ES2617082T3 - Procedimiento para la maximización del rendimiento energético de una turbina eólica - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para el control de una instalación de energía eólica para maximizar el rendimiento energético, en el que al menos un ajuste de funcionamiento se varía dentro de límites (T) predeterminados, en el que el ángulo de ataque de la pala de rotor y/o el ajuste de acimut se varía para producir un ajuste óptimo y en el que las variaciones se realizan en intervalos de tiempo predeterminables.
Description
DESCRIPCION
Procedimiento para la maximizacion del rendimiento energetico de una turbina eolica.
5 La presente invencion se refiere a un procedimiento para el control de una instalacion de energfa eolica y una instalacion de energfa eolica con un dispositivo de control para el control de la instalacion de energfa eolica.
Instalaciones de energfa eolica con controles se conocen en general desde hace anos y se usan entretanto con exito. A este respecto, en particular el control tiene una gran influencia en el rendimiento energetico de una 10 instalacion de energfa eolica.
Debido a un perfeccionamiento continuo de las instalaciones de energfa eolico, estas se han desarrollado a instalaciones complejas, en las que una multiplicidad de parametros y valores de ajuste se deben adaptar entre sf a fin de permitir un funcionamiento lo mas optimizado posible.
15
Debido a la elevada complejidad de las instalaciones y los elevados costes de desarrollo para el desarrollo o perfeccionamiento de instalaciones semejantes se deben invertir importes considerables para la adquisicion de una instalacion semejante. Se puede comprender facilmente que tales inversiones solo son aceptables luego cuando la instalacion de energfa eolica permite generar un superavit lo mas grande posible durante su vida util a partir de los 20 ingresos producidos de su funcionamiento adicionalmente a la amortizacion.
Pero este superavit esta ligado de forma inseparable con el rendimiento de potencia de una instalacion de energfa eolica y por ello la maximizacion del rendimiento tiene una prioridad comprensiblemente elevada en particular para el propietario / operador de una instalacion semejante.
25
Por otro lado, ya muy en general en todos los procesos de produccion y en vista de la complejidad de las instalaciones de energfa eolica y sus dimensiones son inevitables las desviaciones de la medida ideal. A este respecto, mediante lfmites de tolerancia se establece dentro de que rangos todavfa se consideran como aceptables tales desviaciones.
30
Independientemente de la pregunta de si es realmente aceptable una desviacion semejante o no, en cualquier caso significa una perdida de rendimiento dado que representa una desviacion de la disposicion optima.
Por ejemplo, por el documento DE 195 32 409 A1 del solicitante se conoce un procedimiento del tipo mencionado al 35 inicio. En este procedimiento conocido para el funcionamiento de una instalacion de energfa eolica, para la limitacion de la solicitacion de la instalacion de energfa eolica se disminuye la potencia de la instalacion de energfa eolica en funcion de la velocidad del viento desde una velocidad del viento predeterminable, en tanto que se reduce la velocidad de giro de funcionamiento del rotor al aparecer un viento con una velocidad del viento por encima de una velocidad del viento lfmite o una velocidad de afluencia. Por el documento US 5,402,332 se conoce un 40 procedimiento para la optimizacion de la eficiencia de un juego de maquinas para una central hidroelectrica que presenta una turbina y un generador.
Por el documento DE-A1-199 34 415 se conoce un dispositivo de optimizacion para el aumento del rendimiento en instalaciones de energfa eolica mediante el seguimiento acimutal mas exacto.
45
El objetivo de la presente invencion es perfeccionar un procedimiento y una instalacion de energfa eolica del tipo mencionado al inicio, de manera que las perdidas de rendimiento, en particular debido a desvfos en el rango de transformacion de energfa cinetica del viento en energfa electrica, es decir, en el rango de rotor, cadena cinetica y generador, son tan pequenos como sea posible.
