Sistema de control automático y proceso para el vuelo de cometas.

Proceso de control automático para el vuelo de cometas (2), siendo dichas cometas

(2) impulsadas por cables de accionamiento (6), adaptadas para ser utilizadas juntas con un sistema de tipo "carrusel" (20) y adaptadas para generar energía a través de una ejecución periódica de una etapa de tracción y una etapa de recuperación realizada sobre dichas cometas (2), dicho proceso que comprende las etapas de:

- detectar los primeros fragmentos de información relacionados con al menos una posición y una orientación en el espacio de las cometas (2) y las aceleraciones a las que dichas cometas (2) están sometidas;

- detectar los segundos fragmentos de información relacionados con al menos una cantidad de tensión sobre dichos cables de accionamiento (6) de dichas cometas (2) y su posición relativa, una dirección y una intensidad de una corriente de viento W dentro de la cual dichas cometas (2) están inmersas;

- transformar un contenido de dicho primer y segundo fragmento de información (P) en un comando mecánico relacionado con una función de control (U) para accionar dichas cometas (2) a lo largo de una trayectoria de vuelo maximizando una cantidad de energía cinética restada de dicha corriente de viento W; y

- transmitir dichos primeros fragmentos de información para el medio de control y de proceso (7) de dichas cometas (2);

caracterizado porque dicho proceso de control automático realiza la función de control (U) utilizando una metodología de control predictivo basado en un modelo de dinámica del vuelo de dichas cometas (2) a partir de dichos fragmentos de información (P), dicho modelo de dinámica del vuelo de dichas cometas (2) que se define como:

y

siendo dicha función de control (U) expresada como aproximada por una función ^f tal que ut ≥ ^f (zt),

donde:

- Wt es un vector de velocidad del viento o corriente de viento W;

- Vreft es una función de diseño asignada;

- Ut es la acción de control efectivo definido en el tiempo t;

- Xt ≥ [ ϑ t Φ t rt Δ ϑt Δ ΦtΔrt st Δst] es un vector de estado compuesto, en el tiempo t, de las posiciones y variaciones de posición de la cometa (2) baricentro, expresado en coordenadas esféricas, y de las posiciones y variaciones de posición en coordenadas curvilíneas de la trayectoria de movimiento T que se tienen en cuenta; y

Ft es la fuerza útil transmitida por los cables para la generación de energía.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/IT2007/000325.

Solicitante: KITE GEN RESEARCH S.R.L. .

Nacionalidad solicitante: Italia.

Dirección: VIA B. TELESIO 2 20145 MILANO ITALIA.

Inventor/es: IPPOLITO,MASSIMO, MILANESE,MARIO.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO,... > MOTORES DE VIENTO > Detalles, partes constitutivas o accesorios no cubiertos... > F03D11/04 (Estructuras de montaje)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO,... > MOTORES DE VIENTO > F03D5/00 (Otros motores de viento (su control F03D 7/00))
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO,... > MOTORES DE VIENTO > Otros motores de viento (su control F03D 7/00) > F03D5/06 (quedando oscilantes las piezas en contacto con el viento y sin girar)

PDF original: ES-2536180_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Sistema de control automático y proceso para el vuelo de cometas.

La presente invención se refiere a un sistema de control automático y el proceso para el vuelo de cometas, en 5 particular, para la optimización de la conversión de la energía eólica en energía eléctrica o mecánica a través del vuelo de cometas conectadas a través de cables a los dispositivos de conversión en tierra.

De hecho, a partir de algunas patentes anteriores, se conocen los procesos de conversión a partir de la energía eólica en energía eléctrica o mecánica a través de dispositivos que son capaces de convertir la energía mecánica 10 generada por la fuente de viento en otra forma de energía, por lo general en energía eléctrica, que sustrae la energía eólica al viento mediante el uso de perfiles de energía del viento (genéricamente designado con el término "cometa") conectados a la misma a través de cables. En particular, IT-A-TO2003A000945 and EP-A- 04028646.0, que reivindican la prioridad de la primera, en el nombre de Ippolito Massimo, revelan un sistema para convertir la energía cinética de las corrientes de viento en energía eléctrica a través del control de vuelo de cometas conectados a un 15 sistema del tipo "carrusel". En tal sistema, sería deseable utilizar un sistema de control automático y proceso para el vuelo de las cometas utilizadas, que permitan la conducción en tiempo real de las propias cometas según los modos revelados en las patentes anteriores. En la técnica actual, sin embargo, no se conocen sistemas que permitan controlar el vuelo de las cometas utilizadas en el sistema de tipo "carrusel" de una manera eficiente.

