ES2947742T3 - Parque eólico con mástiles arriostrados mutuamente - Google Patents

Abstract

La invención describe parques eólicos, parques eólicos espaciales, que comprenden aerogeneradores en varios planos uno encima del otro. Los aerogeneradores se montan uno encima del otro en estructuras de torre para este fin. Las estructuras de la torre están arriostradas mediante elementos de sujeción. Los elementos de sujeción discurren transversalmente entre las estructuras de la torre. Los elementos de sujeción de seguridad adicionales protegen el parque eólico espacial contra fallas estructurales. Un método para controlar los aerogeneradores mejora el rendimiento. El método para controlar los aerogeneradores también reduce los picos de carga y la propagación de oscilaciones dentro de la estructura portante conectada. También se utilizan otros métodos de amortiguación diferentes para este propósito. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Parque eólico con mástiles arriostrados mutuamente

El invento se refiere a un parque eólico tridimensional y a un método para controlar las estructuras de una torre de un aerogenerador de un parque eólico tridimensional.

Los generadores accionados por palas eólicas, también conocidos como generadores eólicos, que se montan en un mástil de forma múltiple, se han propuesto de diversas formas en el pasado y también se han probado a pequeña y mediana escala. Existen dos tipos principales de construcciones: por un lado, hay vigas en voladizo sujetas verticalmente que se ramifican en forma de árbol o de estrella para alojar varios rotores en los puntos extremos de las ramas. Por otro lado, hay estructuras de barras en las que los rotores se montan uno encima de otro en un único mástil. También se han propuesto mástiles flexibles y articulados. En algunas ocasiones se han propuesto formas mixtas.

También se ha sugerido, en particular, que las estructuras de torre con múltiples rotores se alineen tanto una al lado de la otra como una detrás de la otra para conseguir así mayores cantidades de energía del viento entrante. También se han propuesto turbinas apiladas y turbinas con rotores de eje vertical para obtener la energía verticalmente en !ugar de en la superficie. Debido al tamaño de estas estructuras, algunas de varios cientos de metros de altura, este método de construcción no resultaría económico ni por su construcción ni por su funcionamiento, según la opinión de los expertos. Debido a los momentos de flexión extremos en la estructura de la torre provocados por las cargas de varios aerogeneradores, una estructura de este tipo no es económica debido a sus dimensiones. Era obvio, argumentaban, que en comparación con los aerogeneradores dispuestos uno al lado del otro, no se podía conseguir ninguna ventaja significativa, ya que tales estructuras estaban aquejadas de problemas estructurales, especialmente debido a la altura de las instalaciones de la torre, a los que no se podía dar una solución rentable. Un parque eólico en la zona siempre sería preferible a una situación vertical de este tipo, según la opinión de los expertos.

El documento DE202016008087U1 propone una disposición de las centrales eólicas o hidroeléctricas en agrupaciones, conjuntos o flotillas (los términos se utilizan como sinónimos en la divulgación). En particular, con respecto a una mejor utilización de las centrales hidroeléctricas mediante sistemas de amarre optimizados, el documento hace afirmaciones generales basadas en la documentación de una patente mas antigua citada anteriormente y propone una disposición de las unidades generadoras mediante enlaces en las denominadas redes mínimas. La divulgación sigue siendo muy general en sus afirmaciones y no ofrece ningún enfoque para una implementación real de sistemas de generación de energía enlazados que puedan construirse y explotarse de forma más rentable que las centrales eólicas o hidroeléctricas convencionales que se erigen independientemente unas de otras y forman así una adición convencional de sistemas de generación de energía. Más bien, al igual que en todas las propuestas anteriores, el experto vuelve a tener la impresión de que se requieren considerables gastos adicionales para el montaje y funcionamiento de estructuras de soporte conectoras adicionales entre las centrales de generación de energía, sobre cuyo tamaño y complejidad el autor no aporta información, lo que no puede resultar económico en absoluto.

Similar a todas las propuestas realizadas hasta ahora es el hecho de que, debido a las grandes fuerzas que se producen, especialmente en el caso de las centrales de generación de varios megavatios, las estructuras de soporte correspondientes deben ser muy grandes, lo que hace que no sean económicas.

La forma en que la construcción y el funcionamiento de parques eólicos a gran escala en agrupaciones y matrices tridimensionales pueden llevarse a cabo de manera innovadora, eficiente y optimizada se muestra en la presente invención en un engranaje de estructura y funcionamiento.

El documento WO 2012/171578 A2 da a conocer un parque eólico marino en el que las torres individuales flotan y se sujetan entre sí mediante cables para que las torres se mantengan en pie. Los cables se anclan al suelo en el borde del parque eólico. Las torres están arriostradas entre sí por debajo de su generador y a unos 40 metros por debajo de la superficie del agua.

El documento US 2015/308139 A1 también describe una estructura de torre arriostrada para un aerogenerador.

Por último, GB 2425328 A muestra un aerogenerador con dos torres adyacentes que soportan una viga horizontal entre ellas, sobre la que se sitúan varios generadores.

La característica principal del invento describe métodos compactos de construcción apilada que superan en varias veces la intensidad de superficie del rendimiento energético, es decir, la cosecha de energía por unidad de superficie, en comparación con los parques eólicos convencionales.

En el documento US2014103665 se conoce otro parque eólico con tendones.

El invento describe, además, mecanismos de seguridad para proteger la vulnerabilidad de las estructuras de soporte muy finas frente a fallos y fallos totales, en particular, debido a posibles «efectos dominó».

El invento describe métodos para controlar los generadores eólicos con el fin de evitar picos de carga en la estructura de soporte, con el fin de mantener el dimensionamiento de los componentes de soporte delgados y eficientes a pesar de las grandes dimensiones totales de la construcción apilada mediante la reducción selectiva de los picos de carga y la evitación de la propagación de resonancias.

