Álabe de turbina eólica de longitud variable.

Una turbina eólica que comprende:

un rotor con una pluralidad de álabes que giran alrededor de un eje sustancialmente horizontal,

en el que dicho rotor tiene un diámetro definido por el área barrida por dichos álabes;

un mecanismo para variar el diámetro de dicho rotor por medio de un cambio de la longitud de los álabes; y. un controlador para controlar el mecanismo que varía el diámetro de dicho rotor, en el que dicho controlador supervisa la salida de energía de dicha turbina eólica y en el que dicho controlador disminuye el diámetro de dicho rotor cuando la salida de energía supera un primer nivel predeterminado y aumenta el diámetro de dicho rotor cuando la salida de energía es inferior a un segundo nivel predeterminado, en el que los cambios correspondientes en la longitud del álabe son suficientemente lentos como para evitar una fatiga indebida del mecanismo de variación en condiciones de viento variable.

ïlabe de turbina eïlica de longitud variable CAMPO DE LA INVENCIïN La presente invenciïn se refiere a turbinas eïlicas. Especïficamente, la invenciïn se refiere a una turbina eïlica para un ïlabe telescïpico en el que la longitud del ïlabe es variable.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIïN

Las turbinas eïlicas generan una energïa proporcional al ïrea de barrido de sus ïlabes. El aumento de la longitud de los ïlabes de una turbina eïlica aumenta el ïrea de barrido, lo que produce mïs energïa. El generador, los engranajes, los cojinetes y la estructura de soporte de una turbina eïlica deben ser diseïados teniendo en cuenta la carga de viento y la producciïn de energïa esperadas. A bajas velocidades de viento, se desean ïlabes muy largos para obtener tanta energïa como sea posible del viento disponible. A altas velocidades de viento, una turbina eïlica debe controlar la producciïn de energïa y las cargas mecïnicas desarrolladas. Con el tiempo, el viento se vuelve suficientemente fuerte como para que la turbina eïlica deba ser detenida para no daïar los componentes, asï que son deseables ïlabes cortos para mantener la turbina eïlica produciendo potencia en condiciones de viento fuerte.

La elecciïn de un diïmetro de rotor para una turbina eïlica es un compromiso de diseïo entre la producciïn de energïa en condiciones de poco viento y la limitaciïn de la carga en condiciones de viento fuerte. Frecuentemente, los fabricantes de turbinas eïlicas comercializan una diversidad de tamaïos de rotor para un modelo de turbina eïlica determinado. Estos tamaïos de rotor estïn optimizados para sitios que tienen una velocidad media anual del viento baja, media o alta. Sin embargo, el tamaïo del rotor seleccionado es siempre un compromiso y hay condiciones para las que la turbina no se comporta de manera ïptima debido a que el rotor es demasiado grande o demasiado pequeïo.

Serïa deseable proporcionar a una turbina eïlica un rotor grande que pueda producir una gran cantidad de energïa en condiciones de poco viento y un rotor pequeïo para limitar la energïa y las cargas mecïnicas durante condiciones de viento fuerte. Preferiblemente, dicha una turbina tendrïa un rotor de diïmetro variable que puede ser

ajustado a las condiciones de viento actuales.

Se han diseïado muchos rotores de diïmetro variable para aviones. Uno de los primeros se muestra en la patente US Nï 1.077.187. Desde entonces, se han patentado muchos otros rotores de diïmetro variable, y mejoras de los mismos. Algunas de esas patentes son las patentes US Nï 3.768.923, 5.299.912, 5.636.969, 5.642.982 y

5.655.879. Todos estos diseïos de rotor son para su uso en aeronaves de diversos tipos y carecen de cualquier enseïanza para utilizar dicho un rotor en una turbina eïlica.

