.
El documento US 2014/0219797 A1, una solicitud de patente del presente solicitante, divulga una turbina eólica de paso parcial colocada sobre una base flotante que, a su vez, está amarrada al lecho marino. La turbina eólica comprende dos palas de turbina eólica, cada una de las cuales tiene una sección de pala interior conectada a una sección de pala exterior inclinable que se inclina para mantener sustancialmente un valor de empuje resultante constante que actúa sobre el cubo de rotor. De este modo, el tamaño y el peso de la base flotante pueden reducirse gracias a este esquema de inclinación.
El documento EP 2080899 A1 divulga una turbina eólica de dos palas colocada sobre una base en forma de boya flotante de percha que se ancla al lecho marino mediante cables de anclaje conectados en el extremo inferior. En esta configuración, el tren de accionamiento está dispuesto en la base flotante, y una parte de la torre flexible y plegable y una parte del eje del rotor están situadas entre el rotor y el tren de accionamiento. Las tensiones y las cargas de la turbina eólica se concentran en estas partes flexibles, por lo que es probable que fallen. Además, la torre de la turbina eólica seguirá estando sometida a un gran momento de flexión debido al gran margen de inclinación del rotor y de la torre de la turbina eólica con respecto a la base flotante.
El documento US 8192160 B2 también divulga una turbina eólica colocada sobre una base en forma de boya flotante de percha que se ancla al lecho marino mediante cables de anclaje conectados al lado de la base flotante. La altura de la góndola con respecto al nivel nominal del mar puede ajustarse en operación normal bombeando agua dentro o fuera de un tanque de lastre dispuesto dentro de la base flotante y ajustando al mismo tiempo la longitud de los cables de anclaje. La cantidad de lastre se regula en función de la velocidad del viento. El mecanismo de ajuste y los medios de sellado del mismo aumentan la complejidad y los costos de producción de la base flotante. El tensado de los cables de anclaje introduce un desgaste acelerado entre los distintos eslabones de anclaje, lo que reduce el tiempo de operación del sistema de anclaje.
El documento US 2010/0119370 A1 divulga una turbina eólica en la que el sistema de control de la turbina eólica controla el mecanismo de paso y está conectado a un sensor de altura de ola. El sistema de control está configurado para determinar la altura de ola basándose en los datos medidos por este sensor de altura de ola. El sistema de control envía una señal de control al mecanismo de paso, que inclina las palas de la turbina eólica fuera del viento y, por tanto, hace que el rotor se detenga cuando se detectan olas altas. Las palas de turbina eólica se estacionan después en una posición en la que una de las tres palas de la turbina eólica se extiende hacia abajo a lo largo de la torre de turbina eólica. Este documento no menciona el tipo de base utilizada ni la separación entre la posición más baja de extremo de punta y un nivel de referencia, como el nivel del mar.
El documento US 2011/0140426 A1 divulga una turbina eólica provista de una base flotante que comprende una cámara de flotación conectada a un sistema de bombeo. La flotabilidad de la turbina eólica se ajusta para modificar la altura de operación de la turbina eólica en función de la altura de ola detectada o la velocidad de viento. Si la altura de ola o la
velocidad de viento superan un umbral, el sistema de bombeo y la cámara de flotabilidad se llenan de agua para reducir la altura de operación. Cuando la altura de ola o la velocidad de viento caen por debajo del umbral, el sistema de bombeo se activa de nuevo y la cámara de flotabilidad se vacía para aumentar la altura de operación. La longitud de los cables de anclaje se ajusta además mediante un cabrestante a medida que se eleva o baja la turbina eólica. Esta solución requiere el uso de un sistema de bombeo y un sistema de cabrestante que, a su vez, aumenta los costos y la complejidad del sistema de la turbina eólica.
En la tesis de maestría de 2013 "Consequences of Introducing a Cut-Out Wave Height on a Floating Wind Turbine Concept" de Jonas Skaare Amundsen (publicada como "XP055486346, DOI: 10.1016/j.rser.2016.01.109), Amundsen investiga las consecuencias de la implementación de un sistema de modo de supervivencia en el concepto de turbina eólica flotante Tension-Pata-Boya que apaga la turbina eólica a la altura de ola de corte H. El objetivo de la tesis es investigar y discutir la compensación entre la pérdida de producción de energía en un modo de supervivencia frente a la ganancia que se obtiene al apagar la turbina eólica. Se destacan las consecuencias de la altura de ola, pero el trabajo no dice nada sobre cómo se puede reducir la estructura de la turbina eólica para compensar la pérdida de energía.
Objeto de la invención
Un objeto de esta invención es proporcionar una solución que resuelva el problema antes mencionado del arte previo.
Un objeto de la presente invención es proporcionar un método para optimizar el peso de la torre de la turbina eólica y de la base en alta mar.
Un objeto de esta invención es proporcionar un método alternativo para la operación de una turbina eólica que permita reducir la altura de la turbina eólica.
Un objeto de la presente invención es proporcionar una estructura de turbina eólica alternativa que permita optimizar el peso de la torre de turbina eólica y de la base en alta mar, reduciendo al mismo tiempo los momentos de flexión.
