TURBINA EÓLICA CON REVESTIMIENTO DE SOPORTE DE CARGA.

Esta invención se refiere a turbinas de viento o turbinas eólicas que generan energía eléctrica a partir de energía del viento, y en particular se refiere a turbinas de viento o turbinas eólicas que tienen un eje de rotor horizontal. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Un objetivo común para los fabricantes de turbinas de viento o turbinas eólicas comerciales es diseñar y producir una turbina eólica o turbina de viento que proporcione un coste de energía (COE, cost of energy) lo más bajo posible a lo largo de la vida útil de una turbina eólica o turbina de viento. El COE se determina mediante una comparación entre los costes anuales totales y la energía producida anualmente. Por consiguiente, el COE se minimiza disminuyendo el coste de la turbina mientras se incrementa simultáneamente la captura anual de energía. En el momento actual, esencialmente todas las turbinas de viento o turbinas eólicas comerciales poseen un rotor de dos o tres álabes que gira alrededor de un eje horizontal. El rotor está formado por un buje central del rotor y los álabes, que definen un diámetro de raíz de álabe situado en la unión entre el buje central del rotor y cada álabe. Cada álabe está fijado de manera rígida al buje central del rotor con un cojinete de álabe, que impide que el álabe se mueva de manera relativa al buje central del rotor en todas las direcciones excepto de manera giratoria a lo largo de la dirección longitudinal de extensión del álabe. El grado de libertad giratorio se utiliza para hacer cabecear el álabe hacia el viento o para alejarlo del viento, regulando de este modo la potencia mecánica producida. El cojinete de álabe también se proporciona con un sistema de cabeceo que incluye actuadores mecánicos y engranajes, un sistema de lubricación de cojinete, un anillo colector para transferir potencia a los actuadores mecánicos, y un sistema de suministro de energía de respaldo. El sistema de suministro de energía de respaldo permite el control de cabeceo durante los tiempos de parada de emergencia. Generalmente se considera que un álabe es óptimo si posee una forma de álabe con una fuerza de álabe requerida y un coste de producción total mínimo, sujeto a restricciones de cuerda máxima, pero no de diámetro de raíz de álabe. Debido al aumento de los costes del rotor y del sistema de cabeceo que se utiliza en álabes tradicionales, el diámetro de raíz de álabe se ha limitado a tamaños por debajo de los valores óptimos determinados teniendo en cuenta únicamente los requerimientos estructurales del álabe. Consecuentemente, los álabes son más pesados y más costosos que el álabe óptimo. En el caso de diámetros grandes de rotor, el diámetro de raíz de álabe limitado, no óptimo resulta en cargas de flexión periférica altas que limitan la longitud del álabe y, por lo tanto, la captura anual de energía. En el documento de patente de EE.UU. Nº 6.285.090; en el documento WO 02/057624; en el documento de patente de EE.UU. Nº 6.872.049; en el documento WO 01/21956; y en el documento DE 29609794 se describen diseños de turbinas de viento o turbinas eólicas que utilizan un único cojinete de rotor. Cada uno de estos diseños utiliza un rotor de tres álabes con cojinetes de cabeceo de álabe, y por lo tanto heredan las deficiencias de un álabe no óptimo descrito anteriormente. Consecuentemente, las ventajas declaradas de la técnica anterior están limitadas a cambios relativamente pequeños en las estructuras de soporte y a la mejora del acceso de servicio al interior de un rotor. En el documento EP 0 627 805 A2 se describe el diseño de una turbina eólica o turbina de viento que utiliza un rotor de dos álabes tal como se describe en el preámbulo de la reivindicación 1. Una turbina eólica o turbina de viento Gamma, fabricada por West Energy Systems, Taranto, Italia, se diferencia de otros diseños al introducir variaciones en el ángulo de guiñada de la góndola para controlar la potencia mecánica producida por el rotor. En este diseño, los álabes se fijan directamente al buje central del rotor, lo que evita la necesidad de utilizar cojinetes de álabe. El buje central del rotor es soportado por dos charnelas de abatimiento, que están a su vez fijadas a un árbol convencional que tiene un diámetro pequeño y una estructura de placa de asiento. La separación entre las dos charnelas de abatimiento es necesariamente pequeña debido al pequeño diámetro del árbol. En esta configuración, la pequeña separación entre las charnelas de abatimiento sustituye al diámetro de cojinete de álabe como factor que limita la dimensión del buje, y, por esta razón, el diámetro de raíz de álabe. Esto también resulta en un mayor peso y coste de los álabes comparados con el álabe óptimo. El resultado neto de todos los diseños actuales es un aumento en el capital total de los costes de la turbina, que aumenta mucho más rápidamente que la captura anual de energía debido a las limitaciones en el diámetro del rotor. Consecuentemente, bajar el COE es una tarea difícil, y en ocasiones imposible. 