Turbina eólica que comprende un rotor con un cubo (10) y álabes de turbina (2) y que asimismo comprende un sistema de control de capa límite para dichos álabes,

en la que se disponen múltiples cámaras de presión (1) en el álabe distribuidas a lo largo de su longitud, de modo que cada cámara de presión se comunica con el exterior del álabe a través de una o más aberturas correspondientes (4) en la superficie exterior del álabe de la turbina, caracterizada porque asimismo en el interior del álabe se extienden un canal de aspiración (8) y un canal de soplado (5) a para conferir una presión negativa y una sobrepresión, respectivamente, a la cámara de presión, estando conectada cada cámara de presión con por lo menos uno de dichos canales a través de una vía de paso de aire en la que se dispone una válvula accionable activamente (6) que está conectada con una unidad de control, a fin de poder comunicar selectivamente dicha cámara de presión con dicho(s) canal(es) o cortar la comunicación, y de este modo poder soplar aire hacia el exterior de la cámara de presión o inyectar aire en dicha cámara a través de la(s) correspondiente(s) abertura(s) en la superficie del álabe

Turbina eólica con control de capa límite.

Antecedentes de la presente invención

La presente invención se refiere a una turbina eólica que comprende un rotor con álabes y que comprende asimismo un sistema de control de capa límite para dichos álabes de turbina.

La industria de turbinas eólicas está creciendo muy rápidamente. Debido al incremento del precio de los combustibles fósiles y debido a cuestiones medioambientales, existe una demanda creciente de energía ecológica. Con el objetivo de asegurar el éxito duradero de las turbinas eólicas y para satisfacer los requisitos futuros de dichas turbinas, se están llevando a cabo muchos proyectos de I+D en relación con todas sus características.

Tomando en consideración las turbinas eólicas modernas de eje horizontal, el objetivo de los proyectos de I+D es maximizar el valor de la producción energética de una turbina eólica dividido por sus costes de producción y sus costes de explotación. En el pasado, la mayoría del presupuesto de I+D se dedicaba al desarrollo estructural de los álabes de la turbina eólica y al desarrollo de todos los componentes mecánicos y eléctricos de una turbina eólica. En este momento, sin embargo, la optimización aerodinámica de los álabes de una turbina eólica se convierte cada vez en un factor más importante. Dado que la energía producida por una turbina eólica es una función directa del diámetro del rotor, un diámetro de grandes dimensiones favorece la producción energética total de una turbina eólica. Sin embargo, los grandes diámetros de los rotores requieren que los álabes de la turbina eólica sean muy rígidos y se requiere un procedimiento de control activo para las cargas aerodinámicas que actúan sobre los mismos. Se necesita una rigidez de valor suficiente para evitar pérdidas aerodinámicas o incluso para evitar el choque de un álabe contra la torre debido a su deflexión excesiva. El control activo de las cargas aerodinámicas que actúan sobre los álabes de la turbina eólica se convierte en un factor más importante cuando la potencia del viento capturada por el rotor a velocidades del viento elevadas excede ampliamente los límites establecidos de resistencia diseñada de la estructura del rotor. Ello se revela especialmente importante en el caso de turbinas eólicas de grandes dimensiones, dado que el margen de seguridad de los límites de resistencia de los componentes se reduce a medida que aumenta el tamaño de la turbina. Por ejemplo, el documento US2004/057828 trata del choque de un álabe contra la torre en el caso de aerogeneradores de grandes dimensiones. A partir de dicha publicación, se conocen mediciones de desviación fuera del plano y mediciones de deformación para controlar una turbina eólica. Un controlador se encarga de utilizar la señal procedente del sensor para determinar el riesgo de choque de un álabe contra la torre. El controlador emprende una acción de control necesaria para prevenir el choque. Las acciones de control propuestas son la inclinación de los álabes, la guiñada del cabezal del rotor o bien la detención de la turbina. En un proceso de optimización aerodinámica dos factores son importantes para maximizar la producción energética de una turbina eólica: su rendimiento global y un control activo de la carga.

El rendimiento global de una turbina eólica de eje horizontal se puede mejorar maximizando la relación sustentación/resistencia de un álabe para diferentes condiciones del viento y/o ángulos de ataque. Incluso en el caso de un flujo de aire ideal y de conversión sin pérdidas, la relación de trabajo mecánico extraíble respecto a la potencia del viento está limitada al valor de 0,593. En la práctica, este valor teórico máximo no se puede alcanzar debido a distintas pérdidas aerodinámicas. La mayoría de las pérdidas aerodinámicas son resultado de la creación de una capa límite en la superficie del álabe de la turbina eólica. Introduciendo técnicas de control de dicha capa límite se pueden minimizar las pérdidas aerodinámicas, lo que conlleva una producción energética más elevada de la turbina eólica.

