ES2561504T5 - Reducción de carga de parada de una turbina eólica - Google Patents
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Description
DESCRIPCION
Reduccion de carga de parada de una turbina eolica
Campo tecnico
La invencion se refiere a un procedimiento para controlar una turbina eolica que comprende una torre, una gondola situada en la torre, y un rotor montado en la gondola y que comprende un buje y por lo menos una pala, comprendiendo la turbina eolica ademas un sistema de actuacion de guinada para girar la gondola en relacion con la torre alrededor de un eje sustancialmente vertical, y/o un sistema de actuacion de paso para girar la pala alrededor de un eje longitudinal de la misma.
Antecedentes
En condiciones de viento muy fuerte, las turbinas eolicas se desconectan y se estacionan o se permite que queden inactivas. Durante tales condiciones, una preocupacion principal es evitar el fallo de componentes de la turbina, tales como las palas, debido a velocidades extremas del viento. Se han estudiado vibraciones a lo largo del borde, en particular durante la parada, vease por ejemplo Christian Bak, Research in Aeroelasticity, EFP-2006, Wind Energy Department, Riso National Laboratory, Technical University of Denmark, Roskilde, Dinamarca, julio de 2007. Se han planteado una variedad de sugerencias para estrategias en situaciones de viento extremo, tales sugerencias implican habitualmente abanderar las palas y/o guinar turbinas aguas arriba hasta una posicion a favor del viento, veanse, por ejemplo, los documentos US7204673B2 y US7436083B2. Se ha sugerido asimismo monitorizar vibraciones a lo largo del borde en turbinas, y ajustar el paso de la pala o el angulo de guinada si se detectan vibraciones a lo largo del borde, vease los documentos WO2009068035A2 y WO2009068036A2. Sin embargo, sena mas ventajoso mejorar todavfa mas las estrategias en condiciones de viento extremas con el fin de salvaguardar las turbinas frente a danos. Un procedimiento de reduccion de carga en la turbina eolica mediante control de paso se describe en el documento US2008/0304964. Ademas, se conocen variaciones dclicas de paso en el control del rotor del documento US 4.298.313.
Hemos apreciado que sena deseable mejorar las estrategias de proteccion de turbinas eolicas a velocidades extremas del viento en condiciones de parada o inactividad.
Hemos apreciado igualmente que sena deseable hacer posible fabricar los componentes de la turbina eolica mas ligeros y/o baratos a la vez que son capaces aun de soportar velocidades extremas del viento en condiciones de parada o inactividad, y al hacerlo asf disminuir el coste de la energfa.
Sumario
En un primer aspecto, la invencion proporciona un procedimiento para controlar una turbina eolica que comprende una torre, una gondola situada en la torre, y un rotor montado en la gondola y que comprende un buje y por lo menos una pala, comprendiendo la turbina eolica ademas un sistema de actuacion de guinada para girar la gondola en relacion con la torre alrededor de un eje sustancialmente vertical, y/o un sistema de actuacion de paso para girar la pala alrededor de un eje longitudinal de la misma, comprendiendo el procedimiento, durante una situacion de parada, sin produccion de potencia, de la turbina eolica debido a velocidades elevadas del viento, girar continua o periodicamente la gondola, por medio del sistema de actuacion de guinada, de modo que vane la direccion del viento en relacion con el rotor.
El procedimiento es sencillo de poner en practica, ya que no requiere ninguna monitorizacion de carga o vibracion durante la parada. Asimismo, al reducir el riesgo de cargas cnticas, se pueden fabricar los componentes mas ligeros y baratos.
Ademas, el procedimiento puede comprender: durante una situacion de parada, sin produccion de potencia, de la turbina eolica debido a velocidades elevadas del viento, girar la pala continua o periodicamente, por medio del sistema de actuacion de paso, de modo que vane la direccion del viento con relacion con la pala. Preferiblemente, la pala se gira entre dos posiciones angulares extremas. Preferiblemente, las posiciones extremas estan separadas por no mas de 45 grados. Se prefiere que las posiciones extremas esten separadas por no menos de 5 grados.
En un segundo aspecto, la invencion proporciona un procedimiento para controlar una turbina eolica que comprende una torre, una gondola situada en la torre, y un rotor montado en la gondola y que comprende un buje y por lo menos una pala, comprendiendo la turbina eolica ademas un sistema de actuacion de guinada para girar la gondola en relacion con la torre alrededor de un eje sustancialmente vertical, comprendiendo el procedimiento determinar al menos un intervalo angular de la direccion del viento en relacion con la gondola como un intervalo de carga no cntico, y durante una situacion de parada, sin produccion de potencia, de la turbina eolica debido a velocidades elevadas del viento, monitorizar continua o periodicamente la direccion del viento, y girar la gondola de modo que la direccion del viento en relacion con la gondola se encuentra en el intervalo de carga no cntico.