2   Por consiguiente, existe una necesidad de un diseño de turbina eólica o turbina de viento que disminuya simultáneamente el coste de capital inicial de la turbina eólica o turbina de viento aumentando simultáneamente la captura anual de energía con respecto a los diseños actuales. En consecuencia, un objetivo ejemplar para la presente invención es crear una turbina eólica o turbina de viento que utilice álabes óptimos para maximizar la captura de energía para un coste de álabe dado. Otro objetivo ejemplar es crear un rotor de turbina eólica o turbina de viento y una configuración de grupo de engranajes conductores en la que las cargas aerodinámicas y gravitatorias sean conducidas a través de un revestimiento externo para reducir la cantidad de material empleado, lo cual a su vez reduciría el coste de la turbina. Otro objetivo ejemplar es crear una turbina eólica o turbina de viento que utilice un grupo de engranajes conductores con menor número de elementos que las configuraciones tradicionales, lo que también reduciría el coste de la turbina. Finalmente, otro objetivo ejemplar se orienta a la selección de un generador de accionamiento directo. Cuando se selecciona éste, un objetivo es crear un grupo de engranajes conductores con capacidad funcional múltiple. La capacidad funcional múltiple puede incluir por ejemplo, (a) conducción de cargas, (b) contra-hierro para un generador, y (c) enclaustramiento externo para protección frente al tiempo meteorológico y para disipación del calor del generador. SUMARIO DE LA INVENCIÓN Una turbina eólica o turbina de viento incluye una configuración de "accionamiento exógeno" en la que las cargas aerodinámicas y gravitatorias son transmitidas, en la totalidad de su longitud, a través de estructuras que poseen un revestimiento de soporte de carga. Estas cargas son transmitidas a través de estas estructuras que comienzan en la superficie del álabe y terminan en una cimentación de la turbina eólica o turbina de viento. Adicionalmente, las estructuras que conducen la carga desde esencialmente una región interna del álabe (aproximadamente el primer 20% de la extensión longitudinal) y que terminan en la cimentación son grandes y generalmente tienen un diámetro, un espaciado y/o unas características dimensionales comunes. Esta configuración de "accionamiento exógeno" minimiza el uso del material, los desplazamientos estructurales, y el coste total. En una configuración ejemplar, la turbina eólica o turbina de viento está compuesta por tres sistemas estructurales principales: una torre o columna; una góndola, que está fijada de manera giratoria a la torre o columna para girar alrededor de un eje de columna (eje de guiñada); y un rotor. La potencia aerodinámica generada por el rotor se controla cambiando un ángulo de guiñada en la góndola. El rotor se conecta con la góndola a través de charnelas de abatimiento para evitar que las grandes fuerzas giroscópicas producidas durante la guiñada dañen las estructuras asociadas. El movimiento de abatimiento permite balancear las fuerzas giroscópicas mediante la aceleración del álabe y las fuerzas aerodinámicas amortiguadoras. En este ejemplo, la góndola sujeta un árbol hueco que tiene un diámetro relativamente grande. El árbol hueco está fijado de manera giratoria a una estructura de popa de góndola a través de al menos un cojinete para poder girar alrededor de un eje esencialmente horizontal. Las charnelas de abatimiento conectan el árbol hueco a un buje del rotor para permitir la acción de abatimiento del buje del rotor con respecto al árbol hueco. Debido a que el árbol hueco es una estructura de caparazón delgado, las charnelas de abatimiento están necesariamente espaciadas entre sí por una distancia de dimensión acorde... [Seguir leyendo]

1.- Una turbina eólica o turbina de viento que comprende: una torre o columna (10); una estructura (18) de popa de góndola montada en la torre o columna; un árbol (30) fijado de manera giratoria a la estructura de popa de góndola a través de al menos un cojinete (70), donde el árbol tiene un diámetro máximo de árbol y el al menos un cojinete está definido por un diámetro de cojinete que es menor que el diámetro máximo de árbol; un rotor (12) que incluye un buje (50) del rotor sujeto por el árbol, donde el buje del rotor recibe al menos dos álabes (100, 100); y charnelas (40) de abatimiento conectadas al buje del rotor para permitir una acción de abatimiento del buje del rotor con respecto al árbol; caracterizado porque: el árbol es un árbol (30) hueco; las charnelas (40) de abatimiento están espaciadas entre sí separadas por una cierta distancia; y el árbol hueco soporta estructuralmente al rotor con respecto a la estructura de góndola y popa. 2.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 1 en la que el buje del rotor tiene una dimensión máxima de buje del rotor, cada álabe tiene una dimensión máxima de raíz (102) de álabe, y el árbol hueco tiene un diámetro interno máximo, donde el máximo diámetro interno del árbol hueco, la máxima dimensión de la raíz de álabe, y la distancia entre las charnelas de abatimiento se corresponde generalmente con la máxima dimensión del buje del rotor. 3.