Descripción de la invención
Un objeto de la invención se consigue mediante un método para optimizar el peso de una estructura de turbina eólica, la estructura de turbina eólica comprende una turbina eólica proporcionada en una base en alta mar, la turbina eólica comprende un rotor con al menos dos palas de turbina eólica y un cubo de rotor, la turbina eólica comprende además una torre de turbina eólica, donde el método comprende los pasos de:
- proporcionar a la turbina eólica una distancia entre el nivel del mar y la posición más baja de un extremo de punta de palas de la turbina eólica que sea igual o inferior a 20 metros,
- midiendo al menos la altura de ola,
- operación de la turbina eólica en función de la altura de ola medida,
- posicionar el rotor en una posición de estacionamiento con una separación máxima entre las palas de la turbina eólica y el nivel del mar si al menos la altura de ola medida supera un umbral predeterminado.
Esto proporciona un método simple y fácil para optimizar el peso de la turbina eólica, así como el peso de la base en alta mar, reduciendo la distancia entre la posición más baja del extremo de punta de las palas de turbina eólica y un nivel medio del mar o un nivel nominal del mar. El nivel del mar puede definirse alternativamente como el nivel medio del mar en marea alta o el nivel medio del mar en marea baja. Por ejemplo, el nivel del mar puede definirse como el nivel del mar en la marea astronómica más alta (HAT) o el nivel del mar en la pleamar media (MHWS). No se necesitan sistemas de lastre para subir y bajar la turbina eólica con respecto al nivel del mar en función de la velocidad del viento o en caso de viento extremo. Este método es muy adecuado para las turbinas eólicas que tienen dos o tres palas.
Esta configuración proporciona un método alternativo para la operación de una turbina eólica que permite reducir la altura de torre, lo que a su vez también reduce el brazo de momento de la estructura de la turbina eólica. Esto permite reducir significativamente el momento de flexión introducido en la turbina eólica, ahorrando así material y costos de la torre de la turbina eólica. Esta configuración también permite reducir el tamaño y el peso de la base en alta mar, ya que se reducen las fuerzas y el momento de flexión introducidos en la base en alta mar a través de la turbina eólica, lo que reduce aún más los costos de la base en alta mar.
El rotor, por ejemplo, las palas de turbina eólica, se estaciona en una o más posiciones predeterminadas en función de los valores medidos por diversos sensores o unidades de medición y/o de las razones para la operación de la turbina eólica, tales como olas altas, condiciones de viento extremas, trabajos de mantenimiento, una situación de emergencia o en una situación de seguridad como se describe más adelante. El rotor puede estar estacionado en una posición tal que al menos una de las palas de turbina eólica se extienda en una dirección paralela o perpendicular con respecto a la torre de turbina eólica. Preferentemente, el rotor está estacionado en una posición que proporciona la máxima distancia entre las palas de turbina eólica y el nivel del mar.
De acuerdo con una realización, el umbral predeterminado es de 18 metros o menos, preferentemente entre 5 metros y
15 metros.
La turbina eólica, por ejemplo, la unidad de control de la misma, monitorea la altura de ola medida y activa el procedimiento de estacionamiento si la altura de ola medida excede al menos un valor umbral predeterminado. El valor de umbral puede ser de 18 metros o menos, preferiblemente entre 5 metros y 15 metros, por ejemplo, 10 metros o 12 metros. La altura de ola puede medirse como la distancia desde la cresta de ola hasta el paso de la ola, o como la amplitud desde el nivel medio del mar hasta la cresta de ola. La amplitud se utiliza entonces para calcular la altura de ola. Alternativamente, la altura de las olas puede determinarse como la altura significativa de las olas (SWH) durante un período de tiempo predeterminado.
De acuerdo con una realización, el método comprende además determinar una relación entre una longitud de pala de una de al menos dos palas de la turbina eólica y una altura de la torre de turbina eólica, en donde la relación de la turbina eólica es mayor que 0,5.
Esta configuración permite aumentar la relación entre la longitud longitudinal, por ejemplo, la longitud de palas, de cada pala de turbina eólica y la longitud longitudinal, por ejemplo, la altura de torre, de la torre de turbina eólica en comparación con las turbinas eólicas convencionales. En una turbina eólica convencional, la turbina eólica se diseña de manera que tenga una altura de torre que sea al menos dos veces la longitud de pala. Esto significa que para una turbina eólica convencional la relación entre la longitud de palas y la altura de torre es inferior a 0,5 mientras que la presente configuración permite que la turbina eólica tenga una altura de torre reducida manteniendo la longitud de las palas de turbina. Esto reduce la velocidad de inclinación y la aceleración de la góndola al reducirse el brazo de momento. Esto también ahorra material y peso del extremo superior de la torre de turbina eólica, ya que se necesita menos material para conseguir la rigidez necesaria, lo que supone un ahorro de costos.
La altura de torre puede seleccionarse de manera que la estructura de la turbina eólica tenga una separación entre la posición más baja del extremo de punta de las palas de turbina eólica durante la rotación y el nivel del mar que sea igual o inferior a 20 metros, preferentemente entre 10 metros y 18 metros, por ejemplo, 12 metros o 15 metros.
De acuerdo con una realización, la turbina eólica funciona en un modo de operación normal si la altura de ola medida es igual o inferior al umbral.