Desde el punto de vista aerodinámico, las distancias favorables entre las estructuras de las torres de los aerogeneradores se suelen especificar entre 5 y 6 veces el diámetro del rotor para mantener bajo el ensombrecimiento causado por los vórtices de estela de arrastre de los aerogeneradores vecinos. Esta distancia recomendada, favorable desde un punto de vista económico, como múltiplo del diámetro del rotor en plano horizontal y la altura necesaria resultante de las estructuras de la torre en el plano vertical, determinada por este diámetro del rotor, y la longitud resultante de los tendones necesarios entre las estructuras de la torre, da como resultado las condiciones óptimas y económicas para estructuras de torres arriostradas de varios pisos con varios aerogeneradores superpuestos, si el diseño se lleva a cabo como se describe en el invento. Estas condiciones óptimas siguen siendo válidas incluso si la distancia entre las estructuras de torres vecinas - normalmente expresada en múltiplos del diámetro del rotor del aerogenerador - aumenta en un factor de 1,5 o disminuye a la mitad.

Con su característica principal, el invento propone, especialmente, configuraciones de varios pisos en las que preferentemente se disponen exactamente tres generadores uno encima del otro en una torre. De esta manera, la energía del viento puede ser cosechada tres veces en un área dada y, al mismo tiempo, se puede lograr un óptimo estructural particularmente eficiente y utilizado para la estructura de torre muy alta requerida, que se describirá más adelante.

Para mantener en posición una estructura de torre a la que se fijan varios generadores eólicos, preferiblemente tres, uno encima de otro, la invención propone una estructura de torre en forma de barra que se arriostra adicionalmente entre el generador situado en la parte superior de la estructura de torre y el generador situado debajo. La fijación se realiza mediante tendones. En particular, a diferencia del documento US5146096A, la estructura de la torre no está ensamblada por secciones articuladas, sino que está formada rígidamente para conseguir los efectos deseados de deflexiones muy bajas, como se describirá más adelante.

De acuerdo con el invento, los tendones, que están fijados a la estructura de la torre entre el aerogenerador superior y el segundo aerogenerador superior y continúan desde la estructura de la torre respectiva, se abren en la zona inferior de la torre vecina, lo que hace innecesarias las cimentaciones de arriostramiento costosas y complejas, como en el caso de las torres de energía eólica arriostradas convencionales. Las estructuras de las torres están dispuestas unas en relación con otras, con el extremo inferior de los tendones de una estructura de torre abriéndose en la base de una torre vecina en cada caso, y sólo se requieren puntos de tirante extremo libre en los bordes del parque eólico. Dado que los tendones y las cimentaciones de tendones suelen ser componentes muy caros, el invento sugiere que cada estructura de torre sólo se postensará en una zona de altura. En particular, esto es preferiblemente entre el aerogenerador superior y el segundo aerogenerador superior de una estructura de torre. Los tendones se extienden en cada caso exactamente hasta la zona de la base de la torre vecina. En el sentido del invento, es preferible prescindir de otros arriostramientos con tendones a varias alturas de la estructura de la torre.

Los tendones que discurren diagonalmente entre las torres están diseñados en ambas direcciones, de modo que en la vista lateral se crea un «tensado cruzado» alterno.

De acuerdo con el invento, los tendones están doblemente guiados por razones de seguridad.

Además de los tendones, el invento también prevé un arriostramiento horizontal, que ofrece una seguridad adicional y redundante contra el fallo de los tendones diagonales. Este arriostramiento horizontal adicional se extiende preferentemente entre las estructuras de la torre en la zona de los puntos de arriostramiento superiores de la estructura de la torre. Estos arriostramientos horizontales desarrollan su efecto ventajoso especialmente si varios de los tendones diagonales fallan al mismo tiempo. Debido a la presencia de los arriostramientos horizontales, el fallo de los tendones diagonales no provoca un «efecto dominó» en el que las estructuras de las torres vecinas y los aerogeneradores conectados a ellas podrían entrar en un estado inestable debido al fallo de la fuerza de tracción en la estructura de la torre en cuestión en un lado, cayendo primero una estructura de la torre y luego las demás. Estos tendones de seguridad se proponen, en particular, para mejorar significativamente la capacidad de servicio de las instalaciones frente al fallo estructural o el fallo total (efecto dominó). La mejora de la capacidad de servicio facilita el aseguramiento de los parques eólicos contra daños en la estructura de la torre y el posible fallo de la estructura de la torre. Preferentemente, en vista en planta, los tendones y los tendones de seguridad se fijan tangencialmente en la zona de las paredes de las estructuras de torre para garantizar la transferencia de carga más favorable de las fuerzas de tracción en los tendones a la pared de torre de la estructura de torre.

En una variante del invento, los tendones se fijan a un ensanchamiento anular de la sección transversal de la estructura de la torre, por ejemplo, a una plataforma.

Un ensanchamiento anular de la sección transversal de la estructura de la torre permite una entrada uniforme de las fuerzas entrantes de los tendones en la superficie de la cubierta de la estructura de la torre.

En una variante del invento, los tendones y/o los tendones de seguridad se guían en forma de bucle alrededor de la estructura de la torre.

En una variante del invento, los tendones y/o los tendones de seguridad se fijan centralmente delante o dentro de la estructura de la torre en vista en planta y la aplicación de la carga se realiza mediante elementos de distribución de la carga, por ejemplo, plataformas o expansiones transversales de la pared de la torre.

Debido a la disposición de las estructuras de la torre y a los tendones diagonales cruzados entre las estructuras de la torre en la vista lateral, se ahorra un gran número de cimentaciones de arriostramiento, lo que ya aumenta notablemente la eficiencia económica de dicha configuración. En las figuras, la figura 1 muestra un ejemplo esquemático de una disposición con veinticuatro torres y sólo doce tirantes externos, en lugar de los setenta y dos que se necesitarían de otro modo. Apilando los aerogeneradores unos encima de otros, se mejora aún más la relación, ya que en el caso de los aerogeneradores de un solo tirante se necesitarían 216 tirantes.

