ES2641940T3 - Turbina para aprovechamiento de la energía de las olas - Google Patents

Turbina para aprovechamiento de la energía de las olas Download PDF

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Description

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DESCRIPCION
Turbina para aprovechamiento de la energla de las olas Campo de la invencion
La presente invencion se engloba dentro del campo de la captacion de energla de las olas utilizando la tecnologla de columna de agua oscilante, y mas en concreto, en la turbina unidireccional que transforma el flujo de aire en movimiento rotacional para ser transmitido a un generador.
Antecedentes de la invencion
En la actualidad, los dispositivos de columna de agua oscilante (tambien llamada Oscilating Water Column u OWC) para la generacion de energla a partir de las olas, son probablemente los que han sido estudiados mas extensamente y unos de los pocos que han alcanzado la etapa de prototipo a escala completa. El flujo alternativo de aire desplazado por el movimiento de la superficie libre de agua en el interior de la columna acciona una turbina de aire montada en la parte superior del dispositivo de generacion fuera de la accion directa del agua. Dado que el movimiento del aire es bidireccional, para poder utilizar turbinas unidireccionales se debe usar una conversion de flujo alternativo a flujo unidireccional. Alternativamente, la planta puede estar equipada con una turbina bidireccional auto rectificada, la cual elimina la necesidad de valvulas antirretorno u otros medios. Esta ultima ha sido adoptada en la mayorla de plantas piloto construidas hasta el momento utilizando habitualmente la turbina de tipo Wells.
La eficiencia de las turbinas esta muy relacionada con el factor de flujo que depende de la velocidad de giro del rotor, la velocidad de flujo del aire y del angulo de los alabes, tanto los del rotor como los del estator. Para reducir la influencia de los cambios de flujo en la eficiencia a expensas de una mayor complejidad mecanica y costes, se emplean turbinas de geometrla variable controlando el paso de los alabes. Existen multiples implementaciones sobre el control del paso de los alabes, aplicadas fundamentalmente en el rotor, con mecanismos accionados por sistemas hidraulicos, electromagneticos, etc., pero se han encontrado con graves problemas tecnicos debido a la dificultad de introducir mecanismos en un rotor que se encuentra girando a gran velocidad y que ademas se encuentra en un entorno marino. Igualmente la situacion del rotor, con muy baja accesibilidad, hace muy diflcil las operaciones de mantenimiento.
En este sentido, la patente US2005271508 presenta un sistema de paso variable por empuje del aire para alabes simetricos gracias a la flexibilidad del alabe. El empuje del aire deforma la parte flexible del alabe consiguiendose una forma aerodinamica mejorada, aunque tiene las desventajas de que se aplica solamente a alabes simetricos y la flexibilidad implica una falta de dureza de la superficie del alabe que reduce su durabilidad, provoca crecimiento de suciedad marina y reduce el rendimiento aerodinamico.
La patente US20100290908 muestra un mecanismo de cambio de paso para una turbina OWC basado en un sistema de engranajes. El sistema de cambio de paso es complejo y esta situado en el rotor con lo que tiene graves problemas de mantenimiento y elevado consumo para su accionamiento, junto con un bajo rendimiento al ser un alabe simetrico.
La patente US20130255246 describe una turbina bidireccional con rotor con cambio de paso variable donde los alabes pivotan alrededor de un eje y tiene un mecanismo que controla el giro de cada pala. Esta patente cambia el paso de los alabes del rotor y no utiliza alabes gula. Con ello tiene la complejidad mecanica y de mantenimiento.
Y la patente US20130145753 describe una turbina bidireccional con rotor con cambio de paso variable donde los alabes pivotan a traves de un eje de giro paralelo al borde de ataque y un mecanismo que controla el giro de cada pala. Esta patente cambia el paso de los alabes del rotor y no utiliza alabes gula. Con ello tiene una gran complejidad mecanica y de mantenimiento.
Otro inconveniente es la necesidad de sensores precisos y actuadores rapidos para el cambio de paso activo de los alabes. Se han propuesto equipos de cambio de paso pasivo de los alabes del rotor y por tanto de accion rapida y sin consumo, gracias a permitir que el aumento del empuje del aire tienda a abrir el angulo de paso de los alabes. Este efecto positivo se ve limitado debido a que no existe una ley constante valida en todos los casos que regule de manera optima el grado de apertura de los alabes con el salto de presion y la velocidad de rotacion de la turbina.
