ES2204573T5 - Aerogenerador con circuito de refrigeración cerrado - Google Patents

Abstract

Aerogenerador (1) con un circuito de refrigeración, cerrado por completo o en parte, caracterizado porque la torre del aerogenerador se incluye como elemento de refrigeración y/o intercambiador de calor en el circuito de refrigeración y porque el calor, que se debe extraer del circuito de refrigeración, se cede básicamente a través de la torre (3) del aerogenerador (1).

Description

Aerogenerador con circuito de refrigeración cerrado

Durante la transformación de energía se producen regularmente pérdidas en forma de calor. Esto ocurre tanto durante la transformación de la energía cinética del viento en energía eléctrica en el generador de un aerogenerador, donde estas pérdidas se ajustan regularmente en la cadena principal de transmisión del aerogenerador, como también durante la alimentación eléctrica de la energía, generada por el aerogenerador, a una red de tensión media. Con este fin, se necesitan regularmente dispositivos de electrónica de potencia, por ejemplo, onduladores y/o transformadores. En la cadena principal de transmisión, situada sobre un aerogenerador en la góndola del aerogenerador, se producen las pérdidas de manera determinante en la caja de engranajes, en los cojinetes y el generador o en otras unidades de control como, por ejemplo, en los dispositivos hidráulicos o las unidades similares de control y regulación, mediante las que las palas del rotor se ponen en marcha o se coloca el aerogenerador hacia el viento. En los aerogeneradores sin cajas de engranajes, por ejemplo, del tipo E-66 de la empresa Enercon, las pérdidas principales se producen en la cadena principal de transmisión en el generador, es decir, en la góndola (cabeza) del aerogenerador.

Durante la alimentación de la red, las pérdidas ocurren básicamente en el transformador de la red y, dado el caso, en la electrónica de potencia, por ejemplo, en el ondulador.

En un aerogenerador de 1,5 megavatios, las pérdidas pueden estar en el intervalo de 60 a 100 kW. Estas pérdidas pasan al medio ambiente a través de ventiladores. Aquí, se aspira aire frío del exterior mediante ventiladores y se refrigera el componente correspondiente, por ejemplo, el generador. A continuación, el aire caliente se sopla nuevamente hacia fuera.

Ya se ha pensado antes en refrigerar con agua el generador y enfriar después de nuevo el agua, caliente después, mediante un intercambiador de calor. Todas estas soluciones conocidas tienen en común que se necesita siempre mucho aire del exterior. Esto resulta especialmente desventajoso si el aire externo es húmedo o, especialmente en las regiones costeras, si contiene sal, y los elementos de refrigeración se solicitan con este aire húmedo y salino. Esta problemática es especialmente extrema en los aerogeneradores que se encuentran directamente en la costa o, según la técnica offshore, en agua salada.

Un aerogenerador con las características del preámbulo de la reivindicación 1 se conoce del documento WO-A99/30031. Como parte de otro estado de la técnica habría que mencionar también el documento WO00/68570.

Es objetivo de la invención evitar las desventajas mencionadas antes y prever una refrigeración para un aerogenerador, que reduzca las pérdidas del aerogenerador.

El objetivo se consigue mediante un aerogenerador con la característica según la reivindicación 1. Variantes ventajosas se describen en las reivindicaciones secundarias.

La invención se basa en el concepto de prever un circuito de refrigeración esencialmente cerrado para un aerogenerador de modo que no haya que usar o prácticamente no sea necesario el aire externo para la refrigeración. En este sentido, el aire de refrigeración circula dentro del aerogenerador desde su góndola hasta la torre o la base del aerogenerador y la energía, absorbida por el medio de refrigeración, preferiblemente aire, durante la refrigeración, se cede mediante la torre del aerogenerador. La torre del aerogenerador está expuesta siempre al viento de modo que la torre del aerogenerador sirve de elemento de refrigeración o de intercambiador de calor que cede la energía absorbida al viento que circula alrededor de la torre.

Otra ventaja del concepto según la invención es que la torre se calienta desde adentro debido a su funcionamiento como intercambiador de calor y como parte portante del aerogenerador incluso a temperaturas externas muy frías de aproximadamente –20ºC a –30ºC. Así, el aerogenerador puede seguir funcionando también a continuación. Según el estado actual de la técnica se debe usar un acero especialmente resistente al frío para lugares muy fríos como, por ejemplo, el norte de Suecia, Noruega, Finlandia, Canadá, etc.