El invento propone el funcionamiento de, preferiblemente, tres aerogeneradores en una estructura de torre: Propone colocar los tendones inclinados únicamente entre el penúltimo y el último nivel de aerogeneradores contados desde el suelo en la estructura de la torre. El invento muestra que la disposición de los tendones fijados a la estructura de la torre entre los dos aerogeneradores situados más arriba hace que el empuje del viento sobre estos dos aerogeneradores y los momentos flectores resultantes en la estructura de la torre se acumulen en el punto de tensado y se neutralicen mutuamente en el curso de la reacción de apoyo de los tendones. La acumulación de los momentos flectores opuestos en la zona del punto de arriostramiento tiene como consecuencia que la desviación de la estructura de la torre con respecto a la vertical es muy baja a pesar de la gran altura total. La deformación de la estructura de la torre corresponde a una curva en S débil en su primer modo propio debido a la disposición del punto de arriostramiento entre el aerogenerador de la parte superior de la estructura de la torre y el aerogenerador de la parte inferior y a la entrada de carga de los tres aerogeneradores en la estructura de la torre. En este sentido, toda la estructura de la torre puede diseñarse de forma muy esbelta. No es necesario un arriostramiento adicional entre el primer y el segundo aerogenerador, lo que supone un considerable ahorro de costes. La disposición reduce el número de tendones necesarios en la estructura de la torre. En un caso favorable, sólo se requiere un único plano de tirantes a pesar de la considerable altura total. Este plano de tirantes, tal y como se ha descrito, se sitúa, preferentemente, entre el aerogenerador de la parte superior de la torre y el aerogenerador de la parte inferior.

En sentido figurado, el invento pretende que los dos aerogeneradores superiores se comporten de forma similar con respecto al punto de arriostramiento intermedio y a la reacción de la estructura de la torre, como dos balanzas cuyos pesos se equilibran entre sí con cargas aproximadamente iguales debido al cojinete central de la viga de equilibrio de las balanzas.

El invento pretende, además, garantizar que la acción de los dos tercios superiores de la estructura 10 de la torre sobre el tercio inferior de la sección de la torre junto con el generador eólico dispuesto en el lado del suelo sea tal que un cojinete cuasi fijo consistente en la sección superior de la torre se disponga por encima del generador eólico dispuesto en el lado del suelo con la sección inferior de la torre. Este efecto proporciona a la sección inferior de la estructura de la torre una estabilidad adicional.

El efecto también reduce el momento de flexión en la sección inferior de la torre y las cargas variables y el momento de flexión que actúan sobre la base de la torre y los cimientos de la torre dispuestos debajo, lo que prolonga la vida útil de la estructura de la torre o la estructura de la torre, la base de la torre y los cimientos de la torre pueden hacerse más esbeltos.

De acuerdo con la invención, la estructura de la torre se diseña preferiblemente como una estructura de hormigón armado en la zona inferior. Preferiblemente, la estructura de hormigón armado es una estructura de hormigón pretensado. El efecto ventajoso de una construcción de este tipo, que suele tener más de 300 metros de altura, es en particular su rigidez a la flexión y su necesaria rigidez a la torsión.

Preferiblemente, la estructura de la torre está diseñada como una torre tubular de acero en la sección superior. Preferiblemente, la transición de la construcción en hormigón armado a la construcción en acero tiene lugar en la zona del arriostramiento superior, idealmente justo por encima. La construcción de segmentos tubulares de acero ligero en la zona superior de la torre reduce el peso total y mejora el comportamiento en frecuencia de la estructura de la torre.

Según el invento, en el caso de aplicaciones en alta mar, una estructura de cimentación unida al extremo inferior de la estructura de la torre puede ser preferiblemente una estructura compuesta de hormigón armado. Esto es más barato que los GBF (= Gravity based Foundations) y más rígido que un monopilote de acero puro. Preferiblemente, el tubo de acero de la estructura compuesta se lleva primero a la posición de instalación. Sólo en la posición de instalación se rellena de hormigón el tubo de acero en las secciones previstas a tal efecto para conseguir la rigidez deseada. Las secciones del tubo de acero destinadas al compuesto no tienen por qué significar toda la longitud del tubo de acero.

Para permitir un funcionamiento sin problemas de los preferiblemente tres aerogeneradores, todos los aerogeneradores se apoyan a lo largo de la torre de manera que puedan girar individualmente Y alinearse con el viento. Según el invento, de este modo el aerogenerador defectuoso puede girar Y controlarse por separado de los demás aerogeneradores en caso de mantenimiento.

Según el invento, los aerogeneradores están conectados a lo largo de la estructura de la torre a un dispositivo que está montado de forma giratoria alrededor del eje de la torre de la estructura de la torre. El montaje giratorio del dispositivo se realiza preferentemente mediante un cojinete liso.

La parte estructural del invento descrita en la primera sección se complementa con un método para controlar el parque eólico tridimensional, según el invento en particular realizado mediante la instalación de «controladores globales». Un controlador es, normalmente, una unidad de control que controla un aerogenerador. Calcula el estado de funcionamiento óptimo a partir de la velocidad del rotor, el ángulo de ataque de las palas del rotor, la orientación con respecto a la dirección del viento, la velocidad del viento y otros parámetros. Por regla general, un controlador controla un aerogenerador. En relación con el invento, se utilizan «controladores globales» que no sólo controlan y regulan generadores individuales, sino que controlan todo el parque eólico tridimensional como estructura coherente o partes del mismo mediante el método de control según el invento.

Según el invento, los controladores globales, en particular, no sólo están diseñados para mejorar la eficiencia del parque de un solo nivel de generadores eólicos o de todos los niveles. Es parte del invento implementar y programar el método de control del controlador global de tal manera que este método de control, en un paso del proceso, utilice los datos recogidos sobre el viento medido, el estado del sistema y la estructura del parque almacenada para controlar los aerogeneradores individuales de manera diferente con el fin de maximizar la eficiencia del parque. Esto puede hacerse, por ejemplo, haciendo que los aerogeneradores que son golpeados en primer lugar por el viento extraigan sólo parcialmente la energía del viento debido a la posición de sus palas, y haciendo que los aerogeneradores de la segunda y tercera fila en la dirección del viento extraigan la energía restante del viento. Especialmente en caso de vientos y tormentas extremadamente fuertes, este método de control es ventajoso, ya que no requiere apagar todo el parque ante un clima extremo, como suele suceder, sino que, gracias al método de control del controlador global, el parque resulta. más «transitable o permeable» para el viento, cuando éste golpea los aerogeneradores más adelantados.