50
El objetivo se resuelve mediante un procedimiento segun la reivindicacion 1. A este respecto, la invencion se basa en el conocimiento de que las tolerancias se mueven dentro de rangos conocidos y una variacion de al menos un ajuste del funcionamiento, como por ejemplo del angulo de pala, de la posicion acimutal, del momento del generador, etc. dentro de este rango de tolerancia debe conducir luego al ajuste optimo.
Para evitar que debido a una variacion permanente de un ajuste de funcionamiento se produzca en ultimo termino una perdida de rendimiento mayor, estas variaciones se realizan en intervalos de tiempo predeterminables, de modo que, cuando se ha encontrado un ajuste optimo, este se mantiene durante un intervalo de tiempo predeterminado.
En una forma de realizacion especialmente preferida de la invencion, los intervalos de tiempo se vanan en funcion de las condiciones del emplazamiento y/o funcionamiento predeterminables, de modo que se pueden tener en cuenta las particularidades del emplazamiento, como circulacion del viento relativamente uniforme o turbulenta, cambio de direccion del viento o similares.
5
En un perfeccionamiento especialmente preferido de la invencion, la variacion se realiza actualmente segun una modificacion del ajuste de funcionamiento desencadenada por influencias externas. A este respecto, si el tiempo es suficientemente corto, el ajuste de funcionamiento vana mas alla del valor de ajuste predeterminado y eventualmente un valor predeterminado de vuelta en la direccion opuesta, hasta que se ha encontrado el ajuste 10 optimo. Este proceso se corresponde aproximadamente con un proceso transitorio.
De forma especialmente preferida, en el procedimiento segun la invencion se determina la diferencia entre el ajuste de partida y el ajuste variado con el rendimiento optimo y se tiene en cuenta en el caso de modificaciones y/o variaciones siguientes. De esta manera se puede acortar el proceso y por consiguiente la consecuencia del 15 rendimiento maximo.
En una forma de realizacion especialmente preferida de la invencion, una instalacion de energfa eolica segun la invencion comprende un dispositivo de control que es apropiado para la realizacion del procedimiento, presentando el dispositivo un microprocesador o microcomputadora y un dispositivo de almacenamiento.
20
Otras formas de realizacion ventajosas de la invencion estan especificadas en las reivindicaciones dependientes.
A continuacion se explica mas en detalle un ejemplo de realizacion mediante las figuras. A este respecto muestran:
25 Figura 1 una representacion del principio base de la presente invencion mediante un diagrama;
Figura 2 una representacion de un principio base mejorado;
Figura 3 una variante aun mas mejorada del procedimiento segun la invencion;
30
Figura 4 un procedimiento aun mas optimizado; y
Figura 5 un procedimiento segun la invencion todavfa mas optimizado para la maximizacion del rendimiento.
35 En la figura 1 se representa el principio base del procedimiento segun la invencion para el control de la instalacion de energfa eolica. En la figura se muestra en la abscisa el tiempo t, en la ordenada esta representada en la parte superior la variacion de un ajuste de funcionamiento, como por ejemplo el angulo acimutal (a) de la gondola y por consiguiente del rotor de una instalacion de energfa eolica, y en la parte inferior esta representado el desarrollo del rendimiento en forma de una curva caractenstica (P) para mayor claridad en una representacion simplificada.
40
A partir de la curva caractenstica superior se puede deducir que la variacion del ajuste de funcionamiento del ajuste de partida comienza de forma sinusoidal en primer lugar en el instante t1 en una direccion positiva, en el instante t2 alcanza un valor maximo y en el instante t3 ha alcanzado de nuevo el valor de partida. Desde allf se prosigue ahora la variacion en la direccion opuesta, habiendo alcanzado de nuevo el maximo en el instante t4 y adoptando de nuevo 45 el valor de partida en el instante t5.
Si ahora se produce un aumento del rendimiento durante esta variacion, entonces se puede modificar correspondientemente el ajuste de funcionamiento, de modo que la instalacion de energfa eolica proporciona un rendimiento mas elevado.