Una mejora adicional posible que conlleva una producción energética más elevada y una eficiencia más elevada de una turbina eólica moderna de eje horizontal es un sistema activo para controlar las cargas aerodinámicas que actúan sobre un álabe de dicha turbina eólica. Las turbinas eólicas están sometidas a cargas variables relevantes que resultan de la cizalladura del viento, las rachas de aire, el desalineamiento de guiñada y las estelas de turbina contra el viento, lo que reduce significativamente su eficacia y resistencia a la fatiga. La pérdida de sustentación se ha identificado como uno de los factores clave de ineficiencia y de disminución de la resistencia a la fatiga. Asimismo, el diseño de las turbinas eólicas cada vez de mayores dimensiones está limitado, puesto que la potencia y masa del rotor son proporcionales a la potencia segunda y tercera del diámetro de una turbina eólica, respectivamente. Con el objetivo de mejorar la eficiencia y resistencia a la fatiga de las turbinas eólicas existentes y futuras, se pretende controlar de modo eficaz la capa límite en los álabes de la turbina eólica.

A partir del documento GB 2186033 se conoce un sistema de control de la capa límite. En dicho documento se describe un álabe de una turbina eólica provista de una entrada a través de la que el aire penetra y circula a lo largo de una trayectoria interna, y una salida adyacente y esencialmente paralela al borde de ataque del álabe, adaptada para dirigir el flujo de aire procedente de la trayectoria a lo largo de la superficie del álabe hacia el borde de escape del álabe y por lo tanto aumentando su sustentación aerodinámica. El flujo de aire a lo largo de la trayectoria hacia la salida se puede controlar mediante válvulas accionables por centrifugación. Cerrando las válvulas cuando el rotor se encuentra en condiciones de sobrevelocidad y de este modo reduciendo el flujo de aire a lo largo de la trayectoria y por la salida, la corriente de aire a lo largo de la superficie del álabe empeora, por lo que la sustentación aerodinámica disminuye y el rotor se ralentiza. El efecto principal del soplado de la capa límite tangencial propuesto es el incremento de la corriente de aire a lo largo de la superficie del álabe y por lo tanto el incremento de la sustentación aerodinámica. La presión requerida se genera pasivamente mediante la fuerza centrífuga. La entrada de la trayectoria se describe como una entrada adaptada para recibir un flujo de aire que circula a lo largo de la superficie del álabe para aumentar el flujo laminar a lo largo de dicha superficie, y por lo tanto aumentando la sustentación aerodinámica.

El documento WO 00/50778 describe un sistema de control de la capa límite en el que las vibraciones de una cierta estructura, por ejemplo un álabe de una turbina eólica, proporcionan impulsos de partículas fluidizadas procedentes de una cámara a través de una boquilla en el interior de la capa límite de una superficie de dicha estructura para frecuencias relacionadas con la frecuencia de vibración de dicha estructura.

Resumen de la presente invención

Un objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema mejorado de control de la capa límite para álabes de turbinas eólicas que se pueda emplear para múltiples aplicaciones, en función de las condiciones atmosféricas momentáneas y de las cargas que actúen en cada instante sobre los álabes de la turbina eólica.

Dicho objetivo se alcanza mediante una turbina eólica que comprende un rotor con álabes y que asimismo comprende un sistema de control de capa límite para dichos álabes, en la que se disponen múltiples cámaras de presión en el álabe distribuidas a lo largo de su longitud, de modo que cada cámara de presión se comunica con el exterior del álabe a través de una o más aberturas correspondientes en la superficie exterior del álabe de la turbina, y en la que asimismo en el interior del álabe se extienden un canal de aspiración y un canal de soplado para conferir una presión negativa y una sobrepresión, respectivamente, a la cámara de presión, estando conectada cada cámara de presión con por lo menos uno de dichos canales a través de una vía de paso de aire en la que se dispone una válvula accionable activamente que está conectada con una unidad de control, a fin de poder comunicar selectivamente dicha cámara de presión con dicho(s) canal(es) o cortar la comunicación y de este modo poder soplar aire hacia el exterior de la cámara de presión o inyectar... [Seguir leyendo]

