Dispositivo y método para la orientación de una plataforma flotante para un aerogenerador.

Permite orientar la plataforma (1) para obtener condiciones de máximo rendimiento en el aerogenerador (16). Comprende unos primeros sensores (8) para detectar un ángulo efectivo ({de}) de eje de giro (2), formado entre el eje de giro (2) y un plano horizontal (24); unos segundos sensores (9) para detectar la dirección del viento (23); unos medios de orientación de la plataforma (11) para modificar el ángulo efectivo ({de}) del eje de giro (2), y al menos una unidad de control (12) adaptada para recibir una primera entrada (13), procedente de los primeros sensores (8) y una segunda entrada (14) procedente de los segundos sensores (9) y, en función de dichas entradas (13, 14), transmitir órdenes a los medios de orientación de la plataforma (11) y al mecanismo de guiñada.

Conjunto aerogenerador-plataforma flotante y método para la orientación de dicho conjunto.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se puede incluir dentro del campo técnico del aprovechamiento de la energía eólica, más concretamente, mediante aerogeneradores dispuestos sobre plataformas flotantes.

El objeto de la presente invención se refiere a un conjunto formado por un aerogenerador y una plataforma flotante sobre la que se dispone dicho aerogenerador, así como a un procedimiento de orientación de dicho conjunto.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los aerogeneradores denominados de eje horizontal, empleados para la transformación de energía eólica en energía eléctrica comprenden, como ya es conocido, una torre, una góndola y un rotor eólico de al menos dos palas. Por acción del viento incidente sobre las palas, el rotor gira en torno a un eje de dirección sustancialmente horizontal respecto a tierra. A su vez, la góndola puede girarse en torno al eje longitudinal de la torre para orientar el eje del rotor hacia barlovento (en aerogeneradores tipo upwind, en los que el viento incide en primer lugar en el rotor y después en la torre que sustenta la góndola) o hacia sotavento (en aerogeneradores tipo downwind, en los que el viento incide en primer lugar en la torre y después en el rotor) .

Por otro lado se está desarrollando la eólica marina en la que los aerogeneradores se ubican en el mar (o en los lagos) , bien sobre estructuras soporte fijadas al fondo marino o bien sustentados sobre plataformas flotantes.

Existen las tendencias, en el diseño actual de aerogeneradores, de aumentar la longitud de las palas, para aumentar la potencia nominal de los aerogeneradores y para aumentar la producción anual de energía por aerogenerador, así como de fabricar las palas con materiales más flexibles y ligeros, con el fin de obtener una relación conveniente entre peso y rigidez.

Esta última tendencia en diseño implica el problema de que, en aerogeneradores de tipo upwind con eje horizontal, la deflexión de las palas producida por vientos fuertes tiende a llevar la punta de las palas hacia la torre, lo cual produciría daños irreparables en las palas y en la torre en caso de contacto.

Para resolver este problema, una solución sería dotar a las palas de la rigidez suficiente para minimizar su deflexión. Sin embargo dotar a las palas de una gran rigidez supone aumentar su peso y por tanto su precio. Además un mayor peso del rotor supone un incremento de costo en otras partes estructurales del aerogenerador y de la plataforma.

Otra solución posible consiste en disponer el eje del rotor formando un pequeño ángulo respecto a la horizontal, denominado ángulo de tilt, de tal manera que durante el giro la punta de las palas está más alejada de la torre en su paso frente a dicha torre.

Un inconveniente doble de emplear rotores montados con ángulo de tilt mayor que cero es que el rendimiento de la máquina se modifica proporcionalmente al cubo del coseno del ángulo de tilt, debido a que el viento pasa a tener una componente no paralela al eje del rotor, así como dicha componente no paralela produce cargas adicionales sobre el aerogenerador.

La tabla 1 a continuación ilustra la relación entre el ángulo de tilt, el coseno al cubo de dicho ángulo de tilt, y la pérdida de potencia que supone disponer de dicho ángulo con respecto a un ángulo igual a cero, a una velocidad de viento en que la potencia captada es menor que la potencia nominal del aerogenerador, obtenida a partir de la ecuación para la potencia captada por el aerogenerador dada por la expresión aproximada:

donde P es la potencia captada, p la densidad del aire, A1 la superficie barrida por las palas, Cp un coeficiente asociado a las palas y v la velocidad del viento.

Tabla 1: relación entre la pérdida de captación de potencia y el ángulo de tilt.

Por otra parte, tal como se aprecia en la figura 1, el viento incidente sobre las palas de un aerogenerador dispuesto sobre una plataforma flotante produce un empuje que tiene como efecto una inclinación de la torre hacia sotavento según un ángulo de pitch de torre, que, en el caso de generadores upwind, aumenta el ángulo de orientación del eje del rotor, pasando de valer el ángulo de tilt a la suma de dicho ángulo de tilt más el ángulo de pitch de torre, con la consiguiente pérdida adicional de rendimiento, según se acaba de exponer anteriormente.