También se conocen sistemas (tales como los revelados en US-B1-6254034, US 2002/040948 A1 and US-A-5931416) para convertir la energía cinética de las corrientes de viento en energía eléctrica, en el que al menos una cometa está conectada a través de cables a la unidad de generación de energía y de conducción fijada en tierra: en tales sistemas, la cometa se toma de forma cíclica a través de una etapa de tracción en la que asciende, se empuja por el viento, y durante la cual los cables de desenrollado hacen girar un generador de la unidad en tierra adaptada 25 para generar energía eléctrica, y una etapa de recuperación en la que se recupera la cometa y después se impulsa con el fin de capturar de nuevo el viento. También en estos casos, la técnica no propone sistemas que permitan de manera eficiente el control del vuelo de cometas con el fin de garantizar la optimización de la producción de energía eléctrica, y en particular maximizar la energía mecánica transmitida a tierra a través de cables.

En el pasado, también se han propuesto diferentes configuraciones, relacionadas con el arrastre de barcos por medio de dispositivos que captan las corrientes de viento a través de cometas, como las descritas en particular en el documento GB-A-2, 098, 951, US-A- 5, 056, 447, en US-A-5, 435, 259, en WO-A-03097448, en US-A-2004035345, en US-A-2004200396, en WO-A-2005100147, en WO-A-2005100148, en WO-A-2005100149, y en DE-A-102004018814. 35

También en estos casos, de todos modos, en la técnica actual no se conocen sistemas y/o procesos que permiten controlar el vuelo de las cometas utilizadas para la propulsión de barcos de una manera eficiente.

En cualquier caso, de todos modos, la aplicación, a bordo de los sistemas de conversión citados anteriormente, de 40 algoritmos clásicos de control predictivo basados en modelos de dinámica de vuelo de la cometa para proveer un control automático del vuelo de cometas, requeriría una complejidad de computación y los gastos generales que son poco adecuados con las necesidades del uso de procesadores informáticos pequeños, con costos aceptables, y de proveer instrucciones de comando en tiempo real.

Por lo tanto, el objeto de la presente invención es resolver los problemas anteriores de la técnica anterior proporcionando un sistema de control automático y de procedimiento para el vuelo de cometas que permitan de forma eficiente la optimización de la conversión de la energía eólica en energía eléctrica o mecánica y/o maximizar la energía transmitida a tierra por las propias cometas a través de cables.

Otro objeto de la presente invención es proveer un proceso de control automático del vuelo de cometas que permite una implementación eficiente y compatible computacionalmente con la necesidad de un control en tiempo real, de los algoritmos de control predictivo basados en un modelo de dinámica del vuelo de la cometa.

Los objetos anteriores y otros y las ventajas de la invención, como resultará de la siguiente descripción, se obtienen 55 mediante un proceso de control automático para el vuelo de las cometas como se reivindica en la reivindicación 1.

Por otra parte, los objetos anteriores y otros y las ventajas de la invención se obtienen con un sistema de control automático para el vuelo de las cometas como se reivindica en la reivindicación 5.

Las realizaciones preferidas y las variaciones no triviales de la presente invención son la materia objeto de las reivindicaciones dependientes.

La presente invención se describirá mejor mediante algunas realizaciones preferidas de la misma, proporcionada como ejemplo no limitante, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que: 65

- La Figura 1 muestra un diagrama de bloques que muestra los componentes principales del sistema de control automático para el vuelo de las cometas de acuerdo con la presente invención;

- La Figura 2 muestra una vista superior del sistema conocido como "carrusel" en algunas etapas del vuelo de una cometa; y 5

- La Figura 3 muestra un diagrama que muestra un sistema de referencia en coordenadas esféricas relacionadas con una cometa constreñida a una unidad de accionamiento que se mueve a lo largo de una trayectoria asignada.

