Generador síncrono superconductor de accionamiento directo para una turbina eólica.

La invención se refiere a un generador eléctrico de accionamiento directo para una turbina eólica dotado de polos salientes de rotor y un criostato de tipo escalera para alojar bobinas superconductoras y mantenerlas a una temperatura criogénica mientras que el interior del criostato se mantiene sin refrigerante.

Gracias a la invención se logra un aislamiento térmico óptimo de las bobinas sin necesidad de un relleno continuo del criostato y se garantiza una buena distribución del campo magnético evitando el uso de materiales costosos.

Generador síncrono superconductor de accionamiento directo para una turbina eólica Campo técnico de la invención

La presente invención se encuentra dentro del campo técnico de los generadores eléctricos que comprenden un rotor y un estator para la producción de energía eléctrica y, particularmente, a generadores síncronos de accionamiento directo de baja velocidad que comprenden devanados inductores superconductores para su uso en

turbinas eólicas.

Antecedentes de la invención

Las turbinas eólicas se consideran hoy en día una fuente de energía verde y, de hecho, pertenecen a una de las tecnologías renovables más desarrolladas. La mayoría de las turbinas eólicas son turbinas eólicas de eje horizontal que tienen un rotor dotado de tres palas conectadas a un árbol de rotor principal y un generador eléctrico montado dentro de una góndola en la parte superior de una torre. Muchos tipos convencionales de turbinas eólicas comprenden una caja multiplicadora que convierte la rotación relativamente lenta del rotor de la turbina eólica en una rotación más rápida para accionar el rotor del generador eléctrico. Los generadores eléctricos y las máquinas eléctricas en general, presentan poca eficacia cuando se accionan a velocidad muy baja. Además, las máquinas eléctricas lentas tienen que presentar un mayor par de torsión con el fin de compensar la velocidad de rotación reducida del rotor de la máquina, puesto que el rendimiento energético de la máquina siempre viene dado por el par de torsión multiplicado por la velocidad de rotación. Las cajas multiplicadoras reducen la eficacia de la conversión de la energía eólica en energía mecánica usada para accionar el rotor del generador eléctrico y además son bastante costosas, necesitan un mantenimiento intensivo y programado y están sujetas al desgaste y por tanto a fallos relacionados. Los generadores de accionamiento directo basados en tecnologías de máquinas eléctricas convencionales no comprenden cajas multiplicadoras y por tanto carecen de las desventajas de éstas, pero son intrínsecamente más grandes y pesados. Este es notablemente el caso de generadores eléctricos lentos para turbinas eólicas cuyas góndolas, equipadas con tales generadores, son más difíciles de elevar, colocar y equilibrar sobre torres de modo que son bastante inadecuados para generadores de producción de alta potencia como las turbinas eólicas.

Para superar los inconvenientes de los generadores de accionamiento directo convencionales, se han descrito los generadores síncronos de accionamiento directo que comprenden devanados inductores superconductores que proporcionan una densidad de par de torsión aumentada para su uso en turbinas eólicas.

La superconductividad es inherente a determinados materiales generalmente a temperaturas muy bajas, lo que conduce a una resistencia eléctrica de CC cero y a la exclusión del campo magnético interior (a una temperatura y densidad de corriente dadas, el superconductor puede producir un campo magnético máximo; a medida que el campo supera este valor el superconductor se convierte en un conductor normal y presenta resistencia óhmica). La superconductividad se produce en una amplia variedad de materiales, incluyendo elementos simples como estaño y aluminio, aunque también en otros materiales tales como diversas aleaciones metálicas y algunos semiconductores fuertemente dopados, en algunos materiales de tipo perovskita de cuprato basados en lantano e ¡trio, materiales cerámicos que consisten en talio, mercurio, cobre, bario, calcio y oxígeno, arsenluro de hierro con óxido de lantano y flúor. Un superconductor especialmente interesante desde un punto de vista práctico es el diboruro de magnesio, un superconductor convencional, que es relativamente fácil de sintetizar y fabricar en hilos largos y que tiene una temperatura de transición crítica de 39 °K a granel o en forma de polvo.

