WO2013093124A1 - Aerogenerador abatible con freno del rotor - Google Patents

Abstract

Aerogenerador tripala de diseño a barlovento con un sistema de control de la potencia captada, que le permita operar en un mayor rango de velocidades de viento que los aerogeneradores actuales, a través del control de la velocidad de giro de su rotor mediante la combinación de los frenos de baja (7) y alta (9) a ambos lados de su multiplicador (8), de un sistema de control de su grado de abatimiento (17), y de un buje (2) adaptable que le permitirá variar las dimensiones del área de su rotor.

Description

AEROGENERADOR ABATIBLE CON FRENO DEL ROTOR

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se encuadra en el sector técnico eólico de producción de energía por medio de aerogeneradores, más concretamente en el sector de los aerogeneradores abatibles.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Un aerogenerador capta la energía cinética del viento a través de su rotor aerodinámico de dimensiones fijas y la transforma en energía mecánica que concentra sobre su eje de rotación. Esta energía mecánica comúnmente es acondicionada mediante una caja de engranes o multiplicador antes de transmitirla al eje de un generador eléctrico para la producción de electricidad.

La mayor parte del parque eólico a nivel mundial, lo constituyen aerogeneradores con rotor tripala de eje horizontal a barlovento, góndola que alberga el tren de generación de potencia (rotor -> multiplicador -> freno de emergencia -> generador eléctrico), torre tubular generalmente troncocónica, con reducción gradual de su diámetro desde la base hasta su unión con la góndola, y sistema automático de orientación en la dirección de la velocidad del viento, siendo normalmente su rango de velocidades de viento de funcionamiento entre 4 y 25 m/s. Sus dimensiones han ido aumentando paulatinamente pasando de aerogeneradores de 15 m de diámetro de rotor y 0.1 MW de potencia, a aerogeneradores de 40-80 m de diámetro de rotor y 0.5 a 2 MW de potencia nominal. Estos tipos de aerogeneradores suelen tener en el interior de su torre escaleras y/o ascensores con el fin de poder acceder a su góndola para realizar labores de manteniendo y reparación, necesitando grúas de elevada altura en el caso de tener que sustituir alguno de los componentes de su tren de potencia, y la total eficiencia aerodinámica de sus palas solo es parcialmente restituida cuando llueve ya que una vez instalado estos aerogeneradores nunca más se procede a la limpieza de sus palas. No obstante, existen también aerogeneradores abatibles, totalmente desde una articulación situada en la base de su torre soportada mediante tirantes, o parcialmente abatiendo un mástil, que soporta en su parte superior la góndola y el rotor de palas y en su parte inferior un contrapeso actuando como el brazo de una balanza, desde una articulación situada a cierta altura en la torre sobre la que se apoya, siendo generalmente estos aerogeneradores aerobombas o de pequeña potencia teniendo un rango de velocidades de viento de funcionamiento entre 4 y 20 m/s., y suponen una parte insignificante de la potencia eólica total instalada.

La potencia generada en los aerogeneradores procede del viento, que no es controlable, por lo que éstos requieren de algún sistema de regulación que controle la energía extraída por el rotor.

Los parámetros de diseño de los aerogeneradores actuales son: a) Control del Rotor para que Gire a Velocidad Prácticamente Constante:

El objetivo de este sistema es tratar de proporcionar la velocidad de giro adecuada al alternador a través del multiplicador para generar directamente electricidad alterna a la frecuencia admitida por la red eléctrica, manteniendo casi constante las revoluciones por minuto (rpm) de giro de su rotor de palas, mediante 3 diferentes sistemas, según el modelo de aerogenerador se utiliza el "Pitch Control", o el "Stall Control" o el "Active Stall Control", que a continuación se describen: a.1 ) La rotación de las palas alrededor de su eje de giro o de "pitch", más de 10°, para modificar las propiedades aerodinámicas de sus perfiles (secciones transversales de la pala perpendiculares a su eje longitudinal) en función de la velocidad del viento incidente, es lo que se denomina "Variación del Ángulo de Paso de las Palas" o "Pitch Control", este es un proceso mecánico, lo que implica la utilización de mecanismos automáticos que giran dentro del buje del aerogenerador con sofisticados sistemas de control. a.2) Otro sistema es el diseño aerodinámico del perfil de las palas para asegurar que éstas empiecen a dejar de girar al alcanzar la velocidad predeterminada de diseño, este sistema se denomina "Control por Pérdida Aerodinámica" o "Stall Control", en estos aerogeneradores las palas no rotan alrededor de su eje de giro o de "pitch", estando unidas a su buje de forma fija.