En la siguiente descripción, se supondrá que el vuelo de al menos un cometa 2 es impulsado por al menos una 10 unidad de accionamiento 4 equipada con tornos motorizados alternativamente a los que la propia cometa está conectada a través de cables de accionamiento 6, como la revelada sustancialmente en IT-A-TO2003A00094 and en EP-A-04028646.0. En consecuencia, debido a cuestiones de brevedad obvia, para una descripción detallada de los componentes que se mencionaran a continuación y común con el sistema de "carrusel", se debe hacer referencia a las patentes anteriores. Es totalmente evidente de todos modos, como se verá claramente a partir de la siguiente 15 descripción, que el sistema y el proceso de acuerdo con la presente invención se pueden utilizar también para otras aplicaciones, diferentes del sistema de "carrusel", realizando modificaciones dentro del alcance de cualquier persona experta en la técnica.

Con referencia por lo tanto a la FIG. 1, es posible observar que el sistema de control automático 1, para el vuelo de 20 al menos una cometa 2, de acuerdo con la presente invención comprende:

- los primeros medios de detección 3 a bordo de la cometa 2, adaptados para detectar los primeros fragmentos de información relacionados con al menos la posición y orientación en el espacio de la cometa 2 en sí misma y las aceleraciones tri-axiales a las que está sometida; 25

- los segundos medios de detección 5 en tierra, adaptados para detectar los segundos fragmentos de información relacionados con al menos la cantidad de tensión en los cables de accionamiento de la cometa 2 y su posición relativa, la dirección y la intensidad de la corriente de viento W dentro de la cual, la cometa 2 se sumerge, y posiblemente, la posición y los movimientos de la unidad de accionamiento 4 a lo largo de una trayectoria de 30 movimiento de la misma;... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Proceso de control automático para el vuelo de cometas (2) , siendo dichas cometas (2) impulsadas por cables de accionamiento (6) , adaptadas para ser utilizadas juntas con un sistema de tipo "carrusel" (20) y adaptadas para generar energía a través de una ejecución periódica de una etapa de tracción y una etapa de recuperación realizada sobre dichas cometas (2) , dicho proceso que comprende las etapas de: 5

- detectar los primeros fragmentos de información relacionados con al menos una posición y una orientación en el espacio de las cometas (2) y las aceleraciones a las que dichas cometas (2) están sometidas;

- detectar los segundos fragmentos de información relacionados con al menos una cantidad de tensión sobre dichos 10 cables de accionamiento (6) de dichas cometas (2) y su posición relativa, una dirección y una intensidad de una corriente de viento W dentro de la cual dichas cometas (2) están inmersas;

- transformar un contenido de dicho primer y segundo fragmento de información (P) en un comando mecánico relacionado con una función de control (U) para accionar dichas cometas (2) a lo largo de una trayectoria de vuelo 15 maximizando una cantidad de energía cinética restada de dicha corriente de viento W; y

- transmitir dichos primeros fragmentos de información para el medio de control y de proceso (7) de dichas cometas (2) ;

caracterizado porque dicho proceso de control automático realiza la función de control (U) utilizando una metodología de control predictivo basado en un modelo de dinámica del vuelo de dichas cometas (2) a partir de dichos fragmentos de información (P) , dicho modelo de dinámica del vuelo de dichas cometas (2) que se define como:

y

siendo dicha función de control (U) expresada como aproximada por una 30 función f tal que ut = f (zt) ,

donde:

- Wt es un vector de velocidad del viento o corriente de viento W;

- Vreft es una función de diseño asignada;

- Ut es la acción de control efectivo definido en el tiempo t;

- Xt = [t t rt t t rt st st] es un vector de estado compuesto, en el tiempo t, de las posiciones y variaciones de 40 posición de la cometa (2) baricentro, expresado en coordenadas esféricas, y de las posiciones y variaciones de posición en coordenadas curvilíneas de la trayectoria de movimiento T que se tienen en cuenta; y

Ft es la fuerza útil transmitida por los cables para la generación de energía.

2. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicha función de control (U) expresada como ut = f (Zt) se calcula fuera de línea.

3. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicha función f aproximada se estima como:

donde:

4. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque comprende las etapas de:

a) definir un período de muestreo t;

b) proveer un vector Wt;

c) proveer una función vreft; 10

d) proveer un vector de estado Xt = [t t rt t t rt st st]

e) definir las restricciones Fxt+k + Gut + k H, k = 0, ..., Np -1;

f) definir un horizonte de predicción Np y un horizonte de control tal que Nc Np;

g) minimizar una función de coste y obtener al menos una secuencia de control uk, k=1, ..., M;

h) proveer una secuencia de valores

i) calcular de dicho valores asignados

j) a partir de dicho , obtener dicha aproximación ^f de dicha f; 25

k) calcular fuera de línea , en cada instante de muestreo t;

l) almacenar dicho ut en los medios de proceso y de control (7) .

5. Sistema de control automático (1) para un vuelo de al menos una cometa (2) , estando dicha cometa (2) adaptada para ser utilizada junto con un sistema de tipo "carrusel" (20) , siendo dicha cometa (2) controlada por una unidad de accionamiento (4) equipada con dos tornos a los que dicha cometa (2) está conectada a través de dos cables de accionamiento respectivos (6) , dicho sistema de control automático (1) que comprende:

- los primeros medios de detección (3) en un tablero de dicha cometa (2) adaptados para detectar los primeros fragmentos de información relacionados con al menos a una posición y una orientación en el espacio de dicha cometa (2) y las aceleraciones a las que dicha cometa (2) se somete;

- Los segundos medios de detección (5) sobre la tierra adaptados para detectar los segundos fragmentos de 40 información relacionados con al menos una cantidad de una tensión sobre dichos cables de conducción (6) de dicha cometa (2) y su posición relativa, una dirección y una intensidad de una corriente de viento W dentro del cual dicha cometa (2) está inmersa;

- Medios de control y de proceso (7) de dichos primer y segundo fragmento de información (P) , adaptado para 45 transformar un contenido de dicha información (P) en un comando mecánico relacionado con una función de control (U) que opera sobre dichos tornos de dichas unidades de accionamiento (4) para accionar dicha cometa (2) a lo largo de una trayectoria de vuelo que maximiza una cantidad de energía cinética restada de dicha corriente de viento W; y

- un sistema de transmisión de dichos primeros fragmentos de información al dicho medio de procesamiento y de control (7) ; caracterizado porque dichos medios de control y de proceso (7) de dicho sistema de control automático (1) están adaptados para realizar un proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.

6. Sistema (1) de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dichos segundos fragmentos de 5 información se ocupan de la posición y los movimientos de dicha unidad de accionamiento (4) a lo largo de una trayectoria de movimiento de la misma, dichos segundos fragmentos de información están adaptados para ser transmitidos por dicho sistema de transmisión a dichos medios de control y de proceso (7) .

7. Sistema (1) de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dichos primeros medios de detección (3) 10 comprenden acelerómetros tri-axiales, en particular de un tipo MEMS.

8. Sistema (1) de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dichos primeros medios de detección (3) comprenden una brújula electrónica, en particular un magnetómetro Fluxgate.

9. Sistema (1) de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque cada uno de dichos acelerómetros tri-axiales se coloca en un extremo respectivo de dicha cometa (2) junto a un empalme de dichos cables de accionamiento (6) con las paredes de dicha cometa (2) .

10. Sistema (1) de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dichos segundos medios de detección (5) 20 comprenden medidores de deformación adaptados para medir una deflexión de dichos cables de accionamiento (6) .

11. Sistema (1) de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dichos segundos medios de detección (5) comprenden codificadores en dichos tornos de dicha unidad de accionamiento (4) .

12. Sistema (1) de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dichos segundos medios de detección (5) comprenden al menos un anemómetro, o al menos un anemoscopio, o un sistema de visualización artificial en tierra.

13. Sistema (1) de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dicho sistema de transmisión es con fibras ópticas o inalámbrico. 30

14. Un programa de ordenador que comprende un medio de código de programa de ordenador adaptado para realizar las etapas de dicho proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, cuando dicho programa se ejecuta en un ordenador.

15. Un programa de ordenador de acuerdo con la reivindicación 14 y contenido en un medio legible por ordenador.