Turbina eólica de eje horizontal de tipo a barlovento, compuesta por:

- un rotor (4) para la rotación alrededor de un eje de rotor X que se extiende en una dirección horizontal, el rotor (4) siendo girado en un plano horizontal según una dirección del viento; - una góndola (3) que tiene una forma simétrica con respecto a un plano imaginario (V) que incluye el eje de rotor X y extendiéndose en dirección vertical; - dos anemómetros (L, R) montados en la góndola (3), y - un controlador para controlar un ángulo de orientación (φ) de un rotor (4) en base a las velocidades del viento medidas por los dos anemómetros (L, R). - en la que los dos anemómetros (L, R) se disponen en posiciones en las dos partes laterales de la góndola (3), donde las posiciones están opuestas entre sí a través del plano imaginario (V)

Turbina eólica de eje horizontal y método para controlar la turbina eólica de eje horizontal.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a una turbina eólica de eje horizontal de tipo a barlovento y un método para controlar dicha turbina eólica de eje horizontal.

En los últimos años se han propuesto turbinas eólicas de eje horizontal y el uso práctico para generar energía eléctrica del viento natural. Esta turbina eólica de eje horizontal está provista de un sensor de orientación, como una paleta de orientación, para medir la dirección del viento que sopla contra el rotor (dirección del viento). Un dispositivo de control de la turbina eólica de eje horizontal, realiza el "control de orientación" de iniciar la rotación del rotor, así como girar el eje del rotor en un plano substancialmente horizontal, de tal manera que el rotor quede dirigido hacia la dirección del viento medida por el sensor de orientación, es decir, el ángulo de orientación (el ángulo entre la dirección del eje del rotor y la dirección del viento) se hace converger en cerca de 0 grados.

Por cierto, la mayoría de las turbinas eólicas comerciales utilizadas hoy en día son turbinas a barlovento en las que un rotor 100 se encuentra en la dirección del viento, como se muestra en las Figs. 4A a 4C. Un sensor de orientación 200 de la turbina a barlovento generalmente se encuentra desde una parte sustancialmente central hasta una parte posterior de la dirección del eje del rotor de la parte superior de una góndola 300.

Sin embargo, las turbinas eólicas suelen instalarse en una topografía compleja y, en la topografía se suele generar un viento de flujo ascendente (soplo hacia arriba). Por lo tanto, cuando el sensor de orientación 200 se encuentra en la parte superior de la góndola 300, como se muestra en las Figs. 4A a 4C, las precisiones de medición de la dirección del viento y del ángulo de orientación se degrada significativamente por efecto de la góndola 300. Como resultado de esto, existe el problema de que se produzca un error entre el ángulo de orientación φ medido por el sensor de orientación 200 y la orientación real φ, por lo que el control de la orientación del rotor 100 no se realiza correctamente.

La Fig. 5 muestra los errores de medición de un ángulo de orientación causados por dicho ángulo de flujo ascendente y hay un gráfico que muestra los resultados de una prueba en un túnel de viento de los valores de medición del ángulo de orientación en el caso de colocar el sensor de orientación 200 en la parte superior de la góndola 300 como se muestra en las Figs. 4A a 4C. En la Fig. 5, la coordenada horizontal es un valor de un ángulo de orientación φ en caso de un ángulo de flujo ascendente de 0 grados (en lo sucesivo llamado "valor del ángulo de orientación real") y la coordenada vertical es la diferencia entre el valor del ángulo de orientación φ medido por el sensor de orientación 200 en caso de un ángulo de flujo ascendente de 0 grados a +30 grados y un valor de la orientación φ en caso de un ángulo de flujo ascendente de 0 grados (en lo sucesivo llamado "error de medición del ángulo de orientación").

Por ejemplo, en el caso de que un flujo ascendente con un ángulo de flujo ascendente de 30 grados sople contra el rotor 100, el error de la medición del ángulo de orientación (la coordenada vertical) cambia de cerca de -30 grados a cerca de +10 grados, en unos 40 grados, correspondiendo a un valor del ángulo de orientación real (la coordenada horizontal) cambiando de 0 +10 grados en unos + 10 grados (véase la Fig. 5: curva E). Es decir, un valor del ángulo de orientación φ medido por el sensor de orientación 200 se mide como el cambio en unos +50 grados, correspondiendo a un valor del ángulo de orientación φ real cambiando en unos 10 grados. Por lo tanto el control de la orientación del rotor 100 se repite, aunque el cambio de la dirección del viento sea ligero.

Estos errores de medición de un ángulo de orientación causado por un ángulo de flujo ascendente se pueden reducir ligeramente colocando el sensor de orientación 200 en una posición alta para que no le afecte la góndola 300. Sin embargo, existe el problema de que el sensor de orientación 200 sea sacudido fácilmente, de que su durabilidad se degrade y de que se incurra en mayores costos debido a que se requiere una barra de soporte muy larga 210 para soportar el sensor de orientación 200.

El documento EP-A-1 505 299, que es el estado de la técnica según el art. 54 (3) del CPE, describe una turbina eólica de eje horizontal de tipo a barlovento, que comprende:

un rotor para la rotación, alrededor de un eje de rotor, que se extiende en una dirección horizontal, el rotor siendo rotado en un plano horizontal según una dirección del viento;

una góndola, que tiene una forma simétrica con respecto a un plano imaginario, que incluye el eje de rotor y se extiende en una dirección vertical;

dos anemómetros montados en la góndola; y

un controlador para controlar un ángulo de orientación de un rotor en base a las velocidades del viento medidas por los dos anemómetros.

