Turbina eólica y método.

Turbina eólica con un rotor montado sobre una sección de buje (104),

comprendiendo el rotor unapluralidad de palas (100) y pudiendo girar alrededor de un eje principal de la turbina eólica, en la que lasección de buje puede girar alrededor de un eje de buje en alineación coaxial fija con el eje principal de laturbina eólica, comprendiendo al menos una de las palas del rotor:

- una sección de pala principal (102), que está dispuesta para accionarse mediante el viento para giraralrededor del eje principal, siendo la sección de pala principal opcionalmente de paso ajustable;

- una sección de pala auxiliar (106, 108) dispuesta para accionarse mediante el viento para girar alrededordel eje principal; en la que la sección de pala auxiliar está dispuesta en el área de un borde de ataque y/ode un borde de salida de la pala principal (102),

caracterizada por que cada sección de pala auxiliar está montada en la sección de buje (104) y estáprevista de manera que forma un listón de borde de ataque (108) o un flap de borde de salida (106) paraque la sección de pala principal aumente el área de planta de la pala y aumente la sustentaciónaerodinámica.

Turbina eólica y método

Campo técnico

La invención se refiere a una turbina eólica que comprende un rotor con al menos una pala, y a un método para controlar el funcionamiento de una turbina eólica. Más específicamente, la invención se refiere a mejoras con respecto a partes de pala auxiliares, tales como listones de borde de ataque y/o flaps de borde de salida para aumentar la sustentación. Turbinas eólicas de este tipo se conocen por ejemplo del documento WO 2007/057021.

Antecedentes de la invención Hay un deseo general de que los rotores de turbina eólica produzcan tanta energía como sea posible para una velocidad del viento dada. Sin embargo, la parte interior de una pala de rotor eólico tiene que cumplir restricciones relacionadas a la estructura, la fabricación y el transporte, que contrarrestan las medidas para mejorar la sustentación. Las restricciones estructurales incluyen que el grosor de la pala de turbina eólica debe aumentar hacia una sección de pie de la misma.

Las rpm de los rotores de turbina eólica, su potencia de salida y la carga sobre las palas de la turbina eólica se guían comúnmente controlando el paso de las palas, es decir el nivel de giro de las palas hacia el viento. Generalmente, un ángulo de paso decreciente aumenta la carga sobre las palas del rotor de turbina eólica y por tanto la cantidad de energía que puede extraerse del viento a una velocidad del viento dada. Sin embargo, el paso ha de mantenerse dentro de unos límites para evitar entrar en pérdida aerodinámica o una sobrecarga sobre las palas. Para optimizar la potencia de salida, la mayoría de turbinas eólicas modernas están equipadas con sistemas de control de paso para controlar los ángulos de paso de las palas basándose en parámetros medidos o estimados, tales como la potencia de salida.

Una preocupación en el diseño de turbinas eólicas es salvaguardar los componentes, que están sujetos a fuerzas y pares de torsión, frente a las sobrecargas que ocurren, por ejemplo, en condiciones de viento extremas, ante la aparición de ráfagas, o en cambios repentinos en la dirección del viento.

Sumario de la invención Es un objeto de las realizaciones de la invención proporcionar mejoras a la configuración de las turbinas eólicas y las palas de turbina eólica para aumentar la potencia de salida. Las realizaciones de la invención están interesadas notablemente en aumentar la sustentación en las palas cerca del pie, es decir cerca de la sección de buje de las palas. Más específicamente, es un objeto de las realizaciones de la invención aumentar el área de planta y/o cuerda de las palas de turbina eólica de una manera que evite la colisión entre las palas y la torre, incluso en cuanto a turbinas eólicas de paso controlado. Es un objeto adicional de las realizaciones de la invención facilitar el transporte de las palas. Es un objeto adicional de las realizaciones de la invención proporcionar un control de turbina eólica, que reduce el riesgo de sobrecarga mecánica en cambios extremos repentinos en la dirección del viento.

En un primer aspecto, la invención prevé una turbina eólica con un rotor montado sobre una sección de buje, comprendiendo el rotor las características según la reivindicación 1.