Preferiblemente, el procedimiento comprende repetir, para una pluralidad de angulos de guinada en relacion con la direccion del viento, el mantenimiento de la gondola en el angulo de guinada respectivo, y monitorizar la velocidad del viento y oscilaciones a lo largo del borde de la pala, almacenar datos de velocidad del viento y oscilaciones a lo largo del borde obtenidos mediante dicha monitorizacion, y determinar el por lo menos un intervalo angular basandose en dichos datos almacenados.
Preferiblemente, el procedimiento comprende determinar por lo menos dos intervalos angulares de la direccion del viento con relacion a la gondola como intervalos de carga no cnticos, y durante una situacion de parada, sin produccion de carga, de la turbina eolica debido a velocidades elevadas del viento, monitorizar continua o periodicamente la direccion del viento, y girar la gondola de modo que la direccion del viento en relacion con la gondola este en uno de los intervalos de carga no cnticos.
Descripcion de las figuras
A continuacion, se describiran modos de realizacion de la invencion con referencia a los dibujos en los que la fig. 1 muestra una vista frontal de una turbina eolica, la fig. 2 muestra una seccion trasversal vertical esquematica de una parte de la turbina eolica de la fig. 1, y la fig. 3 muestra una vista superior de una parte de la turbina eolica de la fig.
1.
Descripcion detallada
La fig. 1 muestra una turbina eolica 1 que comprende una torre 2, una gondola 3 situada en la torre 2, y un rotor 4 montado en la gondola 3 y que comprende un buje 5 y tres palas 6.
Se hace referencia a la fig. 2. La gondola 3 comprende una reductora 31 y un generador 32 al cual se conecta el rotor 4, generador 32 que se conecta a una red GD. La turbina eolica comprende ademas un sistema de actuacion de guinada 7 para girar la gondola 3 en relacion con la torre 2 alrededor de un eje VA sustancialmente vertical (indicado en la fig. 2 con una lmea discontinua). La turbina eolica comprende ademas un sistema de actuacion de paso 8 (electrico o hidraulico) para girar las palas alrededor de sus ejes longitudinales respectivos (indicados en la fig. 2 con lmeas discontinuas LA). Los sistemas de actuacion de guinada y paso 7, 8 estan adaptados para ser alimentados, durante el funcionamiento normal de produccion de potencia de la turbina, mediante potencia de la red para la cual produce potencia la turbina. Los sistemas de actuacion de guinada y paso 7, 8 estan adaptados igualmente para ser alimentados mediante un sistema de alimentacion auxiliar alternativo, o sistema de respaldo 9, que puede suministrar potencia cuando la red electrica no esta disponible. El sistema de respaldo 9 podna incluir, por ejemplo, batenas y una unidad de conversion de potencia electrica, o un motor de combustion interna (por ejemplo, un motor diesel) con un generador separado. El sistema de respaldo 9 se podna situar en la turbina o fuera de la turbina. Podna estar basado en la turbina (un sistema de respaldo por turbina) o estar basado en el parque (un sistema de respaldo comun para un numero de turbinas eolicas).
La turbina eolica comprende ademas una unidad de control 10 que esta adaptada para determinar si se deben alimentar los sistemas de actuacion de guinada y paso 7, 8 por la red o por el sistema de respaldo 9, y para controlar el suministro desde estas fuentes de alimentacion alternativas. La unidad de control 10 esta adaptada igualmente para controlar los sistemas de actuacion de guinada y paso 7, 8 basandose en senales de un conjunto medidor de viento 11 que proporciona datos acerca de la velocidad del viento y la direccion del viento.
Cuando la velocidad del viento aumenta por encima de un valor umbral (por ejemplo, 25 m/s), el rotor se detiene y se estaciona, de modo que proporciona una situacion de parada o inactividad, sin produccion de potencia, de la turbina eolica. Es importante apreciar que la invencion se puede utilizar independientemente de si el rotor esta bloqueado con un freno o adaptado para inactivarse durante una desconexion por viento extremo. Durante esta situacion sin produccion de potencia, el sistema de actuacion de guinada 7 se controla de modo que la gondola 3 gire continuamente de modo que vane la direccion del viento en relacion con el rotor 4. La gondola podna realizar un movimiento angular oscilante de modo que gire una cierta distancia angular en una direccion, y a continuacion vuelva girar en la otra direccion la misma distancia angular. Esta cierta distancia angular en la cual la gondola gira hacia delante y hacia atras es preferiblemente por lo menos 360 grados, por ejemplo, 360-1440 grados. Cuando esta situacion vana, esto se podna realizar sin pausa, o, una vez que el movimiento de guinada en una direccion se ha detenido, podna haber una pausa durante un intervalo de tiempo predeterminado antes de comenzar el movimiento de guinada en la otra direccion. Alternativamente, la gondola puede girar hacia delante y hacia atras a lo largo de una distancia angular que sea igual o inferior a 360 grados, por ejemplo, 30-360 grados. En una alternativa adicional, en lugar de moverse continuamente, la gondola 3 puede girar periodicamente, de modo que permanece en una posicion fija en relacion con la direccion del viento tan solo durante un periodo de tiempo limitado predeterminado, por ejemplo menor de 30, 10 o 5 segundos, antes de que se mueva en la misma direccion angular que la direccion del movimiento anterior hasta una nueva posicion angular.