Como puede verse en la descripción en relación a los dibujos de la EP-A-1 505 299, la turbina eólica de eje horizontal comprende los siguientes componentes: una torre, una góndola fijada a la parte superior de la torre; un árbol principal que se extiende en una dirección sustancialmente horizontal, un rotor unido de forma giratoria al árbol principal, un elemento de tipo placa unido a la cara superior de la góndola, un sensor de orientación y anemómetros, que están fijados en las posiciones que atraviesan el elemento de tipo placa.

En las turbinas eólicas convencionales, el elemento de tipo placa tiene la función de escudo contra el viento, y los dos anemómetros se disponen en los lados opuestos del elemento tipo placa o escudo contra el viento unidos a la cara superior de la góndola.

El documento US-A-5 289 041 describe un sistema de control de velocidad para una turbina eólica para viento de velocidad variable. En la turbina convencional se provee un sensor del ángulo de orientación, un sensor de velocidad del rotor y un sensor del ángulo de paso de las palas, cuyas señales de entrada son procesadas por medios observadores de la velocidad del viento para ajustar el rotor para obtener una mejora de la eficiencia de la turbina eólica.

En la turbina convencional según la US-A-5 289 041 no se puede encontrar ninguna enseñanza específica referente a la colocación de un par de anemómetros en posiciones específicas para controlar un rotor sin ningún tipo de sensor de orientación.

Sumario de la invención

Un objeto de la presente invención es lograr un control exacto de la orientación en una turbina eólica de eje horizontal de tipo a barlovento que esté instalado en un sitio donde se suela generar un flujo ascendente.

Para solucionar este problema, según la invención, se describe una turbina eólica de eje horizontal de tipo a barlovento que comprende:

un rotor, para la rotación alrededor de un eje de rotor, que se extiende en una dirección horizontal, el rotor siendo girado en un plano horizontal según una dirección del viento;

una góndola que tiene una forma simétrica con respecto a un plano imaginario que incluye el eje de rotor y se extiende en una dirección vertical;

dos anemómetros montados en la góndola; y

un controlador para controlar el ángulo de orientación de un rotor en base a las velocidades del viento medidas por los dos anemómetros.

donde los dos anemómetros se disponen en unas posiciones en las dos partes laterales de la góndola, donde las posiciones están opuestas entre sí a través del plano imaginario.

Según la presente invención, el objeto se resuelve de manera satisfactoria. En particular, no es necesario un sensor de orientación porque el control de la orientación puede ser realizado a través de dos anemómetros, y por lo tanto se facilita el mantenimiento y pueden reducirse los costos al resultar innecesario dicho sensor de orientación.

En una forma de realización específica de la turbina eólica según la invención, el controlador se adapta para comparar las velocidades del viento medidas por los dos anemómetros y hace rotar el rotor de un anemómetro que mide una velocidad...

1. Turbina eólica de eje horizontal de tipo a barlovento, compuesta por:

- un rotor (4) para la rotación alrededor de un eje de rotor X que se extiende en una dirección horizontal, el rotor (4) siendo girado en un plano horizontal según una dirección del viento;

- una góndola (3) que tiene una forma simétrica con respecto a un plano imaginario (V) que incluye el eje de rotor X y extendiéndose en dirección vertical;

- dos anemómetros (L, R) montados en la góndola (3), y

- un controlador para controlar un ángulo de orientación (φ) de un rotor (4) en base a las velocidades del viento medidas por los dos anemómetros (L, R).

- en la que los dos anemómetros (L, R) se disponen en posiciones en las dos partes laterales de la góndola (3), donde las posiciones están opuestas entre sí a través del plano imaginario (V).

2. Turbina eólica según la reivindicación 1,

en la que el controlador se adapta para comparar las velocidades del viento medidas por los dos anemómetros (L, R) y gira el rotor (4) hacia un anemómetro (L, R) que mide una velocidad del viento superior a la que mide el otro anemómetro (R, L).

3. Turbina eólica según la reivindicación 1,

en la que el controlador se adapta para estimar el ángulo de orientación (φ) del rotor (4) en base a la velocidad del viento medida por los dos anemómetros (L, R) y gira el rotor (4) de manera que el ángulo de orientación (φ) estimado converja en 0 grados.

4. Turbina eólica según la reivindicación 1,

en la que el controlador se adapta para estimar el ángulo de orientación (φ) del rotor (4) en base a por lo menos una diferencia y una ratio de las velocidades del viento medidas por los dos anemómetros (R, L) y gira el rotor (4) de manera que el ángulo de orientación (φ) estimado converja en 0 grados.

5. Método para controlar la turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, el método comprendiendo los siguientes pasos:

- estimar el ángulo de orientación (φ) de un rotor (4) en base a las velocidades del viento medidas por los dos anemómetros (L, R); y

- girar el rotor (4) de modo que el ángulo de orientación (φ) estimado converja en 0 grados.

6. Método según la reivindicación 5, el método comprendiendo los siguientes pasos:

- estimar el ángulo de orientación (φ) de un rotor (4) en base a por lo menos una de entre una diferencia y una ratio de las velocidades del viento medidas por los dos anemómetros (R, L); y

- girar el rotor (4) de modo que el ángulo de orientación (φ) estimado converja en 0 grados.

7. Método según la reivindicación 5, el método comprendiendo los siguientes pasos:

- determinar si la diferencia de las velocidades del viento medidas por los dos anemómetros (L, R) no supera un umbral predeterminado;

- girar el rotor (4) hacia un anemómetro (L, R), que mide una velocidad del viento superior a la que mide el otro anemómetro (R, L), cuando la diferencia de las velocidades del viento excede el umbral, y

- detener el giro del rotor (4) cuando la diferencia de las velocidades del viento se reduce y ya no supera el umbral.

8. Método según la reivindicación 5, el método comprendiendo el siguiente paso:

- girar el rotor (4) para igualar las velocidades del viento medidas por los dos anemómetros (L, R).