La turbina eólica y, por tanto, el rotor, funcionan en un modo de operación normal cuando se detectan olas bajas, por ejemplo, cuando la altura de ola medida no supera el umbral. La turbina eólica funciona en el modo de operación normal cuando la velocidad de viento medida es igual o mayor que la velocidad de viento nominal y menor que la velocidad de viento de corte. En este modo de operación normal, las palas de la turbina eólica se inclinan de acuerdo con un perfil de potencia predeterminado, por ejemplo, para mantener una potencia nominal. Opcionalmente, la velocidad del rotor también puede regularse en función del perfil de potencia de salida predeterminado. La unidad de control, por ejemplo, la unidad de control de turbina eólica, controla la operación de la turbina eólica y, por tanto, del rotor, basándose en la velocidad de viento y la altura de ola medidas, lo que permite que la turbina eólica siga produciendo energía mientras las olas se mantengan dentro de un margen aceptable.
En otra realización, la turbina eólica funciona en modo de arranque normal si la altura de ola medida es igual o inferior al umbral. La turbina eólica funciona en el modo de arranque normal cuando la velocidad de viento medida es inferior a la velocidad del viento nominal y, opcionalmente, igual o superior a una velocidad de corte predeterminada. En este modo de operación, las palas de turbina eólica se inclinan hasta un ángulo de inclinación de cero de acuerdo con el perfil de potencia predeterminado, por ejemplo, para producir una salida de potencia máxima. Esto permite que la turbina eólica siga produciendo energía como se ha mencionado anteriormente.
De acuerdo con una realización, la turbina eólica es operada en un modo de parada si la altura de ola medida está por encima del umbral.
Si se detectan olas altas, por ejemplo, si la altura de ola medida supera el umbral, la turbina eólica y, por lo tanto, el rotor cambian del modo de operación normal o de arranque a un modo de parada. En el modo de parada, la unidad de control apaga la turbina eólica, por ejemplo, el tren de accionamiento de la misma, para que no produzca una salida de potencia. Opcionalmente, la unidad convertidora de potencia se desconecta de la red externa. Las palas de turbina eólica se inclinan hasta una posición de pluma o una posición en la que las cargas sobre las palas de turbina eólica se reducen al mínimo. La turbina eólica también puede pasar al modo de parada por la unidad de control por otras razones, como condiciones de viento extremas, trabajos de mantenimiento, una situación de seguridad como se describe más adelante, o si se detecta una situación de fallo o emergencia.
En el modo de parada, el rotor se gira hasta una posición de estacionamiento y, opcionalmente, se bloquea en esta posición, por ejemplo, mediante un sistema de bloqueo de rotor. Se puede utilizar un sistema de frenado, por ejemplo, un mecanismo de freno hidráulico o mecánico, para frenar/detener la rotación del rotor. Alternativa o adicionalmente, la inclinación de las palas de turbina eólica y/o el generador operado en modo inverso puede utilizarse para frenar el rotor y hacerlo girar hasta la posición de estacionamiento. El rotor y, por tanto, las palas de turbina eólica pueden estar estacionados en una o varias posiciones predeterminadas en función de la velocidad de viento medida y/o de la altura de
ola o por otros motivos, como por ejemplo, trabajos de mantenimiento.
Si la turbina eólica es de dos palas, las palas de turbina eólica pueden estar estacionadas en posición horizontal o en posición vertical. En la posición vertical, las palas de turbina eólica se extienden en una dirección paralela con respecto a la torre de turbina eólica, donde una de las palas de turbina eólica se extiende hacia abajo a lo largo de la torre de turbina eólica. En la posición horizontal, las palas de turbina eólica se extienden en una dirección perpendicular con respecto a la torre de turbina eólica. Esto reduce el riesgo de que las olas golpeen las palas de turbina eólica en condiciones extremas, por ejemplo, si las olas grandes superan el umbral o la velocidad de viento supera la velocidad de viento de corte. Si la turbina eólica es una turbina de tres palas, entonces una de las palas de turbina eólica puede estar estacionada en una posición vertical paralela a la torre de turbina eólica. En la posición vertical, la pala de turbina eólica se extiende hacia abajo a lo largo de la torre de turbina eólica o hacia arriba lejos de la torre de turbina eólica. Si la turbina eólica está orientada hacia arriba y alejada de la torre de la turbina eólica, se reduce el riesgo de que las olas golpeen las palas de turbina eólica en condiciones extremas.
De acuerdo con una realización específica, el método comprende además el monitoreo de un área predeterminada relativa a la base en alta mar, en donde la turbina eólica se opera además en el modo de parada si se detecta al menos un objeto en movimiento con esta área.
En caso de una situación de seguridad, la turbina eólica se opera en el modo de parada en el que el rotor está estacionado en una posición predeterminada, por ejemplo, la posición horizontal o vertical, como se ha mencionado anteriormente. Un sistema de vigilancia sistema conectado a la unidad de control detecta cualquier embarcación personas que necesiten ser rescatadas o incluso helicópteros a una distancia predeterminada de la estructura de turbina eólica. Si se detecta un objeto a esa distancia, la unidad de control detiene la turbina eólica como se ha mencionado anteriormente. El sistema de control define una zona de seguridad alrededor de la turbina eólica, reduciendo así el riesgo de que las palas de turbina eólica golpeen un barco, una persona en peligro o un helicóptero ubicado en la zona de seguridad.
