ES2216731A1

ES2216731A1 - Control de potencia de las turbinas eolicas mediante variaciones de coeficiente y dimension de las bandas de barrido.

Info

Publication number: ES2216731A1
Application number: ES200401366A
Authority: ES
Inventors: Juan Antonio Talavera Martin
Original assignee: Esdras Automatica S L; Esdras Automatica Sl
Current assignee: Esdras Automatica S L; Esdras Automatica Sl
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2004-10-16
Anticipated expiration: 2024-06-04
Also published as: JP2008501883A; CN101002018A; ATE388324T1; DE602005005200T2; WO2006008327A1; EP1777410A1; DK1777410T3; EP1777410B1; US20070243060A1; ES2216731B1; DE602005005200D1

Abstract

Control de potencia de las turbinas eólicas mediante variaciones de coeficiente y dimensión de las bandas de barrido. Sistema de control de la potencia de las turbinas eólicas por medio de la modificación activa y dinámica del coeficiente de potencia y de la dimensión de las bandas de barrido. A bajas velocidades de viento, la turbina opera con las máximas áreas de las bandas de barrido y con altos coeficientes de potencia. A velocidades grandes de viento la reducción de las áreas de las bandas de barrido (A) se consigue con desplazamientos relativos de los segmentos de álabe (S) que forman los pares dinámicos (D). Lo anterior puede ser complementado con control del ángulo de ataque de los segmentos y álabes. El sistema tiene como objetivo incrementar la producción anual de energía eléctrica de las turbinas eólicas.

Description

Control de potencia de las turbinas eólicas mediante variaciones de coeficiente y dimensión de las bandas de barrido.

Objeto de la invención

La presente memoria describe una patente de invención relativa a un sistema para controlar la potencia de las turbinas eólicas mediante variación activa y dinámica del coeficiente de potencia y de la dimensión de las bandas de barrido ante condiciones cambiantes de las velocidades del viento.

Campo de la invención

Aunque el sistema puede ser usado en cualquier campo donde se requiera controlar la potencia de una turbina, su campo principal de aplicación reside en la generación de energía eléctrica mediante turbinas eólicas. El tamaño y la velocidad de rotación de dichas turbinas facilita técnicamente la realización del sistema. Además, la complejidad añadida por incorporar el sistema es ampliamente compensada por el sustancial aumento de la energía extraída del viento.

Antecedentes de la invención

Durante las pasadas décadas se han propuesto distintos sistemas de control para tratar de resolver el problema derivado de la alta variabilidad de la velocidad del viento. Pueden ser clasificados estos sistemas en dos categorías: pasivos y activos. Dentro de la categoría de los sistemas pasivos, el control por pérdida de sustentación (stall control) es una elegante solución ampliamente usada por no requerir mecanismos especiales. Sin embargo, según las potencias de los aerogeneradores se hacen mayores el problema aerodinámico llega a ser de tal complejidad que se está derivando en la actualidad a versiones bajo la misma concepción pero activas. Por otro lado, en el día de hoy, al menos para grandes aerogeneradores, el sistema activo más usado es del control de paso o de ángulo de ataque (pitch control). La potencia de salida es regulada cambiando el ángulo de ataque de los álabes del rotor. Los alabes giran alrededor de su eje reduciendo o incrementando la fuerza del aire sobre sus superficies.

Descripción de la invención

La técnica propuesta es un sistema de control activo. Sin embargo, en vez de controlar únicamente las fuerzas aerodinámicas sobre los alabes, por medio del ángulo de ataque o de alerones, el sistema trata de controlar la combinación de esas fuerzas con otro parámetro fundamental: el área de barrido. La potencia transmitida por una turbina eólica puede ser expresada, en una forma muy compacta, mediante la siguiente relación:

P = Cp * A * V^3

donde A es el área de barrido del rotor, Cp es el coeficiente de potencia que expresa el rendimiento aerodinámico global respecto al área de barrido y V es la velocidad del viento. Mientras que los modernos sistemas activos tratan de controlar la potencia de salida variando el coeficiente de potencia Cp, el sistema propuesto trata de controlar la potencia variando tanto Cp como A.

En la Fig 1, el álabe o pala está compuesto por cuatro segmentos: S1, S2, S3 y S4. Cada segmento tiene su propia área de barrido: A1, A2, A3, A4. Además cada segmento se caracteriza por su propio perfil aerodinámico. Así, se tienen cuatro distintos coeficientes uno para cada banda de barrido: Cp_{1}, Cp_{2}, Cp_{3}, Cp_{4}. La potencia de la turbina eólica puede ser entonces expresada por la siguiente ecuación:

P = (Cp_{1} * A1 + Cp_{2} * A2+ Cp_{3} * A3+ Cp_{4} * A4)* V^3

Si un segmento cambia su posición, se produce un cambio en el área de su banda de barrido; la cual depende de la distancia al eje de rotación. Además, hay cambios en las dimensiones de las bandas de barrido contiguas. Por ejemplo, si el segmento S3 se aproxima al eje de rotación, hay una reducción del área de la banda de barrido A2 invadida por la banda de barrido A3. Otras bandas también pueden verse afectadas. Así, en caso de que la posición relativa de S4 respecto a S3 se mantuviera constante, el área de la banda A4 también disminuiría porque reducción de la distancia de S4 al eje de rotación. Así, se puede concluir que la suma de las áreas de las bandas de barrido ha disminuido y consecuentemente la potencia de salida de la turbina eólica es menor que antes.

