Un método de extraer energía eólica incluyendo: proporcionar una torre (10);

soportar una pluralidad de turbinas movidas por rotor (12) en dicha torre (10) a múltiples alturas; proporcionar un sensor de velocidad del viento asociado con cada una de dichas turbinas (12) para medir la velocidad del viento en una turbina respectiva (12); optimizar los parámetros de diseño de cada turbina movida por rotor (12) para la velocidad esperada del viento a la altura en que se soporta; y controlar cada turbina (12) para óptimo rendimiento para su velocidad medida del viento a la altura a la que se soporta

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere al campo de los generadores de turbinas eólicas. Específicamente, la invención se refiere a un método de extraer energía de una serie de rotores de turbinas eólicas en una sola torre que están individualmente optimizados para mejorar la economía de todo el sistema. Soportar una pluralidad de turbinas movidas por rotor en una torre a múltiples alturas se conoce por los documentos DE-A-19513321 o DE-A-4236092.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Se ha difundido el uso de turbinas eólicas para generación de electricidad en los últimos años. La capacidad acumulada de las turbinas eólicas instaladas en todo el mundo ha aumentado a una tasa de aproximadamente 32% por año en los últimos diez años. A finales de 2001, la capacidad total instalada de turbinas eólicas en todo el mundo ascendía a más de 20.000 MW. Las perspectivas de crecimiento futuro de la industria son brillantes, aunque la economía de energía eólica debe seguir mejorando para que el mercado crezca. Hay signos de que el potencial de ganancias económicas de la tecnología actual de las turbinas eólicas se ha frenado.

A medida que el mercado para turbinas eólicas ha crecido en los últimos años, también ha crecido el tamaño de las turbinas. La figura 1 representa el diámetro de rotor típico y la potencia de régimen para turbinas eólicas de la técnica actual instaladas en Europa en los últimos 15 años. La mayoría de los fabricantes de turbinas eólicas han introducido recientemente diseños de turbinas del rango de 1,5 a 2,5 MW con rotores de 66 a 80 m de diámetro. Incluso turbinas más grandes están en la mesa de diseño de la mayoría de los fabricantes de turbinas eólicas. La tendencia hacia turbinas más grandes ha sido impulsada parcialmente por las mejoras tecnológicas y económicas, pero la tendencia ha sido impulsada en gran parte por la demanda del mercado. Las turbinas eólicas más grandes han demostrado ser más productivas que los diseños más pequeños, en gran parte debido a la mayor altura de las torres de las máquinas más grandes. Además, hay una economía de escala que favorece a las turbinas grandes porque hay ciertos costos fijos asociados con la construcción de carreteras, planificación de proyectos, equipo SCADA, y operaciones y mantenimiento que no aumentan con las turbinas más grandes. Sin embargo, las turbinas grandes también son considerablemente más caras que las máquinas más pequeñas y la economía de escala no explica completamente la tendencia a turbinas eólicas del tamaño de multi-megavatios. Los desarrolladores de proyectos han demandado turbinas eólicas más grandes al menos parcialmente debido a cuestiones de percepción. En Europa, donde la densidad de población es relativamente alta en comparación con los Estados Unidos, es más fácil obtener permisos para menos turbinas grandes en comparación con un mayor número de turbinas pequeñas. Además, cuando las turbinas eólicas se instalan en alta mar, hay un mercado creciente para las turbinas muy grandes a usar en dicho mercado.

A medida que aumenta el tamaño de turbinas eólicas, hay varias cuestiones técnicas que afectan adversamente a la economía de la energía eólica y que pueden dar lugar potencialmente a limitaciones en tamaño de las turbinas. Los principios de diseño básicos indican que el peso de la turbina aumenta aproximadamente con el cubo del diámetro de rotor. El costo del sistema es generalmente proporcional al peso de la turbina y por ello el costo de la turbina incrementa aproximadamente con el diámetro de rotor al cubo. El peso y costo de las turbinas aumentan más rápidamente que la captación de energía, que incrementa con el diámetro de rotor al cuadrado. Para turbinas de tamaño relativamente pequeño, hay otras economías de escala que tienen más peso que el aumento de peso y costo de las turbinas; sin embargo, con respecto a las turbinas de un tamaño de más de un megavatio aproximadamente las economías de escala tienen más peso.

Otro problema de las turbinas eólicas grandes es la deflexión de las palas. El rotor de turbina eólica está orientado típicamente contra el viento de la torre de modo que las palas se curven a favor del viento hacia la torre. El diseñador de turbinas debe tener cuidado de que la pala no choque con la torre, originando por ello un fallo catastrófico. La rigidez de pala, definida por el módulo de elasticidad del material multiplicado por el momento de inercia en sección transversal, o El, aumenta cuando la pala es más larga. Sin embargo, las cargas que producen deflexión también aumenta con palas más largas. Si todas las dimensiones de las palas se escalan proporcionalmente a la longitud de la pala, entonces El aumenta con la longitud de la pala a la cuarta potencia, mientras que el momento de flexión incrementa con la longitud de la pala a la tercera potencia. Esto daría lugar a menor deflexión de las palas más largas. Sin embargo, consideraciones prácticas tales como utillaje, peso de pala, y costo del material limitan el diseño de modo que la cuerda y grosor de la pala sean menores con relación a la longitud de la pala con rotores grandes. Esto produce una relación de aspecto más alta y menor solidez de los roto-res grandes. La menor solidez requiere una velocidad en punta más alta para un buen rendimiento aerodinámico y la mayor velocidad en punta puede dar lugar a mayor refuerzo centrífugo de la pala que reduce deflexión de las palas. Sin embargo, los problemas de ruido tienden a limitar la relación de velocidad en punta de modo que el refuerzo centrífugo sea menor en rotores muy grandes. Por lo tanto, la deflexión es el factor principal del diseño de rotores muy grandes. Las deflexión de las palas puede ser mitigada usando gran inclinación hacia arriba de la barquilla de la turbina eólica. Sin embargo, los diseñadores de turbinas eólicas ya están usando altas inclinaciones hacia arriba (7 grados) y conicidad negativa para evitar los choques en torre. Algunos palas son se construyen incluso curvados incorporando conicidad negativa efectiva. Todo esto apunta a que la deflexión de las palas es un criterio limitador de los rotores muy grandes de turbinas eólicas.

