Planeador para producción de energía eólica aerotransportada.

Planeador (10) para producción de energía eléctrica a partir del viento (50),

el cual comprende un plano (14) de sustentación, medios (20, 22, 24) de pilotaje de a bordo para cabecear, balancear y guiñar el planeador (10) cuando se encuentra en vuelo, medios (17, 17', 18) sensores que proporcionan una primera señal relacionada con una posición absoluta del planeador (10), una segunda señal relacionada con una velocidad aerodinámica del planeador (10) y una tercera señal relacionada con una aceleración del planeador (10), un dispositivo de control conectado a los medios (20, 22, 24) de pilotaje para controlar el vuelo autónomo del planeador (10) en base a las señales provistas por los medios (17, 17', 18) sensores, y un medio de conexión dispuesto para conexión liberable de un cable (44) de sujeción al planeador para conectar el planeador (10) a una máquina eléctrica (46) dispuesta en tierra construida para convertir una fuerza de sustentación, generada al exponer el plano (14) de sustentación al viento (50) y transferida a tierra a través del cable (44) de sujeción, en energía eléctrica.

Planeador para producción de energía eólica aerotransportada La presente invención se refiere a un planeador para producción de energía eléctrica a partir del viento. La presente invención también se refiere a un sistema para producción de energía eléctrica a partir del viento.

La producción de energía eléctrica a partir del viento se lleva a cabo generalmente mediante planos de sustentación o estructuras con perfil aerodinámico, los cuales producen fuerzas de sustentación al ser expuestos al viento. De esta manera se extrae energía del viento, la cual puede ser convertida en electricidad, por ejemplo explotando de dichas fuerzas de elevación para accionar un generador eléctrico. Las turbinas eólicas bien conocidas comprenden por ejemplo un rotor con aspas de rotor perfiladas aerodinámicamente, en donde las fuerzas de sustentación de las aspas de rotor provocan que el rotor rote. El rotor está montado en un generador eléctrico, el cual está ubicado a modo de ejemplo en la parte superior de una torre, para la producción de electricidad.

Con la finalidad de explotar fuentes energéticas en altura por encima de algunos cientos de metros sobre el suelo, en donde el viento medio es más fuerte y constante debido a menores interacciones perturbantes con la superficie de la tierra, se ha propuesto usar planos de sustentación en vuelo. Estos conceptos son frecuentemente referidos como energía eólica en vuelo o producción de energía eólica en vuelo.

Uno de los desafíos de la producción de energía eólica en vuelo es la transferencia de la energía extraída del viento a gran altura hacia el suelo. En este contexto se han propuesto dos enfoques generales, un primero que proporciona un generador en vuelo y subsecuentemente un objeto volador relativamente pesado, y otro que proporciona un generador dispuesto en tierra, en donde la energía extraída del viento tiene que ser transformada mecánicamente a tierra.

Un ejemplo de este último enfoque es el concepto denominado cometa de bombeo. Una cometa vuela viento debajo de un generador dispuesto en tierra conectado a sus líneas de pilotaje, las cuales tiran de y accionan el generador a medida que la cometa se aleja del generador. Con la finalidad de recuperar las líneas, el generador es accionado como motor para recuperar la cometa. Durante estas fases, la cometa es pilotada de manera que ejerza menor fuerza de tracción sobre las líneas, de manera que el consumo de energía para recuperar la cometa sea menor que la energía producida por la fuerza de tracción que ejerció anteriormente la cometa sobre las líneas.

El documento WO 2010/148373 A1 se refiere a un sistema de producción de energía eléctrica en vuelo amarrado que puede utilizar una estructura de bastidor apuntalado con planos de sustentación construidos en el bastidor para mantener los generadores accionados por la turbina eólica que están dentro de la estructura del plano de sustentación. Los rotores primarios utilizan el viento predominante para generar la velocidad rotacional. La energía eléctrica generada se devuelve a tierra usando un cable de sujeción que también está adaptado para sujetar el sistema volante a tierra. El sistema volante está adaptado para poder usar la energía eléctrica para proporcionar potencia a las turbinas primarias que se usan como motores para elevar el sistema de la tierra, o el soporte de montaje, en el aire.