Gracias a la sección de pala auxiliar, el área de planta de la pala se aumenta para aumentar la sustentación. Para evitar que una parte de pie/buje de la sección de pala principal y/o de la sección de pala auxiliar colisione con la torre durante el funcionamiento de la pala en un estado con paso ajustado, la sección de pala auxiliar se monta preferiblemente por separado del buje, de modo que puede ajustarse el paso independientemente de la pala principal, o se monta de una manera fija de paso no ajustable. Alternativamente, la pala principal a la vez que tiene una cuerda reducida, debido a la (s) sección/secciones de pala auxiliar (es) , puede ajustarse su paso independientemente de la (s) sección/secciones de pala auxiliar (es) y evitar la colisión con la torre. También, la cuerda reducida de la pala principal permite un transporte más sencillo, ya que la (s) sección/secciones de pala auxiliar (es) puede (n) transportarse por separado. Por tanto, aunque las palas pueden tener una cuerda relativamente grande en su configuración de uso, es decir cuando están montadas sobre la turbina eólica, pueden tener una cuerda más pequeña en su configuración de transporte, cuando la (s) sección/secciones de pala principal (es) y la (s) sección/secciones de pala auxiliar (es) están separadas y por tanto pueden transportarse por separado.

Generalmente, la sección de pala auxiliar se dispone o configura preferiblemente de manera que cualquier plano de sección transversal a través de la pala incluye la cuerda de la sección de pala principal así como la cuerda de la sección de pala auxiliar. En otras palabras, el plano de cuerda de la sección de pala auxiliar es preferiblemente también el plano de cuerda de la sección de pala principal.

Cada sección de pala auxiliar se configura y se dispone de manera que forma un listón de borde de ataque o un flap de borde de salida para la sección de pala principal. Por tanto, la sección de pala principal y la sección de pala auxiliar pueden proporcionar un efecto aerodinámico de sinergia, ya que la sección de pala auxiliar en esencia forma

una extensión de la sección de pala principal en su borde de salida y/o ataque. En las realizaciones de la invención, la sección de pala principal comprende una única sección de pala auxiliar en el área del borde de ataque y/o una única sección de pala auxiliar en el área del borde de salida.

En una realización, en la que la sección de pala auxiliar se proporciona como borde de salida de paso ajustable, un sistema de control de la turbina eólica puede configurarse para ajustar el paso en el momento de pasar la pala por la torre para garantizar que no ocurra ninguna colisión. Alternativamente, el paso de la sección de pala auxiliar puede limitarse para evitar la colisión con la torre. En aún otra alternativa, como se ha mencionado anteriormente, el borde de salida es fijo respecto al buje de manera que no puede ajustarse el paso.

En el presente contexto, el término ‘paso’ o ‘de paso ajustable’ incluye la capacidad de una pala o sección de pala para girar con respecto a la sección de buje alrededor de un eje que se extiende transversalmente al eje principal de la turbina eólica en la dirección longitudinal de las palas. El término ‘guiñada’ o ‘ángulo de guiñada’ se refiere a la orientación del plano del rotor con respecto al viento que viene en dirección contraria. La guiñada o ángulo de guiñada de la turbina eólica puede controlarse normalmente mediante la rotación de una góndola, que soporta el eje principal, el rotor y otros componentes de accionamiento tales como la caja de engranajes y el generador, en relación con una torre vertical de la turbina eólica. El término ‘ángulo de ataque’ se refiere al ángulo entre una línea de referencia en la pala de turbina eólica o una de sus secciones, habitualmente la línea de cuerda de un perfil de plano aerodinámico, y el vector que representa el movimiento relativo entre la pala o sección de pala y el viento que viene en dirección contraria, es decir, el flujo de aire que viene en dirección contraria.