Las vibraciones de componentes de la turbina eolica durante velocidades extremas del viento variaran significativamente dependiendo de la direccion relativa del viento y la magnitud de la velocidad del viento (es decir, un aumento de la velocidad del viento de 40 m/s a 50 m/s puede provocar vibraciones cnticas), y en algunos
sectores angulares, las cargas seran mas cnticas que en otros. Girar la gondola del modo descrito evitara que la turbina este en areas cnticas de carga de la direccion relativa del viento durante mas de un periodo corto. Esto reducira cargas extremas en parada, permitiendo asf menores cargas de diseno del componente y un coste de energfa mejorado.
Ademas, durante una situacion sin produccion de potencia, el sistema de actuacion de paso 8 se controla de modo que las palas 6 giren continuamente de modo que vane la direccion del viento con relacion a las palas 6. Las palas se pueden girar entre dos posiciones angulares extremas, que podnan estar separadas, por ejemplo, por cualquiera entre 5 y 45 grados. Preferiblemente, una de las posiciones angulares extremas es una posicion totalmente abanderada, de modo que las palas no se muevan mas alla de la posicion completamente abanderada. Tal estrategia de paso de pala se podna llevar a cabo simultaneamente con el movimiento de guinada descrito anteriormente. Alternativamente, la turbina eolica se podna adaptar para realizar dicha estrategia de paso de pala sin realizar la estrategia de paso de guinada, o viceversa.
En lugar de moverse continuamente, las palas 6 se pueden girar periodicamente, de modo que permanezcan en una posicion fija con relacion a la direccion del viento tan solo por un periodo de tiempo limitado, por ejemplo, inferior a 30, 10 o 5 segundos, antes de que se muevan en la misma direccion angular que la direccion del movimiento anterior a una nueva posicion angular. Girar las palas de cualquiera de las maneras mencionadas evitara que estas esten en areas cnticas de carga de la direccion relativa del viento durante mas de un periodo de tiempo corto.
Se entiende que para los movimientos de guinada y/o paso durante la situacion sin produccion de potencia, en donde la red electrica no esta disponible, lo que podna ser el caso durante huracanes, tifones, etc., los sistemas de actuacion de guinada y/o paso 7, 8 se alimentan mediante el sistema de respaldo 9.
A continuacion se hace referencia a la fig. 3. En otro modo de realizacion, para un modelo de turbina eolica espedfico, se determina uno o mas intervalos angulares de la direccion del viento con relacion a la gondola 3 como intervalos de carga no cnticos I1, I2, I3. Tales intervalos de carga no cnticos I1, I2, I3 diferinan entre modelos de turbina, ya que senan dependientes de las caractensticas espedficas de construccion del modelo, materiales, dimensiones, frecuencias propias, etc. En este ejemplo, hay tres de tales intervalos para orientacion y extension variables, aunque se podnan establecer mas intervalos. Los intervalos de carga no cnticos I1, I2, I3 se podnan establecer mediante procedimientos numericos, y/o mediante pruebas en una turbina eolica, por ejemplo en una turbina prototipo. Cuando la velocidad del viento es lo suficientemente alta, por ejemplo por encima de un nivel predeterminado, la turbina prototipo se podna mantener en un angulo de guinada constante con relacion a la direccion del viento durante un penodo de tiempo y en el cual se podnan monitorizar oscilaciones a lo largo del borde. La turbina eolica se podna guinar a continuacion una distancia angular predeterminada, por ejemplo 10 grados, y se podna realizar de nuevo la misma operacion de monitorizacion. Esto podna continuar para todas las posiciones de guinada relativas al viento para dicha distancia angular predeterminada (por ejemplo, 10 grados), y para varias velocidades cnticas del viento hasta que se recojan suficientes datos para un analisis representativo. A continuacion, los datos se podnan analizar con el fin de definir velocidades umbrales del viento cnticas y posiciones de guinada relativas al viento cnticas. Los intervalos de carga no cnticos I1, I2, I3 se podnan establecer entonces basandose en las posiciones de guinada cnticas.