El problema subyacente de la invención consiste en proporcionar producción de energía eléctrica a partir del viento usando un plano de sustentación en vuelo, en donde en particular el rendimiento energético integral sea mejorado con respecto al estado de la técnica descrito más arriba.

De acuerdo a la presente invención, este problema es resuelto mediante un planeador para producción de energía eléctrica a partir del viento, el cual comprende un plano de sustentación, medios de pilotaje de a bordo para cabecear, balancear y guiñar lateralmente el planeador cuando se encuentra en vuelo, medios sensores que proporcionan una primera señal relacionada con la posición absoluta del planeador, una segunda señal relacionada con la velocidad aerodinámica del planeador y una tercera señal relacionada con la aceleración del planeador, un dispositivo de control conectado a los medios de pilotaje para controlar vuelos autónomos del planeador basados en las señales provistas por los medios sensores, y un medio de conexión para un cable de sujeción que conecta el planeador a una máquina eléctrica dispuesta en tierra construida para convertir una fuerza de sustentación, generada al exponer el plano de sustentación al viento y transferida a la estación en tierra a través del cable de sujeción, en energía eléctrica.

Un planeador o velero en términos de la presente invención es en particular un aeroplano de ala fija, especialmente sin medios de propulsión como hélices o motores de reacción, en donde los medios de pilotaje de a bordo permiten maniobrabilidad total de vuelo del planeador alrededor de su eje longitudinal, su eje lateral y su eje vertical. En términos de la presente invención, estos tres ejes principales constituyen un sistema de coordenadas cartesianas, en donde el origen de dicho sistema de coordenadas está definido por el centro de gravedad del planeador.

En términos generales, con referencia a un vuelo recto y nivelado, el eje longitudinal se refiere a la dirección de movimiento, el eje vertical se refiere a la dirección de sustentación y el eje lateral es esencialmente horizontal para completar un sistema de coordenadas cartesianas.

El planeador comprende por ejemplo un fuselaje y un ala principal, en donde el ala principal constituye o comprende

un plano de sustentación. En esta configuración, el eje longitudinal es esencialmente paralelo al fuselaje, el eje lateral es esencialmente paralelo al ala principal y el eje vertical es perpendicular a los dos ejes longitudinal y lateral. Los expertos en la materia apreciarán que el planeador puede tener otra configuración de aeroplano, como por ejemplo un aeroplano de ala delta, con definiciones apropiadas de los ejes principales.

En términos de la presente invención, balanceo se refiere a la rotación del planeador alrededor de su eje longitudinal, cabeceo se refiere a la rotación del planeador alrededor de su eje lateral y guiñada se refiere a una rotación del planeador alrededor de su eje vertical.

Un planeador proporciona la ventaja de baja resistencia aerodinámica o al arrastre y una elevada sustentación aerodinámica debido al ala fija con perfil aerodinámico rígido o plano de sustentación, respectivamente. Esto es particularmente beneficioso puesto que la energía extraída efectivamente del viento depende fuertemente del ascenso y resistencia aerodinámica, en particular del así llamado coeficiente de planeo.

Los medios sensores y el dispositivo de control del planeador de acuerdo con la presente invención permiten vuelos no tripulados, lo cual reduce el peso total del planeador. En consecuencia, gran parte de la fuerza de sustentación generada por el plano de sustentación queda disponible para la producción de energía eléctrica y, por lo tanto, se incrementa el rendimiento integral de producción de energía.

Para incrementar la seguridad del planeador, los medios de conexión están dispuestos en particular para conectar en forma desprendible un cable de sujeción al planeador, en donde el cable de sujeción está conectado o dispuesto para conectar al planeador a una máquina eléctrica en tierra.

Los medios sensores y el dispositivo de control también permiten la automatización optimizada del vuelo, en particular con la finalidad de maximizar la fuerza de sustentación durante la fase de producción de energía y con la finalidad de minimizar la fuerza de tracción del cable de sujeción durante la fase de recuperación. El vuelo durante la fase de recuperación puede ser optimizado asimismo para lograr una mínima duración.

En términos de la presente invención, una señal relacionada con un parámetro específico en particular es un valor de medición o un conjunto de valores de medición, el cual es obtenido continua o intermitentemente durante el vuelo y permite la determinación de parámetros específicos.

La posición del planeador en particular es la posición absoluta con respecto al suelo, la cual está dada por ejemplo en coordenadas universales, por ejemplo longitud, latitud y altura por encima del nivel del mar.