50
La curva caractenstica inferior muestra el rendimiento que vana en funcion del ajuste de funcionamiento. En el instante t1, es decir, al comienzo de la variacion disminuye el rendimiento hasta alcanzar el maximo de la variacion en el instante t2, y mientras que el ajuste se reconduce de nuevo al valor de partida (t3) el rendimiento aumenta de nuevo hasta que tambien alcanza su valor de partida en el instante t3. Durante la inversion de la direccion de 55 variacion, el rendimiento igualmente disminuye de nuevo en el presente ejemplo, en el instante t4 alcanza el mmimo (el maximo de la disminucion del rendimiento) y en el instante t5 alcanza de nuevo su valor de partida. Por consiguiente se puede reconocer claramente que era optimo el ajuste de partida de la instalacion.
En un instante predeterminado (en este ejemplo t6), despues de que ha transcurrido un intervalo predeterminado, se
puede repetir el proceso.
En este procedimiento compiten, por un lado, la posibilidad de un aumento del rendimiento y, por otro lado, las perdidas de rendimiento que se producen debido a la variacion de un ajuste optimo.
Una posibilidad para la reduccion de estas perdidas de rendimiento esta representada en la figura 2. En esta figura sobre la abscisa esta representado de nuevo el tiempo, mientras que sobre la ordenada la curva caractenstica superior reproduce la variacion del ajuste de funcionamiento y la curva caractenstica inferior el desarrollo del rendimiento.
10
Mientras que en el caso de la variacion del ajuste de funcionamiento, ahora como antes es sinusoidal el aumento partiendo del valor de partida, la pendiente de flanco de la senal se aumenta tras alcanzar el valor de pico, de modo que el retorno al valor de partida se realiza lo mas rapido posible. La distancia entre los instantes t1 y t2 permanece esencialmente de forma inalterada en comparacion a la figura 1; no obstante, la distancia entre los instantes t2 y t3 15 se reduce claramente. En el caso ideal la distancia entre t2 y t3 tendera a cero, de modo que al menos en una primera aproximacion la perdida de rendimiento en este intervalo entre los instante t2 y t3 se vuelve igualmente muy pequena.
Lo mismo se reproduce para la semionda negativa, cuyo ascenso es de nuevo sinusoidal y se realiza entre los 20 instantes t3 y t4, mientras que el retorno al ajuste de partida se realiza de nuevo en el instante entre t4 y t5 con una pendiente lo mas grande posible. Correspondientemente las perdidas de rendimiento se hacen aproximadamente la mitad. Despues de un intervalo predeterminado se reproduce este desarrollo comenzando en el instante t6. Dado que cada ajuste se puede alcanzar y evaluar dentro del rango de variacion (de la banda de tolerancia) gracias al desarrollo ascendente respectivamente de forma sinusoidal de cada semionda durante la variacion, esta forma de 25 realizacion reduce las perdidas de rendimiento debido a la variacion, sin modificar la eficiencia de la variacion misma.
La figura 3 muestra otra forma de realizacion de la presente invencion, en la que se reducen aun mas las perdidas de rendimiento debido a la variacion de los ajustes de funcionamiento. La distribucion de abscisas y ordenadas se 30 corresponden con aquellas en las otras figuras. Aqrn en el instante t1 tambien comienza la variacion del ajuste del funcionamiento.
En el ejemplo de representacion aumenta simultaneamente el rendimiento hasta un maximo. Si el valor de la variacion se sigue aumentando el rendimiento desciende de nuevo, es decir, se ha sobrepasado el maximo de 35 rendimiento y por consiguiente el ajuste de funcionamiento optimo. Por ello en este procedimiento se interrumpe el aumento del valor de la variacion y se establece de nuevo el ajuste con el que se ha ajustado el maximo de rendimiento.