También es posible, si se desea debido a temperaturas externas muy bajas por debajo del punto de congelación, conectar el calentamiento de las palas del rotor al circuito de refrigeración de modo que para calentar las palas del rotor no haya que gastar energía propia.

La refrigeración del medio de refrigeración mediante la torre se realiza al configurarse en la propia torre (en el lado interno o externo), al menos, un canal de aire, a través del que fluye el aire caliente para que éste pueda ceder, al menos en parte, su energía a la pared de la torre.

Preferentemente, un canal se forma al realizarse la torre con pared doble de modo que una parte del canal de refrigeración se crea con la pared portante de la torre.

Mediante el uso de la torre del aerogenerador, fabricada casi siempre de acero, como elemento de refrigeración o intercambiador de calor, se aprovecha para una función ventajosa un componente, existente de todos modos, que necesita cada aerogenerador. El aire caliente fluye en el interior de la torre de acero por su pared externa. Esta pared externa tiene una gran superficie de aproximadamente 500 m2, por ejemplo, en un equipo de 1,5 megavatios, y proporciona, por tanto, una superficie muy grande de calentamiento/refrigeración. El viento, que circula alrededor de la torre, la refrigera continuamente.

La potencia de refrigeración posible del viento aumenta a mayor velocidad del viento. Esta relación se muestra en la figura 1. A mayor velocidad del viento aumenta también la potencia del generador y, con ello, la potencia perdida. La relación entre la potencia del generador en dependencia de la velocidad del viento se muestra en la figura 2. De esta forma se pueden extraer con relativa facilidad cantidades crecientes de potencia perdida, dado que también la potencia de refrigeración de la torre del aerogenerador se incrementa con el aumento de la potencia perdida.

La figura 3 muestra un ejemplo de realización de la invención por medio de un aerogenerador del tipo E-66 de la empresa Enercon, que tiene una potencia de generador de 1,5 megavatios. La figura 3 muestra en corte transversal un aerogenerador 1 con una góndola 2 en el extremo de la cabeza, que es soportada por una torre 3. Esta torre está anclada al terreno (no representado).

La góndola aloja la cadena principal de transmisión del aerogenerador. Esta cadena principal de transmisión se compone esencialmente de un rotor 4 con palas 5 de rotor (representadas sólo de forma resumida), montadas en éste, así como de un generador 3 unido al rotor, que presenta, a su vez, un inducido 6 de generador y un estator 7 de generador. Cuando gira el rotor y, con éste, el inducido del generador, se produce energía eléctrica, por ejemplo, como corriente alterna (corriente continua).

Además, el aerogenerador presenta un transformador 8, así como un ondulador 9, preconectado a éste, alimentando el ondulador la energía eléctrica al transformador en forma de una corriente alterna o trifásica. El transformador alimenta la energía, producida por el aerogenerador, a una red, preferentemente a una red de tensión media (no representada).

Como se puede reconocer en la figura 3, la torre está realizada parcialmente con pared doble y configura en cada caso un canal de refrigeración en la zona de pared doble. En este canal de refrigeración está configurado un ventilador 10 (se pueden prever también varios ventiladores) que impulsa el aire a través de los canales de refrigeración.

La figura 4 muestra la pared de la torre en corte transversal a lo largo de la línea A-A según la figura 3. Aquí se puede ver que en el ejemplo representado están configurados dos canales 11, 12 de refrigeración al estar realizada la torre con pared doble en una zona determinada. El aire calentado por el generador fluye ahora a través de un canal 12 de aire para salir de las máquinas (góndola) hacia la zona superior de la torre. Aquí, el aire caliente se orienta hacia el lado interno de la torre de acero. Como ya se mencionó, la torre de acero está realizada en una gran longitud, por ejemplo, de aproximadamente 50 a 80%, con pared doble, una pared externa 13 y una pared interna 14, y forma aquí el canal 11 de refrigeración. La pared interna 14 en el canal de refrigeración puede estar hecha de un material simple, por ejemplo, plástico o una lona de vela. El aire caliente del generador 3 tiene que fluir ahora a lo largo de un gran recorrido en el lado interno de la torre 1 de acero. A este respecto, la torre o su acero se calienta en una gran superficie y el aire se enfría. En la zona inferior de la torre se encuentra el ondulador 9 y el transformador 8 de tensión media (y/u otros dispositivos eléctricos). Estos componentes se tienen que refrigerar también. El aire frío del generador se conduce en primer lugar a través del ondulador. De este modo se refrigeran activamente los dispositivos de la electrónica de potencia. El aire, que sale del ondulador, se dirige hacia el transformador y refrigera también el transformador. A continuación, el aire vuelve a subir a través del segundo canal 12 de refrigeración hacia la caja de mecanismos y el generador.