Esta es una potente forma de controlar la potencia pero el sistema propuesto permite además otra. Supongamos, siguiendo el ejemplo anterior, que el segmento S4 se mueve hacia la periferia en la misma longitud que el segmento S3 hacia adentro. Entonces, uno de los movimientos compensa al otro y el diámetro del rotor ha quedado inalterado. Si el diámetro del rotor es el mismo, entonces la suma total de las áreas de las bandas de barrido es la misma. Sin embargo, hay un cambio en la potencia de la turbina debido a una distribución distinta de las bandas de barrido. Si el área de barrido total no ha cambiado y la potencia sí, entonces significa que hay una variación del coeficiente global de potencia Cp. Además, cuando un segmento se desplaza a una banda de barrido contigua aparece una nueva banda de barrido mezcla de dos segmentos y con coeficiente diferente.

Una variación más directa de los coeficientes de potencia se logra aplicando el control por paso variable (pitch control) a un segmento o a un grupo de segmentos. Se debe tener en cuenta, entonces, que la variación de ángulo aplicada al primer segmento S1 influye sobre el ángulo de ataque de los segmentos subsiguientes S2, S3 y S4. Si se aplica sobre el segundo segmento, por ejemplo, afectaría a S3 y a S4. Otra consideración es que el rango de variación del ángulo puede estar limitado por el perfil y las separaciones entre los segmentos. Finalmente hacer notar que se pueden alcanzar incluso aportaciones negativas a la potencia total variando hasta determinadas posiciones el paso de los segmentos.

La modificación de las dimensiones de las bandas de barrido se realiza mediante los pares dinámicos de segmentos. Un par dinámico está compuesto por dos clases de segmento: el segmento cubriente y el segmento subyacente. El álabe de la Fig. 1 tiene tres pares dinámicos: D1, D2 y D3. En el primer par S2 es el segmento cubriente y S1 el segmento subyacente. En el segundo par S3 es el segmento cubriente y S2 el subyacente. Y finalmente, en el tercer par dinámico S4 es el segmento cubriente y S3 es el subyacente. El segmento cubriente es aquel que ve por delante un observador situado en el punto de donde viene el viento (F1). Dentro de un par dinámico que segmento es el cubriente y que segmento es el subyacente depende del diseño aerodinámico de la turbina y pueden ser elegidos libremente, así como, las distancias relativos entre los segmentos en cualquiera de las direcciones. Dentro de un par dinámico tampoco hay ninguna restricción sobre los tamaños relativos de los segmentos. Así, el segmento cubriente, por ejemplo, puede ser menor en todas sus dimensiones que el subyacente. En la Fig. 2 se muestra la posición espacial relativa a la dirección del flujo de aire (F1) con la distribución de pares dinámicos elegida como ejemplo.

La reducción del área total de la banda de barrido de un par dinámico se obtiene deslizando un segmento sobre el otro segmento del par: es decir incrementando el área de solapamiento. Por otro lado, un incremento del área total de la banda de barrido del par se obtiene reduciendo el área de solapamiento. Una importante consideración es que normalmente los segmentos son partes de álabe con perfiles de ala para optimizar las fuerzas aerodinámicas netas. Sin embargo, a veces, uno de los segmentos del par es más bien estructura de soporte o guía con perfiles diseñados para disminuir la interferencia con el flujo de aire.

Los movimientos relativos entre segmentos son realizados mediante motores o actuadores lineales bidireccionales. Aunque en algunas realizaciones no se cumple esta regla, por cada par dinámico hay un accionamiento (motor o actuador). Los motores y actuadores de cada par son controlados independientemente uno de otro. Esto significa que pueden tener posiciones relativas diferentes en cualquier instante de tiempo. Por otro lado, hay otra importante característica del sistema propuesto relacionada con las posiciones relativas de los segmentos: control cooperativo inter-álabe de segmentos. Para turbinas eólicas de dos o más álabes, las bandas de barrido de los segmentos de un álabe se mezclan con las bandas de barrido de los otros álabes. Si la posición relativa de cualquier segmento es controlada independientemente, es posible optimizar la potencia de todo el sistema por combinación de posiciones de segmentos de distintos álabes o palas. Aún más, este control puede ser tan potente que se modifique incluso el centro de gravedad del rotor o la distribución de las fuerzas aerodinámicas para compensar oscilaciones.