Otro problema sucede cuando al situar este equipo en el rotor, la rotacion de este produce una fuerza centrlfuga en los alabes al no coincidir el centro de gravedad del alabe con el eje de giro de este, que modifica el equilibrio de fuerzas y varia el angulo del alabe. Esto solo puede ser compensado parcialmente con alabes de curvatura simple bien contrapesados.
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El documento WO2012/112892 muestra un conjunto de turbina axial con caracterlsticas de mejora de la eficiencia del funcionamiento de la turbina. En una realization el conjunto de turbina incluye un rotor con palas que ajustan su angulo de paso en respuesta directa a la presion del fluido de trabajo en las propias palas o en otras partes del rotor. En otras realizaciones, el conjunto de turbina es desplegable en una aplicacion, tal como un sistema de columna de agua oscilate (OWC), en el que el flujo del fluido de trabajo varla a lo largo del tiempo. En una primera de estas realizaciones, el conjunto de turbina incluye una valvula que permite que la presion se construya de forma que el flujo se optimice para los parametros operativos de la turbina. En una segunda de estas realizaciones, se proporcionan uno o mas conjuntos de toberas y obturadores de admision variable para controlar el flujo a traves de la turbina para optimizar el flujo con respecto a los parametros operativos de la turbina.
El documento GB813343 muestra mejoras relativas a un aparato para el control de fluidos canalizados. El aparato tiene una pluralidad de paletas dispuestas sucesivamente a traves del flujo de un fluido, extendiendose cada uno longitudinalmente en una direction transversal a dicho flujo. Cada paleta es pivotante alrededor de un eje que se extiende longitudinalmente para variar la obstruction mediante dicha paleta del fluido a lo largo de su flujo. El aparto tiene medios de control del pivotamiento de cada paleta independientemente de al menos de alguna de las otras paletas dependiendo de variaciones de velocidad del fluido que se aproxima a la region de la paleta para oponerse a tales variaciones variando la obstruccion.
Description de la invention
La invencion se refiere a una turbina valida para un dispositivo OWC que tiene un alto rendimiento y robustez en operation real, con respuesta inmediata a condiciones cambiantes de mar y del flujo de aire que se producen en segundos.
Es un objeto de la invencion una turbina unidireccional cuyo estator tiene alabes gula de paso variable y cuyo rotor tiene alabes fijos. Al ser unidireccional, los perfiles de alabe tienen un diseno aerodinamico asimetrico que es mejor que los usados en las turbinas bidireccionales y, con el cambio de paso variable, se consigue que la turbina tenga alto rendimiento para todos los reglmenes de funcionamiento debido a una rapida adaptation del paso del alabe al cambiante estado del mar. Ademas, el cambio de paso situado en el estator permite instalar un mecanismo mucho mas simple que si estuviera en el rotor.
Es un objeto de la presente invencion un sistema de actuation de alabes gula con paso variable semi-activo que logra que el alabe consiga instantaneamente de forma pasiva un angulo de equilibrio que sea el que maximice el rendimiento de la turbina para cada regimen de funcionamiento. Este angulo de equilibrio se consigue gracias a que el empuje, y consecuente par producido sobre los alabes a causa del arrastre y sustentacion del aire al atravesar estos, es compensado por un sistema de actuacion que puede incluir un muelle y/o un amortiguador. Dado que el estado de mar varla de manera frecuente, el control es capaz de variar las constantes de rigidez y/o amortiguamiento del sistema de actuacion. Y para ampliar el campo de action eficiente de la turbina incluso en arranques y paradas, el sistema de actuacion incluye un actuador que mueve el angulo de los alabes al rango de funcionamiento mas adecuado.