La principal ventaja de la regulación por "Pérdida Aerodinámica" respecto a la regulación por "Pitch Control" es que se evitan las partes móviles de las palas del rotor y su complejo sistema de control. En contra, presenta un problema de diseño aerodinámico muy complejo. a.3) El tercer sistema es la rotación de las palas alrededor de su eje de giro o de "pitch", generalmente sin mecanismos automáticos, unos pocos grados, menos de 10°, para ajustar sus perfiles en las zonas de altas velocidades del viento (18 - 25 m/s) con el fin de que éstas empiecen a dejar de girar, este último sistema se denomina "Control Activo por Pérdida Aerodinámica" o "Active Stall Control".

La principal ventaja de la regulación activa por pérdida aerodinámica "Active Stall Control" es que la producción de potencia, cerca de las zonas de altas velocidades del viento, se controla con más exactitud que con la regulación pasiva "Stall Control".

En estos aerogeneradores se distinguen dos tipos de configuración de generación de electricidad y conexión a la red eléctrica:

1 ) En aquellos en los que la variación de las revoluciones por minuto (rpm) de giro de su rotor es menor del 2%, la configuración más utilizada es emplear un "alternador asincrono" que se conecta directamente a la red eléctrica. Este tipo de alternador, para un número determinado de polos, permite pequeñas variaciones en las revoluciones de su eje de rotación para generar electricidad alterna a la frecuencia admitida por la red. Habiendo una variante muy extendida que consiste en emplear un alternador asincrono con dos devanados, uno de 6 polos (750 rpm) para velocidades de viento bajas y otro de 4 polos (1 .500 rpm) para velocidades de viento mayores.

2) En aquellos en los que la variación de las revoluciones por minuto (rpm) de giro de su rotor está comprendida entre el 2% y el 10%, la configuración más utilizada es también la de emplear un alternador asincrono, directamente conectado a la red eléctrica; pero en este caso con resistencias variables en su rotor, que le permiten mayores variaciones de sus revoluciones para generar electricidad a la frecuencia admitida por la red, pudiendo tener también dos devanados, uno de 6 polos (750 rpm) para velocidades de viento bajas y otro de 4 polos (1 .500 rpm) para velocidades de viento mayores.

En ambos casos, debido a que la relación de multiplicación de la caja de engranajes suele ser constante, cuando las velocidades del viento incidente no están dentro de un cierto rango entorno a la de diseño es necesario desconectar el aerogenerador, ya que generaría electricidad con una frecuencia distinta a la admitida por la red eléctrica, lo que provoca la existencia de intermitentes períodos de tiempo improductivos. Control de la Potencia Generada:

El objetivo de este sistema es tratar de generar también electricidad alterna a la frecuencia admitida por la red eléctrica, pero por medio de una conexión indirecta a través de una electrónica de conversión de potencia. Estos aerogeneradores en los que las revoluciones por minuto (rpm) de giro de su rotor son variables, pero generalmente controlando su rango de variación, por motivos de seguridad tanto estructural como del generador eléctrico, mediante la variación del ángulo de paso de las palas "Piten Control", suelen conectarse indirectamente a la red de dos maneras: b.1 ) Mediante alternadores asincronos doblemente alimentados a través de un enlace de corriente continua. b.2) O mediante "alternadores síncronos" también con un enlace de corriente continua y control de su excitación o par eléctrico, siendo posible los sistemas con alternadores síncronos multipolos (generadores de imanes permanentes), que pueden llegar a evitar la utilización del multiplicador.

La ventaja de la conexión indirecta a la red respecto a la conexión directa del sistema de "Control del Rotor para que gire a Velocidad Prácticamente Constante" es que permite hacer funcionar la turbina eólica a unas revoluciones por minuto (rpm) variables, evitando tanto la implementación de alguno de los sistemas "Piten Control", "Stall Control" o "Active Stall Control" con el fin de mantener prácticamente constante las revoluciones del rotor, como la existencia de obligados períodos improductivos.

La desventaja principal de la conexión indirecta a la red es el coste. Ya que en el caso de que se utilice un alternador doblemente alimentado la turbina necesita un rectificador (conversor de corriente alterna a corriente continua; AC-DC) y un inversor (conversor DC-AC) para generar la corriente de salida, y cuando se utilice un alternador síncrono multipolos el aerogenerador también necesita un rectificador, pero en este caso dos inversores uno para controlar la corriente del estator del alternador, y el otro para generar la corriente de salida. Además el funcionamiento de estos aerogeneradores está sujeto a posibles fallos en la electrónica de potencia. Otra desventaja es la pérdida de energía en el proceso de conversión AC- DC-AC.