En el pasado, cuando se ha instalado una turbina eïlica en un sitio con una velocidad de viento inferior a aquella para la que fue diseïada originalmente, los ïlabes se han alargado aïadiendo extensores de cubo, que alejan los ïlabes radialmente hacia fuera desde su montaje original. Los extensores de cubo consiguen el objetivo de aumentar el ïrea de barrido, pero presentan las siguientes desventajas:

1. Los extensores de cubo no pueden ser cambiados o quitados fïcilmente, ya que son dispositivos relativamente pesados. Debido a que se requiere una grïa y horas de mano de obra para cambiar los 45 extensores de cubo en las turbinas eïlicas de tamaïo comercial, se termina por dejarlos en su sitio una vez instalados.

2. Debido a que los extensores de cubo no pueden ser quitados fïcilmente, se aplican cargas adicionales sobre la turbina cada vez que se producen vientos fuertes, y

3. La longitud de los extensores de cubo estï limitada por la resistencia del tren de accionamiento existente y

otros componentes. La vida de la turbina eïlica se acorta o el tren de accionamiento, el generador y otros componentes deben ser actualizados para soportar las cargas mïs elevadas causadas por los ïlabes mïs largos. Debido a que todo el tren de accionamiento no puede ser actualizado de manera econïmica, el uso de extensores de cubo es limitado como una manera de aumentar la salida de energïa de una turbina eïlica.

Serïa ventajoso proporcionar una manera de extender la longitud de los ïlabes de las turbinas eïlicas que sea fïcilmente reversible de manera que la turbina eïlica pueda aprovechar la producciïn de energïa extra de los ïlabes mïs largos, pero no tengan la desventaja de los ïlabes largos durante perïodos de viento fuerte.

Los frenos aerodinïmicos son secciones mïviles del ïlabe situadas en el extremo de un ïlabe de una turbina 60 eïlica. Un diseïo mostrado en la patente US Nï 4.715.782 reduce la eficiencia del ïlabe mediante un giro de 90 grados y causando una resistencia aerodinïmica. La parte de la punta del ïlabe estï montada en un eje que

permite que la punta sea girada 90 grados con respecto al ïlabe. Esto actïa como una resistencia aerodinïmica que se usa como un freno para ralentizar la rotaciïn de los ïlabes. Estos dispositivos permiten que la punta del ïlabe se mueva longitudinalmente una corta distancia con el fin de desconectar la punta del extremo del ïlabe. Una vez libre de la parte fija del ïlabe, la punta se hace girar 90 grados completos para destruir efectivamente la capacidad del ïlabe para producir energïa. Estos frenos aerodinïmicos no estïn diseïados para funcionar en cualquier posiciïn diferente a una posiciïn completamente girada, o completamente alineada con el ïlabe. Su funciïn es la de actuar como un dispositivo de seguridad, reduciendo la capacidad del ïlabe de la turbina para producir energïa. El movimiento longitudinal de la punta es mïnimo, y sirve al propïsito de enclavar y desenclavar la punta de manera que puede ser girada.

Otro diseïo de los frenos aerodinïmicos se muestra en la patente US Nï 4.710.101. Este dispositivo usa un procedimiento puramente telescïpico para frenar la turbina eïlica. Una parte del borde de ataque de la punta del ïlabe se extiende, exponiendo una superficie no aerodinïmica al viento y exponiendo una superficie no aerodinïmica en el borde de salida de la punta del ïlabe. Estos factores se combinan para producir un efecto de frenado.

A pesar de que la acciïn telescïpica en este diseïo es mayor que en otros diseïos de freno aerodinïmico, la funciïn sigue siendo la misma; inhibir la producciïn de energïa de la turbina eïlica alterando la forma aerodinïmica del ïlabe. Aunque los frenos aerodinïmicos comprenden una secciïn de ïlabe mïvil y una secciïn de ïlabe fija:

1. No permiten cambiar la longitud efectiva del ïlabe;

2. No mejoran la producciïn de energïa del ïlabe;

3. No optimizan el ïngulo de incidencia del extremo del ïlabe con los cambios en la longitud, y

4. No funcionan en posiciones intermedias entre las posiciones completamente desplegada o completamente alineada.

El documento FR2751693 describe un ïlabe de longitud variable para una turbina de viento, en el que la longitud de los ïlabes es variada telescïpicamente en respuesta a la variaciïn de la velocidad del viento. El documento US5630705 describe una construcciïn de rotor para un molino de viento que comprende una serie de ïlabes de rotor alargados conectados al soporte de rotor mediante una conexiïn articulada para inclinar el eje longitudinal del ïlabe de rotor o parte del mismo. El documento JP57032074 describe un molino de viento que comprende dos ïlabes, cada uno de los cuales es expansible radialmente.

