UTILIZACION DE LAMINACION DE GRANO ORIENTADO EN UN GENERADOR DE TURBINA EOLICA.
La presente invención se refiere a una turbina eólica para generar energía eléctrica.
La turbina eólica incluye un generador (105) y un rotor (101) para accionar el generador (105). El generador incluye un estator de generador (201) con al menos dos polos de estator (203), y un rotor de generador (210) que consta de al menos dos componentes magnéticos (211). Al menos parte del estator del generador (201) contiene metal con propiedades magnéticas direccionales. El generador (105) está conectado al rotor de la turbina eólica (101) mediante una multiplicadora (103) con objeto de aumentar la velocidad de giro del generador (105) en relación a la velocidad de giro del rotor de la turbina eólica (101)
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200601426.
Solicitante: GAMESA INNOVATION & TECHNOLOGY, S.L..
Nacionalidad solicitante: España.
Provincia: VIZCAYA.
Inventor/es: RASMUSEN,PETER.
Fecha de Solicitud: 30 de Mayo de 2006.
Fecha de Publicación: .
Fecha de Concesión: 21 de Enero de 2010.
Clasificación Internacional de Patentes:
- F03D11/00
- H02K1/16 ELECTRICIDAD. › H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA. › H02K MAQUINAS DINAMOELECTRICAS (relés dinamoeléctricos H01H 53/00; transformación de una potencia de entrada en DC o AC en una potencia de salida de choque H02M 9/00). › H02K 1/00 Detalles del circuito magnético (circuitos magnéticos para relés H01H 50/16). › Núcleos estatóricos con ranuras para los arrollamientos.
Clasificación PCT:
- F03D11/00
- H02K1/16 H02K 1/00 […] › Núcleos estatóricos con ranuras para los arrollamientos.
Fragmento de la descripción:
Utilización de laminación de grano orientado en un generador de turbina eólica.
Objeto de la invención
La presente invención se refiere al campo de la generación de energía eléctrica de una turbina eólica y, especialmente, a generadores de turbinas eólicas.
Antecedentes de la invención
Las turbinas eólicas utilizan varios tipos de generadores para generar energía eléctrica. Un generador comúnmente utilizado es el generador asíncrono, generador de alta velocidad que funciona a velocidades de giro comprendidas en el rango de 1500 RPM a 3000 RPM. Dado que el rotor de la turbina eólica gira generalmente a una velocidad de 20 RPM, se requiere una multiplicadora para aumentar la velocidad de 20 RPM a 1500 RPM como mínimo. Dichas multiplicadoras son propensas a fallos y suponen un alto coste de la turbina eólica.
Otro tipo de generadores utilizados para las turbinas eólicas son los generadores de imanes permanentes de accionamiento directo de baja velocidad que presentan una velocidad de giro correspondiente a la velocidad de giro de las palas del rotor. Por consiguiente, no se necesita ninguna multiplicadora al utilizar generadores de imanes permanentes de accionamiento directo de baja velocidad en una turbina eólica. Los generadores de imanes permanentes de accionamiento directo de baja velocidad utilizados para turbinas eólicas con una salida de potencia nominal de 2-3 MW pueden tener diámetros de 5 a 6 metros y un peso de 5 toneladas. Generadores de este tamaño hacen difícil el transporte del mismo hasta el lugar de construcción, especialmente en los casos de turbinas eólicas marinas. En consecuencia, la sustitución de generadores de accionamiento directo de baja velocidad en caso de fallos es un proceso largo y costoso.
Un primer aspecto de las turbinas eólicas se refiere al rendimiento de energía eléctrica del generador. Por consiguiente, una mejora en el rendimiento energético puede mejorar la rentabilidad de la inversión en turbinas eólicas gracias a una mayor producción de energía eléctrica.
Un segundo aspecto de las turbinas eólicas se refiere a la fiabilidad del generador. La fiabilidad mejorada del sistema del generador aumenta la fiabilidad de la turbina eólica, lo cual permite aumentar el tiempo medio entre fallos (MTBF) de la turbina eólica. El aumento del tiempo medio entre fallos reduce por consiguiente los costes de servicio y aumenta la producción de energía eléctrica en función del tiempo, lo cual es importante para la rentabilidad de la inversión en turbinas eólicas.
Un tercer aspecto de las turbinas eólicas se refiere a la dificultad asociada con el transporte de los componentes de la turbina eólica al lugar de construcción y con la sustitución de dichos componentes en caso de fallos.