Los aerogeneradores abatibles suelen ser de rotor bipala de eje horizontal barlovento o a sotavento, pudiendo hacerse dos distinciones:

En los que su torre está soportada mediante tirantes y puede abatirse totalmente. Estos aerogeneradores únicamente se abaten hasta el suelo, siempre mediante la presencia del control humano, bien por motivos de integridad estructural cuando la velocidad del viento incidente supera ciertos límites, o bien por motivos de reparación y manteniendo, pero nunca para controlar la potencia captada por su rotor.

Además suelen implementar un sistema mecánico pasivo de "Pitch Control" para controlar la velocidad de rotación de su rotor, alternadores asincronos y conexión directa a la red.

En los que se abate su mástil alrededor de una articulación situada a cierta altura sobre la torre en la que se apoya, el abatimiento se produce:

2.1 ) Hasta que se equilibra el momento de la fuerza axial ejercida por el viento incidente con el momento de la fuerza ejercida por dos cilindros hidráulicos, respecto al eje horizontal de abatimiento, (al igual que el equilibrio de una balanza). La presión de estos dos cilindros está tarada, sin control, de forma que el grado de abatimiento de su rotor vaya aumentando a medida que aumenta la fuerza axial ejercida por el viento hasta un valor máximo prefijado en su diseño. De esta forma se varía la potencia captada por el aerogenerador, que es directamente proporcional al área proyectada por su rotor en la dirección del viento incidente, al abatirse un cierto ángulo en función de la fuerza axial ejercida por el viento y reducir el valor de ésta área proyectada, y en consecuencia también las fuerzas y momentos que el viento incidente ejerce sobre el aerogenerador. Estos aerogeneradores, debido a las características de su diseño, no suelen implementar un sistema mecánico pasivo de "Piten Control" para controlar la velocidad de giro de su rotor, su rotor es bipala lo que les obliga a la compleja implementación de un buje oscilante debido a que el momento de inercia de los rotores bipala no es constante teniendo una gran variación con la posición angular de las palas durante su rotación, produciendo por tanto oscilaciones cíclicas, y no tienen freno de emergencia.

Además en este tipo de aerogeneradores no se controla los grandes momentos giroscópicos que aparecen, en su mecanismo acimutal o de orientación en la dirección de la velocidad del viento, al abatir su rotor, por la acción de la fuerza axial ejercida por el viento incidente, girando a las velocidades de diseño para seguir captando potencia, por lo que el abatimiento de su rotor para garantizar que su estructura, zapata y terreno no soporten fuerzas superiores a las nominales, no garantiza la rotura de su mecanismo acimutal y en consecuencia el derrumbe de toda su parte basculante.

Para evitar la generación de estos grandes momentos giroscópicos sería necesario parar prácticamente el rotor del aerogenerador antes de abatirlo, lo que conllevaría períodos improductivos de parada y arranque del aerogenerador disminuyendo inevitablemente su vida útil y necesitando un sistema de "Piten Control" o cualquier otro sistema de control para frenar el rotor, o abatir su rotor muy lentamente lo que necesitaría un control del grado de abatimiento mucho más sofisticado, y debido a la lentitud de su abatimiento no garantizaría su seguridad estructural ante la aparición de grandes ráfagas y vientos extremos. Por último, estos aerogeneradores con rotor a sotavento intentan aprovechar el efecto veleta que produce el dar un cierto ángulo diedro a sus palas, no dotándolos de un sistema activo de orientación en la dirección del viento incidente, lo que también provoca grandes momentos giroscópicos en este caso sobre el mecanismo de abatimiento al intentar el rotor del aerogenerador orientarse sin ningún tipo de control en la dirección del viento incidente, estando el rotor girando a las velocidad de diseño. Para evitar, al igual que en el caso anterior, la generación de estos grandes momentos giroscópicos sería necesario parar prácticamente el rotor del aerogenerador antes de que gire acimutalmente para orientarse en la dirección del viento incidente, o girar acimutalmente su rotor muy lentamente, siendo imposible realizar ninguna de estas dos opciones debido a los sistemas pasivos de control de estos aerogeneradores.

2.2) Hasta cierta altura del suelo por motivos de reparación y manteniendo, deteniendo siempre el giro de su rotor antes de proceder a su abatimiento.

