Sistema de giro de una pala de aerogenerador (46) a la posición de bandera durante un proceso de parada de emergencia del rotor.

El sistema comprende un actuador hidráulico (3) funcionalmente conectado a la pala (46) para cambiar el paso de la pala (46) durante el movimiento del actuador hidráulico (3) y un acumulador de emergencia (8) conectado al actuador hidráulico (3) para dirigir el actuador hidráulico (3) con el caudal del acumulador de emergencia (8). El acumulador de emergencia (8) comprende un resorte para mantener bajo presión el fluido en el acumulador de emergencia (8) o un peso (74) dispuesto sobre el fluido en el acumulador de emergencia. El resorte (14) o el peso (74) estando configurados para impulsar el fluido del acumulador de emergencia debido a la expansión o la compresión del resorte

Sistema de giro de una pala de aerogenerador.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a tos aerogeneradores en general y más específicamente a un sistema de giro de al menos una pala de aerogenerador durante el proceso de parada del rotor de dicho aerogenerador.

Antecedentes

Con los recursos energéticos volviéndose gradualmente más escasos y costosos, la producción energética a partir del viento se convierte progresivamente más atractiva. Consecuentemente, durante los últimos años se ha incrementado el interés hacia las energías alternativas como la electricidad generada a partir del viento.

Cuando un aerogenerador funciona en condiciones normales, las palas pueden girarse a posición de bandera durante la parada del aerogenerador. Esto puede realizarse de manera controlada la mayoría de las veces, pero durante las paradas de emergencia, en caso de calda de tensión de red, fallo en el generador o en el sistema de control, el giro de las palas pueden generar diversas cargas incontroladas a la hora de realizar una parada de emergencia.

Mientras que el sistema de control de cambio de paso de la pala del aerogenerador puede ser capaz de llevar las palas a posición de bandera, por ejemplo en caso de excesiva velocidad del viento, los sistemas de puesta en bandera son utilizados para llevar las palas a bandera en caso de emergencia durante un fallo del sistema de control de cambio de paso. Una practica común para conseguir dicha puesta en bandera es ajustar aproximadamente a 90º el ángulo de giro de las palas, de forma que el flujo del viento sobre las palas reduce rápidamente la velocidad de giro del rotor. De esta manera el par provocado por las palas y por ende la velocidad de rotación del rotor del generador es minimizada.

Se han intentado varios sistemas para proporcionar a los aerogeneradores sistemas de puesta en bandera de las palas cuando se considera necesario desconectar el aerogenerador. Para reducir el tiempo de parada en condiciones de excesiva velocidad del viento, es deseable una rápida puesta en bandera. Por otra parte, la puesta en bandera a un ritmo constante, una alta velocidad puede redundar en una sobrecarga en la pala debido al considerable par de deceleración y al empuje inverso experimentado por las palas a medida que alcanzan la posición de bandera. Por lo tanto, como las palas son orientadas a la posición de bandera, el giro de la pala aumenta hasta tal punto donde el flujo del viento no proporciona un momento positivo sobre el rotor de la turbina, el paso siguiente a realizar serla reducir la la velocidad de puesta en bandera para reducir el par de deceleración y el empuje inverso experimentado por las palas, minimizando así el estrés de la pala. Por razones de seguridad, la reducción de la velocidad de giro de las palas como resultado de la aproximación a la posición de bandera no debe anteponerse a alcanzar la posición de bandera con la máxima rapidez mientras el flujo de aire sobre las palas genere un par positivo en el eje del rotor.

Los sistemas de cambio de paso de emergencia son principalmente hidráulicos o eléctricos.

La patente US 4462753 presenta un sistema hidráulico/mecánico de cambio de paso para aerogeneradores con un sistemas de emergencia separado. El sistema de puesta en bandera incluye un actuador de puesta en bandera, sistemas de control operativamente conectados a él y dispositivos de ajuste operativamente conectados a los sistemas de control para variar selectivamente el ratio de operación del actuador de puesta en bandera, para la puesta en bandera de las palas de la turbina de viento a velocidad variable. Una desventaja de esta invención es la necesidad de un seguidor para el funcionamiento de la válvula. El seguidor es costoso y problemático de fabricar. Otra desventaja de esta invención es que usa actuadores separados para girar las palas durante una parada de emergencia y otro actuador para el funcionamiento normal. Otra desventaja adicional del desarrollo es el uso de bombas eléctricas para girar las palas durante la emergencia. En caso de caída de tensión, esto podría acarrear consecuencias fatales.

Los problemas de cambio de paso de emergencia han sido previamente resueltos introduciendo una válvula de control en el sistema hidráulico que limita la velocidad de giro alrededor de los 10 grados/segundo. Esta velocidad de giro es una solución que limita la velocidad de rotación a un valor aceptable en la mayoría de los casos. Gracias a ello se pueden prevenir las cargas extremas de la turbina. El problema crucial es que las válvulas de control del flujo son inexactas. Esta pérdida de exactitud supone que puedan darse flujos de 11 grados/segundo. Las cargas pueden por consiguiente verse incrementadas significativamente. Otra desventaja es que la velocidad de giro depende de la viscosidad del aceite y por lo tanto de la temperatura del mismo.

