Procedimiento y sistema para enfriar una estructura de aerogenerador.

Un procedimiento para enfriar componentes dentro de una estructura (12,

14) de aerogenerador, que comprende:

establecer una corriente de aire de recirculación de aire interno dentro de la estructura (12,14);

para un conjunto definido de condiciones operativas del aerogenerador que afectan a una capacidad requerida de enfriamiento dentro de la estructura, aumentando de manera controlable la corriente de aire de recirculación con aire externo para incrementar la capacidad de enfriamiento de la corriente de aire de recirculación; y

equilibrar la cantidad de aire externo introducido en la estructura con la cantidad de aire interno relativamente más caliente dentro de la estructura para lograr un equilibrio deseado de temperatura y humedad relativa dentro de la estructura;

en el que el conjunto determinado de condiciones operativas son la temperatura ambiental del aire y el nivel de generación de potencia del aerogenerador, en el que para un nivel de generación de potencia determinado, el control de la corriente de aire de recirculación y la cantidad de aire externo introducido en la estructura (12, 14) son una función de la temperatura del aire ambiental; y

en el que la temperatura del aire ambiental se divide en una pluralidad de intervalos de temperatura, y el nivel de generación de potencia se divide en una pluralidad de intervalos de nivel de potencia, en el que para diferentes combinaciones del intervalo de nivel de potencia e intervalo de temperatura del aire ambiental, puntos fijos de control son establecidos para controlar la corriente de aire de recirculación y la cantidad de aire externo introducido en la estructura (12, 14).

Procedimiento y sistema para enfriar una estructura de aerogenerador

La presente invención se refiere, en general, al campo de los aerogeneradores o turbinas eólicas y, más en particular, a un sistema y procedimiento de control asociado para enfriar una estructura de aerogenerador, tal como una torre o góndola, que utiliza una combinación de flujo de aire regulado interno y externo para enfriar componentes dentro de la estructura.

La energía eólica se considera una de las fuentes de energía más limpias y ecológicas disponible en la actualidad, y los aerogeneradores han ganado una atención creciente en este sentido. Un aerogenerador moderno incluye normalmente una torre, una góndola soportada de manera rotativa en la torre, un generador y una caja de cambios alojados en la góndola, y una o más palas del rotor. Las palas del rotor capturan la energía cinética del viento usando principios de superficies aerodinámicas conocidas, y transmiten la energía cinética a través de energía rotativa para activar un árbol que acopla las palas del rotor con la caja de cambios, o si no se usa una caja de cambios, directamente con el generador. El generador convierte entonces la energía mecánica en energía eléctrica que puede implementarse en una red de utilidad. Con el interés creciente en la electricidad generada por el viento, se han realizado considerables esfuerzos por desarrollar aerogeneradores que sean fiables y eficaces.

Un aerogenerador comprende diversos componentes mecánicos y eléctricos que generan pérdidas de energía de calor durante su funcionamiento. Estos componentes incluyen, por ejemplo, la caja de cambios (en caso de que exista) y el generador que se alojan normalmente en una góndola. Otros componentes de generación de calor pueden alojarse en la torre. Por ejemplo, un convertidor y un transformador se alojan normalmente en la torre y se utilizan para suministrar energía eléctrica convertida desde la energía mecánica del rotor por medio del generador en la red. Además, uno o más controladores para controlar el funcionamiento del aerogenerador están dispuestos normalmente dentro de la torre.

Debido al rendimiento incrementado y al tamaño de los aerogeneradores modernos, el enfriamiento eficaz de los componentes anteriormente mencionados es cada vez más difícil, en particular, con respecto a los componentes de generación de calor dentro de la torre. Por ejemplo, se ha estimado que para un sistema de control convertidor que funciona en una turbina de 1,5 MW, alrededor de 60 kW se disipan en calor gracias al convertidor. La colocación del convertidor dentro de la torre de la turbina sin un enfriamiento adecuado puede tener como resultado un incremento significativo de la temperatura dentro de la torre, lo que puede ser perjudicial para el sistema de control y otros componentes dentro de la torre.

El documento WO 01/06121 describe una unidad de aerogenerador que tiene un circuito cerrado de enfriamiento en

su interior.

Normalmente, los componentes de generación de calor en la torre están dispuestos dentro de una corriente de aire de enfriamiento generada por ventiladores. Los componentes pueden incluir un disipador térmico que recoge el calor generado, con el disipador térmico colocado directamente en la corriente de aire. El aire calentado se eleva en la torre y normalmente se hace salir a través de respiraderos cerca de la parte superior de la torre. La torre puede incluir respiraderos adicionales, por ejemplo, en la puerta de entrada de la torre, para permitir el paso del aire exterior dentro de la porción inferior de la torre. Sin embargo, incluso con este tipo de disposición, es a menudo difícil suministrar suficiente aire externo a la torre para el enfriamiento apropiado de los componentes.

Además, las restricciones sobre el enfriamiento de las torres también pueden ser resultado de la ubicación geográfica de los aerogeneradores. Por ejemplo, los lugares costeros y cerca de la costa generalmente no cuentan con el aire externo como medio de enfriamiento debido al alto contenido en sal y la humedad del aire, lo que tendría como resultado un entorno corrosivo dentro de la torre. Estos lugares usan un sistema de enfriamiento aislado, tal como un sistema de aire acondicionado, con un intercambiador de calor. También puede utilizarse un deshumidificador. La humedad y la temperatura externa son consideraciones que pueden limitar de manera significativa las opciones de enfriamiento disponibles en una ubicación geográfica determinada.