El problema técnico que se plantea consiste en describir un dispositivo y un método de control de la orientación de la plataforma flotante para un aerogenerador tipo upwind dotado de un eje de rotor con ángulo de tilt mayor que cero, que permita maximizar el rendimiento del aerogenerador.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve el problema por medio de, según un primer aspecto de la invención, un conjunto aerogenerador - plataforma flotante, que comprende un aerogenerador de tipo upwind (en el que el viento incide en primer lugar en el rotor y después en la torre, por oposición a un aerogenerador de tipo downwind, en el que el viento incide primero en la torre y después en el rotor) , dispuesto sobre una plataforma flotante, donde el aerogenerador comprende:

- una torre fijada a la plataforma;

- una góndola, dispuesta sobre la torre para soportar un rotor, y dotada de un mecanismo de guiñada para orientar el rotor hacia barlovento, dicho mecanismo de guiñada proporcionando a la góndola un giro respecto a la torre en torno al eje longitudinal de dicha torre; comprendiendo el rotor al menos dos palas capaces de hacer girar el rotor en torno a un eje de giro por accionamiento del viento incidente sobre dichas palas, estando el eje de giro dotado de un ángulo de tilt (8) , formado entre dicho eje de giro y un plano perpendicular al eje longitudinal de la torre, distinto de cero.

El conjunto de la invención se caracteriza porque comprende además:

- unos primeros sensores para detectar un ángulo efectivo (5) del eje de giro, formado entre el eje de rotor y un plano horizontal;

- unos segundos sensores para detectar la dirección del viento;

- unos medios de orientación de la plataforma para modificar el ángulo efectivo (5) de eje de giro, y

- una unidad de control adaptada para recibir una primera entrada, procedente de los primeros sensores y una segunda entrada procedente de los segundos sensores y, en función de dichas entradas, transmitir órdenes a los medios de orientación de la plataforma y al mecanismo de guiñada.

El conjunto de la invención opera de acuerdo con, según un segundo aspecto de la invención, un método para la orientación de dicho conjunto que comprende los siguientes pasos:

- captar la primera entrada mediante los primeros sensores;

- comunicar la primera entrada a la unidad de control;

- captar la segunda entrada mediante los segundos sensores;

- comunicar dicha segunda entrada a la unidad de control; y

- ordenar a los medios de orientación, a través de la unidad de control, la orientación de la plataforma en función de la primera entrada y la segunda entrada de manera que el ángulo efectivo del eje de giro es, en valor absoluto, menor que el ángulo de tilt (8) .

Según una realización preferente de la invención, la unidad de control, tras recibir la primera entrada y la segunda entrada, envía una señal al mecanismo de guiñada en función de la segunda entrada para disponer el rotor enfrentado a la dirección de viento, así como envía una señal a los medios de orientación en función de la primera y la segunda entrada para inclinar la torre hacia barlovento (en contra del viento) un valor igual a 8, de modo que el eje de giro queda dispuesto en posición horizontal, es decir, según un ángulo efectivo (5) sustancialmente igual a cero. Esta es la orientación preferente de máximo rendimiento. Alternativamente, la orientación de máximo rendimiento puede ser un valor distinto de cero y menor que el ángulo de tilt (8) , en el caso de que las cargas en la torre se vean aumentadas por una exposición prolongada a una inclinación elevada, buscándose en ese caso una solución de compromiso entre...

1. Conjunto aerogenerador (16) - plataforma (1) flotante, que comprende un aerogenerador (16) de tipo upwind dispuesto sobre una plataforma (1) flotante, donde el aerogenerador comprende:

- una torre (3) fijada a la plataforma (1) ;

- una góndola (4) , dispuesta sobre la torre (3) para soportar un rotor (6) , y dotada de un mecanismo de guiñada para orientar el rotor (6) hacia barlovento, dicho mecanismo de guiñada proporcionando a la góndola (4) un giro respecto a la torre (3) en torno al eje longitudinal de dicha torre (3) ; comprendiendo el rotor (6) al menos dos palas (7) capaces de hacer girar el rotor (6) en torno a un eje de giro (2) por accionamiento del viento incidente sobre dichas palas (7) , estando el eje de giro (2) dotado de un ángulo de tilt (8) , formado entre el eje de giro (2) y un plano perpendicular al eje longitudinal de la torre (3) , distinto de cero;

caracterizado porque adicionalmente comprende:

- unos primeros sensores (8) para detectar un ángulo efectivo (5) de eje de giro (2) , formado entre el eje de giro

(2) y un plano horizontal (24) ;

- unos segundos sensores (9) para detectar la dirección del viento (23) ;

- unos medios de orientación de la plataforma (11) para modificar el ángulo efectivo (5) del eje de giro (2) , y

- al menos una unidad de control (12) adaptada para recibir una primera entrada (13) , procedente de los primeros sensores (8) y una segunda entrada (14) procedente de los segundos sensores (9) y, en función de dichas entradas (13, 14) , transmitir órdenes a los medios de orientación de la plataforma (11) y al mecanismo de guiñada.