El término ‘buje’ designa un componente estructural, que interconecta las palas de la turbina eólica con el árbol principal. El buje por tanto transmite el par motor de torsión del rotor al árbol de accionamiento de la turbina principal, es decir, al árbol principal. En turbinas eólicas que comprenden palas de paso ajustable, el buje normalmente comprende o aloja también el mecanismo de control de paso para girar las palas o las secciones de pala alrededor de sus ejes longitudinales. El buje puede estar hecho, por ejemplo, de hierro fundido, acero o un material compuesto fuerte capaz de soportar y transmitir el par de torsión del rotor al árbol principal. En la mayoría de turbinas eólicas modernas, se prevé una cubierta, es decir, un denominado cono de la hélice, para cubrir el buje. El cono de la hélice protege el buje de la lluvia y la suciedad, proporciona una superficie aerodinámica para el viento que fluye pasando por la turbina eólica, y se prevé también por razones estéticas. Sin embargo, el cono de la hélice no es habitualmente un componente transmisor del par de torsión como el buje.

El término ‘eje principal’ debe entenderse como el eje del árbol principal de la turbina eólica, es decir, el eje alrededor del cual gira el rotor durante el funcionamiento de producción de potencia... [Seguir leyendo]

1. Turbina eólica con un rotor montado sobre una sección de buje (104) , comprendiendo el rotor una pluralidad de palas (100) y pudiendo girar alrededor de un eje principal de la turbina eólica, en la que la sección de buje puede girar alrededor de un eje de buje en alineación coaxial fija con el eje principal de la turbina eólica, comprendiendo al menos una de las palas del rotor:

-una sección de pala principal (102) , que está dispuesta para accionarse mediante el viento para girar alrededor del eje principal, siendo la sección de pala principal opcionalmente de paso ajustable;

-una sección de pala auxiliar (106, 108) dispuesta para accionarse mediante el viento para girar alrededor del eje principal; en la que la sección de pala auxiliar está dispuesta en el área de un borde de ataque y/o

de un borde de salida de la pala principal (102) ,

caracterizada por que cada sección de pala auxiliar está montada en la sección de buje (104) y está prevista de manera que forma un listón de borde de ataque (108) o un flap de borde de salida (106) para que la sección de pala principal aumente el área de planta de la pala y aumente la sustentación aerodinámica.

2. Turbina eólica según la reivindicación 1, en la que la sección de pala auxiliar está sujeta a la sección de buje de manera que su posición y orientación con respecto a la sección de buje es fija, de modo que la sección de pala auxiliar está montada en la sección de buje de manera que no puede ajustarse el paso.

3. Turbina eólica según la reivindicación 1 ó 2, en la que cada una de las secciones de pala auxiliares se extienden como mucho hasta el 40% del radio del rotor en una dirección longitudinal de las palas, tal como, 20 como mucho hasta el 30% o como mucho hasta el 20%.

4. Turbina eólica según la reivindicación 3, en la que el listón de borde de ataque o el flap de borde de salida está previsto más cerca de una parte de buje del rotor que de una parte de punta del mismo.

5. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el número de secciones de

pala auxiliares se selecciona de manera que cada una de las palas principales tiene un y sólo un listón de 25 borde de ataque y/o un y sólo un flap de borde de salida.

6. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-4, en la que el número de secciones de pala auxiliares se selecciona de manera que cada una de las palas principales tiene una pluralidad de listones de borde de ataque y/o una pluralidad de flaps de borde de salida.

7. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que una línea de cuerda de cada

uno de los listones de borde de ataque y/o los flaps de borde de salida está verticalmente desplazada con respecto a una línea de cuerda de una respectiva de las secciones de pala principales, cuando se observa en sección transversal.

8. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente una estructura de generación de vórtices en un lado de succión de las secciones de pala auxiliares.

9. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las secciones de pala auxiliares forman listones de borde de ataque, y en la que un borde de salida del listón de borde de ataque está dispuesto a una distancia de un borde de ataque de la sección de pala principal, de manera que proporciona de ese modo un paso de flujo desde un lado de presión del listón de borde de ataque a un lado de succión de la sección de pala principal.

10. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en la que las secciones de pala auxiliares forman flaps de borde de salida, y en la que un borde de ataque del flap de borde de salida está dispuesto a una distancia de un borde de salida de la sección de pala principal, de manera que proporciona de ese modo un paso de flujo desde un lado de presión de la pala principal a un lado de succión del flap de borde de salida.

11. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que cada una de las secciones de pala principales tiene un borde de salida romo.

12. Turbina eólica según la reivindicación 11, en la que el grosor del borde de salida romo es al menos el 2% de la cuerda de la sección de pala principal.

13. Turbina eólica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las secciones de pala

auxiliares están previstas solamente en una parte de las palas principales, que tienen una razón grosor a cuerda de al menos el 30%.

14. Método para controlar el funcionamiento de una turbina eólica con un rotor montado sobre una sección de buje (104) , comprendiendo el rotor una pluralidad de palas (100) y pudiendo girar alrededor de un eje principal de la turbina eólica, en el que la sección de buje puede girar alrededor de un eje de buje en alineación coaxial fija con el eje principal de la turbina eólica, comprendiendo al menos una de las palas del rotor:

-una sección de pala principal (102) de paso ajustable, que está dispuesta para accionarse mediante el viento para girar alrededor del eje principal;

-una sección de pala auxiliar (106, 108) dispuesta para accionarse mediante el viento para girar alrededor del eje principal;

en el que la sección de pala auxiliar está montada en la sección de buje y dispuesta en el área de un borde 10 de ataque y/o de un borde de salida de la pala principal de manera que forma un listón de borde de ataque o un flap de borde de salida para la sección de pala principal;

comprendiendo el método las etapas de:

-disponer la sección de pala principal de paso ajustable con un primer ángulo de ataque con respecto al viento que viene en dirección contraria;

-disponer la sección de pala auxiliar con un segundo ángulo de ataque con respecto al viento que viene en dirección contraria, que es diferente de dicho primer ángulo de ataque.

15. Método según la reivindicación 14, en el que se entra en pérdida aerodinámica con dicho primer ángulo de ataque de la sección de pala principal de paso ajustable.

16. Método según la reivindicación 14 ó 15, en el que, durante el funcionamiento al ralentí de la turbina eólica,

dicho primer ángulo de ataque de la sección de pala principal se establece de manera que no se confiera esencialmente ninguna sustentación a la sección de pala principal.

17. Método según la reivindicación 16, en el que, durante el funcionamiento al ralentí de la turbina eólica, dicho segundo ángulo de ataque de la sección de pala auxiliar proporciona una sustentación aerodinámica a la sección de pala auxiliar.

18. Método según la reivindicación 16, en el que, durante el funcionamiento al ralentí de la turbina eólica, dicho segundo ángulo de ataque de la sección de pala auxiliar no proporciona esencialmente ninguna sustentación aerodinámica a la sección de pala auxiliar.

19. Método según cualquiera de las reivindicaciones 14-18, en el que los ángulos de ataque primero y segundo se establecen de manera que un cambio extremo repentino en la dirección del viento aumenta la sustentación aerodinámica en una de dichas secciones de pala y reduce la sustentación aerodinámica en la otra de dichas secciones de pala.

20. Método según cualquiera de las reivindicaciones 14-19, en el que la sección de pala auxiliar es de paso ajustable, y en el que la etapa de disponer la sección de pala auxiliar con un segundo ángulo de ataque con respecto al viento que viene en dirección contraria comprende la etapa de ajustar el paso de la segunda sección de pala.

21. Método según la reivindicación 20, en el que la turbina eólica opera según un esquema de control de carga parcial en velocidades del viento que viene en dirección contraria a las que no es alcanzable la potencia nominal de salida de la turbina eólica, y en el que la turbina eólica opera según un esquema de control nominal en velocidades del viento que viene en dirección contraria a las que es alcanzable la potencia nominal de salida de la turbina eólica, y en el que se ajusta el paso de la sección de pala auxiliar para proporcionar una sustentación aerodinámica en condiciones de carga parcial, y en el que se ajusta el paso de la sección de pala auxiliar a una posición que no genera sustentación en condiciones en las que es alcanzable la carga nominal.

22. Método según la reivindicación 21, en el que se ajusta el paso de la sección de pala auxiliar a la posición 45 que no genera sustentación a velocidades del viento que exceden más del 95% de la velocidad del viento a la que es alcanzable la potencia nominal de salida.