El sistema de monitoreo puede, opcionalmente, determinar la dirección y la velocidad de la embarcación, de la persona en peligro o del helicóptero, permitiendo así que la turbina eólica sólo se apague si se determina que el objeto se está acercando a la turbina eólica. La turbina eólica puede apagarse alternativamente si la unidad de control o el sistema de monitoreo recibe una señal de comando transmitida desde una estación remota o una unidad remota ubicada en la embarcación o el helicóptero. Opcionalmente, la unidad de control puede estacionar selectivamente las palas de turbina eólica en posición vertical u horizontal dependiendo de la ubicación de dicho objeto en relación con la orientación, por ejemplo, el ángulo de guiñada, del rotor de la turbina eólica y/o dependiendo del tipo de objeto detectado. Además, la altura de ola y/o la velocidad de viento medidas pueden utilizarse también para determinar la posición de estacionamiento de las palas de turbina eólica.
De acuerdo con una realización, la etapa de posicionamiento comprende además la guiñada de la góndola a una posición de estacionamiento en la que el rotor está dispuesto en un lado opuesto de una escalera exterior que proporciona acceso a la turbina eólica.
La góndola, en el modo de parada, se guiará a una posición predeterminada y, opcionalmente, se bloqueará en esta posición, por ejemplo, por medio de un sistema de bloqueo de guiñada. La góndola puede guiarse de forma activa mediante un sistema de guiñada dispuesto en la turbina eólica o guiñada de forma pasiva mediante el viento que actúa sobre el rotor. La góndola y, por lo tanto, el rotor pueden situarse en el lado opuesto de una escalera exterior o de otra estructura de desembarco de barco que proporcione acceso a la estructura de la turbina eólica. La guiñada puede realizarse antes, durante o después de que las palas de turbina eólica giren hasta la posición de estacionamiento. Esto permite que cualquier embarcación de servicio se ponga en posición respecto a una plataforma exterior de turbina eólica, incluso si las palas están estacionadas en posición vertical.
Un objeto de la invención también se logra mediante una estructura de turbina eólica que comprende:
- una base en alta mar configurada para ser instalada en un lugar de instalación, la base en alta mar comprende una interfaz de instalación para una turbina eólica,
- una torre de turbina eólica configurada para ser instalada en la base en alta mar, una góndola provista en la parte superior de la torre de turbina eólica, y un rotor montado de manera rotativa en la góndola, el rotor comprende al menos dos palas de turbina eólica montadas en un cubo de rotor, la turbina eólica comprende además una unidad de control configurada para controlar la operación de la turbina eólica, en donde
- al menos una unidad de medición está configurada para medir una altura de ola, estando la unidad de medición configurada para comunicarse con la unidad de control, caracterizada porque
- la turbina eólica está configurada además para colocar el rotor en una posición de estacionamiento con una separación máxima entre al menos dos palas de turbina eólica y el nivel del mar si la altura de ola medida supera un umbral predeterminado, en donde la distancia entre el nivel del mar y la posición más baja de un extremo de la punta de al menos dos palas de turbina eólica es igual o inferior a 20 metros.
Esto proporciona una estructura de turbina eólica que permite optimizar el peso de la torre de turbina eólica y de la base en alta mar operando la turbina eólica de acuerdo con la altura de ola medida. Esta configuración elimina la necesidad de
un sistema de lastre para subir y bajar la turbina eólica con respecto al nivel del mar en función de la velocidad de viento. Esto permite reducir la altura de torre y, por tanto, el brazo de momento de la turbina eólica en comparación con las turbinas eólicas en alta mar convencionales. Esto, a su vez, reduce el momento de flexión y las fuerzas introducidas en la base en alta mar, lo que significa que se requiere una estructura más ligera y/o más pequeña para contrarrestar estas fuerzas, ahorrando así los costos de la base en alta mar.
De acuerdo con una realización, la base en alta mar es una base flotante.
La base en alta mar puede ser cualquier tipo de base en alta mar adecuada para instalar la turbina eólica en una ubicación en alta mar. La base en alta mar puede ser un monopolo, una base de gravedad, una base de trípode, una base de cubierta, una base de tres pilotes o una base flotante. La base flotante puede ser cualquier tipo de estructura flotante que comprenda al menos una, dos, tres o más cámaras de flotabilidad.
De acuerdo con una realización, la distancia entre el nivel del mar y la posición más baja está entre 10 metros y 18 metros.
La turbina eólica tiene una altura de torre reducida en comparación con las turbinas eólicas marinas convencionales. La turbina eólica está configurada de manera que tiene una relación entre la longitud de pala y la altura de torre de al menos 0,5, preferentemente entre 0,5 y 0,9. Las turbinas eólicas en alta mar convencionales tienen una relación inferior a 0,5, ya que la torre de turbina eólica está diseñada para tener una altura de torre de al menos dos veces la longitud de las palas de la turbina eólica. Además, las turbinas eólicas convencionales en alta mar suelen estar diseñadas de forma que las olas extremas de unos 18 metros no puedan golpear las palas de turbina eólica. Esto permite reducir la separación entre la posición más baja del extremo de punta de la pala de turbina eólica y el nivel del mar. Esto también reduce la velocidad de inclinación y la aceleración de la góndola a medida que se reduce la altura de la torre, ahorrando así material y peso del extremo superior de la torre de turbina eólica, lo que a su vez reduce los costos.
