Instalación de obtención de energía, particularmente turbina eólica.

Instalación de obtención de energía, particularmente turbina eólica,

con un árbol de accionamiento unido con unrotor (1), un generador (8) y con un engranaje diferencial (11 a 13) con dos accionamientos o árboles secundarios,estando unido un primer accionamiento con el árbol de accionamiento, un árbol secundario con un generador (8) yun segundo accionamiento con un accionamiento diferencial (6) eléctrico, caracterizada por que el máximo momentode inercia de masa del accionamiento diferencial eléctrico es JDA,máx ≥ (JR/sges2)*fA, siendo fA £ 0,2 y siendo JR elmomento de inercia de masa del rotor (1) y sges una dispersión de revoluciones por minuto que es la relación delintervalo de revoluciones por minuto del accionamiento diferencial (6) con respecto al intervalo de revoluciones por minuto del rotor (1).

Instalación de obtención de energía, particularmente turbina eólica La invención se refiere a una instalación de obtención de energía, particularmente una turbina eólica con un árbol de accionamiento unido con un rotor, un generador y con un engranaje diferencial con dos accionamientos o árboles secundarios, estando unido un primer accionamiento con el árbol de accionamiento, un árbol secundario con un generador y un segundo accionamiento con un accionamiento diferencial eléctrico.

Los aerogeneradores cada vez tienen más importancia como instalaciones de generación de electricidad. Por ello aumenta continuamente la parte porcentual de la generación de corriente mediante viento. Esto a su vez causa, por un lado, nuevos estándares con respecto a la calidad de la corriente y, por otro lado, una tendencia a turbinas eólicas aún mayores. Al mismo tiempo se puede ver una tendencia hacia turbinas eólicas costa afuera que requieren tamaños de instalación con una potencia instalada de al menos 5 mW. Debido a los elevados costes de infraestructura y mantenimiento o reparación de las turbinas eólicas en el ámbito costa afuera adquieren en este caso una importancia particular tanto el grado de eficacia como los costes de producción de las instalaciones con el uso relacionado con esto de generadores sincrónicos de tensión media.

El documento WO2004/109157 A1 muestra un concepto "de varias vías" hidrostático complejo con varios niveles diferenciales paralelos y varios acoplamientos conmutables, por lo que se puede conmutar entre las vías individuales. Con la solución técnica mostrada se pueden reducir la potencia y, por tanto, las pérdidas de hidrostática. Sin embargo, es una desventaja considerable la estructura complicada de toda la unidad. Además, la conmutación entre los niveles individuales representa un problema durante la regulación de la turbina eólica.

El documento EP 1283359 A1 muestra un engranaje diferencial de 1 nivel y uno de varios niveles con accionamiento diferencial eléctrico, presentando la versión de 1 nivel un generador de corriente trifásico especial colocado coaxialmente alrededor del árbol de entrada con elevadas revoluciones por minuto nominales que debido a la forma constructiva tiene un momento de inercia de masa extremadamente alto con respecto al árbol del rotor. Como alternativa se propone un engranaje diferencial de varios niveles con un generador de corriente trifásico convencional de marcha rápida que está alineado en paralelo con respecto al árbol de entrada del engranaje diferencial.

Ciertamente, estas soluciones técnicas permiten la conexión directa de generadores sincrónicos de tensión media a la red (es decir, sin empleo de convertidores de frecuencia) , sin embargo, las desventajas de las realizaciones conocidas, por un lado, son elevadas pérdidas en el accionamiento diferencial o, por otro lado, en conceptos que resuelven ese problema, una mecánica compleja o construcción de maquinaria eléctrica especial y, por tanto, costes elevados. En general se constata que los criterios relevantes para los costes, tales como, por ejemplo, regulación óptima y tamaño del accionamiento diferencial, no se han tenido en cuenta suficientemente.

Otro ejemplo se muestra en el documento EP1895158.

El objetivo de la invención es evitar sustancialmente las desventajas que se han mencionado anteriormente y poner a disposición una instalación de obtención de energía que garantice, además de los menores costes posibles, también un tamaño constructivo mínimo del accionamiento diferencial.