Aqrn en la curva caractenstica superior se produce una “sobreoscilacion” dado que tras alcanzar el maximo de 40 rendimiento se debe reconocer naturalmente una vez la disminucion del rendimiento, antes de que entonces se ajuste luego el ajuste de funcionamiento para el maximo de rendimiento. Esto ocurre ya en el instante t4, de modo que la variacion ya no se debe realizar en la direccion opuesta, dado que ya se ha encontrado el maximo de rendimiento. En el instante t5 comienza de nuevo la variacion del ajuste de funcionamiento despues de un intervalo de tiempo predeterminado, alcanzandose en el instante t6 el valor maximo de la variacion y estableciendose de 45 nuevo hasta t7 el valor de partida. Dado que aqrn se ha producido una perdida de rendimiento, ahora se realiza la variacion de la direccion opuesta y en el instante t9 se ajusta de nuevo un maximo de rendimiento despues de una sobreoscilacion, de modo que se mantiene el ajuste correspondiente.
En la figura 4 esta representada otra forma de realizacion de la invencion. Aqrn la abscisa es de nuevo el eje del 50 tiempo y la ordenado muestra la variacion del ajuste de funcionamiento. La modificacion esencial respecto a los procedimientos descritos arriba es aquella de que como direccion inicial para la variacion se usa aquella direccion en la que en la variacion anterior se ha producido un aumento del rendimiento.
En el instante t1 comienza la variacion del ajuste de funcionamiento, en el instante t2 alcanza su maximo y en el 55 instante t3 de nuevo su valor de partida. Dado que en el ejemplo asumido no se ha producido un aumento del rendimiento, la variacion se realiza ahora con signo invertido, es decir, en la direccion opuesta. En el instante t4 se alcanza un maximo de rendimiento, y se mantiene tras una breve sobreoscilacion de este maximo de rendimiento.
Despues de un intervalo de tiempo predeterminado, en el instante t5 se vana de nuevo “por turnos” el ajuste de
funcionamiento y la direccion inicial se corresponde aqu con aquella direccion que condujo a un aumento del rendimiento en la variacion anterior, es decir, de la semionda negativa. En el instante t6 se alcanza de nuevo un maximo de rendimiento, de modo que se mantiene este ajuste. Por consiguiente se suprime completamente la perdida de rendimiento que se producina en la semionda positiva.
5
Despues de otro intervalo de tiempo en el instante t7 comienza de nuevo la variacion del ajuste de funcionamiento. Este comienza de nuevo con la semionda negativa dado que esta condujo de nuevo a un aumento de rendimiento en la variacion anterior. En este caso se supone que este no es el caso, de modo que en el instante t8 se alcanza el maximo y en el instante t9 se establece de nuevo el valor de partida. Ahora se invierte de nuevo la direccion de la 10 variacion y con la semionda negativa se conecta una semionda positiva en la que en el instante t10 se alcanza el maximo de rendimiento, de modo que ahora se mantiene este valor.
En el instante t11 comienza otra variacion, esta vez con la semionda positiva, dado que esta condujo a un aumento de rendimiento en la variacion anterior. En el instante t12 se alcanza el maximo y en el instante t13 de nuevo el 15 ajuste de partida. Dado que en este ejemplo en el instante t14 se alcanza de nuevo un maximo de rendimiento, este ajuste se mantiene de modo que la variacion siguiente se comenzara de nuevo con la semionda negativa.
La figura 5 muestra una forma de realizacion todavfa mas mejorada de la presente invencion. En esta figura la abscisa es de nuevo el eje de tiempo, mientras que la ordenada en la parte superior muestra la modificacion de un 20 ajuste de funcionamiento y en la parte inferior de nuevo el desarrollo del rendimiento. En esta forma de realizacion del procedimiento segun la invencion se reducen aun mas las perdidas de rendimiento debido a la variacion. Esto se consigue con el procedimiento segun la invencion porque al constatar una perdida de rendimiento se invierte la direccion de variacion. Si despues de la inversion de la direccion de variacion se produce de nuevo una perdida de rendimiento se interrumpe la variacion.
25
En la figura 5 la variacion comienza de nuevo en el instante t1 con una semionda positiva y en el instante t2 se alcanza el maximo de rendimiento. Despues de una “sobreoscilacion” (t3) se ajusta el maximo de rendimiento en el instante t4 y se mantiene durante un intervalo de tiempo predeterminado hasta que en el instante t5 comienza de nuevo una variacion.