La altura de torre puede seleccionarse de manera que la estructura de la turbina eólica tenga una separación entre la posición más baja del extremo de punta de las palas de turbina eólica durante la rotación y el nivel del mar que sea igual o inferior a 20 metros, preferentemente entre 10 metros y 18 metros, por ejemplo, 12 metros o 15 metros.
De acuerdo con una realización, al menos una unidad de medición está dispuesta en la estructura de la turbina eólica o posicionada en relación con la base en alta mar.
La unidad de medición está configurada para posicionarse con respecto a la base en alta mar o a la turbina eólica de manera que pueda medir la altura de ola. La unidad de medición puede comprender un radar, una cámara, un transmisor y un receptor electromagnéticos u otros medios de medición adecuados para medir de forma inalámbrica la altura de ola. La unidad de medición puede comprender además cualquier medio de procesamiento adecuado, por ejemplo, un microprocesador u otro circuito electrónico, para procesar los datos de los medios de medición y determinar la altura de ola o una señal representativa de la altura de ola. Alternativamente, la unidad de medición puede comprender una boya u otro elemento flotante configurado para ser colocado al nivel del mar o a una profundidad predeterminada, como un sensor de ola, un sonar, un giroscopio, uno o más acelerómetros, una unidad GPS u otra unidad de medición adecuada. La unidad de medición puede estar configurada para ser colocada en el fondo del mar, como un sonar hacia arriba. Se pueden utilizar dos o más unidades de medición para determinar la altura de ola. La(s) unidad(es) de medición puede(n) estar conectada(s) a la unidad de control mediante cables eléctricos o una conexión inalámbrica.
De acuerdo con una realización, la estructura de la turbina eólica comprende además al menos una unidad de monitoreo configurada para monitorear un área predeterminada relativa a la base en alta mar, donde la al menos una unidad de monitoreo está configurada para detectar al menos un objeto en movimiento dentro de esta área.
La unidad de monitoreo está dispuesta en la turbina eólica o en la base en alta mar y está configurada para detectar objetos dentro de una distancia predeterminada de la estructura de la turbina eólica. La unidad de monitoreo define un área de monitoreo alrededor de la turbina eólica está configurada para unidad de monitoreo detectar embarcaciones, personas en peligro, grandes bloques de hielo o incluso helicópteros ubicados dentro de esta área de monitoreo. La unidad de control puede incluir un radar, una cámara, un transmisor y un receptor, u otros medios de control adecuados para detectar objetos dentro del área de monitoreo. La unidad de monitoreo comprende además cualquier medio adecuado, por ejemplo, un microprocesador u otro circuito electrónico, para procesar los datos y determinar si un objeto se encuentra dentro del área de monitoreo. La unidad de control está configurada para comunicarse con la unidad de monitoreo mediante una conexión por cable o inalámbrica. Esto aumenta la seguridad alrededor de la turbina eólica, ya que la turbina se apaga si un objeto se encuentra demasiado cerca o se acerca a la turbina eólica, reduciendo así el riesgo de que el objeto sea golpeado por las palas de turbina eólica.
Alternativa o adicionalmente, la unidad de monitoreo puede comprender un receptor de GPS opcional y un módulo de comunicación configurado para comunicarse con una o más unidades externas ubicadas en una embarcación, un chaleco salvavidas o un helicóptero o una o más estaciones centrales externas. El módulo de comunicaciones puede comunicarse con la unidad o estación externa mediante señales de muy alta frecuencia (VHF). La estación y/o unidad externa puede formar parte de un sistema de seguimiento de embarcaciones (VMS), un sistema de identificación automática (AIS), un servicio de tráfico de embarcaciones (VTS) u otro sistema pertinente. Esto permite a la unidad de monitoreo determinar
si la embarcación, el helicóptero o la persona se encuentra con el área de monitoreo, basándose en al menos los datos de posición recibidos. Esto también permite que la unidad de monitoreo o la unidad de control envíen los datos de posición de la turbina eólica a cualquier embarcación o helicóptero ubicado dentro del área de monitoreo o incluso a un sistema externo, como un sistema de monitoreo de tráfico.
De acuerdo con una realización, la turbina eólica está configurada para funcionar en un modo de operación normal si no se recibe ninguna señal de control de la unidad de monitoreo, en donde dicha señal de control es indicativa de que al menos un objeto en movimiento se encuentra dentro de esta área o indicativa de que al menos un objeto en movimiento no se está acercando a la turbina eólica.
La unidad de control de la turbina eólica está configurada para operar la turbina eólica en el modo de operación normal, como se ha mencionado anteriormente, cuando no se detectan objetos con esta zona de seguridad y/o cuando se determina que dicho objeto no se mueve hacia la turbina eólica. En este modo de operación normal, la unidad de control puede estar configurada para maximizar la salida de potencia o mantener una salida de potencia nominal de la turbina eólica. La unidad de control puede estar configurada para cambiar entre el modo de operación normal y el modo de parada basándose en una o más señales de control adecuadas procedentes de la unidad de monitoreo. Dichas señales de control pueden indicar si uno o varios objetos en movimiento se encuentran dentro de esta zona de seguridad y/o si uno o varios de los objetos detectados se acercan o no a la turbina eólica.
De acuerdo con una realización, la turbina eólica está configurada para funcionar en un modo de operación normal si la altura de ola medida está por debajo del umbral.