El circuito de refrigeración queda cerrado así y no hay que traer necesariamente aire frío del exterior.

Por consiguiente, para la refrigeración de todos los componentes, especialmente de los componentes sensibles, del aerogenerador se usa siempre el mismo aire.

En caso necesario también se pueden situar filtros de aire y otros dispositivos de refrigeración (por ejemplo, intercambiadores de calor) en el canal de refrigeración, si se desea.

Las ventajas de la invención radican en que ningún aire salino o húmedo toca los componentes sensibles, como el generador, el ondulador y el transformador, o entra en contacto con estos. Esto reduce drásticamente el peligro de corrosión dentro de la caja de mecanismos y de la torre. No se pueden formar mohos u hongos en el aerogenerador, especialmente, en su torre.

En general, para la refrigeración de todo el aerogenerador se necesita mucho menos energía que hasta ahora, pues la potencia de refrigeración (secundaria) la produce el viento en el exterior de la torre.

Mediante la configuración de canales de refrigeración en las palas del rotor y la conexión de estos canales de refrigeración al circuito de refrigeración, según la invención, también resulta posible introducir primero el aire, calentado por el generador, en los canales de refrigeración de las palas del rotor de modo que en la época fría del año, especialmente a temperaturas próximas al punto de congelación, se puedan deshelar las palas del rotor. La configuración de canales de refrigeración en una pala de rotor se conoce también, por ejemplo, del documento DE195 28 862.9.

La configuración de los canales de refrigeración en la caja de mecanismos se realiza mediante paredes y dispositivos de orientación del aire correspondientes, con los que el aire se dirige de modo que choca contra los elementos como, por ejemplo, el generador.

Si la potencia de refrigeración de la torre no fuera suficiente, por ejemplo, en días de mucho calor, también es posible incluir en el circuito de refrigeración otros elementos de refrigeración como, por ejemplo, intercambiadores corrientes de calor.

La figura 5 muestra una forma de realización alternativa del circuito de refrigeración según la figura 3. Aquí se puede ver que el aerogenerador presenta dos circuitos 15, 16 de refrigeración cerrados, separados e independientes que ceden a la torre en cada caso el calor absorbido. Sin embargo, los dos circuitos 15, 16 de refrigeración están separados entre sí, a diferencia de la representación de la figura 3. Cada uno de los circuitos 15, 16 de refrigeración presenta en el punto de viraje dentro de la torre 3 un paso o un canal transversal, de modo que el aire, que desciende o asciende por la torre, se orienta hacia el lado, opuesto en cada caso, de la torre y se conduce así más frío en cada caso a la unidad que se va a refrigerar, ya sea el generador o la electrónica de potencia.

La figura 6 muestra otro ejemplo de realización de un aerogenerador según la invención. Aquí, un canal de aire, porejemplo, un tubo flexible 17 de salida de aire, está guiado a través del interior de la sección inferior de la torre. Éste se puede instalar posteriormente, por ejemplo, de manera muy sencilla también en el caso de un aerogenerador ya existente y se puede fijar (suspender) en la torre 3. A través de este tubo flexible 17 de salida de aire, el aire caliente, procedente de un armario 18 de potencia, por ejemplo, un armario de potencia de 600 kW, se conduce del fondo de la torre hacia arriba y entra en la torre en la salida del tubo flexible 17 de salida de aire. Desde aquí, el aire caliente fluye de nuevo hacia abajo después de la refrigeración en la pared de la torre y aquí puede ser aspirado nuevamente por un dispositivo 20 de ventilación (para alimentación de aire) que está acoplado con el armario 18 de potencia mediante una campana 19 de aire. El tubo flexible 17 de salida de aire puede estar conectado directamente en la salida de aire del armario 18 de potencia o en la entrada del tubo flexible 17 de salida de aire está previsto un segundo dispositivo 21 de ventilación que aspira el aire caliente del armario 18 de potencia y lo sopla al tubo flexible 17 de salida de aire. El tubo flexible de salida de aire está hecho preferentemente de plástico y, por tanto, se puede realizar de un modo muy fácil y tiene un peso muy bajo, lo que facilita su fijación y su instalación posterior en un aerogenerador.