30
Esta comienza de nuevo con una semionda positiva. Sin embargo, en el instante t6 se muestra ya una perdida de rendimiento. Por ello la direccion de variacion se invierte y comienza la semionda negativa de la variacion del ajuste de funcionamiento en el instante t7. En el instante t8 se alcanza un maximo de rendimiento y despues de una sobreoscilacion (t9) se mantiene este ajuste en el instante t10. Despues de otro intervalo de tiempo predeterminado 35 se vana de nuevo el ajuste de funcionamiento en el instante t11.
Dado que en el caso de la variacion anterior la semionda negativa conduce a un aumento del rendimiento, esta variacion tambien comienza con la semionda negativa. Ya en el instante t12 se reconoce que esta direccion de variacion conduce a una perdida de rendimiento y se invierte la direccion de variacion, de modo que en el instante 40 t13 se ha alcanzado de nuevo el valor de partida y comienza la semionda positiva.
En el instante t14 se reconoce que esta direccion de variacion tambien conduce a una perdida de rendimiento, y se interrumpe el proceso de variacion. En el instante t15 se establece de nuevo el ajuste de funcionamiento de partida.
45 Para clarificar la ventaja esencial de esta forma de realizacion, en la figura esta inscrito el lfmite de variacion (T) predeterminado en ambas direcciones del ajuste de partida. Debido a la amplitud considerablemente menor de la variacion del ajuste de funcionamiento, la perdida de rendimiento tambien es considerablemente menor en el caso de esta variacion. A la posibilidad de un aumento de rendimiento significativo se le opone por consiguiente una perdida de rendimiento despreciable para el caso de que el ajuste de funcionamiento de partida ya es el ajuste de 50 funcionamiento optimo.
Junto a la compensacion de las tolerancias de fabricacion y montaje inevitables, que lo permite esta invencion, mediante el procedimiento propuesto segun la invencion tambien se puede producir un aumento de rendimiento en el caso de modificacion de las condiciones de funcionamiento exteriores, como la direccion del viento, cuando la 55 modificacion todavfa se situa dentro del rango de tolerancia del control de la instalacion. Si entonces se modifica, por ejemplo, la direccion del viento solo en un pequeno valor, entonces el ajuste acimutal no se activa a causa de la modificacion de la direccion del viento. Sin embargo, gracias a un angulo de afluencia ligeramente modificado se produce una pequena perdida de rendimiento. Esta se puede compensar de nuevo por el procedimiento segun la invencion cuando se vana regularmente el ajuste acimutal.
Ademas, es posible una compensacion de los errores de montaje. Una indicacion erronea de la veleta, por ejemplo, por un error de montaje se puede compensar mediante el control segun la invencion, siempre y cuando se situe dentro del margen de tolerancia del control de la instalacion. De este modo se puede optimizar un rendimiento 5 energetico no optimo, que se basa en el resultado de la indicacion de la veleta.
La invencion se puede aplicar preferiblemente en un juego de ajustes de parametros de funcionamiento. En este caso los parametros preferibles son el angulo de paso (ajuste de angulo de la pala de rotor), el ajuste acimutal (ajuste de rotor), asf como la corriente de excitacion del generador para la determinacion del momento del 10 generador.
Segun las condiciones del viento para los mas distintos ajustes de parametros hay un juego de parametros que puede estar depositado en la forma de una tabla para el control. A partir de la velocidad del viento medida, para el tipo de instalacion concreto se produce entonces respectivamente una velocidad espedfica de la turbina optima (la 15 relacion de la velocidad circunferencial de la punta de la pala de rotor respecto a la velocidad del viento) para un rendimiento energetico maximo. Dado que debido a los parametros del rotor conocidos se conoce el par de fuerzas disponible con esta velocidad del viento, se puede determinar un momento de generador optimo mediante las especificaciones de la tabla.