El controlador global también tiene en cuenta y supervisa la red tensegráfica global del parque eólico tridimensional formada por sus componentes interconectados, es decir, las estructuras de las torres y los tendones y los aerogeneradores empotrados, teniendo en cuenta su interacción inherente. Las interacciones inherentes son, por ejemplo, la oscilación de la estructura de la torre debida a las cargas operativas y el consiguiente tensado y oscilación inducidos de los tendones. Mediante el ajuste de las cargas de funcionamiento a través del método de control del controlador global, por ejemplo, de acuerdo con la situación óptima previamente programada, se pueden evitar, amortiguar o reducir selectivamente las vibraciones no deseadas en los tendones y las estructuras de la torre y los aerogeneradores fijados a ellos y, por lo tanto, se pueden reducir significativamente los picos de carga en los tendones y las estructuras de la torre y los aerogeneradores a lo largo de la vida útil. Las cargas excesivas que actúan lateralmente, por ejemplo, debido a tormentas, pueden evitarse adaptando los estados de funcionamiento de ros 40 aerogeneradores, por ejemplo, en funcionamiento a carga parcial.

Según el invento, la interacción de los componentes portantes interconectados se ve influida por el método de control del regulador global de tal manera que los picos de carga en los componentes portantes y en los componentes de los aerogeneradores se producen con menor frecuencia, evitando así el desgaste prematuro de los materiales de la estructura portante y de los aerogeneradores.

Según el invento, los rotores adyacentes de los aerogeneradores de una estructura de torre discurren cada uno en direcciones opuestas. Según el invento, los rotores de los aerogeneradores de la respectiva estructura de torre adyacente discurren en direcciones opuestas en un plano.

Según el invento, los puntos de medición, en particular, los sensores de estado como los sensores de aceleración y tensión, se utilizan para transmitir sus valores registrados al controlador global. Mediante el procesamiento de los valores entrantes de los puntos de medición, que están distribuidos por todo el parque eólico tridimensional y transmiten los datos de estado de la estructura global, basados en los datos de funcionamiento de los aerogeneradores y los datos de estado de la estructura de soporte al controlador global, se calcula la salida de la información de actuación correspondiente, lo que genera varias ventajas: Los aerogeneradores no son controlados únicamente por controladores individuales como una agrupación suelta de turbinas individuales, como en un parque eólico convencional. En su lugar, el controlador global supervisa una estructura espacial global en dos niveles diferentes. La supervisión a varios niveles tiene que ver sobre todo con la naturaleza de este tipo de disposición y con la naturaleza de esta estructura de soporte concreta:

Por un lado, el controlador global vigila una disposición espacial de aerogeneradores en términos termodinámicos. Aquí se calcula el rendimiento óptimo del campo eólico con los aerogeneradores. El procedimiento de control del controlador global tiene en cuenta, en particular, los efectos termodinámicos característicos de un campo eólico tridimensional. Se trata, por ejemplo, de la recombinación específica de la energía del viento detrás de los rotores. Esto es diferente para los aerogeneradores situados en la parte superior de las estructuras de las torres en comparación con los aerogeneradores centrales y los aerogeneradores inferiores.

Además, la condición de toda la estructura espacial, es decir, la estructura de soporte, desempeña un nuevo papel. Aquí, en particular, es de gran importancia la estructura tensegrítica, que el procedimiento de control del controlador global aborda con el fin de influir en la estructura global.

Las estructuras tensegréticas están formadas por barras de compresión y elementos de tracción. En tales estructuras, la transmisión y distribución de fuerzas y especialmente de vibraciones es una característica esencial. Se trata de una propiedad muy especial de este tipo de estructuras. Los aerogeneradores son, a su vez, componentes que inducen vibraciones muy fuertes y las transmiten a la estructura tensegréticas. Por consiguiente, las cargas y vibraciones de los aerogeneradores ya no actúan sobre una única estructura de torre o tendón de la estructura tensegréticas, sino que se transmiten. Las cargas se suman y las vibraciones se acumulan sin intervención activa. Esto conduce inevitablemente a mayores dimensiones de los componentes. Esto anularía las ventajas deseadas de una estructura eficiente. Por lo tanto, el método de control del regulador global debe evitar, en particular, los picos de carga como resultado de la transmisión de cargas dentro de la estructura de soporte, así como la acumulación de vibraciones y su transmisión dentro de la estructura de soporte. La tarea del método de control del regulador global consiste, en particular, en lograr una amortiguación activa, por ejemplo, enviando las señales de control correspondientes a uno, varios o todos los aerogeneradores para ajustar sus estados de funcionamiento. Mediante la reducción de los picos de carga a través de estados de funcionamiento adaptados y/o elementos de amortiguación adicionales dirigidos activamente como resultado del proceso de control del controlador global, se reduce la carga y el esfuerzo al que se someten los componentes portantes, de modo que éstos pueden dimensionarse de forma más esbelta y eficiente.

El invento se refiere, además, a un método para controlar la carga en las estructuras de las torres arriostradas de un parque eólico tridimensional. Es tarea del método de control del controlador global influir favorablemente en la reducción de cargas, picos de carga y tensiones dentro del parque eólico tridimensional mediante el control dirigido de los generadores eólicos, en particular su comportamiento de frecuencia natural, causado por los diferentes estados de funcionamiento de los generadores eólicos: Las estructuras macroscópicas del parque eólico tridimensional están sometidas a numerosas excitaciones vibratorias tanto por las frecuencias p y 3p de los rotores inducidas por los aerogeneradores, como de los propios componentes, por ejemplo, excitaciones debidas a las frecuencias naturales de la torre o al galopamiento de los tendones, o a la vibración de los tendones debida a la excitación del viento. El invento prevé alimentar el controlador global con datos de estado, en particular, a través de sensores de aceleración, tanto de los componentes de soporte como de las palas del rotor, así como de las velocidades de rotación de los rotores de los aerogeneradores. De acuerdo con el invento, el controlador global se programa de tal manera que las órdenes de control se emiten a los aerogeneradores en un procedimiento en el que la velocidad y la potencia a ajustar mantienen bajos los picos de carga y las resonancias dentro del parque eólico tridimensional o los evitan por completo. Esto puede hacerse, por ejemplo, distribuyendo deliberadamente de forma desigual las velocidades de los rotores de todos los aerogeneradores. Esto puede hacerse mediante un control «caótico o prácticamente caótico» de las velocidades de los aerogeneradores por parte del controlador global. También puede hacerse mediante elementos de amortiguación activos en componentes móviles o no móviles. Estos elementos de amortiguación pueden ser abordados por el método de control del controlador global. Estas medidas de amortiguación activas pueden ser apoyadas adicionalmente por medidas de diseño estructural con efecto amortiguador pasivo y por elementos amortiguadores pasivos.