De todo lo descrito anteriormente se desprenden las siguientes ventajas: La invencion propuesta mejora el rendimiento de la turbina gracias a la adaptacion instantanea de esta a los cambios de regimen de funcionamiento, as! como a un diseno optimizado del perfil de los alabes. Ademas al estar situados los mecanismos de cambio de paso entre la carcasa interior que cubre el eje de rotation y la cubierta exterior de la turbina, estos quedan fuera del flujo de aire humedo marino con lo que estan protegidos de la corrosion. Ademas situandolos en la parte superior o lateral de la turbina estan a salvo del posible goteo producido en caso de grietas, fisuras o fugas. Ademas, al estar el sistema de actuacion situado en el estator, se evita la complejidad anadida que supone compensar los esfuerzos provocados por el giro del rotor y se facilita el acceso para mantenimiento.
Breve descripcion de los dibujos
A continuation se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invencion y que se relacionan expresamente con una realizacion de dicha invencion que se presenta como un ejemplo no limitativo de esta.
La Figura 1 muestra una section esquematica de la turbina axial.
La Figura 2 representa una vista en perspectiva de la turbina y su carcasa transparente.
La Figura 3 muestra un detalle de los sistemas de actuacion sobre los alabes.
La Figura 4 muestra distintas posiciones de los alabes.
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La Figura 5 representa la posicion del equipo actuador y su interior esquematico.
La Figura 6 muestra la seccion de una turbina radial.
Description detallada de la invention
Tal y como se muestra en la figura 1 la turbina consta de una cubierta exterior (10) y una carcasa interior (11), un estator (13) con alabes gula (30) y un rotor (14) con alabes fijos (20). Los alabes gula (30) se encuentran anclados entre la carcasa interior (11) y el estator (13). Los alabes gula (30) son de paso variable y regulan el flujo del aire sobre los alabes fijos del rotor (20). Estos alabes (30) se pueden mover ya que cada uno tienen un eje de giro (31) entre los puntos de fijacion: carcasa interior (11) y estator (13). El rotor (14) y sus alabes fijos (20) giran acoplados al eje de giro (5).
En una posible implementation mostrada en la figura 2 y en el detalle de la figura 3, todos los alabes gula (30) pivotan sobre su eje longitudinal de giro (31) unidos flsicamente entre si, como por ejemplo a traves de un anillo (7). En dicha implementacion, cada alabe (30) tiene una biela (6) que esta articulada sobre un anillo (7) situado alrededor de la turbina. Al moverse linealmente uno o varios sistemas actuadores (8) acoplados al anillo (7), producen la rotation de este y como consecuencia el giro simultaneo de todos los alabes (30) con el mismo angulo. En otras implementaciones puede haber otros mecanismos distintos de giro de alabes. En otras implementaciones puede no haber ningun mecanismo teniendo cada alabe su propio sistema actuador.
Tal y como se muestra en la figura 4, la rapidez y adecuado ajuste del sistema de control que comanda el cambio de paso son clave para conseguir un alto rendimiento con un bajo consumo, y utilizando soluciones tecnologicas simples y duraderas. As! se logra que la actuation de los alabes gula (30) permita que el empuje y consecuente par producido sobre estos alabes a causa del arrastre y sustentacion producidos por el aire al atravesarlos, tienda a abrir el paso de los mismos. Los parametros de entrada para el sistema de control adaptativo a cada instante son: el salto de presion de aire, el par del generador, la velocidad de giro del rotor y las condiciones del mar. Otros aspectos a tener en cuenta en el control son el modo de funcionamiento (arranque, operation normal o frenado), la busqueda de potencia activa y reactiva, etc. El sistema de control manda las senales al sistema actuador (8) el cual consigue que el alabe tenga instantaneamente un angulo de equilibrio que corresponde con el maximo rendimiento. Sin embargo, se demuestra que la ley de variation de la fuerza de actuacion que provoca que el alabe gula tenga la orientation optima, no es constante, y es para conseguir esta orientation optima para lo que se varlan los parametros del sistema de actuacion (8).