WO 00/60719 muestra un generador de baja velocidad del tipo de los que se acoplan directamente al eje principal del rotor de la turbina eólica. El generador es un estator integrado por un número de módulos de estator con láminas de estator de grano orientado individuales y que se pueden instalar, reparar y desmontar individualmente e independientemente entre sí. Esto facilita en gran medida y por tanto reduce el coste de montaje de la turbina eólica, especialmente en el mar, ya que el estator para el generador puede transportarse en pequeñas unidades, lo cual facilita asimismo el montaje del estator en la sección superior de la torre. No es necesario utilizar grandes grúas para reparaciones u otro mantenimiento posterior del generador; basta con utilizar dispositivos de elevación más pequeños que pueden ser manejados por una o dos personas.
Resumen de la invención
Uno o varios de los objetos de la invención pueden obtenerse mediante una turbina eólica para generar energía eléctrica, la cual consta de un generador y de un rotor para accionar el generador; dicho generador consta de
- - un estator de generador que consta a su vez de al menos dos polos, cada uno de ellos provisto de bobinados de cable, y un rotor de generador que consta al menos de dos componentes magnéticos, donde parte del estator del generador contiene metal con propiedades magnéticas direccionales, y
- - dicho generador se encuentra conectado al rotor de la turbina eólica mediante una multiplicadora destinada a aumentar la velocidad de giro del generador en relación a la velocidad de giro del rotor de la turbina eólica durante el funcionamiento de la misma.
La invención es particularmente, pero no exclusivamente, favorable para aumentar el rendimiento energético del generador de la turbina eólica aplicando un metal como el hierro, con propiedades magnéticas direccionales, en el estator de la turbina eólica. El metal con propiedades magnéticas direccionales puede ser una laminación de hierro de grano orientado, también denominada láminas de estator de grano orientado. Dicho metal también puede ser un metal compuesto o un metal sinterizado con una estructura de grano orientado. El metal con propiedades magnéticas direccionales como, por ejemplo, las láminas de estator de grano orientado, puede aumentar la conductividad magnética y disminuir las pérdidas en el hierro con objeto de obtener un mayor rendimiento del generador. No obstante, la mejora del rendimiento podría ascender a tan sólo 0,3% a 0,4% para la totalidad de la turbina. La inversión adicional utilizando laminación de grano orientado puede ser de 5000 Euros aproximadamente.
Una ventaja más interesante puede ser que la reducción de pérdidas en el hierro obtenida al utilizar metal con propiedades magnéticas direccionales, da como resultado una reducción del calentamiento de los componentes del rotor y del estator como, por ejemplo, de los imanes permanentes que forman parte del rotor. Al reducir el calentamiento de los imanes permanentes puede evitarse una degradación de la intensidad del campo magnético de los imanes. Una degradación de los imanes disminuye el rendimiento y finalmente requiere la sustitución de los imanes degradados y posiblemente la sustitución de todo el generador.
Además, la invención es particularmente, pero no exclusivamente, favorable para reducir la dificultad asociada con el transporte de los componentes de la turbina eólica al lugar de construcción y con los componentes de sustitución de la misma en caso de fallos gracias al tamaño reducido del generador.
La velocidad de giro prevista para el generador durante el funcionamiento de la turbina eólica es al menos el doble, preferentemente al menos cinco veces, posiblemente al menos diez veces o incluso quince veces la velocidad de giro del correspondiente rotor de la turbina eólica.
El generador de la invención puede ser un generador de velocidad media con una velocidad de giro durante el funcionamiento comprendida en un rango de 30-1000 RPM, preferentemente dentro un rango comprendido entre 45-750 RPM o idealmente dentro de un rango comprendido entre 60-500 RPM. El hecho de que el calentamiento de los componentes magnéticos se mantiene reducido debido a las pocas pérdidas en el hierro cuando la velocidad de giro del generador se encuentra dentro de un rango de 30-1000 RPM representa una ventaja. El generador de la invención puede ser un generador síncrono o asíncrono.
El generador de la turbina eólica consta de una corona de estator que integra una pluralidad de secciones de coronas de estator. Las secciones de coronas de estator pueden ser de metal con propiedades magnéticas direccionales como, por ejemplo, láminas de estator de grano orientado. Puede ser una ventaja que la corona del estator esté formada por secciones de coronas de estator individuales de forma que pueda utilizarse la alta conductividad magnética del metal con propiedades magnéticas direccionales. La corona del estator puede formarse superponiendo varias capas de secciones de coronas de estator.
El rotor del generador de la turbina eólica puede incluir al menos dos componentes magnéticos en forma de imanes permanentes, los cuales ya están totalmente magnetizados durante periodos de tiempo en los que la turbina eólica no se alimenta con energía eléctrica. Una ventaja particular resultante del uso de imanes permanentes es que la capacidad de producción de energía del generador es independiente de una alimentación de energía eléctrica externa.