Una señal relacionada con la posición es por ejemplo la velocidad con respecto al suelo del planeador, la cual permite la determinación iterativa de la posición del planeador comenzando de una posición inicial conocida.... [Seguir leyendo]

1. Planeador (10) para producción de energía eléctrica a partir del viento (50) , el cual comprende un plano (14) de sustentación, medios (20, 22, 24) de pilotaje de a bordo para cabecear, balancear y guiñar el planeador (10) cuando se encuentra en vuelo, medios (17, 17', 18) sensores que proporcionan una primera señal relacionada con una posición absoluta del planeador (10) , una segunda señal relacionada con una velocidad aerodinámica del planeador

(10) y una tercera señal relacionada con una aceleración del planeador (10) , un dispositivo de control conectado a los medios (20, 22, 24) de pilotaje para controlar el vuelo autónomo del planeador (10) en base a las señales provistas por los medios (17, 17', 18) sensores, y un medio de conexión dispuesto para conexión liberable de un cable (44) de sujeción al planeador para conectar el planeador (10) a una máquina eléctrica (46) dispuesta en tierra construida para convertir una fuerza de sustentación, generada al exponer el plano (14) de sustentación al viento

(50) y transferida a tierra a través del cable (44) de sujeción, en energía eléctrica.

2. Planeador de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los medios (17, 17', 18) sensores comprenden un primer sensor (17) de posición, en particular un sensor GPS.

3. Planeador (10) de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque los medios (17, 17', 18) sensores comprenden un segundo sensor (17') de posición, en particular un sensor GPS, estando el segundo sensor (17') de posición dispuesto a una distancia dada con respecto al primer sensor (17) de posición.

4. Planeador (10) de acuerdo con una cualquiera de la reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los medios (17, 17', 18) sensores comprenden un sensor (18) de velocidad aerodinámica, en particular un tubo de pitot.

5. Planeador (10) de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el sensor (18) de velocidad aerodinámica es un sensor (18) de velocidad aerodinámica direccional, en particular un tubo de pitot multicanal.

6. Planeador (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los medios (17, 17', 18) sensores comprenden un sensor de inercia.

7. Planeador (10) de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el sensor de inercia incluye un giróscopo y/o un acelerómetro.

8. Planeador (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque los medios (20, 22, 24) de pilotaje comprenden al menos una superficie (20, 22, 24) de control activa aerodinámicamente, en particular al menos un alerón (20) y/o al menos un elevador (22) y/o al menos un timón (24) .

9. Planeador (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el dispositivo de control comprende una unidad de almacenamiento de datos para almacenar datos relacionados con las características de vuelo del planeador (10) y una unidad de procesamiento de datos para derivar señales de control para los medios (20, 22, 24) de pilotaje en base a los datos almacenados y a las señales proporcionadas por los medios (17, 17', 18) sensores.

10. Planeador (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el dispositivo de control implementa un filtro de Kalman, en particular un filtro de Kalman extendido.

11. Planeador (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el dispositivo de control proporciona un primer modo de operación para tirar de un cable (44) de sujeción que conecta el planeador (10) con una máquina eléctrica (46) dispuesta en tierra y en el que el dispositivo de control proporciona un segundo modo de operación para aproximar la máquina eléctrica (46) .

12. Planeador (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el planeador (10) comprende al menos una superficie (26) de control aerodinámica para variar el coeficiente de sustentación del plano (14) de sustentación y/o variar el coeficiente de resistencia aerodinámica del plano (14) de sustentación y/o para variar el coeficiente de resistencia aerodinámica del planeador (10) .

13. Planeador (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque el plano

(14) de sustentación comprende un perfil aerodinámicamente variable.

14. Sistema para producción de energía eléctrica a partir del viento (50) , el cual comprende un planeador (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, una máquina eléctrica (46) dispuesta en tierra y un cable (44) de sujeción que conecta el planeador (10) con la máquina eléctrica (46) , estando la máquina eléctrica (46) construida para convertir la fuerza de sustentación, generada por la exposición del plano (14) de sustentación al viento (50) y transferida a tierra a través del cable (44) de sujeción, en energía eléctrica.

15. Uso del planeador (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 para la producción de energía eléctrica a partir del viento.