Otra cuestión de los rotores muy grandes es que hay una gran cantidad de material compuesto en cada pala, lo que puede dar lugar a problemas de material. Estadística-mente, hay una probabilidad más alta de un defecto existente en una pala grande que en una pala pequeña. Si una pala incorpora un defecto, puede propagarse a una fisura que eventualmente dará lugar al fallo de la pala. A medida que aumenta el grosor del laminado de pala, cada vez es más difícil detectar defectos en el material. Por lo tanto, las palas muy grandes de turbinas eólicas pueden tener una probabilidad estadística más alta de fallo que un mayor número de palas más pequeñas.

Otro problema de las turbinas eólicas muy grandes es la logística de transporte e instalación. Las palas de gran longitud que se utilizan en turbinas eólicas de muchos megavatios pueden exceder de la capacidad de las carreteras públicas. Además, la altura de las torres necesarias para soportar los rotores grandes puede exceder de la capacidad de altura de las grúas fácilmente disponibles.

Otro problema que experimentan las turbinas eólicas grandes actualmente en desarrollo o comercializadas es que los rotores son tan grandes que experimentan un diferencial masivo de velocidad del viento de un lado del rotor al otro. En el Medio Oeste se han medido exponentes de cizalladura vertical del viento de hasta 0,40, que pueden hacer que la velocidad del viento a través de un rotor de 70 m varíe 62% de la parte inferior a la superior si la turbina está montada en una torre de 65 m. La variación en la carga del viento es aún más severa dado que las cargas son generalmente proporcionales a la velocidad del viento al cuadrado. En el ejemplo dado, la carga de flexión debida al viento en la parte superior del rotor sería 262% más alta que la carga de flexión debida al viento en la parte inferior del rotor. Dado que cada pala se mueve a través de este campo de cizalladura, se somete a condiciones extremas de carga de fatiga. Desde el punto de vista de la energía, las cosas son aún peores. La energía del viento es proporcional a la velocidad del viento al cubo, lo que significa que la energía contenida en el viento en la parte superior del rotor es 425% más alta que la energía contenida en la parte inferior del rotor.

Dado que todas las palas tienen la misma velocidad rotacional y ángulo de paso, significa que todo el rotor debe estar optimizado...

1. Un método de extraer energía eólica incluyendo: proporcionar una torre (10); soportar una pluralidad de turbinas movidas por ro

tor (12) en dicha torre (10) a múltiples alturas;

proporcionar un sensor de velocidad del viento asociado con cada una de dichas turbinas (12) para medir la velocidad del viento en una turbina respectiva (12);

optimizar los parámetros de diseño de cada turbina movida por rotor (12) para la velocidad esperada del viento a la altura en que se soporta; y

controlar cada turbina (12) para óptimo rendimiento para su velocidad medida del viento a la altura a la que se soporta.

2. El método de la reivindicación 1, donde el paso de optimizar cada turbina movida por rotor (12) incluye seleccionar una potencia de régimen para cada turbina

(12) en base a la velocidad anual media del viento a la altura a la que se soporta.

3. El método de la reivindicación 1, donde el paso de optimizar cada turbina movida por rotor (12) incluye dotar a cada rotor (12) de una pluralidad de palas (20) y seleccionar la relación de la zona en forma plana de dichas palas (20) a la zona de barrido de cada dicho rotor

(12) en base a la velocidad anual media del viento a la altura a la que se soporta.

4. El método de la reivindicación 1, donde el paso de optimizar cada turbina movida por rotor (12) incluye seleccionar un diámetro de rotor en base a la velocidad anual media del viento a la altura a la que se soporta.

5. El método de la reivindicación 1, incluyendo además el paso de proporcionar un controlador que recibe datos de cada uno de dichos sensores de velocidad del viento y controlar la operación de cada turbina (12) en base a la velocidad medida del viento.

6. El método de la reivindicación 5, donde el paso de controlar la operación de cada una de dichas turbinas movidas por rotor (12) incluye usar dicho controlador para regular el paso de pala de cada dicho rotor (12) en

5 base a la velocidad medida del viento en la posición de la turbina.

7. El método de la reivindicación 5, donde el paso de controlar la operación de cada turbina (12) incluye usar dicho controlador para regular la velocidad rotacional de cada dicho rotor (12) en base a la velocidad medida del viento en la posición de la turbina.

8. Una turbina eólica para uso en el método de extraer energía eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.