Este objetivo se resuelve, de acuerdo con la invención, al ser el máximo momento de inercia de masa del accionamiento diferencial eléctrico JDA, máx= (JR/sges2) *fA, siendo fA ≤ 0, 2 y siendo JR el momento de inercia de masa del rotor y sges una dispersión de revoluciones por minuto que es la relación del intervalo de revoluciones por minuto del accionamiento diferencial con respecto al intervalo de revoluciones por minuto del rotor.

Por ello es posible una forma constructiva muy compacta y eficaz de la instalación con la que, además, se resuelven de forma óptima también los aspectos en cuanto a la técnica de regulación para la instalación de generación de energía, particularmente la turbina eólica.

Las formas de realización preferentes de la invención son objeto de las restantes reivindicaciones dependientes.

A continuación se describen detalladamente formas de realización preferentes de la invención con referencia a los dibujos adjuntos.

La Figura 1 muestra, para una turbina eólica de 5 MW de acuerdo con el estado de la técnica, la curva de potencia, las revoluciones por minuto del rotor y los parámetros característicos que se obtienen por ello, tales como la relación velocidad periférica/velocidad del viento y el coeficiente de potencia,

La Figura 2 muestra el principio de un engranaje diferencial con un accionamiento diferencial eléctrico de acuerdo 65 con el estado de la técnica,

La Figura 3 muestra el principio de un accionamiento diferencial hidrostático con combinación de bomba/motor de acuerdo con el estado de la técnica,

La Figura 4 muestra las relaciones de revoluciones por minuto en el rotor de la turbina eólica y los pares de entrada 5 máximos Mmáx que se obtienen por ello para el accionamiento diferencial,

La Figura 5 muestra, a modo de ejemplo, de acuerdo con el estado de la técnica las relaciones de revoluciones por minuto y de potencia de un accionamiento diferencial eléctrico a lo largo de la velocidad del viento,

La Figura 6 muestra la curva característica de par/revoluciones por minuto de un accionamiento diferencial en el intervalo de carga parcial y en el intervalo de carga nominal para dos tipos distintos de funcionamiento,

La Figura 7 muestra el máximo momento permitido de inercia de masa del accionamiento diferencial para un factor de aplicación de fA = 0, 2 y la comparación de la relación típica de momento de inercia de masa con respecto a momento nominal de servoaccionamientos altamente dinámicos de acuerdo con el estado de la técnica o accionamientos diferenciales de acuerdo con la presente invención,

La Figura 8 muestra la influencia del momento de inercia de masa del accionamiento diferencial y la pendiente de la curva característica del par sobre el comportamiento de regulación de la turbina eólica,

La Figura 9 muestra una posible variante de realización de un nivel diferencial en relación con la presente invención,

La Figura 10 muestra una variante de acuerdo con la invención de un nivel diferencial con engranaje planetario escalonado.

La potencia del rotor de una turbina eólica se calcula a partir de la fórmula potencia del rotor = superficie de rotor * coeficiente de potencia * velocidad del viento3 * densidad del aire / 2, siendo el coeficiente de potencia dependiente de la relación velocidad periférica/velocidad del viento (= relación de velocidad de punta de pala con respecto a velocidad del viento) del rotor de la turbina eólica. El rotor de una turbina eólica está diseñado para un coeficiente de potencia óptimo a base de una relación velocidad periférica/velocidad del viento a establecer durante el desarrollo (la mayoría de las veces, un valor entre 7 y 9) . Por este motivo, durante el funcionamiento de la turbina eólica se tiene que ajustar en el intervalo de carga parcial revoluciones por minuto correspondientemente pequeñas para garantizar un grado de eficacia aerodinámico óptimo.