Comparado con los modernos sistemas de control de potencia, el control de las turbinas eólicas mediante variación del coeficiente y la dimensión de las bandas de barrido tiene, por ejemplo, las siguientes ventajas:

-: las turbinas eólicas pueden comenzar a operar a velocidades del viento más bajas;

-: las turbinas eólicas pueden seguir en producción a máxima potencia hasta velocidades de viento más altas con los segmentos en posición de soportar de grandes esfuerzos;

-: el diseño aerodinámico puede ser optimizado segmento a segmento para operación a velocidades especificas de viento y en coordinación con otros segmentos;

Así, para una turbina eólica situada en un determinado sitio, la combinación de estas ventajas lleva a que la producción anual de electricidad estimada sea significativamente mayor que con los sistemas anteriores.

Otras ventajas complementarias están relacionadas con logística y seguridad. Los álabes segmentados requieren menos espacio cuando son transportados de forma compactada. Esta forma compactada proporciona otra importante ventaja: las turbinas con control del coeficiente y de las dimensiones de las bandas de barrido pueden sobrevivir a vientos más huracanados.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción y con objeto de ayudar a comprender mejor las características de la invención, se acompaña a la presente memoria, como parte integrante de la misma, tres hojas de planos en las cuales, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

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Fig. 1 muestra un álabe (pala) de turbina con cuatro segmentos, tres pares dinámicos y las cuatro bandas de barrido al 100% de sus áreas nominales;

Fig. 2 muestra el mismo álabe de turbina visto desde un punto de vista perpendicular al flujo de aire y con posiciones intermedias de los pares dinámicos de segmentos. Las áreas de barrido estarían aproximadamente en el 50%, 40 %, 30% y 60% de sus valores nominales;

Fig. 3 muestra una turbina con un álabe principal formado por un par dinámico de segmentos y, adicionalmente, otros dos álabes convencionales.

Realizaciones preferentes de la invención

El sistema puede ser aplicado a turbinas de un álabe, de dos o de cualquier otro número. La Fig. 3 representa un híbrido entre turbina de un álabe y turbina de tres. El álabe principal tiene dos segmentos S1 y S2 con las bandas de barrido A1 y A2 respectivamente. Forman un par dinámico de segmentos con el segmento cubriente S2 deslizando sobre el segmento S1. El segmento S1 es más bien una estructura de soporte con perfil de baja resistencia aerodinámica. Los movimientos son impulsados por motores eléctricos en la estructura de acoplamiento del segmento S2 al segmento S1. El segmento S1 sirve tanto de soporte como de estructura guía de movimiento. El movimiento de rotación del motor eléctrico se traduce a un movimiento de translación lineal sobre la guía. El segmento S1 se desplaza a lo largo de la guía siguiendo este movimiento de translación lineal. Otra alternativa para realizar los movimientos es directamente con actuadores lineales eléctricos, o mediante cilindros hidráulicos o neumáticos. En estos casos, la cabeza móvil del actuador se fija a la estructura de acoplamiento del segmento S2. Los actuadores disponen de unidades de electrónica de potencia, válvulas de fluido y electroválvulas que reciben ordenes del sistema de control de la turbina. El sistema de control envía las ordenes de cambio de posición de acuerdo, entre otras señales, con la velocidad del viento, con la potencia eléctrica generada, así como, con las posiciones y ángulos actuales de los segmentos y álabes.

A velocidades de viento bajas, la potencia de la turbina viene dominada por la banda de barrido A2. A velocidades de viento altas, la potencia es dominada por la banda de barrido A1 combinación de los segmentos S1 y S2 más el resto de álabes B2 y B3. Estos álabes son más pequeños con control de paso y específicamente diseñados para altas velocidades de viento. Estos álabes además juegan un papel importante como elementos de estabilización.

Finalmente en Fig. 3 se ha mostrado el elemento M1 que sirve como compensador y estructura soporte complementaria. También puede tener, con un adecuado perfil aerodinámico y dimensión principal, la misión de estabilización complementaria a B2 y B3. Así mismo M1 puede estar constituido por otro par dinámico.

Los términos en que se ha descrito esta memoria deberán ser tomados siempre con carácter amplio y no limitativo. Los materiales, forma y disposición de los elementos serán susceptibles de variación, siempre y cuando ello no suponga una alteración de la esencialidad del invento.

Claims

1. Sistema de control de potencia de turbinas eólicas por medio de la modificación activa y dinámica del coeficiente de potencia y la dimensión de las bandas de barrido (A) que comprende, al menos, un álabe de turbina caracterizado por tener un número de segmentos (S) agrupados formando un número de pares dinámicos de segmentos (D) y con ninguna limitación en el tamaño relativo de todas las dimensiones de los segmentos (S) del par dinámico y con un segmento del par dinámico que se desliza sobre el otro segmento del par siguiendo las ordenes del sistema de control de la turbina eólica.

2. Sistema de control de potencia de turbinas eólicas por medio de la modificación activa y dinámica del coeficiente de potencia y la dimensión de las bandas de barrido según la reivindicación 1, caracterizado por tener un número de segmentos y alabes con control de ángulo de ataque.