MXPA06011552A - Control de flujo activo para paletas de turbina. - Google Patents

Abstract

Un metodo para operar una turbina (100) de viento con por lo menos una paleta (108) incluye proporcionar por lo menos una paleta con un accionador (300) de control de flujo activo configurado para incrementar el angulo de intervalo de ataque en donde la paleta o paletas pueden generar un torque sin la separacion de flujo y utilizar el accionador de control de flujo para ajustar esta angulo de intervalo de ataque de conformidad con la carga.

Description

CONTROL DE FLUJO ACTIVO PARA PALETAS DE TURBINA Cam po de la Invención La invención se relaciona en general, con turbinas de viento y más en particular, a métodos y aparatos para mejorar la salida de energía desde las turbinas de viento.

Antecedentes de la Invención En años recientes, las turbinas de viento han recibido mucha atención como fuentes de energía alternativas, relativamente económicas y ambientalmente seguras. Con este creciente interés, se han tomado medidas para desarrollar turbinas de viento que sean confiables y eficientes. Por lo general, una turbina de viento incluye un rotor que tiene múltiples paletas. El rotor se monta en un alojamiento o recinto, el cual está colocado encima de una torre tubular o pedestal. Las turbinas de viento de grado utilitario (es decir, las turbinas de viento diseñadas para proporcionar energía eléctrica a una estructura utilitaria) pueden tener grandes rotores (por ejemplo, de 70 o más metros de diámetro). Las paletas en estos rotores transforman la energía del viento en un torque rotativo o fuerza rotativa que activa uno o más generadores que pueden acoplarse en forma rotativa con el rotor a través de una caja de engranes. En algunas modalidades conocidas, la caja de engranes escala la velocidad de rotación inherentemente baja del rotor de turbina para que el generador convierta en forma eficiente, la energía mecánica en energía eléctrica, la cual se alimenta a la estructura utilitaria. Con el incremento de la velocidad del viento, las paletas con una velocidad de punta fija (cerca de la energía tasada) comprenden regiones más grandes de flujo separado (cerca de la energía tasada). Estas regiones grandes de flujo separado limitan la cantidad de salida de energía que se puede generar en una turbina de viento por debajo de la energía tasada. Las paletas con una forma plana más delgada también se someten a un límite en la energía tasada posible por mucho de la misma razón. Las paletas de turbina de viento conocidas utilizan dispositivos pasivos de control de flujo o no los utilizan. Por lo menos, en una configuración conocida, los generadores de vórtice se utilizan para incrementar la salida de energía, aunque se conoce que los dispositivos pasivos como los generadores de vórtice o las aletas Gurney incrementan la energía y la carga.

Breve Descripción de la Invención Por lo tanto, un aspecto de la presente invención, proporciona un método para operar una turbina de viento con por lo menos una paleta. El método incluye proporcionar por lo menos una paleta con por lo menos un accionador de control de flujo activo configurado para incrementar un ángulo de intervalo de ataque en donde la paleta o paletas pueden generar torque sin la separación de flujo, y utilizar el accionador de control de flujo para ajustar este ángulo de intervalo de ataque de conformidad con la carga. En otro aspecto, la presente invención proporciona una paleta para una turbina de viento que tiene un accionador de control de flujo activo configurado para incrementar el ángulo del intervalo de ataque de la paleta- En otro aspecto, la presente invención proporciona una turbina de viento que tiene por lo menos una paleta. La paleta o paletas tiene un accionador de control de flujo para incrementar un ángulo de intervalo de ataque en donde la paletas o las paletas pueden generar un torque sin la separación de flujo. La turbina de viento también tiene un controlador. El controlador se configura para controlar el accionador de control de flujo para proporcionar una salida de energía incrementada en este ángulo de ataque de conformidad con las entradas de control como la energía y la carga.

Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 es un dibujo de una configuración ejemplificativa de una turbina de viento. La Figura 2 es una vista en perspectiva en corte de un recinto de la configuración de turbina de viento ejemplificativa mostrada en la Figura 1 .

La Figura 3 es una vista en corte parcial de la paleta de la configuración de turbina de viento de la Figura 1 . La Figura 4 es una vista en sección transversal de la paleta de turbina de viento mostrada en la Figura 3. La Figura 5 es una curva de energía de una turbina de viento representativa de la presente invención.