Estos dos últimos tipos de aerogeneradores abatibles, debido a la variación de la velocidad de rotación de sus palas suelen implementar alternadores asincronos doblemente alimentados y conexión indirecta a la red.

Los aerogeneradores abatibles también suelen emplear una transmisión hidráulica (eje del rotor - multiplicador - bomba hidráulica - conductos - válvulas de control de presión y caudal - motor hidráulico - alternador síncrono) de la potencia del eje de su rotor, de esta forma se garantiza mediante la acción comandada automáticamente de las válvulas de control de presión y caudal, una velocidad de rotación del eje del motor hidráulico constante, antes de conectarlo al alternador, independientemente de la velocidad de rotación de su rotor, presentando el inconveniente de los fallos por fugas de fluido hidráulico, y la correspondiente contaminación que provoca su vertido.

Resumiendo, como las condiciones de funcionamiento de un aerogenerador dependen de la relación entre la velocidad tangencial de su punta de pala oR , donde ω es la velocidad angular de giro de su rotor y R es el radio de su rotor, y la velocidad del viento incidente v , es decir, de la velocidad

c R

específica de punta de pala λ =— , del área proyectada de su rotor en la

V

dirección de la velocidad del viento incidente, del tipo de perfil, del ángulo de calado de la pala, ángulo formado por el plano de rotación de la pala con la cuerda del perfil, y del número de Reynolds ), donde:

M

· p es la densidad del aire a una altura y temperatura determinada.

• v es la velocidad del viento incidente.

• L es la longitud de la cuerda del perfil característico de la pala.

• μ es la viscosidad del aire a una temperatura determina.

en el estado de la técnica actual, una vez determinada la pala óptima para las condiciones de funcionamiento del aerogenerador (velocidades de viento entre 4 y 25 m/s), los únicos parámetros que se intentar seleccionar para controlar la potencia captada y garantizar la seguridad estructural del aerogenerador, son:

• El ángulo de calado de sus perfiles, mediante alguno de los sistemas "Piten Control", "Stall Control" o "Active Stall Control", teniendo un sistema hidráulico de frenos de discos.

• Y el área proyectada de su rotor en la dirección de la velocidad del viento incidente, en función de la fuerza axial FAXIAL ejercida por el viento sobre el aerogenerador.

Con la presente invención se pretende:

• Controlar la velocidad de giro del rotor en función de la velocidad del viento incidente dentro del rango normal de velocidades de viento de funcionamiento (4 - 25 m/s), sin controlar la posición del ángulo de calado de los perfiles de las palas, evitando las partes móviles de las palas y su complejo sistema de control, ni realizar diseños aerodinámicos de palas excesivamente complejos como los empleados por la regulación pasiva de la velocidad de giro del rotor "stall control".

• Aumentar el rango de velocidades de viento de funcionamiento por encima de 25 m/s, que por seguridad es la máxima velocidad de trabajo de todos los aerogeneradores del mercado.

• Y adecuar de forma sencilla el diámetro de su rotor a las velocidades del viento incidente local en la ubicación del aerogenerador, ajustando las dimensiones del área de su rotor con el fin tanto de maximizar la producción de energía en zonas con velocidades del viento relativamente bajas como también de garantizar su seguridad en zonas con velocidades del viento relativamente altas. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Con la presente invención se pretende diseñar aerogeneradores con un sistema de control de la potencia captada mucho más sencillo, que le permita operar en un mayor rango de velocidades de viento que los aerogeneradores actuales, a través del control de la velocidad de giro de su rotor mediante la combinación de:

• La acción tanto conjunta como separadamente de dos frenos de respuesta rápida, por ejemplo neumáticos, de tipo multi-disco, o cualquier otro tipo de freno con frenado uniforme y no puntual sobre su disco o superficie de freno y con la posibilidad de acumular energía, para controlar la velocidad de giro del rotor, actuando el "Freno de Baja" sobre el eje de entrada y el "Freno de Alta" sobre el eje de salida del multiplicador, estando anclados a las caras de éste correspondientes a dichos ejes para evitar interferencias mecánicas o contactos indeseados entre frenos y ejes, pudiendo también actuar tanto conjuntamente como por separado como frenos de emergencia, siendo activados por cualquier servomecanismo eléctrico, electromagnético, hidráulico o neumático, o el que fuera siempre que cumpla las condiciones requeridas de rapidez de respuesta y de acumulación de energía para cada modelo de aerogenerador y lugar de ubicación.