1. Turbina eólica que comprende un rotor con un cubo (10) y álabes de turbina (2) y que asimismo comprende un sistema de control de capa límite para dichos álabes, en la que se disponen múltiples cámaras de presión (1) en el álabe distribuidas a lo largo de su longitud, de modo que cada cámara de presión se comunica con el exterior del álabe a través de una o más aberturas correspondientes (4) en la superficie exterior del álabe de la turbina, caracterizada porque asimismo en el interior del álabe se extienden un canal de aspiración (8) y un canal de soplado (5) a para conferir una presión negativa y una sobrepresión, respectivamente, a la cámara de presión, estando conectada cada cámara de presión con por lo menos uno de dichos canales a través de una vía de paso de aire en la que se dispone una válvula accionable activamente (6) que está conectada con una unidad de control, a fin de poder comunicar selectivamente dicha cámara de presión con dicho(s) canal(es) o cortar la comunicación, y de este modo poder soplar aire hacia el exterior de la cámara de presión o inyectar aire en dicha cámara a través de la(s) correspondiente(s) abertura(s) en la superficie del álabe.

2. Turbina eólica según la reivindicación 1, en la que las aberturas de la superficie exterior del álabe están dispuestas de modo que si durante el funcionamiento se sopla aire hacia fuera, el flujo de aire a lo largo de la superficie del álabe queda perturbado.

3. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en la que las aberturas de la superficie exterior del álabe están dispuestas de modo que durante el funcionamiento el aire circula hacia el interior de la cámara de presión o sale de la misma en una dirección esencialmente perpendicular a la superficie exterior en dicho punto.

4. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, de modo que las aberturas de la superficie exterior están situadas en el extradós (parte posterior o lado de aspiración) del álabe en la zona del borde de escape.

5. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, de modo que la superficie exterior en la que se disponen las aberturas está formada por una estructura porosa (3) y por lo tanto las aberturas comprenden poros de dicha estructura porosa.

6. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, de modo que se proporcionan unos medios de medición en los álabes de la turbina, conectados con la unidad de control y adaptados para medir la desviación de los álabes y la solicitación de su material, a fin de determinar las condiciones de la carga que actúa sobre los álabes de la turbina.

7. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las válvulas son válvulas de regulación de caudal.

8. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, de modo que las válvulas dispuestas entre la(s) cámara(s) de presión y los canales se diseñan de modo que se produce el soplado pasivo en el caso de una avería eléctrica o de un fallo de un sistema de inclinación posiblemente existente.

9. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el canal de aspiración está conectado con un dispositivo de aspiración (7).

10. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el canal de soplado está conectado con un dispositivo de soplado (7).

11. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en la que el canal de soplado está abierto en su extremo en una zona (9) del cubo del rotor, de modo que por rotación del rotor se origina una sobrepresión en el canal de soplado por la fuerza centrífuga.

12. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, 10 y 11, en la que el canal de aspiración de aire está abierto en la zona del extremo (9) del álabe, de modo que por rotación del rotor se origina una presión negativa en el canal de aspiración por la fuerza centrífuga.

13. Turbina eólica según la reivindicación 12, de modo que en la zona del extremo del álabe, la abertura, la velocidad de soplado y/o el ángulo de soplado pueden ser fijos o variables, a fin de minimizar la generación de sustentación y/o ruido debido al aire que sale del canal de aspiración.

14. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, de modo que el aire que penetra en el canal de soplado procedente del cubo del rotor o que sale de dicho canal de soplado en dirección hacia el dicho cubo del rotor se conduce en calidad de un fluido refrigerante por los componentes electrónicos y mecánicos dispuestos en la turbina, por ejemplo una transmisión, un alternador y/o un controlador.

15. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las cámaras de presión presentan un volumen reducido, de modo que se evita el retardo en la respuesta al cambiar de aspiración a soplado y viceversa.

16. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el sistema de control de capa límite se combina con un sistema de control de la inclinación de los álabes.

17. Procedimiento para controlar la carga que actúa sobre un álabe de una turbina eólica, en el que se emplea una turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

18. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que el control de las válvulas se basa en un modelo matemático, que puede ser una función de la velocidad de rotación del álabe de la turbina eólica, de la velocidad del viento, del ángulo de ataque del álabe, de la potencia instantánea producida por la turbina eólica, del momento instantáneo de fuerzas sobre el eje de la turbina y/o de un dispositivo que permita predecir rachas de viento.

19. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que la solicitación del material del álabe de la turbina debido a la carga aerodinámica que actúa en dicho álabe se mide en uno o más puntos de dicho álabe y la apertura de las válvulas se controla instantáneamente basándose en las mediciones locales de la solicitación del material del álabe.

20. Procedimiento según la reivindicación 17, en el que la deflexión del álabe de la turbina debido a la carga aerodinámica que actúa en dicho álabe se mide en uno o más puntos, y la apertura de las válvulas se controla instantáneamente basándose en las mediciones locales de la deflexión del álabe de la turbina.