Los sistemas eléctricos trabajan de forma diferente. Cuando se activa el cambio de paso de emergencia, no existe garantía de continuidad eléctrica en el resto del aerogenerador. Esto puede ser crucial debido al hecho de que el sistema de control puede quedar fuera de servicio. Las baterías u otras fuentes de alimentación eléctrica situadas junto al sistema de giro pueden llevar las palas a posición de bandera. La desventaja de este método es que el generador normalmente origina un par de oposición, sin embargo en caso de disfunción eléctrica el par de oposición no aparecerá. De forma que se puede producir un importante incremento en la velocidad angular del rotor, que puede repercutir en el eje de giro y en el peor de los casos dañar algún componente. Además, las cargas aerodinámicas pueden producir severas cargas incontrolados, debido a que las cargas, generalmente hablando, son proporcionales al cuadrado de la velocidad. Por otro lado, si el giro es demasiado rápido, la pala experimentará una sustentación negativa, y por lo tanto, el rotor puede empujar la turbina hacia delante e introducir cargas extremas en las palas y la torre.

La patente WO06007838 muestra un método de control de al menos una pala durante el proceso de parada del rotor de un aerogenerador. El método optimiza el control de la velocidad del proceso en respuesta a uno o más valores del sistema y/o uno o más valores del entorno del sistema cuando cambia su velocidad de giro de 10 grados/segundo de la etapa inicial a 5 grados/segundo de la etapa final durante el proceso de parada. En la invención se presenta el sistema de control y el aerogenerador, así como su uso. Una desventaja de este sistema es el uso de un sistema de control durante la parada de emergencia. Mientras que sería ventajoso utilizar únicamente un. sistema pasivo mecánico, la invención emplea un sistema de control de la turbina que requiere alimentación eléctrica con la desventaja y el riesgo en caso de calda de tensión.

Descripción de la invención

Es un objeto de la presente invención proporcionar un sistema simple y fiable y un método. para el control de cambio de paso de una pala de un aerogenerador durante el proceso de parada de emergencia de del rotor sin que se produzcan las desventajas anteriormente mencionadas. Especialmente, el objeto de la invención es proporcionar un método y un sistema, en el cual el proceso de parada sea fiable y simple y funcione también durante caídas de tensión. Otras ventajas de la presente invención serán detalladas en la realización práctica de la invención.

El objeto de la presente invención se lleva a cabo por un sistema para girar la pala del de un aerogenerador. El sistema tiene un primer sistema de cambio de paso configurado para girar las palas durante el funcionamiento en condiciones de trabajo normales basado en la realimentación de la señal del sistema de control de cambio de paso, donde el sistema es configurado para girar las palas a la posición de bandera con una velocidad variable durante el proceso de una parada de emergencia. Es más, el sistema además del primer sistema de guiado del giro tiene también un sistema no realimentado de cambio de paso de emergencia para girar las palas a posición de bandera.

El sistema de acuerdo con la presente invención no necesita un lazo de control en situaciones de emergencia y es por tanto, independiente de cualquier sistema de control eléctrico. El sistema de parada de emergencia también funciona en caso de caída de tensión.

Preferiblemente el sistema de cambio de paso es de naturaleza hidráulica, donde las válvulas se encuentren abiertas o cerradas hasta el reconocimiento de una situación de emergencia, como por ejemplo...

1. Sistema de giro de una pala dé aerogenerador (46), que comprende un primer sistema de giro configurado para ajustar el cambio de paso de las palas durante el funcionamiento del aerogenerador en condiciones normales basado en la realimentación de una señal del sistema de control de cambio de paso, configurado para girar las palas a posición de bandera con velocidad de cambio de paso variable durante un proceso de parada de emergencia, caracterizado por que además del primer sistema de cambio de paso comprende un sistema de cambio de paso de emergencia no realimentado para girar las palas a posición de bandera.

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque está configurado para disminuir escalonadamente la velocidad de cambio de paso durante la parada de emergencia.

3. Sistema según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el sistema de cambio de paso de emergencia comprende un actuador hidráulico (3) funcionalmente conectado a la pala (46) para cambiar el giro de la pala (46) durante el movimiento del actuador hidráulico y un acumulador de emergencia (8) conectado al actuador hidráulico (3) para dirigir el actuador hidráulico (3) con el fluido del acumulador de emergencia, estando dicho fluido almacenado bajo presión en el acumulador de emergencia.