20 Si el momento del generador no esta adaptado a la velocidad espedfica de la turbina se producen por ello desventajas. En el caso del par de fuerzas del generador demasiado bajo se aumenta la velocidad espedfica de la turbina y el rotor acelera de manera indeseada ya que el viento suministra una energfa correspondiente. En el caso de momento de generador demasiado elevado, el rotor se frena por el contrario hasta que el rotor circula demasiado lentamente y no se toma la energfa posible maxima del viento. Pero dado que el momento del generador depende 25 directamente del valor de la corriente de excitacion, se produce una posibilidad de ajuste para influir en este punto en el funcionamiento de la instalacion de energfa eolica en el sentido de una optimizacion.
Otra posibilidad de la aplicacion segun la invencion se refiere a la adaptacion acimutal para permitir que resulte lo mas bajo posible el angulo de ginada eventual, asf como el ajuste del angulo de ataque de la pala de rotor (paso) a 30 fin de alcanzar de nuevo un par de fuerzas maximo y extraer correspondientemente un maximo de energfa del viento.
Claims (15)
- REIVINDICACIONES1. Procedimiento para el control de una instalacion de ene^a eolica para maximizar el rendimiento energetico, en el que al menos un ajuste de funcionamiento se vana dentro de Smites (T) predeterminados, en el5 que el angulo de ataque de la pala de rotor y/o el ajuste de acimut se vana para producir un ajuste optimo y en el que las variaciones se realizan en intervalos de tiempo predeterminables.
- 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1,caracterizado porque los intervalos de tiempo se vanan en funcion de las condiciones del emplazamiento y/o 10 funcionamiento predeterminables.
- 3. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porque la variacion se realiza alrededor un valor predeterminado del ajuste de partida en una direccion o sucesivamente en dos direcciones opuestas.15
- 4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porque la variacion se realiza segun una modificacion de un ajuste de funcionamiento desencadenada por influencias externas.20 5. Procedimiento segun la reivindicacion 4,caracterizado porque la variacion se realiza en un intervalo de tiempo predeterminado segun la modificacion del ajuste de funcionamiento.
- 6. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores,25 caracterizado porque de forma contemporanea a la variacion del ajuste de funcionamiento se detecta una velocidad espedfica de la turbina (relacion velocidad periferica / velocidad del viento) de una pala de rotor.
- 7. Procedimiento segun la reivindicacion 6,caracterizado porque se determina una diferencia entre el ajuste de partida y el ajuste variado gracias a la 30 velocidad espedfica de la turbina maxima.
- 8. Procedimiento segun la reivindicacion 7,caracterizado porque la diferencia determinada se tiene en cuenta en la modificacion del ajuste de funcionamiento siguiente, desencadenada por influencias externas.35
- 9. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porque el ajuste variado, la direccion y el valor de la variacion se almacenan y/o evaluan.
- 10. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores,40 caracterizado porque el valor de la variacion se aumenta con una primera velocidad y se reduce con una segunda velocidad.
- 11. Procedimiento segun la reivindicacion 10,caracterizado porque la primera velocidad es menor que la segunda velocidad.45
- 12. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porque la variacion se interrumpe al alcanzar un maximo de rendimiento y se mantiene el ajuste con el maximo de rendimiento.50 13. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado porque la direccion de variacion, que condujo a un aumento del rendimiento en el caso de la variacion anterior, se usa como direccion inicial para la variacion.
- 14. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores,55 caracterizado porque la direccion de variacion se invierte en el caso de una reduccion del rendimiento.
- 15. Procedimiento segun la reivindicacion 14,caracterizado porque despues de una reduccion del rendimiento tras una inversion de la direccion de variacion se finaliza la variacion.
- 16. Instalacion de energfa eolica para la realizacion del procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en la que la instalacion de energfa presenta un rotor, un generador conectado con el, as^ como un dispositivo de control para el control del ajuste de pala de las palas de rotor de un rotor y/o para la orientacion del5 rotor respecto al viento.
- 17. Instalacion de energfa eolica segun la reivindicacion 16,caracterizada porque el dispositivo de control contiene al menos un microprocesador o microcomputador y una memoria.10
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