- Una turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 1, en la que: el árbol hueco tiene un diámetro interno máximo; el buje del rotor tiene una dimensión de buje del rotor máxima y cada álabe tiene una dimensión de raíz (102) de álabe máxima; y el buje del rotor tiene una primera parte y una segunda parte, donde un álabe está fijado a la primera parte y donde las charnelas de abatimiento conectan la segunda parte al árbol hueco de tal manera que la segunda parte es recibida al menos parcialmente en el seno del interior del árbol hueco. 4.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 3, que además comprende un generador de accionamiento directo (200, 230, 260, 280) accionado por el árbol hueco. 5.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 4 en la que el árbol hueco está fabricado de un metal magnetizable, y el árbol hueco sirve como un contra-hierro para una parte del generador de accionamiento directo. 6.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 4 en la que al menos parte del generador de accionamiento directo está situado en el seno del árbol hueco. 7.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 3 en la que el generador de accionamiento directo tiene al menos una superficie externa de generador que forma parte de una superficie externa de la turbina eólica o turbina de viento, y en la que el árbol hueco proporciona al menos parte de la al menos una superficie externa de generador. 8.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 4 en la que el generador de accionamiento directo tiene una topología de flujo radial. 9.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 4 en la que el generador de accionamiento directo tiene una topología de flujo axial. 10.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 3 en la que el árbol hueco define un eje generalmente horizontal en torno al cual giran los al menos dos álabes mencionados. 11.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 3 en la que los al menos dos álabes mencionados comprenden sólo dos álabes. 12.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 3 en la que el diámetro interno máximo del árbol hueco, la dimensión máxima de la raíz de álabe, y la distancia entre las charnelas de abatimiento están cerca de la dimensión máxima del buje del rotor. 9   13.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 3 en la que el diámetro interno máximo del árbol hueco está cerca de la dimensión máxima del buje del rotor de tal manera que sólo existe un pequeño espacio disponible entre la superficie interna del árbol hueco y la superficie externa del buje del rotor. 14.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 3 en la que el al menos un cojinete está sujeto en una aleta (32) de árbol hueco, donde la aleta de árbol hueco tiene una dimensión externa máxima que es menor que la dimensión externa máxima del árbol hueco. 15.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 1 en la que: la turbina eólica o turbina de viento es una turbina eólica o turbina de viento de eje horizontal; la torre o columna y la popa de góndola forman una estructura estacionaria de soporte; el rotor es un rotor de dos álabes; el árbol hueco tiene un diámetro externo máximo, y el diámetro externo máximo del árbol hueco es mayor que el diámetro externo del al menos un cojinete. 16.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 15 en la que la estructura estacionaria de soporte comprende una torre o columna que se extiende en una dirección vertical y una estructura de popa de góndola montada de manera giratoria en la torre o columna con un cojinete de guiñada y que se extiende en una dirección horizontal, y en la que el árbol hueco gira alrededor de un eje horizontal de manera relativa a la estructura de popa de góndola. 17.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 16 que incluye al menos un generador de accionamiento directo sujeto por el árbol hueco. 18.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 17 en la que el al menos un generador de accionamiento directo incluye imanes permanentes y bobinas, donde los imanes permanentes están montados sobre el árbol hueco y las bobinas están montadas sobre una estructura de soporte de bobina fijada a la estructura de popa de góndola. 19.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 17 en la que el buje del rotor tiene una dimensión máxima de buje del rotor, el árbol hueco tiene un diámetro interno máximo, cada álabe del rotor de dos álabes tiene una dimensión máxima de raíz de álabe, y en la que el diámetro interno máximo del árbol hueco, la dimensión máxima de la raíz de álabe, y la distancia entre las charnelas de abatimiento están cerca de la dimensión máxima del buje del rotor. 20.- La turbina eólica o turbina de viento de acuerdo con la reivindicación 16 en la que las fuerzas de álabe son transmitidas al suelo a través de un camino de fuerzas, y en la que el camino de fuerzas está definido por una sección de la raíz de rotor, el buje del rotor, las charnelas de abatimiento, el árbol hueco, el al menos un cojinete, y la estructura de popa de góndola, el cojinete de guiñada, y la torre o columna.   11   12   13   14