4. Sistema según reivindicación 3, caracterizado porque

- el acumulador de emergencia (8) comprende un resorte (14) para mantener bajo presión el fluido en el acumulador de emergencia (8), estando el resorte (14) configurado para conducir el fluido fuera del acumulador de emergencia (8) debido a la expansión o contracción del resorte (14)

ó

- el acumulador de emergencia (8) comprende un peso (74) sobre el fluido del acumulador de emergencia para mantener bajo presión el fluido, estando el peso (74) configurado para conducir el fluido fuera del acumulador de emergencia (8) debido al movimiento descendente del peso (74).

5. Sistema según reivindicaciones 3 o 4, caracterizado porque comprende una distribución de válvulas (23, 37, 31) para liberar el fluido presurizado en el acumulador de emergencia (8), donde la distribución de las válvulas está configurada para liberar el fluido del acumulador de emergencia (8) debido a una señal de activación, indicando la señal de activación una velocidad de la turbina cercana a cierto valor umbral, estando la señal de activación libre de la realimentación del sistema de control para el normal funcionamiento del rotor.

6. Sistema según la reivindicación 3 o 4, caracterizado porque comprende un dispositivo de válvulas para liberar el fluido del acumulador de emergencia (8), donde el dispositivo de válvulas (23, 37, 31) se configura para liberar el fluido del acumulador de emergencia (8) debido a una señal de activación, siendo la señal de activación la falta de corriente eléctrica en el dispositivo de válvulas (23, 37, 31).

7. Sistema según las reivindicaciones 5 o 6, caracterizado porque el dispositivo de válvulas (23, 37, 31) comprende una válvula de emergencia de resorte (23) entre el acumulador de emergencia (8) y el actuador hidráulico (3), donde la válvula de emergencia (23) se configura para estar cerrada durante el funcionamiento en condiciones normales de la turbina debido a la acción de la presión del fluido contra el resorte.

8. Sistema según reivindicación 7, caracterizado porque la presión del fluido se controla mediante una válvula precargada por un resorte, liberándose la carga del resorte mediante la señal de activación.

9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 3-8 anteriores, caracterizado porque comprende unas líneas (18, 20) desde el acumulador de emergencia (8) hasta uno de los lados del pistón (4) del actuador hidráulico (3), una primera línea (33, 34) desde el lado opuesto del pistón hasta el primer depósito (6) para recibir el fluido con un primer flujo volumétrico desde el actuador hidráulico (3) durante el guiado de la pala (46) a posición de bandera, y una segunda línea (26) desde el lado opuesto del pistón (4) hasta un segundo depósito (66) para recibir un segundo flujo volumétrico desde el actuador hidráulico (3) durante el guiado de la pala (46) a posición de bandera, donde la capacidad del primer depósito (6) es menor que la capacidad volumétrica del acumulador de emergencia (8) para reducir la velocidad de cambio de paso durante el llenado del segundo depósito (66) tras haber llenado el primer depósito (6).

10. Sistema según la reivindicación 9, caracterizado porque la segunda línea (26) dispone de un regulador de caudal (31) para limitar el paso de flujo al segundo depósito (66) en función del flujo del primer depósito (6).

11. Sistema según la reivindicación 9 o 10, caracterizado porque el primer depósito (6) dispone de un resorte (42) y un émbolo (44) para mantener bajo presión el fluido en el acumulador de emergencia (8), siendo configurado el embolo (44) para recibir caudal volumétrico decreciente debido a la expansión o la compresión del resorte (42) durante el llenado del primer depósito (6).

12. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 3-8 anteriores, caracterizado porque comprende un circuito(18, 18', 21, 27, 21', 23, 20,) desde el acumulador de emergencia (8) hasta un lado del pistón (4) del actuador hidráulico (3), que comprende una primera línea (21, 43', 27, 21') y una segunda línea (41', 18'), siendo menor la restricción de caudal en la primera línea (21, 43', 27, 21') que en la segunda línea (41', 18') para conseguir un caudal inicial en primer lugar en la primera línea y en segundo lugar en la segunda línea.

13. Sistema según reivindicación 12, caracterizado porque la primera línea (21, 43', 27, 21') comprende una cámara del pistón (27) con una cámara de entrada (30) y una cámara de salida (30') a ambos lados del pistón móvil (28), donde la cámara de entrada (30) está configurada para recibir el caudal del acumulador de emergencia (8) con el que mover el pistón hacia la cámara de salida (30'), y donde la cámara de salida (30') está configurada para suplir caudal al actuador hidráulico (3) al disminuir el volumen de la cámara de salida (30') por el movimiento del pistón.

14. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 3-13 anteriores, caracterizado porque el actuador hidráulico (3) está configurado para la regulación del giro de la pala (48) también durante el funcionamiento en condiciones normales de la turbina eólica.

15. Sistema según reivindicación 14, caracterizado porque comprende una válvula proporcional (10) para dirigir el actuador hidráulico (3) en condiciones normales, que comprende válvulas (25) configuradas para desviar hidráulicamente la válvula proporcional (10) en condiciones de emergencia.