Descripción Detallada de la Invención En algunas configuraciones y con referencia a la Figura 1 , una turbina 1 00 de viento comprende un recinto 102 que aloja un generador (no mostrado en la Figura 1 ). El recinto 102 se monta sobre una torre 1 04 alta, en la Figura 1 , solamente se muestra una porción de la misma. La turbina 100 de viento también comprende un rotor 106 que incluye una o más paletas 1 08 del rotor acopladas con un cubo 1 1 0 giratorio. Aunque la turbina 100 de viento ilustrada en la Figura 1 incluye tres paletas 1 08 del rotor, no existe un límite específico del número de paletas 1 08 del rotor requeridas por la presente invención. En algunas configuraciones y con referencia a la Figura 2, los diferentes componentes se alojan en el recinto 102 sobre la torre 1 04 de la turbina 1 00 de viento. La altura de la torre 1 04 se selecciona con base en factores y condiciones conocidos en la técnica. En algunas configuraciones, uno o más microcontroladores dentro del panel 1 12 de control comprenden un sistema de control utilizado para monitorear y controlar el sistema en general. Se utilizan arquitecturas de control centralizadas o distribuidas en ciertas configuraciones. En algunas configuraciones, un accionador 1 14 de contracción variable de paleta es provisto para controlar la contracción de las paletas 1 08 (no mostradas en la Figura 2) que activan el cubo 1 1 0 como resultado del viento. En algunas configuraciones, el cubo 1 1 0 recibe tres paletas 1 08, pero en otras configuraciones, puede utilizar cualquier número de paletas. En algunas configuraciones, las contracciones de las paletas 108 se controlan en forma individual por el accionador 1 14 de contracción de paleta. El cubo 1 1 0 y las paletas 1 08, juntos comprenden el rotor 106 de la turbina de viento. El tren accionador de la turbina de viento incluye una flecha 1 16 principal del rotor (también llamada como "flecha de baja velocidad") conectada con el cubo 1 1 0 a través de un soporte 1 30 principal y (en algunas configuraciones) en un extremo opuesto de la flecha 1 16 con la caja 1 1 8 de engranes. La caja 1 1 8 de engranes, en algunas configuraciones, utiliza una geometría de trayecto doble para activar la flecha de alta velocidad encerrada. En otras configuraciones, la flecha 1 16 principal del rotor se acopla directamente con el generador 120. La flecha de alta velocidad (no mostrada en la Figura 2) se utiliza para activar el generador 120, el cual está montado en la estructura 132 principal. En algunas configuraciones, el torque del rotor se transmite a través del acoplamiento 1 22. Un accionador 124 de tenazas y una plataforma de tenazas proporcionan un sistema de orientación de tenaza para una turbina 100 de viento. Una aleta de viento y un anemómetro en el recinto de la turbina y/o en el mástil 1 28 meteorológico proporcionan información para el sistema de control de turbina en el panel 1 12 de control, lo cual puede incluir la dirección del viento y/o la velocidad del viento. En algunas configuraciones, el sistema de tenazas se monta en un reborde provisto sobre la torre 104. En algunas configuraciones y con referencia a las Figuras 3 y 4, por lo menos una paleta o paletas 108 de la turbina 100 de viento es provista con un accionador 300 de control de flujo activo (AFC) que se configura para incrementar en ángulo de intervalo de ataque en donde la paleta 108 puede generar torque sin una separación de flujo de aire en la paleta 108. El accionador 300 de control de flujo se utiliza, por ejemplo, para permitir un ángulo de intervalo de ataque aumentado, en donde la energía puede generarse de acuerdo con una entrada del controlador, tal como, pero sin limitar, a una salida de energía o carga de la paleta 1 08. Algunas configuraciones utilizan un controlador en el panel 1 12 de control junto con un sensor (no mostrado en las Figuras) para efectuar el control sobre el accionador 300 de control de flujo. En ciertas configuraciones de la presente invención, el accionador 300 de control de flujo se utiliza (por ejemplo, controlado por el controlador en el panel 1 12 de control ) para limitar las cargas operativas cerca de la energía tasada de la turbina 100 de viento. En algunas configuraciones, el accionador 300 de control de flujo se utiliza para proporcionar una disminución en las cargas estacionarias. En otras configuraciones, el accionador de control de flujo se utiliza para limitar las cargas operativas cerca de la energía tasada de la turbina 1 00 de viento y para efectuar una disminución en las cargas estacionarias. En otras configuraciones, el accionador 300 de control activo es provisto en un lado 400 de succión (opuesto al lado 402 de presión) en una posición seleccionada empíricamente o de otra forma para maximizar el aumento en el ángulo del intervalo de ataque. Por ejemplo, en algunas configuraciones de paletas 1 08, el accionador 300 de control se coloca a aproximadamente 60% de la cuerda en el lado 400 de succión de la paleta 1 08 para facilitar la maximización del incremento en el ángulo de intervalo de ataque. La paleta 1 08 puede tener una forma plana de baja solidez (por ejemplo, delgada). En caso de falla de los accionadores 300 o el controlador en el panel 1 1 2 de control, la paleta 1 08 puede aún ser operada con una disminución en la salida de energía para evitar la separación del flujo de aire o con la separación de flujo y el impacto negativo consecuente en las cargas y en el ruido. Los accionadores 300 de flujo activo así, son útiles para incrementar la región del ángulo de intervalo de ataque en donde se genera una elevación sin la separación del flujo de aire. Para controlar las cargas operativas y/o estacionarias, los accionadores 300 se pueden apagar. Una forma funcional de la paleta 1 08 mejorada por los accionadores 300 de flujo activo deja la paleta 1 08 con la capacidad de operar en el caso de falla de los accionadores 300 o de sus controladores. La salida de energía de una turbina 100 de viento depende del funcionamiento (especialmente elevado) de la sección transversal de las paletas 108. En algunas configuraciones y con referencia a la gráfica de la Figura 5, el uso de los accionadores 300 mejora la elevación de una sección transversal en una región 500 seleccionada de una curva 502 de energía. En caso de una ráfaga de viento, la elevación puede aumentar sobre un umbral 504. El accionador 300 se puede apagar sobre este umbral para disminuir la elevación para que se encuentre dentro de los niveles deseados. Un sensor de viento, como una flecha 128 meteorológica puede utilizarse para determinar las velocidades de viento y por lo tanto, si la elevación está dentro del intervalo aceptable para el accionador 300 a operar. Se debe apreciar que las configuraciones de la presente invención permiten un incremento en el intervalo de ataque que permite que las paletas de la turbina de viento sean producidas con una forma plana de menor solidez (delgada) que genera cargas estacionarias bajas, y que puede limitar las cargas operativas cerca de la energía tasada. Los dispositivos de flujo activo se pueden añadir a las paletas existentes. El uso de una forma funcional de paleta mejorada por dispositivos de control de flujo activo permite que la paleta opere aun en caso de una falla de los dispositivos de control de flujo activo o de los controladores asociados.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1 . Una paleta (1 08) para una turbina (1 00) de viento caracterizada porque tiene un accionador (300) de control de flujo activo configurado para incrementar el ángulo de intervalo de ataque de ia paleta.