Habitualmente, los devanados inductores de cobre de una máquina síncrona convencional se encuentran enterrados en las ranuras del rotor o devanados alrededor de polos de hierro salientes del rotor, mientras que los devanados del inducido se alojan dentro de ranuras y están separados por dientes de hierro en el estator. Estos elementos de hierro refuerzan y guían eficazmente el flujo magnético a través del entrehierro de la máquina, es decir, la separación radial existente entre la superficie del rotor o polos del rotor y los dientes del estator. Los devanados inductores superconductores pueden transportar mucha más corriente (amperios-vuelta) que los convencionales, produciendo así mayores campos magnéticos. Por tanto, pueden suministrarse algunos elementos de hierro. En máquinas superconductores, el circuito magnético de la máquina eléctrica comprende dos elementos de hierro conformados de manera anular, el contrahierro del rotor y el yugo trasero del estator. Para establecer una alta densidad de flujo en el gran entrehierro, se necesita una fuerza magnetomotriz muy alta. Con una configuración de este tipo, con las bobinas inductores superconductores ubicadas por encima del contrahierro anular del rotor, los mayores campos magnéticos se encuentran habltualmente justo sobre los superconductores. Los prototipos más recientes de máquinas superconductores ¡mplementan superconductores de alta temperatura (HTS) con una temperatura de transición superior a los 77 °K (punto de ebullición del nitrógeno) tales como YBCO y BSSCO. Estos superconductores pueden adoptar campos altos (2,5-3,5T) a una temperatura razonablemente baja (2-4 °K). Sin embargo, esta clase de superconductores es muy costosa puesto que BSCCO tiene una matriz de plata y YBCO es muy difícil de fabricar en piezas largas tales como las que se requieren para las bobinas, y la producción requiere procesos que llevan tiempo y tecnologías complicadas. Por consiguiente, las máquinas eléctricas que ¡mplementan HTS son demasiado costosas.

Otros materiales, tales como NbTi (Te de 9 °K) o NI3Sn (Te de 18 °K), se han considerado en el pasado para esta aplicación. Sin embargo el rendimiento de estos superconductores es Interesante a temperaturas de 4,2 °K (punto de ebullición del helio) o inferiores. Las plantas para licuar helio también son muy costosas. Además, cuanto menor sea la temperatura, más inestable es el sistema criogénico. Estas son desventajas graves de las máquinas LTS (superconductor a baja temperatura).

El diboruro de magnesio ofrece un equilibrio interesante: por una parte, es mucho más barato y se opera a temperaturas en el orden de 15-25 °K. Por otra parte, para transportar altas corrientes a estas temperaturas, los hilos existentes basados en diboruro de magnesio no pueden adoptar campos magnéticos muy altos, habltualmente muy por debajo de 2 T. Por tanto para conseguir un rendimiento adecuado, el circuito magnético de las máquinas eléctricas síncronas superconductoras basadas en hilos de diboruro de magnesio y materiales baratos con características similares deben comprender polos de hierro salientes que sobresalen del contrahierro del rotor. Los polos de hierro desvían el flujo magnético procedente de las bobinas superconductoras y reducen la reluctancia del circuito.

Habltualmente, los superconductores se mantienen a la temperatura criogénica operativa apropiada en recipientes especiales denominados criostatos. Los prototipos conocidos de máquinas superconductoras a menudo presentan un diseño de rotor frío, en el que un criostato encierra

las bobinas superconductoras el contrahierro del rotor la armadura del rotor.

El diseño de rotor frío como el dado a conocer en el documento WO-A 27/33858 no es adecuado para un rotor de polos salientes, debido a que las camisas externas del criostato por encima de los polos requerirían espacio adicional, haciendo así el entrehierro más largo y teniendo un efecto negativo en la distribución del campo magnético. Esta característica reduciría la eficacia del circuito magnético.

En el sistema frío húmedo como el dado a conocer en la patente EP-A-1959548, la pieza superconductora se sumerge en un refrigerante, en estado gaseoso o líquido, y se aísla del exterior en el criostato. El calor generado por las fuentes externas o internas se intercambia con el refrigerante y se extrae fuera del criostato con el fin de mantener la máquina a la temperatura de operación apropiada. En caso de refrigerante líquido, el procedimiento de refrigeración puede implicar un cambio de fase al estado gaseoso. Tanto el He gaseoso como el He líquido (temperatura de ebullición de 4,2 °K) se han usado ampliamente como refrigerante. Como el He es un elemento muy costoso, se han desarrollado varios sistemas de ciclo cerrado para recuperar este costoso gas, e, incluso, licuarlo... [Seguir leyendo]

1.- Un generador eléctrico de accionamiento directo con bobinas superconductoras para una turbina eólica, comprendiendo el generador:

un conjunto de estator (5, 8, 9, 11, 12) que comprende devanados de estator de entrehierro (11), una armadura de devanados de entrehierro (12), un yugo trasero de estator anular (8) y una armadura de estator (9); un conjunto de rotor (2, 6, 7, 14) que puede rotar dentro del conjunto de estator (5, 8, 9, 11, 12); una pluralidad de bobinas superconductoras (24) situadas sobre el conjunto de rotor (2, 6, 7, 14); un sistema de refrigeración (15, 16, 17, 18) que comprende un compresor (15), una alimentación directa (16), líneas de transmisión (17) y cabezas refrigeradoras (18) de refrigerador criogénico para refrigerar las bobinas superconductoras (24) hasta una temperatura criogénica adecuada; estando conectadas las cabezas refrigeradoras (18) a través de las líneas (17) al compresor de manera que el refrigerante puede ser suministrado y recuperado de las cabezas refrigeradoras (18);

un criostato (1) sujeto sobre el conjunto de rotor, que aloja las bobinas superconductoras (24) para un aislamiento térmico óptimo de las bobinas superconductoras (24) y adaptado para rotar de manera síncrona con el rotor; el criostato (1) no tiene fluido de refrigeración y está adaptado para mantener las temperaturas criogénicas por medio de conexiones a la pluralidad de cabezas de refrigeración (18) a través de circuitos de transmisión de calor (45, 46); caracterizado porque

el conjunto de rotor comprende un contrahierro (7) con polos de hierro (6) que sobresalen del mismo, el criostato (1) tiene una geometría de tipo escalera redonda, está situado sobre la superficie externa del contrahierro del rotor (7) y comprende una pluralidad de aberturas centrales adaptadas para alojar los polos de hierro que sobresalen del rotor.