Según el invento, el controlador global también puede tener subunidades de controlador que no estén conectadas en red entre sí, o que lo estén sólo parcialmente, y puede estar sujeto a una estructura jerárquica o en red. Según el invento, el control de un parque eólico tridimensional es preferentemente un método de control multietapa. Según el invento, el sistema de control comprende un controlador global o varios controladores globales y controladores locales. De este modo, la potencia de cálculo total necesaria para un gran número de aerogeneradores se transfiere de un controlador global o varios controladores globales a controladores locales, cada uno responsable de un único aerogenerador o de un pequeño grupo de aerogeneradores, mediante un tipo de arquitectura de cálculo en paralelo. Los controladores locales asumen partes del control.

De acuerdo con el invento, cada aerogenerador también puede tener una unidad de control parcial o totalmente independiente que puede asumir el control del aerogenerador respectivo, en particular si la unidad o unidades de control de nivel superior fallan o se desconectan o no proporcionan ningún impulso de control durante períodos prolongados durante la operación de control. De este modo, se garantiza el funcionamiento seguro o la continuación del funcionamiento de los aerogeneradores incluso si la unidad o unidades controladoras de nivel superior no están en funcionamiento o en espera. Esto también sirve para proporcionar seguridad redundante.

Según el invento, los aerogeneradores individuales montados uno encima del otro pueden desconectarse para fines de mantenimiento y reparación. En la zona de cada aerogenerador se pueden acoplar y utilizar herramientas de elevación.

Según el invento, los tendones se duplican en cada dirección para aumentar la seguridad frente a fallos. También están provistos de elementos de conexión en los puntos de cruce para reducir la sensibilidad a las vibraciones de los tendones acortando la longitud del componente vibratorio de los tendones. Además, los tendones pueden estar provistos de amortiguadores de vibraciones pasivos o activos.

De acuerdo con el invento, pueden fijarse elementos de conexión adicionales entre los tendones o entre los tendones y la estructura de la torre o entre los tendones y el suelo en otros puntos de paso a lo largo de la longitud de los tendones con el fin de reducir aún más la longitud del miembro estructural vibratorio libre del tendón. La fijación de otros elementos de conexión suprime posibles vibraciones o galopes de los tendones y mejora la amortiguación disipativa y pasiva de las vibraciones en los tendones.

Según el invento, los elementos de amortiguación, fijados entre los aerogeneradores y las estructuras de la torre, pueden reducir aún más los posibles picos de carga y la vibración entre las estructuras de la torre y los aerogeneradores. Estos elementos de amortiguación pueden ser, por ejemplo, adiciones constructivas en los elementos de conexión entre los aerogeneradores y las estructuras de las torres. Estos pueden, por ejemplo, permitir movimientos relativos con forma de regueros u hondas.

De acuerdo con el invento, los tendones entre las estructuras de las torres pueden estar provistos adicionalmente de medios de fijación, por ejemplo, líneas de captura sueltas, con el fin de mantenerse en su lugar en caso de fallo y no caer en los componentes giratorios de los aerogeneradores o dañar otros componentes por retroceso e impacto.

Según el invento, la estructura de la torre puede estar fabricada en parte o totalmente de hormigón. Preferiblemente, la estructura de la torre se fabrica utilizando una técnica de hormigón deslizante. La estructura de la torre puede tener diferentes diámetros a diferentes alturas. La estructura de la torre puede tener diferentes espesores de pared a diferentes alturas. La estructura de la torre puede estar hecha de diferentes tipos de hormigón a diferentes alturas. La estructura de la torre puede tener diferentes grados de pretensado a diferentes alturas mediante elementos tensores montados en la estructura de la torre. La estructura de la torre puede tener diferentes grados de refuerzo a diferentes alturas. Estas medidas, individualmente o en combinación con otras, sirven en particular para amortiguar estructuralmente las vibraciones. La estructura de la torre puede equiparse con sondas de medición a diferentes alturas para controlar el estado de la estructura. Estas sondas de medición pueden estar empotradas en la sección transversal de hormigón.

En el caso de un parque eólico tridimensional en alta mar, la configuración global de la estructura de soporte con estructuras de torre muy altas, pesadas y resistentes a la inclinación tiene un efecto ventajoso según el invento en el sentido de que sólo se requieren monopilotes de bajo coste para erigir las estructuras de torre en el lecho marino. Los monopilotes son habituales en los 5 aerogeneradores marinos convencionales sólo hasta profundidades de agua medias. Los monopilotes ya no son rentables cuando los momentos de flexión y las fuerzas de las olas son mayores a profundidades de agua mayores. La combinación de estructuras de torre pesadas con fuerzas normales elevadas y tendones intermedios según el invento permite utilizar monopilotes de bajo coste incluso a mayores profundidades de agua, ya que el invento reduce el momento de vuelco de las estructuras de torre a valores muy bajos incluso bajo carga.

Según el invento, los tendones que se alejan del centro del parque eólico visto en planta en el borde del parque eólico hacia el exterior y que anclan el parque eólico en el lateral pueden discurrir en direcciones divergentes. Especialmente en el caso de los parques eólicos en alta mar, esto garantiza que, en caso de colisión con un buque o con restos flotantes, el fallo del tendón más exterior, que atraviesa la superficie del agua hasta el lecho marino, no provoque el fallo de toda la estructura de soporte debido a la pérdida de la fuerza de tracción necesaria en un punto.

Según el invento, todas las medidas mencionadas pueden combinarse libremente.