Serïa ventajoso proporcionar un procedimiento de reducciïn de cargas y de salida de energïa de la turbina eïlica durante condiciones de viento fuerte sin inhibir completamente la producciïn de energïa, permitiendo de esta manera la producciïn continua de energïa durante condiciones de viento fuerte.

SUMARIO DE LA INVENCIïN Segïn la presente invenciïn, se proporciona una turbina eïlica segïn se describe en la reivindicaciïn 1 independiente para su uso con un ïlabe de turbina eïlica de longitud variable y un procedimiento de control de una turbina eïlica segïn se describe en la reivindicaciïn 2 independiente.

Se proporciona una turbina eïlica que tiene un ïlabe de longitud variable, con el fin de cambiar el ïrea barrida por la secciïn transversal del rotor y para regular la cantidad de energïa interceptada del viento. En condiciones de poco viento, la longitud del ïlabe se extiende para proporcionar un rotor con un ïrea de barrido mïxima, de manera que puede extraerse la mïxima cantidad de energïa del viento. En condiciones de viento fuerte, el ïlabe se retrae para minimizar la carga aerodinïmica... [Seguir leyendo]

1. Una turbina eïlica que comprende:

un rotor con una pluralidad de ïlabes que giran alrededor de un eje sustancialmente horizontal, en el que dicho rotor tiene un diïmetro definido por el ïrea barrida por dichos ïlabes; un mecanismo para variar el diïmetro de dicho rotor por medio de un cambio de la longitud de los ïlabes; y. un controlador para controlar el mecanismo que varïa el diïmetro de dicho rotor, en el que dicho controlador supervisa la salida de energïa de dicha turbina eïlica y en el que dicho controlador disminuye el diïmetro de dicho rotor cuando la salida de energïa supera un primer nivel predeterminado y aumenta el diïmetro de dicho rotor cuando la salida de energïa es inferior a un segundo nivel predeterminado, en el que los cambios correspondientes en la longitud del ïlabe son suficientemente lentos como para evitar una fatiga indebida del mecanismo de variaciïn en condiciones de viento variable.

2. Un procedimiento de control de una turbina eïlica segïn se define en la reivindicaciïn 1, que comprende las etapas de:

proporcionar un rotor con una pluralidad de ïlabes y un diïmetro definido por el ïrea barrida por dichos ïlabes;

proporcionar un mecanismo para ajustar el diïmetro de dicho rotor por medio de un cambio de la longitud de los ïlabes; y medir la energïa generada por dicha turbina eïlica; y ajustar el diïmetro de dicho rotor durante el funcionamiento de dicha turbina eïlica en base a dicha mediciïn de energïa, en el que los cambios correspondientes de la longitud del ïlabe son suficientemente lentos de manera que las turbulencias y las rïfagas no causen una fatiga indebida del mecanismo para ajustar el diïmetro de dicho rotor.

3. Procedimiento segïn la reivindicaciïn 2, en el que la etapa de ajustar el diïmetro de dicho rotor comprende seguir una estrategia de control que incluye tres regiones de funcionamiento en las que la primera regiïn estï 30 definida porque la energïa generada por dicha turbina eïlica es inferior a un primer nivel predeterminado y el diïmetro de dicho rotor es mïximo, la segunda regiïn estï definida porque la energïa generada por dicha turbina eïlica estï entre comprendida entre un primer nivel predeterminado y un segundo nivel predeterminado y el diïmetro de dicho rotor varïa como una funciïn de dicha mediciïn de energïa, y la tercera regiïn estï definida porque la energïa generada por dicha turbina eïlica es superior a dicho segundo nivel predeterminado y el diïmetro de dicho rotor es mïnimo.