La turbina de la presente invencion consta as! de un sistema de actuacion (8) de alabes gula (30) que permite que el empuje del flujo y consecuente par producido sobre los alabes a causa del arrastre y sustentacion producidos por el aire al atravesar estos, tienda a variar el paso de los alabes tal y como se muestra en la figura 4. As! con una compensation adecuada por parte de un muelle y/o amortiguador se puede conseguir que el alabe (30) consiga instantaneamente un angulo de equilibrio que sea el que maximice el rendimiento de la turbina para cada regimen de funcionamiento. En esta situation el actuador no esta activo, pero el alabe esta sometido al par del muelle (82) y/o del amortiguador (83). As! pues el sistema de actuacion es semi-activo: el muelle y el amortiguador proporcionan un angulo de giro pequeno pero de actuacion instantanea (pasiva), mientras que el actuador (81) proporciona un angulo de giro mas grande pero su actuacion es mas lenta en el tiempo. Con el sistema de control se modifican las constantes de rigidez del muelle (82) y de amortiguamiento del amortiguador (83) y la extension/giro del actuador (81). La constante del muelle (82) se modifica con un actuador que lo alarga o lo acorta, y la constante del amortiguador (83) se modifica haciendo pasar el fluido por una valvula de estrangulamiento. En otras implementaciones la modification de las constantes del muelle y del amortiguador pueden realizarse de maneras diferentes.
En la figura 5 se muestra el sistema de actuacion (8) que esta formado por un actuador (81), un muelle (82) y un amortiguador (83). Entre otras posibles realizaciones practicas el actuador (81) puede ser electromecanico o hidraulico, la variacion de la constante de muelle puede realizarse mediante un actuador electromecanico o hidraulico, y la variacion de la constante de amortiguamiento puede realizarse con el uso de valvulas de estrangulamiento o con el empleo de amortiguadores magneto reologicos que permiten variar la viscosidad del fluido usando un campo magnetico.
Tal y como se muestra en la figura, todo lo mencionado con anterioridad es valido tanto para turbinas axiales (las turbinas comentadas hasta el momento), como radiales (la turbina de la figura 6). El flujo de aire (90) atraviesa los alabes gula (30) que se establecen entre el estator (13) y la cubierta (93). El sistema de actuacion semi-activo de dichos alabes (30) alcanzan instantaneamente el angulo de equilibrio para que los alabes (20) de rotor (14) obtengan el maximo rendimiento. Posteriormente el giro del rotor (14) se transmite al generador encargandose este ultimo de generar electricidad.

Claims (1)

  1. REIVINDICACIONES
    1- Turbina para aprovechamiento de la energla de las olas con dispositivos de columna de agua oscilante, siendo dicha turbina unidireccional y formada por una cubierta exterior (10), y una carcasa interior (11), la cual aloja un estator (13) que comprende alabes gula (30), y un rotor (14) que comprende alabes de rotor (20), el rotor (14)
    5 acoplado con su correspondiente generador, donde los alabes gula (30) del estator (13) tienen paso variable y caracterizado por que la turbina comprende al menos un sistema de actuacion semi-activo (8) que comprende a su vez un actuador (81) y medios de amortiguacion (82,83), los cuales actuan los alabes gula (30) del estator (13) o bien directamente o a traves de un mecanismo que sincroniza la variacion del angulo de paso de todos los alabes gula (30) para modificar el paso de dichos alabes, y un sistema de control para comandar el sistema de actuacion 10 (8).
    2- Turbina para aprovechamiento de la energla de las olas con dispositivos de columna de agua oscilante, segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el sistema de control tiene como datos principales de entrada el salto de presion del aire entre la entrada y la salida de la turbina, la velocidad de giro del rotor, las condiciones del mar y los modos de funcionamiento, siendo la salida del sistema de control las senales que
    15 modifican el sistema de actuacion.
    3- Turbina aprovechamiento de la energla de las olas con dispositivos de columna de agua oscilante, segun la reivindicacion primera, caracterizado por que los medios de amortiguacion comprenden un muelle (82) con rigidez controlable y un amortiguador (83) con amortiguacion controlable, la cual compensa el torque en los alabes gula (30) del estator (13) y consiguen un angulo especlfico para dichos alabes gula (30), permitiendo que el empuje del flujo
    20 de aire y consecuente par producido sobre los alabes gula (30) del estator (13) varle de forma pasiva el paso de estos, y por que el actuador (81) cambia de manera activa los alabes gula (30).
    4- Turbina para aprovechamiento de la energla de las olas con dispositivos de columna de agua oscilante, segun la reivindicacion primera, caracterizado por que la turbina esta seleccionada entre turbinas axiales y radiales.
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