En este modo de operación normal, la unidad de control está configurada para inclinar las palas de turbina eólica de acuerdo con un perfil de potencia predeterminado, como se ha mencionado anteriormente. La inclinación puede realizarse a través de un sistema de control de paso local conectado a la unidad de control. Esto permite que la turbina eólica siga produciendo energía si no se detectan olas altas. La turbina eólica pasa al modo de parada si la altura de ola medida supera el umbral. En esta configuración, el tiempo de inactividad puede ser mayor que el de una turbina eólica convencional en alta mar debido a la altura de ola máxima permitida.
De acuerdo con una realización, la turbina eólica comprende tres palas de turbina eólica.
La turbina eólica en esta configuración comprende al menos dos o tres palas de turbina eólica. El rotor se estaciona preferentemente en una posición predeterminada con una distancia máxima entre el extremo de una pala de turbina eólica orientada hacia abajo y el nivel del mar. En el caso de una turbina eólica de dos palas, esto se consigue girando las palas de turbina eólica en posición horizontal. En el caso de una turbina eólica de tres palas, esto se consigue girando una de las palas de turbina eólica en dirección vertical para que se aleje de la torre de la turbina eólica. Esto reduce al mínimo el riesgo de que las palas de turbina eólica choquen con una embarcación u otro objeto. Esto también permite que el rotor se alinee pasiva o activamente con la dirección de viento y, por lo tanto, siga la dirección de viento a medida que cambia.
El rotor está opcionalmente estacionado en una posición predeterminada con una distancia mínima entre el extremo de una pala de turbina eólica orientada hacia abajo y el nivel del mar. En el caso de una turbina eólica de dos palas, esto se consigue girando las palas de turbina eólica en posición vertical. En el caso de una turbina eólica de tres palas, esto se consigue girando una de las palas de turbina eólica en dirección vertical, de modo que se extienda hacia abajo a lo largo de la torre de turbina eólica. Esto reduce la superficie total que es influenciada por el viento entrante, esta posición es adecuada para condiciones de viento extremas o trabajos de mantenimiento.
Descripción de los dibujos
La invención se describe únicamente a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos, en donde:
La fig. 1 muestra una turbina eólica convencional instalada en una base en alta mar;
La fig. 2 muestra una realización ejemplar de la estructura de turbina eólica de acuerdo con la invención;
La fig. 3 muestra una realización ejemplar de una unidad de monitoreo para detectar objetos con un área de monitoreo; La fig. 4 muestra una primera realización ejemplar de una unidad de medición para medir la altura de ola; y
La fig. 5 muestra una segunda realización ejemplar de la unidad de medición para medir la altura de ola.
En el siguiente texto, las figuras se describirán una por una y las diferentes partes y posiciones que se ven en las figuras se numerarán con los mismos números en las diferentes figuras. No todas las partes y posiciones indicadas en una figura específica se discutirán necesariamente junto con esa figura.
Lista de referencias
1 Turbina eólica
2 Base en alta mar
3 Palas de turbina eólica
4 Sección interior de pala
5 Sección exterior de pala
6 Unión de paso
7 Cubo de rotor
8 Góndola
9 Torre de turbina eólica
10 Nivel del mar
11 Turbina eólica
12 Base en alta mar
13 Torre de turbina eólica
14 Lecho marino
15 Líneas de anclaje, cadenas
16 Unidad de monitoreo
17 Objeto, embarcación
18 Unidad de medición, boya
19 Elemento de flotabilidad
20 Líneas de anclaje
21 Unidad de medición, sonar
Descripción detallada de la invención
La fig. 1 muestra una turbina eólica convencional 1 dispuesta sobre una base en alta mar 2. La turbina eólica 1 se muestra aquí como una turbina eólica de dos palas, pero puede constar de tres palas de turbina eólica. Las palas de turbina eólica 3 se muestran aquí como palas de paso parcial, pero las palas de turbina eólica 3 pueden ser palas de extensión completa. La pala de turbina eólica 3 comprende una sección interior de pala 4 conectada a una sección exterior de pala 5 mediante una unión de paso 6. Las palas de turbina eólica 3 están montadas en un cubo de rotor 7 que está montado de manera giratoria en una góndola 8. La góndola 8 está dispuesta sobre una torre de turbina eólica 9 que tiene una altura de torre predeterminada.
En esta realización, la turbina eólica 1 tiene una relación entre la longitud de las palas de turbina eólica 3 y la altura de torre de la turbina eólica 9 inferior a 0,5. La góndola 8 y el cubo de rotor 7 se colocan a una altura de cubo predeterminada en relación con el nivel del mar 10, de modo que se consiga una separación suficiente entre la posición más baja del extremo de punta de las palas de turbina eólica 3 y el nivel del mar 10.
La base en alta mar 2 se muestra aquí como una base flotante, pero puede ser un tipo diferente de base en alta mar, como una base de monopolo, una base de trípode, una base de cubierta o una base de gravedad.
La fig. 2 muestra una realización ejemplar de una turbina eólica 11 y una base en alta mar 12 de acuerdo con la invención. En esta realización, la turbina eólica 11 tiene una altura de torre reducida en comparación con la turbina eólica 1.