La Figura 1 muestra las relaciones para potencia de rotor, revoluciones por minuto de rotor, relación velocidad periférica/velocidad del viento y coeficiente de potencia para un intervalo de revoluciones por minuto máximo predefinido del rotor o una relación velocidad periférica/velocidad del viento óptima de 8, 0∼8, 5. En el diagrama se puede ver que en cuanto la relación velocidad periférica/velocidad del viento difiere de su valor óptimo de 8, 0∼8, 5, disminuye el coeficiente de potencia y, por tanto, de acuerdo con la fórmula que se ha mencionado anteriormente se reduce la potencia del rotor de forma correspondiente a la característica aerodinámica del rotor.

La Figura 2 muestra un posible principio de un sistema diferencial para una turbina eólica compuesta de nivel diferencial 3 u 11 a 13, un nivel de engranaje de adaptación 4 y un accionamiento diferencial 6 eléctrico. El rotor 1 de la turbina eólica, que está asentado sobre el árbol de accionamiento para el engranaje principal 2, acciona el 45 engranaje principal 2. El engranaje principal 2 es un engranaje de 3 niveles con dos niveles planetarios y un nivel de rueda cilíndrica de dientes... [Seguir leyendo]

1. Instalación de obtención de energía, particularmente turbina eólica, con un árbol de accionamiento unido con un rotor (1) , un generador (8) y con un engranaje diferencial (11 a 13) con dos accionamientos o árboles secundarios, 5 estando unido un primer accionamiento con el árbol de accionamiento, un árbol secundario con un generador (8) y un segundo accionamiento con un accionamiento diferencial (6) eléctrico, caracterizada por que el máximo momento de inercia de masa del accionamiento diferencial eléctrico es JDA, máx = (JR/sges2) *fA, siendo fA ≤ 0, 2 y siendo JR el momento de inercia de masa del rotor (1) y sges una dispersión de revoluciones por minuto que es la relación del intervalo de revoluciones por minuto del accionamiento diferencial (6) con respecto al intervalo de revoluciones por

minuto del rotor (1) .

2. Instalación de obtención de energía de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que fA ≤ 0, 15.

3. Instalación de obtención de energía de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizada por que fA ≤ 0, 1. 15

4. Instalación de obtención de energía de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que el generador (8) es un generador de corriente trifásico.

5. Instalación de obtención de energía de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada por que el generador (8) es 20 un generador de corriente trifásico sincrónico excitado mediante imán permanente.

6. Instalación de obtención de energía de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada por que las revoluciones por minuto nominales del accionamiento diferencial son ≥ 1000 min-1, preferentemente ≥ 1250 min-1, particularmente ≥ 1500 min-1.

7. Instalación de obtención de energía de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada por que el árbol de accionamiento es el árbol de rotor de una turbina eólica.

8. Instalación de obtención de energía de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que un

árbol de unión (16) entre un piñón (11) del engranaje diferencial y el accionamiento diferencial (6) está realizado como árbol de compuesto de fibras.

9. Instalación de obtención de energía de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada por que el

engranaje diferencial (11 a 13) es un engranaje planetario. 35

10. Instalación de obtención de energía de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada por que el engranaje planetario presenta ruedas planetarias (19) con, respectivamente, dos ruedas dentadas que están unidas entre sí de forma resistente al giro y que presentan diferentes diámetros primitivos.

11. Instalación de obtención de energía de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizada por que una curva característica de la potencia del rotor para el intervalo de carga nominal presenta una pendiente con las revoluciones por minuto del rotor, calculándose el valor para la pendiente de la curva característica a partir de la pendiente porcentual de la potencia del rotor entre las revoluciones por minuto nominales del rotor y las máximas revoluciones por minuto del rotor de un intervalo de revoluciones por minuto de regulación.

12. Instalación de obtención de energía de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada por que una curva característica del par del rotor para el intervalo de carga nominal presenta una pendiente con las revoluciones por minuto del rotor, calculándose el valor para la pendiente de la curva característica a partir de la pendiente porcentual del par del rotor entre las revoluciones por minuto nominales del rotor y las máximas 50 revoluciones por minuto del rotor de un intervalo de revoluciones por minuto de regulación.

13. Instalación de obtención de energía de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada por que la pendiente de la curva característica del par del rotor asciende al menos al 3 %, preferentemente al menos al 5 %, en particular al menos al 10 %.