2 - Un generador eléctrico según la reivindicación 1, que comprende además medios para generar una baja presión en el interior del criostato y en el que cada cabeza de refrigeración (18) tiene dos fases, una de baja temperatura (18b) y una a de alta temperatura (18a), estando conectado uno de los elementos de transmisión del criostato a la fase de baja temperatura y estando el otro conectado a la fase de alta temperatura, de manera que cada cabeza de refrigeración (18) actúa como un disipador de calor que absorbe calor del interior del criostato (1).

3 - Un generador eléctrico según la reivindicación 2, en el que el criostato (1) comprende una pluralidad de unidades de criostato, comprendiendo cada unidad de criostato un elemento de conformación y de anclaje térmico (21) que encierra una bobina superconductora, una pantalla contra la radiación (2) y una camisa externa del criostato (19), estando anclada térmicamente la pantalla contra la radiación (2) a la fase de alta temperatura del refrigerador criogénico (18a) a través de un elemento de circuito térmico (23) y estando alojada en la camisa externa del criostato (19) y estando alojado el elemento de conformación y de anclaje térmico (21) en la pantalla contra la radiación (2) y en contacto térmico con la fase de baja temperatura del refrigerador criogénico (18b), a través de un elemento de circuito térmico de baja temperatura (22).

4.- Un generador eléctrico según la reivindicación 3, en el que el criostato (1) comprende secciones transversales interpolares situadas entre los polos de hierro (6) adyacentes, comprendiendo cada sección interpolar

una parte transversal (28) de la camisa externa del criostato (19) que comprende un canal en forma de U transversal exterior dotado de un aislamiento multicapa exterior (35) y cerrado por una parte transversal de una placa de cubierta exterior (34);

una parte transversal (37) de la pantalla contra la radiación (2) que comprende un canal en forma de U transversal interior dotado de un aislamiento multicapa interior (36) y cerrado por una parte transversal de una placa de cubierta interior (33);

dos partes transversales (32) de dos elementos de conformación y de anclaje térmicos (21) adyacentes, respectivamente, separados entre sí por un espacio transversal;

la parte transversal (37) de la pantalla contra la radiación (2) está situada dentro del aislamiento multicapa exterior (35) en la parte transversal (28) de la camisa externa del criostato (19);

las dos partes transversales (32) de los elementos de conformación y de anclaje térmicos (21) adyacentes están situadas dentro del aislamiento multicapa interior (36) en la parte transversal (37) de la pantalla contra la radiación (2).

5.- Un generador eléctrico según las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además una alimentación directa rotatoria (16) conectada a una salida de refrigerante y a una entrada de refrigerante del compresor del refrigerador criogénico (15) de manera que las líneas (17) están en conexión con la salida de refrigerante y una línea de recuperación está en conexión de fluidos con la entrada de refrigerante.

6.- Un generador eléctrico según la reivindicación 5, en el que la alimentación directa rotatoria (16) comprende

una cámara de baja presión (16e) conectada a un circuito de baja presión y con conexión de fluidos a una primera fase (18a) de al menos una cabeza refrigeradora (18), estando acoplada térmicamente dicha primera fase (18a) al circuito de baja temperatura (46) en el criostato (1);

una cámara de alta presión (16h) alojada dentro de la cámara de baja presión (16e) y con conexión de fluidos a un

circuito de alta presión acoplado térmicamente a una segunda fase (18b) de dicha al menos una cabeza refrigeradora (18), estando acoplada térmicamente dicha segunda fase (18b) al circuito de alta temperatura (45) en el criostato (1);

una estructura de sellado de baja presión (41) que divide la cámara de baja presión (16e) en una parte de baja 5 presión estacionaria (16a) y una parte de baja presión rotatoria (16b), siendo rotatoria la parte de baja presión rotatoria (16b) en la estructura de sellado de baja presión (41);

una estructura de sellado de alta presión (44) que divide la cámara de alta presión (16f) en una parte de alta presión estacionaria (16c) y una parte de alta presión rotatoria (16d), siendo rotatoria la parte de alta presión rotatoria (16d) en la estructura de sellado de alta presión (44), estando montada la estructura de sellado de alta presión (44) en la 1 estructura de sellado de baja presión (41).