La turbina eólica 11 comprende una torre de turbina eólica 13 que tiene una altura de torre inferior a dos veces la longitud de las palas de turbina eólica 3, por lo que la relación es superior a 0,5, preferiblemente entre 0,5 y 0,9. La pala de turbina eólica 3 en esta realización tiene la misma longitud de pala que las palas de turbina eólica 3 mostradas en la fig. 1. Esto reduce el brazo de momento y, por tanto, el momento de flexión de la turbina eólica 11, lo que a su vez reduce la velocidad de inclinación y la aceleración de la góndola 8. Esto también ahorra material y costos de la torre de turbina eólica 13. La reducción de la altura de torre también significa que la torre de turbina eólica 13 tiene una frecuencia de resonancia más alta, por lo que es menos propensa a resonar.
La base en alta mar 12 se muestra aquí como una base flotante, opcionalmente se puede utilizar cualquier tipo de base en alta mar como se mencionó anteriormente. Las fuerzas y el momento de flexión introducidos en la base en alta mar 12 son menores que los introducidos en la base en alta mar 2 debido a la reducción de altura de torre y, por tanto, a la reducción de altura de cubo. Esto significa que la base en alta mar 12 en esta realización tiene un tamaño y/o peso que es/son más pequeños que los de la base en alta mar 2, ya que se necesita una masa más pequeña para proporcionar una plataforma estable. Esto a su vez ahorra material y costos de la base en alta mar 12.
La separación entre el extremo de punta de palas de turbina eólica 3 y el nivel del mar 10 es, en esta realización, igual o inferior a 25 metros, preferentemente entre 5 y 20 metros.
La fig. 3 muestra la turbina eólica 11 dispuesta sobre la base en alta mar 12, donde la base en alta mar 12 está asegurada a un lecho marino 14 por medio de una o más líneas de anclaje 15, por ejemplo, cadenas de anclaje. En la base en alta mar 12 están dispuestas una o varias unidades de control 16. La unidad de control 16 está configurada para detectar cualquier objeto en movimiento 17 dentro de un área de monitoreo, como por ejemplo, buques. La unidad de control 16 comprende un radar configurado para transmitir una señal electromagnética, por ejemplo, ondas de radio, y recibir la señal reflejada de un objeto 17 situado en el área de monitoreo. La unidad de control 16 comprende además un circuito electrónico, por ejemplo, un microprocesador, configurado para analizar la señal recibida y determinar si el objeto 17 se encuentra dentro del área de monitoreo o no, opcionalmente también la dirección y/o la velocidad del objeto 17. Esto define una zona de seguridad alrededor de la estructura de la turbina eólica 11, 12.
La unidad de monitoreo 16 supervisa el área de monitoreo y envía una señal o una orden a una unidad de control situada en la turbina eólica 11 indicando que un objeto 17 se encuentra dentro del área de monitoreo. A continuación, la unidad de control conmuta la turbina eólica 11 a un modo de parada en el que el rotor queda estacionado en una posición predeterminada. En la posición de estacionamiento, el rotor y, por lo tanto, las palas de turbina eólica 3 se giran hasta una posición horizontal, como se muestra en la fig. 3, y opcionalmente se sitúan en esta posición mediante un sistema de bloqueo de rotor. Esto reduce el riesgo de que las palas de turbina eólica 3 golpeen accidentalmente el objeto 17. Cuando la unidad de monitoreo 16 determina que no hay objetos 17 dentro del área de monitoreo, se envía una segunda señal o comando a la unidad de control. A continuación, la unidad de control conmuta la turbina eólica 11 y el rotor a un modo de operación normal o a un modo de arranque normal en función de la velocidad de viento medida.
La fig. 4 muestra una primera realización ejemplar de una unidad de medición 18 dispuesta en relación con la base 12. La unidad de medición 18 está configurada para medir la altura de ola en relación con el nivel nominal del mar, por ejemplo, utilizando un sensor de olas, un receptor GPS o uno o más acelerómetros. La unidad de medición 18 comprende un elemento flotante 19, por ejemplo, un elemento con forma de boya, configurado para ser colocado en el nivel del mar 10 de manera que siga los movimientos de ola. El elemento flotante 19 se asegura al fondo marino 14 a través de una o más líneas de anclaje 20. Aquí sólo se muestra una unidad de medición 18, pero pueden utilizarse dos o más unidades de medición 18.
La unidad de medición 18 mide la altura de ola de forma continua o periódica y transmite las señales medidas a la unidad de control de la turbina eólica 11 a través de una conexión por cable o inalámbrica. La unidad de control determina entonces la altura de ola y la compara con un umbral predeterminado. Alternativamente, la unidad de medición 18 comprende un circuito electrónico, por ejemplo, un microprocesador, que determina la altura de ola y envía una señal que indica la altura de ola a la unidad de control. El valor del umbral puede ser de 18 metros o menos, preferentemente entre 5 y 15 metros. Si la altura de ola medida supera el umbral, la unidad de control pone la turbina eólica en modo de parada y el rotor se coloca en posición de estacionamiento. Cuando la altura de ola medida cae por debajo del umbral, la unidad de control cambia la turbina eólica 11 y el rotor al modo de operación normal o al modo de arranque normal en función de la velocidad de viento medida. Esto reduce el riesgo de que las olas golpeen las palas de turbina eólica 3 durante la rotación.