• Un sistema automático de control de accionamiento eléctrico de su grado de abatimiento mediante coronas dentadas con husillo y freno electromagnético de anclaje y seguridad para disminuir el área proyectada de su rotor en la dirección de la velocidad del viento incidente y en consecuencia disminuir también la velocidad de giro su rotor, con el fin de dotar al aerogenerador de la posibilidad de trabajar a velocidades del viento superiores a 25 m/s, pero permaneciendo fijo en un adecuado grado de abatimiento para diferentes rangos de velocidades del viento. Este sistema abatirá el "mástil" del aerogenerador que actuará como el brazo de una balanza teniendo en uno de sus extremos la góndola y en el otro el contrapeso. Y de un buje adaptable al que se le puede acoplar unos "cilindros embridados" de diferentes longitudes en función de la distribución de velocidades del viento específica local para aumentar o disminuir el diámetro del rotor del aerogenerador, con el fin de garantizar tanto la maximización de producción en zonas con velocidades del viento relativamente bajas como también su seguridad en zonas con velocidades del viento relativamente altas. n aerogenerador realizado de acuerdo a la siguiente invención tiene las guientes ventajas:

La aplicación redundante de los Frenos de Baja y Alta para controlar la velocidad de giro del rotor:

> Evita la implementación de los sistemas de "Pitch Control", "Stall Control" o "Active Stall Control" empleados para controlar el ángulo de calado de los perfiles de las palas, evitando la necesidad de mecanismos que giran con el buje del rotor con gran posibilidad de fallo y dificultosa reparación por tener que desmontar las palas del rotor, y de multiplicadoras de doble eje ya que deben tener un eje hueco conectado al eje hueco el rotor por donde pasar los cables o los circuitos hidráulicos que accionan los mecanismos que controlan el ángulo de calado de los perfiles de las palas y otro eje conectado al generador eléctrico, y al ser su funcionamiento mucho más rápido que el sistema de "pitch control", estos frenos dotarán al aerogenerador de mayor eficacia a la hora de controlar la velocidad de giro de su rotor ante la aparición ráfagas y repentinos vientos extremos.

> Al ser multi-disco, o cualquier otro tipo de freno con frenado uniforme y no puntual sobre su disco o superficie de freno, evita la transmisión al mecanismo de abatimiento de momentos originados por las fuerzas de frenado además de los momentos de frenado, lo cual puede ocurrir en los frenos de pinzas ubicados diametralmente en un disco de freno cuando se producen asimetrías en la amplitud de las fuerza ejercida por las diferentes pinzas de freno.

> Al tener la posibilidad de acumular energía pueden trabajar tanto conjuntamente como por separado como frenos de emergencia, por ejemplo, en el caso de falta de alimentación eléctrica o por llegar el rotor a su máxima velocidad de giro, aumentando su grado de seguridad en comparación del resto de los aerogeneradores que sólo tienen un freno de emergencia en su lado de la alta velocidad, es decir, entre el multiplicador y el generador eléctrico.

> Además el Freno de Baja al estar situado en el lado de baja velocidad del tren de potencia, es decir, delante del multiplicador aumentará aún más la seguridad del aerogenerador ya que en todos los aerogeneradores del mercado el freno de disco de emergencia está en la zona de alta velocidad del tren de potencia, es decir, detrás del multiplicador y en caso de rotura de éste la acción de dicho freno de emergencia será inoperativa al no poder transmitirse al rotor el par de frenado a través del multiplicador.

La aplicación de un sistema automático de control del grado de abatimiento:

> Aumenta el rango de velocidades de viento de trabajo del aerogenerador realizado de acuerdo a la siguiente invención por encima de los 25 m/s, que es la máxima velocidad a la que trabajan todos los aerogeneradores del mercado, aumentando también esta característica su productividad.

> Al tener este sistema un accionamiento eléctrico de su grado de abatimiento mediante coronas dentadas con husillo evita las posibles vibraciones de sus componentes abatibles que se producirían al utilizar cilindros hidráulicos por el cambio de densidad del fluido hidráulico debido al cambio de la temperatura tanto exterior como de trabajo, y el posible vertido de las fugas de dicho fluido al exterior teniendo como consecuencia una contaminación del medio, como un posible peligroso abatimiento no controlado. Al trabajar este sistema permaneciendo fijo en un adecuado grado de abatimiento para diferentes rangos de velocidades del viento superiores a 25 m/s, parando prácticamente el rotor para pasar de un grado de abatimiento a otro una vez que la velocidad del viento incidente haya superado durante un determinado tiempo el valor máximo de velocidad del viento de un cierto rango, evita la aparición de momentos giroscópicos, no variando continuamente su grado de abatimiento en función de la fuerza axial que el viento incidente ejerce sobre el rotor.