Otras características y ventajas del invento se desprenderán de la siguiente descripción de las realizaciones preferidas con referencia a los dibujos. En éstos se muestra:

La figura 1a muestra un parque eólico según el invento, o un parque eólico tridimensional esquemáticamente en vista en planta, y la figura 1b muestra el parque eólico en una sección esquemáticamente en vista. 1 muestra simbólicamente una estructura de torre dentro del parque eólico, 2 muestra simbólicamente el recorrido de los tendones transversales 14 y los tendones de seguridad 16 de las figuras 1b, 5, 6 y 7 entre las estructuras de torre 1. El círculo 4 describe cualitativamente el alcance máximo de las puntas de las palas en todas las direcciones que alcanzan las puntas de los rotores de los aerogeneradores G en la vista en, planta. 10,6/s describe una célula 30 hexagonal simétrica dentro del parque eólico tridimensional aquí representado. Las estructuras de las torres se encuentran, como mínimo, a la distancia recomendada de 6 diámetros de rotor DD (véase también la Fig. 1b). En la célula de 10,6/s representada funcionan preferentemente dieciocho generadores en total. El rendimiento se triplica en comparación con un parque eólico convencional en un solo nivel con seis aerogeneradores, que sólo se extiende en la zona. Según el invento, de este ejemplo esquemático ya se desprende claramente que la eficiencia de tales disposiciones es muy superior a la de los parques eólicos convencionales. La potencia por área se triplica. Sólo se necesitan doce cimentaciones exteriores y veinticuatro estructuras de torre para hacer funcionar un total de setenta y dos aerogeneradores en una superficie pequeña con un alquiler correspondientemente bajo y menos medidas de infraestructura necesarias para el funcionamiento de un parque eólico.

Dado que los tendones 14.0 en el lado del borde en la vista en planta, que se abren en la cimentación de tirantes 6, sólo están diseñados como un solo tendón, preferiblemente de doble filamento, y no hay tendones de sujeción 16 en el lado del borde, como entre las estructuras de la torre 1, como se muestra en la Fig. 1b, la cimentación de tirantes 6 se puede dividir en dos cimentaciones de tirantes adyacentes 6' y 6’’. Esta división garantiza que, en caso de fallo de uno de los dos tendones 14' y 14’’, preferiblemente de doble filamento, la estructura global no fallará. En el caso de la construcción en alta mar, el suelo de cimentación B también puede ser el lecho marino.

La figura 1b muestra esquemáticamente el parque eólico de varias plantas en una sección lateral. Los aerogeneradores G1 a G3 están dispuestos uno encima del otro en las estructuras de torre 1. Las estructuras de torre 1 están situadas preferentemente en la parte superior de la torre. Las estructuras de torre 1 se encuentran preferentemente a una distancia DD de cinco a seis diámetros de rotor 20. La cruz 18 en el centro del círculo del rotor 20 simboliza la posición del generador. El parque eólico tridimensional de varios pisos está arriostrado alternativamente en sentido transversal mediante tendones 14. Se apoya sobre cimientos 8 y está anclado lateralmente en sus bordes mediante cimientos atirantados 6 en el subsuelo B. Los cimientos 8 también pueden ser estructuras de cimentación marinas en el caso de construcción en el mar. Los tendones de sujeción 16 describen elementos de tracción horizontales que, en comparación con los tendones diagonales 14, tienen preferentemente menos capacidad de carga y sirven principalmente para la seguridad de todo el parque eólico. Asumen parte de la capacidad de carga de los tendones diagonales 14 en caso de que fallen e impiden que la estructura de la torre 1 afectada por el fallo del tendón diagonal 14 vuelque lateralmente.

Las figuras 2 a 4 muestran esquemáticamente diferentes disposiciones posibles de las estructuras de la torre 1 y el recorrido 2 de los tendones 14 y de los tendones de seguridad 16 dispuestos entre las estructuras de la torre 1, mostrando la figura 2 una disposición hexagonal alineada según una dirección principal del viento H. En consecuencia, la célula 10.6/as es asimétrica. La figura 3 muestra un campo de viento en el que el recorrido 2 de los tendones 14 y los tendones de sujeción 16 discurren en seis direcciones alejándose de las estructuras de la torre 1. Se crean celdas 10.3 que, en vista en planta, tienen una estructura triangular debido al curso 2 de todos los tendones. Esta disposición aumenta aún más la redundancia contra el fallo de los tendones. La figura 4 muestra esquemáticamente el mismo principio para una disposición rectangular del tendón.

Las figuras 5a y 5b muestran el principio del invento en primer plano utilizando el ejemplo de una estructura de torre única 1: el arriostramiento 12 de la estructura de la torre 1 mediante los tendones 14 tiene lugar entre los dos aerogeneradores superiores G2 y G3. El arriostramiento por encima del aerogenerador inferior G1 no es necesario según el invento. La línea de puntos 32 describe cualitativamente la deformación de la estructura de la torre 1 como resultado de la carga lateral del viento W. Al fijar la estructura de la torre 1 en el punto de arriostramiento 12, la deformación lateral 32 de la estructura de la torre 1 se reduce y los aerogeneradores G1 a G3 dispuestos uno encima del otro sólo se desvían muy ligeramente de su posición de reposo X1 -X3 a X1' - X3'. Esto es posible a pesar de la gran altura total H, porque las fuerzas de empuje laterales F2 y F3 de los aerogeneradores G2 y G3, debidas a la carga del viento W, transmitidas a la estructura de la torre 1, causan momentos opuestos M a través del cojinete de la estructura de la torre 1 en el punto de arriostramiento superior 12 con la reacción del cojinete F12, que mantienen baja la deflexión máxima A de la punta de la torre de X3 a X3'. A pesar de la gran altura, la deflexión A está en el rango de las milésimas de fracción de la altura H de toda la estructura de la torre 1. Por ejemplo, una estructura de torre de 4SO metros de altura y una esbeltez de cuarenta se desvía sólo SO centímetros bajo plena carga lateral del viento. Esta desviación tan baja A es extremadamente ventajosa para el funcionamiento uniforme y seguro, incluso de aerogeneradores G, a alturas muy grandes H. Este hecho contradice la opinión de los expertos de que los aerogeneradores apilados con alturas totales muy grandes en parques eólicos tridimensionales supuestamente no podrían funcionar de forma segura y económica. El tendón 14 se abre en la zona inferior de la torre F en la zona de la torre vecina y, por lo tanto, sólo requiere una cimentación de tirantes 6 (véanse las figuras 1-4 y 6) o cimentaciones de tirantes divididas 6' y 6" (véase la figura 1a) en los bordes exteriores del parque eólico.