La fig. 5 muestra una segunda realización ejemplar de la unidad de medición. La unidad de medición 21 está dispuesta en esta realización en el lecho marino 14 y está conectada a la unidad de control de la turbina eólica 11 a través de una conexión por cable o inalámbrica. La unidad de medición 21 está configurada para medir la altura de ola en relación con el nivel nominal del mar 10, por ejemplo, utilizando un sonar que mira hacia arriba.
La unidad de medición 21 transmite una señal acústica, por ejemplo, pulsos acústicos, hacia el nivel del mar 10 y recibe una señal reflejada del nivel del mar 10, como se indica con líneas de puntos en la fig. 5. La unidad de medición 21, o la unidad de control, determina entonces la altura de ola. A continuación, la altura de ola medida se compara con el umbral descrito anteriormente.
La presente invención no se limita a la realización ilustrada o a las realizaciones descritas en la presente, y puede ser modificada o adaptada sin apartarse del alcance de la presente invención como se describe en las reivindicaciones de la patente a continuación.
Claims (15)
1. Un método para optimizar el peso de una estructura de turbina eólica, la estructura de turbina eólica comprende una turbina eólica (1) provista en una base en alta mar (2), la turbina eólica (1) comprende un rotor con al menos dos palas de turbina eólica (3) y un cubo de rotor, la turbina eólica (1) comprende además una torre de turbina eólica (9), en donde el método comprende los pasos de:
- proporcionar a la turbina eólica (1) una distancia entre un nivel del mar (10) y una posición más baja de un extremo de punta de al menos dos palas de turbina eólica (3) que sea igual o inferior a 20 metros,
- medir al menos la altura de ola,
- operar la turbina eólica en función de la altura de ola medida,
- colocar el rotor en posición de estacionamiento con una separación máxima entre al menos dos palas de turbina eólica (3) y el nivel del mar (10) si al menos la altura de ola medida supera un umbral predeterminado.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el método comprende además la determinación de una relación entre una longitud de pala de una de al menos dos palas de turbina eólica (3) y una altura de torre de la turbina eólica (9), en donde la relación de la turbina eólica (1) es superior a 0,5.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la turbina eólica (1) funciona en un modo de operación normal si la altura de ola medida es igual o inferior al umbral.
4. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el umbral predeterminado es de 18 metros o menos, preferentemente entre 8 metros y 18 metros.
5. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la turbina eólica (1) funciona en modo de parada si la altura de ola medida está por encima del umbral.
6. Un método de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que el método comprende además el monitoreo de un área predeterminada relativa a la base en alta mar (12), en donde la turbina eólica (1) es operada además en el modo de apagado si se detecta al menos un objeto en movimiento dentro de esta área.
7. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la etapa de posicionamiento comprende además la guiñada de la góndola hasta una posición de estacionamiento en la que el rotor está dispuesto en un lado opuesto de una escalera exterior que proporciona acceso a la turbina eólica (1).
8. Una estructura de turbina eólica que comprende:
- una base en alta mar (2) configurada para ser instalada en un lugar de instalación, la base en alta mar (2) comprende una interfaz de instalación para una turbina eólica (1),
- la turbina eólica (1) comprende una torre de turbina eólica (9) configurada para ser instalada en la base en alta mar (2), una góndola provista en la parte superior de la torre de turbina eólica (9), y un rotor montado de forma rotativa en la góndola, el rotor comprende al menos dos palas de turbina eólica (3) montadas en un cubo de rotor (7), la turbina eólica (1) comprende además una unidad de control configurada para controlar la operación de la turbina eólica (1), en donde - al menos una unidad de medición está configurada para medir una altura de ola, estando la unidad de medición configurada para comunicarse con la unidad de control, caracterizada porque
- la turbina eólica (1) está configurada además para colocar el rotor en una posición de estacionamiento con una separación máxima entre al menos dos palas de turbina eólica (3) y el nivel del mar (10) si la altura de ola medida supera un umbral predeterminado, en donde la distancia entre el nivel del mar y la posición más baja de un extremo de punta de al menos dos palas de turbina eólica (3) es igual o inferior a 20 metros.
9. Una estructura de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada porque la base en alta mar (2) es una base flotante.
10. Una estructura de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 8 o 9, caracterizada porque la distancia entre el nivel del mar (10) y la posición más baja está entre 10 metros y 18 metros.
11. Una estructura de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 8 o 10, caracterizada porque la al menos una unidad de medición está dispuesta en la estructura de la turbina eólica o posicionada en relación con la base en alta mar (2).
12. Una estructura de turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizada porque la estructura de turbina eólica comprende además al menos una unidad de monitoreo (16) configurada para monitorear un área predeterminada relativa a la base en alta mar (2), en donde la al menos una unidad de monitoreo (16) está configurada para detectar al menos un objeto en movimiento dentro de esta área.
13. Una estructura de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada porque la turbina eólica está configurada para operar en un modo de operación normal si no se recibe ninguna señal de control desde al menos una
unidad de monitoreo (16), en donde dicha señal de control es indicativa de que al menos un objeto móvil se encuentra dentro de esta área o indicativa de que al menos un objeto móvil no se aproxima a la turbina eólica.
14. Una estructura de turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizada porque la turbina eólica (1) está configurada para operar en un modo de operación normal si la altura de ola medida está por debajo del umbral.
15. Una estructura de turbina eólica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14, caracterizada porque la turbina eólica (1) comprende tres palas de turbina eólica (3).
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