Se debe mencionar que los intervalos de carga no cnticos se pueden calibrar en el emplazamiento. Esto permitina ajustes para fenomenos locales. Por ejemplo, podna ocurrir que ciertos intervalos, normalmente cnticos, sean menos cnticos en cierto emplazamiento debido a efectos de estela, pero podna ocurrir igualmente que ciertos intervalos, normalmente no cnticos, mostraran ser mas cnticos debido a efectos de aceleracion relacionados con la topograffa local.
Cuando la turbina se desconecta debido a vientos fuertes, la direccion del viento se monitoriza continua o periodicamente, y la gondola se gira de modo que la direccion del viento con relacion a la gondola y el rotor este en uno de los intervalos de carga no cnticos. Se debe apreciar que por lo menos una parte de por lo menos uno de los intervalos cubre direcciones relativas del viento diferentes de la direccion del eje de giro del rotor, que es la direccion elegida habitualmente en el estado de la tecnica anterior. Los parametros principales para establecer los intervalos de carga no cnticos son el diseno de la pala, es decir, la rigidez y resistencia, la velocidad extrema del viento, angulos de entrada de flujo que dan como resultado vibraciones inducidas por entrada en perdida de la pala debido a una amortiguacion aerodinamica baja.
Todos los modos de realizacion anteriores proporcionan estrategias sencillas de mitigacion de carga en paradas, que haran posible fabricar los componentes de la turbina mas ligeros y baratos, ya que no tienen que estar equipados con dispositivos de amortiguacion de vibraciones especiales, u obtener dimensiones necesarias de otro modo para soportar velocidades extremas del viento.
Claims (7)
1. Un procedimiento para controlar una turbina eolica (1) que comprende una torre (2), una gondola (3) situada en la torre, y un rotor (4) montado en la gondola (3) y que comprende un buje (5) y al menos una pala (6), comprendiendo la turbina eolica ademas un sistema de actuacion de guinada (7) para girar la gondola (3) en relacion con la torre (2) alrededor de un eje sustancialmente vertical, y/o un sistema de actuacion de paso (8) para girar la pala (6) alrededor de un eje longitudinal de la misma, comprendiendo el procedimiento:
durante una situacion de parada, sin produccion de potencia, de la turbina eolica debido a velocidades elevadas del viento, girar continua o periodicamente la gondola (3), por medio del sistema de actuacion de guinada (7), de modo que vane la direccion del viento en relacion con el rotor.
2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende: durante una situacion de parada, sin produccion de potencia, de la turbina eolica debido a velocidades elevadas del viento, girar la pala continua o periodicamente, por medio del sistema de actuacion de paso (8), de modo que vane la direccion del viento con relacion a la pala.
3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que la pala (6) se gira entre dos posiciones angulares extremas.
4. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 3, en el que las posiciones extremas estan separadas por no mas de 45 grados.
5. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 o 3, en el que las posiciones extremas estan separadas por no menos de 5 grados.
6. Un procedimiento para controlar una turbina eolica (1) que comprende una torre (2), una gondola (3) situada en la torre, y un rotor (4) montado en la gondola (3) y que comprende un buje (5) y al menos una pala (6), comprendiendo la turbina eolica ademas un sistema de actuacion de guinada (7) para girar la gondola (3) en relacion con la torre (2) alrededor de un eje sustancialmente vertical, comprendiendo el procedimiento:
determinar al menos un intervalo angular de la direccion del viento en relacion con la gondola (3) como un intervalo de carga no cntico, comprendiendo la determinacion repetir, para una pluralidad de angulos de guinada en relacion con la direccion del viento, el mantenimiento de la gondola en el angulo de guinada respectivo, y monitorizar la velocidad del viento y oscilaciones a lo largo del borde de la pala (6), almacenar datos de velocidad del viento y oscilaciones a lo largo del borde obtenidos mediante dicha monitorizacion, y determinar el al menos un intervalo angular basandose en dichos datos almacenados, y
durante una situacion de parada, sin produccion de potencia, de la turbina eolica (1) debido a velocidades elevadas del viento, monitorizar continua o periodicamente la direccion del viento, y girar la gondola (3) de modo que la direccion del viento en relacion con la gondola se encuentre en el intervalo de carga no cntico.
7. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 6, que comprende determinar por lo menos dos intervalos angulares de la direccion del viento en relacion con la gondola como intervalos de carga no cnticos, y durante una situacion de parada, sin produccion de potencia de la turbina eolica debido a velocidades elevadas del viento, monitorizar continua o periodicamente la direccion del viento, y girar la gondola de modo que la direccion del viento en relacion con la gondola este en uno de los intervalos de carga no cnticos.
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