La figura 5c ilustra de nuevo el principio de los momentos flectores opuestos. Las fuerzas laterales F1 - F3 causadas por el viento W sobre los generadores G1 - G3 se transmiten a la estructura de la torre l. Debido a la reacción de apoyo en el punto de tirante 12, una parte F12 de la fuerza se transfiere al tendón 14 y otras partes se transfieren a los cimientos 8 como fuerzas F14 y F16 en forma de reacción de apoyo en la zona de la base de la torre F. El tendón sometido a tensión 14 transfiere la fuerza introducida a la zona base de la torre F, o al punto base 34, o a una estructura de cimentación en el caso de construcción marina (no mostrada) de una estructura de torre adyacente o a una cimentación exterior 6 (véase la figura 1b). De este modo, todas las fuerzas se transfieren de forma segura al suelo de cimentación B. El tendón de seguridad 16 transmite preferentemente sólo partes insignificantes de las fuerzas que se producen entre dos estructuras de torre adyacentes 1. El tendón de seguridad 16 se proporciona principalmente en caso de que el tendón 14 falle por completo, con el fin de mantener la estructura de la torre 1 afectada por el fallo en su posición y evitar daños mayores. El diagrama de la Fig. 5b muestra la secuencia de momentos dentro de la estructura de la torre cualitativamente en una representación esquemática.

La figura 6 muestra de forma esquemática el principio de transmisión de cargas y, en particular, de vibraciones en una sección vista. En particular, las vibraciones de los tendones 14 y de los tendones de seguridad 16 pueden reducirse mediante elementos de amortiguación activos y/o pasivos en la dirección del tendón, representados simbólicamente mediante los símbolos de resorte 56. Además, se pueden instalar elementos de amortiguación activos y/o pasivos adicionales 54 o 58 transversalmente al curso del tendón. En la zona donde se cruzan los tendones 14, se proporciona un enlace 52 para evitar galopes y armónicos en los tendones 14. Además, los tendones 14 y los tendones de seguridad 16, las estructuras de la torre 1 y el suelo B pueden conectarse mediante otros elementos de enlace 71 y 72. La longitud de vibración libres de, por ejemplo, el tendón 14, se divide así en segmentos de longitud s', s" y s'". De este modo se reduce la sensibilidad a la excitación del tendón 14. Los elementos de seguridad muestran simbólicamente, por ejemplo, líneas de seguridad que pueden instalarse adicionalmente para evitar daños en caso de fallo de un tendón 14 o de un tendón de seguridad 16 por retroceso del tendón afectado.

La figura 7a muestra en detalle una sección esquemática a través de una estructura de torre 1 a la que están unidos tangencialmente los tendones 14 y/o los tendones de seguridad 16, preferiblemente de doble guiado, en el interior de la estructura de torre 1. 110 describe simbólicamente el armazón de la torre. 130 describe simbólicamente un ensanchamiento transversal del armazón de la torre hacia el interior. Los sensores 60 controlan el comportamiento vibratorio de los tendones. El sensor 68 esquemático supervisa la aceleración de la estructura de la torre 1 en esta sección. Todos los datos se recogen preferentemente a través de los cables de datos 62 y 64 y se envían a unidades de procesamiento de nivel superior, los controladores locales y globales (no mostrados) para su posterior procesamiento. Opcionalmente, se pueden utilizar sensores con función de radio. La figura 7a también muestra que todos los tendones 14 y los tendones de seguridad 16 son preferiblemente de doble filamento por razones de seguridad.

La figura 7b muestra la misma situación de una sección esquemática a través de una estructura de torre 1, a la que se fijan los tendones 14 y/o los tendones de seguridad 16, preferiblemente de doble guiado, tangencialmente fuera del armazón de torre 110 de la estructura de torre 1. Para ello, la estructura de torre 1 puede tener una expansión, por ejemplo, en forma de plataforma 120. Según el invento, son posibles las formas mixtas de las figuras 7a y 7b.

La figura 8 muestra esquemáticamente en un diagrama el método de funcionamiento del controlador global 80. En primer lugar, los sensores G1S, G2S, G35, representados simbólicamente en forma de círculos, de los respectivos aerogeneradores G1, G2, G3 (también representados sólo simbólicamente) transmiten los datos de estado i1, i2, i3 de los aerogeneradores G1, G2, G3 a los respectivos controladores individuales 82.1, 82.2 y 82.3. Adicional y opcionalmente, los sensores transmiten los datos il', i2', i3 a un controlador local 82L. Los controladores individuales 82.1, 82.2 y 82.3. recogen y procesan los datos entrantes il, i2, i3 individualmente y los utilizan para controlar los aerogeneradores G1, G2, G3 individualmente. Los controladores locales 82.L recogen y procesan los datos entrantes i1', i2', i3' (y si es necesario los datos de otros sensores de otros aerogeneradores) conjuntamente y controlan los aerogeneradores G1, G2, G3 (y si es necesario otros aerogeneradores) conjuntamente. Una parte o la totalidad de estos datos también se transmite al controlador o controladores globales 80. Estos datos se resumen como datos del generador GEN. El controlador global 80 también recibe datos estructurales STR de la estructura y sus componentes. Para ello, los sensores 84, principalmente sensores de aceleración, supervisan el comportamiento en la zona de los generadores y controlan los estados de los tendones 14 y de los tendones fusibles 16 mediante otros sensores 60 y 68, también preferentemente sensores de aceleración o también sensores de tensión. 60 son simbólicamente sensores de aceleración y/o tensión de los tendones 14 y 16, 68 son simbólicamente sensores de aceleración y/o tensión de las estructuras de la torre 1. Estos datos también se transmiten al controlador/es global/es 80. A continuación, el controlador o controladores globales 80 calculan continuamente el estado de funcionamiento óptimo más favorable a partir de los datos GEN y los datos STR, en el que, por ejemplo, determinados generadores funcionan a determinadas velocidades del rotor y otros generadores funcionan a otras velocidades del rotor. De este modo, el método de control del controlador o controladores globales 80 no sólo utiliza. el parque eólico espacial de la forma más homogénea posible en todo momento; sino que el controlador o controladores globales 80 también evitan resonancias o picos de carga debidos a estados de funcionamiento desfavorables con resonancias y cargas acumuladas en toda la estructura espacial. Esto último es de gran importancia según el invento, ya que los elementos de soporte que actúan en combinación en todo el parque eólico tridimensional propagan vibraciones en particular en un sistema de este tipo debido a su conexión y, por lo tanto, requieren un método de supervisión y ajustes continuos de todo el sistema para suprimir y evitar en la medida de lo posible estas vibraciones y su propagación, con el fin de poder funcionar con la mayor vida útil posible y con el menor desgaste posible.