Para el mejoramiento del efecto de refrigeración de la góndola 2, ésta se puede realizar por completo o en parte de metal, preferentemente de aluminio, para aprovechar así también el efecto de refrigeración de la góndola, alrededor de la que circula siempre el viento, e intensificar de este modo la refrigeración del generador. Con este fin también puede ser ventajoso equipar el interior de la góndola con una estructura, que aumente la superficie, por ejemplo, nervios de refrigeración.

Como muestran los primeros ensayos, la realización de un circuito de refrigeración cerrado mediante el uso del canal de aire, mostrado en la figura 6, es extraordinariamente efectiva y especialmente económica, porque la inversión necesaria para el desarrollo de un canal de aire, especialmente un tubo flexible de salida de aire de plástico, es sólo muy pequeña en comparación con un intercambiador de calor y sus permanentes costos de mantenimiento. Además, la refrigeración es extremadamente efectiva.

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES

   1.

   Aerogenerador (1) con un circuito de refrigeración, cerrado por completo o en parte, caracterizado porque la torre del aerogenerador está integrada como elemento de refrigeración y/o intercambiador de calor en el circuito de refrigeración con aire existente aquí como medio de refrigeración y porque el calor, que se va a extraer del circuito de refrigeración, se cede esencialmente mediante la torre del aerogenerador.

2. 2.

   Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque tanto la cadena (3, 4) de transmisión del aerogenerador o partes de la cadena de transmisión y/o los dispositivos eléctricos (8, 9) para la transformación de la energía eléctrica están conectados al circuito de refrigeración.

3. 3.

   Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la torre (3) está realizada con pared doble en al menos dos secciones a lo largo de su eje longitudinal (figura 4) y una zona con pared doble forma un canal (12, 11) de refrigeración, en el que el aire caliente, que entra en el canal de refrigeración, cede su calor a la pared externa de la torre (3).

4. 4.

   Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para la refrigeración de la cadena principal (3, 4) de transmisión y también de los dispositivos (8, 9) de la electrónica de potencia se usa esencialmente siempre el mismo aire.

5. 5.

   Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el canal de refrigeración dispone de al menos un ventilador (10) que garantiza una circulación del aire dentro del circuito de refrigeración.

6. 6.

   Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el aerogenerador se puede mantener en funcionamiento también a temperaturas externas de -20ºC a -40ºC aproximadamente y la torre se calienta mediante el circuito de refrigeración.

7. 7.

   Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el aerogenerador presenta al menos dos circuitos de refrigeración cerrados por completo o al menos en parte, usándose un circuito de refrigeración para la refrigeración de la cadena de transmisión del aerogenerador y el otro circuito de refrigeración, para la refrigeración del dispositivo eléctrico para la transformación de la energía eléctrica.

8. 8.

   Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque está previsto al menos un conducto de aire que sirve para el transporte de aire caliente.

9. 9.

   Aerogenerador según la reivindicación 8, caracterizado porque el conducto de aire se forma mediante un tubo flexible que está conectado a un generador de calor, por ejemplo, al orificio de salida de aire de un dispositivo eléctrico para la transformación de la energía eléctrica y/o partes de la cadena de transmisión (generador).

10. 10.

    Aerogenerador según la reivindicación 9, caracterizado porque el tubo flexible está conectado en el lado de la entrada de aire a un dispositivo de ventilación (ventilador), con el que se sopla aire caliente al tubo flexible.

11. 11.

    Aerogenerador según una de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizado porque el tubo flexible tiene una longitud de más de diez metros, preferentemente más de veinticinco metros, y está situado en la parte inferior de la torre de modo que el aire caliente, procedente de un dispositivo eléctrico para la transformación de la energía eléctrica, por ejemplo, un armario de conexión o un armario de potencia, se sopla a través del tubo flexible y el aire caliente sale nuevamente por la salida del tubo flexible, de modo que éste se puede enfriar en la pared de la torre y vuelve a fluir hacia el fondo de la torre.

12. 12.

    Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la góndola está hecha por completo o en parte de un metal, preferentemente aluminio.

13. 13.

    Aerogenerador según la reivindicación 12, caracterizado porque la góndola está equipada por completo o en parte de nervios de refrigeración u otros medios para aumentar la superficie de la góndola.

14. 14.

    Uso de una torre de un aerogenerador como elemento de refrigeración y/o intercambiador de calor para la refrigeración de aire del aerogenerador, que se calienta mediante de dispositivos generadores de calor, por ejemplo, la cadena de transmisión y/o dispositivos eléctricos para la transformación de la energía eléctrica.