> También la implementación de este sistema aleja las palas del mástil lo que disminuye notablemente el efecto sombra del mástil sobre las palas.

> Y al ser estos aerogeneradores abatibles hasta cerca del nivel del suelo, no será necesario acceder a la góndola a través del interior de la torre por motivos de reparación o mantenimiento, evitando de esta manera que su torre tenga puerta de acceso, y en consecuencia eliminando el coste del reforzamiento de la torre debido al hueco de la puerta, las escaleras y/o el ascensor para subir a la góndola. Además la abatibilidad de estos aerogeneradores aumentará la eficacia aerodinámica de su palas, por poder proceder a su limpieza total con asiduidad cuando el aerogenerador este totalmente abatido, respecto al resto de los aerogeneradores del mercado en los que sus palas solo se limpian parcialmente cuando llueve, y este sistema de control del grado de abatimiento también podrá emplearse como freno de emergencia abatiendo el mástil del aerogenerador hasta que el plano de su rotor quede paralelo al suelo, lo cual es similar a poner las palas en bandera en los aerogeneradores con "control de pitch", siendo esta última posición la utilizada también para la seguridad del aerogenerador en caso de vientos huracanados, pudiendo incluso desmontar sus palas en estos casos, como para la sustitución de componentes evitando la necesidad del empleo de grandes grúas. • La aplicación de un buje adaptable al que se le puede acoplan unos "cilindros embridados" de diferentes longitudes en función de la distribución de velocidades del viento especifica local:

> Permitirá aumentar el diámetro del rotor del aerogenerador en zonas con velocidades del viento relativamente bajas con el fin de maximizar la producción de energía, o disminuirlo en zonas con velocidades del viento relativamente altas con el fin de también garantizar su seguridad manteniendo la optimización en la producción de energía.

MODO DE REALIZACIÓN

La forma de realización de este nuevo tipo de aerogeneradores a barlovento puede verse en las Figuras 1 , 2, 3 y 4, donde los componentes de su tren de potencia ubicados en la góndola del aerogenerador están representados en la Figura 1 , y son:

• Cilindros Embridados (1 ), estos componentes estarán unidos por uno de sus extremos al buje (2) y por el otro a las palas (22), la longitud de estos cilindros se adaptara adecuadamente en función de la distribución de velocidades de viento (1 3) locales de ubicación del aerogenerador con el fin de aumentar la potencia captada y su seguridad.

• Buje (2), este componente del tren de potencia unirá las palas (22) a través de los cilindros embridados (1 ) al eje de baja velocidad (3).

• Eje de Baja Velocidad (3), este elemento será de acero forjado y tendrá en un extremo un plato para unirlo al buje (2) y por el otro extremo se unirá al multiplicador (8) a través de un acoplamiento rígido (6). Rodamiento Fijo (4), este rodamiento soportará junto con el rodamiento libre (5) cargas radiales, aunque también soportará cargas axiales debidas a la fuerza axial del viento incidente (13) sobre el rotor de palas y al peso del eje del baja velocidad (3), del buje (2), de los cilindros embridados (1 ), de las palas (22) y de la ojiva de la carcasa de la góndola en las diferentes posiciones de abatimiento del mástil (19) del aerogenerador, y también corregirá junto con el rodamiento libre (5) posibles desalineaciones del eje de baja velocidad (3).

Rodamiento Libre (5), este rodamiento sólo soportará cargas radiales y corregirá junto con el rodamiento fijo (4) posibles desalineaciones del eje de baja velocidad (3).

Acoplamiento Rígido (6), su misión es unir el eje de baja velocidad (3) soportado por los rodamientos fijo (4) y libre (5) al eje de entrada del multiplicador (8).

Freno De Baja (7), este freno de rápida respuesta será un freno multi-disco o con zapatas de corona con el fin de que las frenadas se realicen uniformemente por contacto en toda una corona circular, y frenará el eje de entrada del multiplicador (8) estando unido a éste en vez de a la bancada de la góndola (12), para evitar roces entre dicho eje de entrada y el freno por diferencia en la amplitud de los posibles movimientos de la bancada de la góndola (12) y del multiplicador (8) durante el funcionamiento del aerogenerador.

Multiplicador (8), este componente tiene la misión de aumentar la velocidad y en consecuencia reducir en la misma proporción el par de entrada a las características de producción del generador eléctrico (11 ).