De modo alternativo, el rotor del generador de la turbina eólica puede incluir al menos dos componentes magnéticos en forma de imanes que se magnetizan durante los periodos de tiempo en los que la turbina eólica se alimenta...
Reivindicaciones:
1. Turbina eólica para generar energía eléctrica que consta de un generador (105) y un rotor (101) para accionar el generador (105); dicho generador (105) consta de
- - un estator de generador (201) que incluye al menos dos polos de estator (203), donde cada polo de estator (203) dispone de bobinados (204) de cable, y un rotor de generador (210) que consta de al menos dos componentes magnéticos (211), donde al menos parte del estator del generador (201) contiene metal con propiedades magnéticas direccionales, y
- - dicho generador (105) se conecta al rotor de la turbina eólica (101) a través de una multiplicadora (103) destinada a incrementar la velocidad de giro del generador (105) en relación a la velocidad de giro del rotor de la turbina eólica (101) durante el funcionamiento de la turbina eólica.
2. Turbina eólica según reivindicación 1, caracterizada porque la velocidad de giro prevista para el generador (105) durante el funcionamiento de la turbina eólica es al menos el doble, preferentemente al menos cinco veces, posiblemente al menos diez veces o incluso quince veces la velocidad de giro del rotor de la turbina eólica (101).
3. Turbina eólica según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada porque el generador (105) es un generador de velocidad media con una velocidad de giro, durante el funcionamiento, comprendida entre 30-1000 RPM, preferentemente entre 45-750 RPM o idealmente en un rango de 60-500 RPM.
4. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizada porque el generador (105) consta de una corona de estator (220) que incluye una pluralidad de secciones de coronas de estator (221).
5. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizada porque los, como mínimo, dos componentes magnéticos (211) son imanes permanentes, los cuales ya están totalmente magnetizados durante periodos de tiempo en los que la turbina eólica no se alimenta con energía eléctrica.
6. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizada porque los, como mínimo, dos componentes magnéticos (211) son imanes que se magnetizan durante periodos de tiempo en los que la turbina eólica se alimenta con energía eléctrica y que se desmagnetizan gradualmente durante periodos de tiempo en los cuales la turbina eólica no se alimenta con energía eléctrica.
7. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, caracterizada porque los, como mínimo, dos componentes magnéticos (211) son electroimanes magnetizados durante periodos de tiempo en los que la turbina eólica se alimenta con energía eléctrica.
8. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en la cual la multiplicadora (103) es una multiplicadora de dos etapas.
9. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en la cual el generador (105) es un generador síncrono.
10. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, que además consta de al menos dos convertidores de frecuencia (106) y donde cada uno de los, como mínimo, dos polos de estator (203) están conectados uno a uno a los, como mínimo, dos correspondientes convertidores de frecuencia.
11. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, que además consta de al menos un convertidor de frecuencia (106) en el que cada uno de los, como mínimo, dos polos del estator (203) están conectados a un sólo convertidor de frecuencia (106) común para los, como mínimo, dos polos de estator (203).
12. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-11, caracterizada porque al menos parte del rotor del generador (210) contiene metal con propiedades magnéticas direccionales.
13. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-12, caracterizada porque el generador (105) es del tipo de los que incluye imanes totalmente magnetizados previamente (211), estructuralmente integrados al generador de inducción síncrono o asíncrono (105) e independientes magnéticamente de los bobinados del estator (204) del generador de inducción síncrono o asíncrono.
14. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-12, caracterizada porque el generador (105) es del tipo de los que incluye imanes (211) magnetizados por el generador, estructuralmente integrados a un generador de inducción síncrono o asíncrono (105) y dependientes magnéticamente de cualquier bobinado del estator (204) del generador de inducción síncrono o asíncrono.
15. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-14, caracterizada porque el diámetro externo del estator del generador (201) está comprendido entre 3 y 4 metros, preferentemente entre 2 y 3 metros e idealmente entre 1 y 2 metros.
16. Uso de un generador que consta de un estator de generador (201) que incluye al menos dos polos (203), donde cada polo (203) dispone de bobinados (204) de cable, y un rotor de generador (210) que consta de al menos dos componentes magnéticos (211), donde al menos parte del estator del generador (201) contiene metal con propiedades magnéticas direccionales, en una turbina eólica que consta de una multiplicadora (105) destinada a incrementar la velocidad de giro del generador en relación a la velocidad de giro del rotor de la turbina eólica (101) durante el funcionamiento de la turbina eólica.
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