2. Conjunto aerogenerador (16) - plataforma (1) flotante de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los medios de orientación (11) comprenden unos volúmenes sumergidos vinculados a la plataforma, así como medios activos de control de la posición del centro de flotación de la plataforma (1) capaces de modificar dichos volúmenes sumergidos.

3. Conjunto aerogenerador (16) -plataforma (1) flotante de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque los volúmenes sumergidos son una pluralidad de flotadores (17) dispuestos en la parte inferior de la plataforma (1) , así como porque los medios de orientación (11) comprenden adicionalmente:

- unas cámaras (18) dispuestas en la parte inferior de los flotadores (17) ; y

- unos primeros medios de impulsión (20) para impulsar aire a las cámaras (18) a través de unos conductos (19) .

4. Conjunto aerogenerador (16) -plataforma (1) flotante de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque los conductos (19) comunican la pluralidad de cámaras (18) entre sí.

5. Conjunto aerogenerador (16) -plataforma (1) flotante de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque los primeros medios de impulsión (20) comprenden al menos un compresor (20) .

6. Conjunto aerogenerador (16) -plataforma (1) flotante de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las palas (7) comprenden adicionalmente unos medios de limitación para limitar la potencia obtenida a velocidades de viento superiores a una determinada velocidad umbral.

7. Conjunto aerogenerador (16) -plataforma (1) flotante de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque los medios de limitación comprenden unos medios de control del paso de las palas (7) , para proporcionar a dichas palas (7) un giro respecto de su eje longitudinal con el fin de variar la superficie de las palas (7) ofrecida al viento.

8. Conjunto aerogenerador (16) -plataforma (1) flotante de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1, 6 ó 7, caracterizada porque comprende además unos terceros sensores (10) para medir al menos una magnitud seleccionada entre: la velocidad del viento incidente sobre la torre (3) , la velocidad de giro del rotor (6) , el ángulo de orientación de las palas (7) respecto de su eje longitudinal y la potencia momentánea generada; así como porque la unidad de control (12) está adaptada para recibir una tercera entrada (15) , procedente de los terceros sensores (10) y, en función de dichas entradas (13, 14, 15) , transmitir órdenes a los medios de orientación (11) .

9. Conjunto aerogenerador (16) - plataforma (1) flotante de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende una primera unidad de control adaptada para controlar el mecanismo de guiñada en función de la segunda entrada (14) y una segunda unidad de control adaptada para el control de los medios de orientación de la plataforma, en función de la primera entrada (13) y la segunda entrada (14) .

10. Método para la orientación del conjunto aerogenerador (16) - plataforma (1) flotante descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a la 9, caracterizado porque comprende los siguientes pasos:

- captar la primera entrada (13) mediante los primeros sensores (8) ;

- comunicar la primera entrada (13) a la unidad de control (12) ;

- captar la segunda entrada (14) mediante los segundos sensores (9) ;

- comunicar dicha segunda entrada (14) a la unidad de control (12) ; y

- ordenar a los medios de orientación (11) y al mecanismo de guiñada, a través de la unidad de control (12) , la orientación de la plataforma (1) en función de la primera entrada (13) y la segunda entrada (14) de manera que el ángulo efectivo del eje de giro (2) es, en valor absoluto, menor que el ángulo de tilt (8) .

11. Método para la orientación del conjunto aerogenerador (16) - plataforma (1) flotante de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque comprende el paso previo de captar una tercera entrada (15) mediante los terceros sensores (10) , así como comunicar dicha tercera entrada (15) a la unidad de control (12) y posteriormente comparar el valor de la tercera entrada (15) con un valor umbral previamente definido y, cuando se cumple la condición de que el valor de la tercera entrada (15) no supera el valor umbral,

- ordenar a los medios de orientación (11) y al mecanismo de guiñada, a través de la unidad de control (12) , la orientación de la plataforma (1) en función de las entradas (13, 14, 15) , de manera que el ángulo efectivo (5) d

del eje de giro (2) es, en valor absoluto, menor que el ángulo de tilt (8) .

12. Método para la orientación del conjunto aerogenerador (16) - plataforma (1) flotante de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado porque los medios de orientación (11) disponen la plataforma (1) de tal manera que el ángulo efectivo (5) del eje de giro (2) tiene un valor promedio sustancialmente igual a cero.

13. Método para la orientación de una plataforma (1) flotante para un aerogenerador (16) de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque el control de los medios de orientación se realiza a partir de la diferencia entre un valor de consigna (5ref) y el valor de la primera entrada (13) , siendo el valor de consigna (5ref) calculado a partir de la tercera entrada (15) .