Freno De Alta (9), este freno de rápida respuesta también será multi-disco o con zapatas de corona, frenará el eje de salida del multiplicador (8) y estará unido a éste en vez de a la bancada de la góndola (12), por iguales motivos que el freno de baja (7). Por último, este freno también podrá sustituir de forma redundante a los sistemas que controlan el ángulo de calado de los perfiles de las palas, y al igual que el freno de baja (7) actuar como freno de emergencia por poder, por ejemplo, tener depósitos con aire a presión cerrados por válvulas que se abran por falta de alimentación eléctrica o por alcanzar el rotor su máxima velocidad de giro.

• Acoplamiento Elástico (10), su misión es unir el eje de salida del multiplicador (8) con el generador eléctrico (11 ) corrigiendo las posibles desalineaciones de estos dos componentes del tren de potencia.

• Generador Eléctrico (11 ), su misión es transformar la energía mecánica del rotor del aerogenerador en electricidad, y normalmente será un alternador síncrono de imanes permanentes.

• Bancada de la Góndola (12), estructura del aerogenerador al que están unidos todos los componentes de su tren de potencia.

Los componentes del conjunto del aerogenerador junto con la velocidad del viento incidente están representados en la Figura 2, 3 y 4, y son:

• Velocidad del Viento Incidente (13).

• Torre (14), que podrá ser tubular recta o troncocónica de hormigón o de acero y sin puerta de acceso a su interior.

• Mecanismo Acimutal o de Orientación en la Dirección del Viento (15), este mecanismo estará compuesto por una corona dentada y dos piñones movidos por sendos motores eléctricos sincronizados, con frenos de anclaje y emergencia electromagnéticos, y controlado automáticamente.

• Placa Base y Orejas (16), esta parte de acero de la estructura servirá para unir la parte abatible del generador al mecanismo de orientación del rotor en la dirección del viento (15). Mecanismo de Abatimiento (17), este mecanismo estará constituido por dos coronas dentadas con husillos accionados por sendos motores eléctricos sincronizados, con frenos de anclaje y emergencia electromagnéticos, además del autofreno característico de estos sistemas debido a las características de los dentados de las coronas y de los husillos.

Ángulo de Abatimiento φ (18).

Mástil (19) Articulado a la Torre con 2 Grados de Libertad, este componente del aerogenerador será un tubo de acero circular en sus extremos, unido en su extremo inferior a un contrapeso (20) y en su extremo superior a la góndola (21 ), y de sección rectangular en su centro para unirlo al mecanismo de abatimiento (17), actuando como el brazo de una balanza, y tendrá dos grados de libertad, uno le permitirá girar alrededor de un eje vertical para poder orientarse automáticamente en la dirección del viento incidente (13) mediante el Mecanismo Acimutal (15), y el otro le permitirá girar alrededor de un eje horizontal para poder abatirse de forma también controlada automáticamente mediante el Mecanismo de Abatimiento (17) a partir de velocidades elevadas del viento incidente (13). El mástil (19) realizará cada uno de estos dos giros controlando conjuntamente la velocidad de giro del rotor mediante la actuación conjunta o separada de los frenos de baja (7) y alta (9) con el fin de controlar la magnitud de los momentos giroscópicos.

Contrapeso (20), este componente del aerogenerador unido al extremo inferior del mástil (19) será de hormigón armado, ya que su única misión es disminuir el momento que deberá soportar el mecanismo de abatimiento (17), teniendo un peso algo inferior que la góndola (21 ) que será compensado por la fuerza axial que ejerce el viento incidente (13) sobre el rotor del aerogenerador. • Góndola (21 ), estará unida al extremo superior del mástil (19) y será una estructura de acero recubierta de fibra de vidrio o una estructura de molde de fibra de vidrio y contendrá el grupo de generación de potencia detallado en la Figura 1.

• Palas (22), estarán construidas de fibra de vidrio y unidas fijamente al buje (2) del rotor del aerogenerador a través de los cilindros embridados (1 ).

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

En la Figuras 1 pueden observarse todos los componentes del tren de potencia del aerogenerador de la presente invención, la Figura 2 muestra una prespectiva del aerogenerador sin abatir, es decir, en sus condiciones normales de trabajo, la Figura 3 es una vista de perfil estando el aerogenerador parcialmente abatido, y por último la Figura 4 muestra también una vista de perfil del aerogenerador totalmente abatido en la posición de seguridad, mantenimiento, sustitución de componentes del tren de potencia o limpiezas de palas.