2. La paleta (1 08) de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada porque tiene una forma plana, delgada.

3. La paleta (108) de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada porque el accionador (300) de flujo activo es de aproximadamente el 60% de la cuerda en un lado de succión (400) de la paleta.

4. Una turbina (100) de viento que comprende por lo menos una paleta (1 08) que tiene un accionador (300) de control de flujo para incrementar el ángulo de intervalo de ataque en donde por lo menos una paleta puede generar torque sin la separación de flujo y un controlador (1 12), el controlador está configurado para controlar el accionador de control de flujo para facilitar la salida incrementada de energía en un ángulo alto del intervalo de ataque de conformidad con las entradas del controlador.

5. La turbi na (1 00) de viento de conformidad con ia reivindicación 4, caracterizada porque el controlador está configurado para limitar las cargas operativas cerca de la energ ía tasada de la turbi na de viento.

6. La turbina (1 00) de viento de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada porque el controlador se configura para efectuar una disminución en las cargas estacionarias.

7. La turbina (1 00) de viento de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada porque la paleta se configura para continuar operando en caso de falla del sistema (1 12) de control.

8. La turbina (100) de viento de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada porque el accionador (300) de control activo es provisto en un lado (400) de succión de la paleta (108) en una posición seleccionada para maximizar el incremento en el ángulo de intervalo de ataque.

9. La turbina (1 00) de viento de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada porque el accionador (300) de control activo es provisto aproximadamente al 60% de cuerda en un lado (400) de succión de la paleta (1 08) . 1 0. La turbina (1 00) de viento de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada porque el controlador (1 12) se configura para limitar las cargas operativas cerca de la energía tasada de la turbina de viento y para efectuar una disminución en las cargas estacionarias.