En la figura 8 no se muestra que los datos estructurales STR también pueden transmitirse directamente a los controladores locales 82.L o a los controladores individuales 82.1, 82.2, 82.3.

La figura 9 muestra esquemáticamente una posible disposición de los elementos amortiguadores entre el generador G y la estructura de la torre 1 con el fin de desacoplar las vibraciones de la estructura de la torre 1 y del generador G entre sí y amortiguarlas. Con este fin, se proporcionan preferentemente elementos de apoyo 90 y 92 entre el generador Gy los elementos de conexión 94 y 96 a la estructura de la torre. El invento prevé que el generador G pueda apoyarse en un elemento de conexión 94, pueda colgar de un elemento de conexión 96 o pueda estar encerrado, también lateralmente, por los elementos de conexión 94 y 96, lo que según la invención mejora la transmisión de fuerzas del generador G a la estructura de la torre 1. Los elementos de amortiguación 90 y 92, así como los elementos de conexión 94 y 96, pueden combinarse libremente. Los elementos de conexión 94 y 96 también pueden estar cerrados o encerrados por el generador G. Los elementos amortiguadores 90 y 92 pueden moverse, por ejemplo, en forma de regueros. El elemento de conexión 94 está montado de forma giratoria alrededor de la estructura de la torre. El elemento de conexión 96 está montado de forma giratoria alrededor de la estructura de la torre. Los elementos de amortiguación 90 y 92, así como los elementos de conexión 94 y 96 pueden ser partes del bastidor de la máquina del generador eólico.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un parque eólico tridimensional, que consiste en una pluralidad de estructuras de torre (1) que soportan una pluralidad de generadores eólicos (G) dispuestos uno encima del otro y que están arriostrados lateralmente por elementos tensores (14) que se alejan lateralmente de la estructura de torre (1), está caracterizado por los elementos tensores (14), que discurren entre las estructuras de torre (1), que se sostienen respectivamente por la cara del suelo en la zona inferior de torre (F) de la estructura de torre vecina.

2. Parque eólico tridimensional según la reivindicación 1, caracterizado porque preferentemente tres aerogeneradores (G1 a G3) con sus propias palas eólicas asociadas están dispuestos uno encima del otro.

3. Parque eólico tridimensional según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los tendones (14) están fijados a la estructura de torre (1) con un extremo en la región superior de la estructura de torre (1) entre el segundo aerogenerador superior (G2) y el aerogenerador superior (G3).

4. Parque eólico tridimensional según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los tendones (14) están fijados con un extremo en la zona de base de torre (F) de la estructura de torre (1), donde la zona de base de torre (F) puede incluir también una estructura de cimentación para métodos de construcción marina, y/o que los tendones (14) están doblados en cada dirección de tensado al menos entre dos estructuras de torre (1).

5. Parque eólico tridimensional según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los tendones de sujeción (16) adicionales entre el segundo aerogenerador superior (G2) y el aerogenerador superior (G3) están fijados a las respectivas estructuras de torre (1) adyacentes.

6. Parque eólico tridimensional según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por los elementos de amortiguación (90) y (92), que están montados conjunta o individualmente entre el generador eólico (G) y la estructura de torre (1), en particular, por los elementos de conexión (94) y (96), que están montados entre el generador eólico (G) y la estructura de torre (1), mediante los cuales el generador eólico (G) se encuentra en posición giratoria sobre la estructura de torre (1).

7. Parque eólico tridimensional según la reivindicación 6, caracterizado porque los elementos de conexión {94) y (96) y los elementos de amortiguación (90) y (92) forman parte del bastidor de la máquina del aerogenerador (G).

8. Parque eólico tridimensional según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la sección de la torre por encima de la región del punto de tirante (12) está fabricada en una 35 construcción más ligera que la inferior.

9. Parque eólico tridimensional según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la estructura de la torre (1) tiene refuerzos en la pared de la torre en la región del dispositivo de fijación de los medios de elevación.

10. Parque eólico tridimensional según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en la región del borde del parque eólico tridimensional los tendones exteriores se dividen en dos tendones divergentes (14') y (14") y se fijan al suelo en cimentaciones atirantadas (6') y (6").

11. Parque eólico tridimensional según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los respectivos aerogeneradores (G) adyacentes en una estructura de torre (1) giran en 10 sentidos opuestos y/o porque los respectivos aerogeneradores (G) adyacentes entre dos estructuras de torre (1) giran en sentidos opuestos.

12. Parque eólico tridimensional según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque uno o más controladores globales (80) registran datos de estado del tejido estructural, formado por estructuras de torre (1) y tendones (14) anclados en cimentaciones (8 y 6), mediante 15 sensores (60, 68, 84 y 86) y controlan el estado de funcionamiento de los aerogeneradores en consecuencia en un método de cálculo para evitar picos de carga y/o evitar resonancias.

13. Parque eólico tridimensional según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un controlador local (82.L) también puede procesar datos de estado de los sensores (60, 68, 84 y 86) del campo cercano de la estructura alrededor del respectivo controlador local (82.L).

14. Método para controlar la carga sobre las estructuras de torre arriostradas (1) de un parque eólico tridimensional según una de las reivindicaciones anteriores, en el que uno o más controladores globales (80) registran datos de estado del tejido estructural, formado por estructuras de torre (1) y tendones (14) anclados en cimentaciones (8 y 6), mediante sensores (60, 68, 84 y 86) y controlan el estado de funcionamiento de los aerogeneradores en consecuencia en un método de cálculo para evitar picos de carga y/o resonancias, en el que las oscilaciones p y 3p de los aerogeneradores individuales (G) excitados por las palas del rotor se regulan mediante diferentes velocidades de rotación de los aerogeneradores individuales (G), de tal manera que se evitan los picos de carga y las resonancias desfavorables entre los aerogeneradores individuales (G) en la misma estructura de torre (1), así como en las estructuras de torre adyacentes (1) a las que 30 están conectados a través de los tendones (14).

15. Método según la reivindicación 14, caracterizado porque el controlador global (80) controla los aerogeneradores (G) del parque eólico en un proceso tal que los estados de funcionamiento difieren «caótica o casi caóticamente» entre sí.