Los diferentes signos de referencia de esta figura indican:

• Signo 1 Cilindros Embridados.

• Signo 2 Buje.

• Signo 3 Eje de Baja Velocidad.

• Signo 4 Rodamiento Fijo.

• Signo 5 Rodamiento Libre.

• Signo 6 Acoplamiento Rígido.

• Signo 7 Freno de Baja.

• Signo 8 Multiplicador.

• Signo 9 Freno de Alta.

• Signo 10: Acoplamiento Elástico.

• Signo 11 : Generador Eléctrico.

• Signo 12: Bancada de la Góndola. Signo 13: Velocidad del Viento Incidente.

Signo 14: Torre.

Signo 15: Mecanismo Acimutal o de Orientación en la Dirección del Viento.

Signo 16: Placa Base y Orejas.

Signo 17: Mecanismo de Abatimiento

Signo 18: Ángulo de Abatimiento φ .

Signo 19: Mástil Abatible.

Signo 20: Contrapeso.

Signo 21 : Góndola.

Signo 22: Palas.

La Figura 1 sirve de aclaración de las reivindicaciones 1 , 3 y 4. Y las Figuras, 3 y 4 sirve de aclaración a la reivindicación 3.

Claims

REIVINDICACIONES

Aerogenerador tripala de diseño a barlovento caracterizado por controlar la velocidad de giro de su rotor mediante dos frenos, de tipo multi-disco, o cualquier otro tipo de freno con frenado uniforme y no puntual sobre su disco o superficie de freno, actuando tanto conjuntamente como por separado sobre el eje de entrada, Freno de Baja (7) y de salida, Freno de Alta(9) de su multiplicador (8), estando anclados a las correspondientes caras del eje de entrada y salida del multiplicador (8) para evitar interferencia mecánicas o contactos indeseados entre los frenos y dichos ejes, pudiendo también actuar tanto conjuntamente como por separado como frenos de emergencia, siendo activados por cualquier servomecanismo eléctrico, electromagnético, hidráulico o neumático, o el que fuera siempre que cumpla las condiciones requeridas de rapidez de respuesta y de acumulación de energía para cada modelo de aerogenerador y lugar de ubicación.

Aerogenerador según reivindicación 1 caracterizado porque para trabajar con velocidades del viento (13) elevadas, superiores a la máxima velocidad del viento (13) de trabajo de todos los aerogeneradores del mercado, facilitar su reparación, mantenimiento, sustitución de piezas y limpieza de sus palas, y aumentar su seguridad, tendrá también un sistema de control de su grado de abatimiento (17), para disminuir el área proyectada de su rotor en la dirección de la velocidad del viento (13) incidente y en consecuencia disminuir también la velocidad de giro del rotor, y que también podrá abatir el mástil del aerogenerador hasta que el plano de su rotor quede paralelo suelo, siendo esta última posición la utilizada para facilitar su mantenimiento y reparación, la sustitución de componentes defectuosos, la limpieza de sus palas (3), y como posición de freno de emergencia, y de seguridad frente a vientos huracanados llegando incluso a poder desmontar las palas (22) en este último caso, permitiendo que la torre no tenga puerta de acceso y evitando la utilización de grandes grúas en el caso de proceder a la sustitución de componentes defectuosos de su tren de potencia. Y podrá realizarse por cualquier mecanismo eléctrico o electromagnético, o el que fuera siempre que cumpla las condiciones de seguridad requeridas, entre otras, de capacidad de carga y de maniobrabilidad, de evitar la generación de vibraciones, de tener la característica de autofrenado y de tener frenos de anclaje y emergencia.

Aerogenerador según reivindicación 1 y 2 caracterizado porque para maximizar la captación de potencia en función de distribución de velocidades del viento locales en su ubicación garantizando su seguridad estructural, tendrá un buje (2) adaptable con unos cilindros embridados (1 ) de diferentes longitudes que unirán las palas (22) a dicho buje con el fin de aumentar el diámetro de su rotor en lugares con vientos relativamente bajos o disminuirlo en lugares con vientos relativamente altos.

Aerogenerador según reivindicaciones anteriores caracterizado porque podrá emplear para generar energía, cualquier tipo de alternador o generador eléctrico (1 1 ) cuyo eje se arrastre directamente a través de su conexión articulada bien mediante el eje de salida del multiplicador, o bien mediante el eje de salida del rotor o indirectamente a través de una transmisión de potencia hidráulica o neumática del eje de su rotor, y con conexión directa o indirecta a la red eléctrica.