Por consiguiente, existe la necesidad de un sistema y un procedimiento mejorados para enfriar componentes dentro de la torre de un aerogenerador que utiliza la capacidad de enfriamiento del aire externo y sin embargo controla la humedad en la estructura dentro de límites aceptables.

Diversos aspectos y ventajas de la invención se expondrán en parte en la siguiente descripción, o pueden quedar claros a partir de la descripción, o pueden aprenderse a través de la puesta en práctica de la invención.

Diversos aspectos y realizaciones de la presente invención se definen en las reivindicaciones adjuntas.

Diversas características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor en referencia a la siguiente descripción, reivindicaciones adjuntas y dibujos, en los que:

La Figura 1 es una vista en perspectiva de un aerogenerador convencional, e ilustra los componentes de generación de potencia o control alojados dentro de la torre del aerogenerador;

La Figura 2 es una vista de un diagrama esquemático de una realización de una estructura de aerogenerador que incorpora aspectos de la invención;

La Figura 3 es una vista de un diagrama esquemático de una realización alternativa de una estructura de aerogenerador que incorpora aspectos de la invención; y

La Figura 4 es un diagrama de flujo de un esquema de control relacionado con la realización de la Figura 3.

Ahora, se hará referencia en detalle a las realizaciones de la invención, de la que se ilustran uno o más ejemplos en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona mediante la explicación de la invención, sin limitación de la invención. De hecho, será obvio para los expertos en la materia que diversas modificaciones y variaciones pueden realizarse en la presente invención sin apartarse del alcance o espíritu de la invención. Por ejemplo, las características ilustradas o descritas como parte de una realización, pueden usarse con otra realización para producir una realización adicional. De esta manera, se pretende que la presente invención abarque tales modificaciones y variaciones tal como entran dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas y sus equivalentes.

Un aerogenerador de eje horizontal (en lo sucesivo "aerogenerador") 10 se ilustra en la Figura 1. Sin embargo, la presente invención puede emplearse con cualquier configuración de aerogenerador, incluyendo por ejemplo un aerogenerador de eje vertical. El aerogenerador 10 incluye una torre 12, que soporta el peso de una góndola 14, palas 19 y buje 18 del rotor. La torre 12 se fabrica a menudo como una estructura de acero tubular, y puede erigirse apilando múltiples segmentos de torre unos encima de otros. Las torres también pueden ser de tipo celosía (o reticular), y las torres tubulares también pueden formarse como alternativa de hormigón u otros materiales adecuados. La góndola 14 aloja normalmente el tren de transmisión (por ejemplo, caja de cambios, árboles, acoplamientos, generador, etc ), así como un bastidor principal (también llamado "bancada") y mandos de guiñada. Otros elementos, tal como el sistema electrónico de control, también pueden alojarse dentro de la torre 12. Normalmente la góndola 14 tiene un revestimiento exterior que se compone de un material de peso ligero, tal como fibra de vidrio o un compuesto de grafito, que funciona para proteger el tren de transmisión y otros componentes de los elementos (por ejemplo, lluvia, hielo, nieve, etc.).

Diversos sistemas electrónicos 16 de potencia y control pueden ubicarse dentro de la torre 12, por ejemplo en la base de la torre 12. El sistema electrónico de control puede controlar los diversos modos operativos (por ejemplo, el ángulo de paso de la pala, la secuencia de inicio o cierre, etc.) del aerogenerador 10. El sistema electrónico de potencia puede incluir transformadores y convertidores usados para transformar la salida de tensión del generador de manera apropiada para la transmisión a la red eléctrica.

Aunque alojar el sistema electrónico 16 de potencia y control dentro de la torre 12 es una implementación típica, no es la única configuración posible. Estos componentes 16 podrían colocarse también en la góndola. De esta manera, debería... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para enfriar componentes dentro de una estructura (12,14) de aerogenerador, que comprende:

establecer una corriente de aire de recirculación de aire interno dentro de la estructura (12,14);

para un conjunto definido de condiciones operativas del aerogenerador que afectan a una capacidad requerida de enfriamiento dentro de la estructura, aumentando de manera controlable la corriente de aire de recirculación con aire externo para incrementar la capacidad de enfriamiento de la corriente de aire de recirculación; y

equilibrar la cantidad de aire externo introducido en la estructura con la cantidad de aire interno relativamente más caliente dentro de la estructura para lograr un equilibrio deseado de temperatura y humedad relativa dentro de la estructura;

en el que el conjunto determinado de condiciones operativas son la temperatura ambiental del aire y el nivel de generación de potencia del aerogenerador, en el que para un nivel de generación de potencia determinado, el control de la corriente de aire de recirculación y la cantidad de aire externo introducido en la estructura (12, 14) son una función de la temperatura del aire ambiental; y

en el que la temperatura del aire ambiental se divide en una pluralidad de intervalos de temperatura, y el nivel de generación de potencia se divide en una pluralidad de intervalos de nivel de potencia, en el que para diferentes combinaciones del intervalo de nivel de potencia e intervalo de temperatura del aire ambiental, puntos fijos de control son establecidos para controlar la corriente de aire de recirculación y la cantidad de aire externo introducido en la estructura (12, 14).

2. El procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el conjunto determinado de condiciones operativas del aerogenerador son la temperatura de un componente (16) monitoreado en la estructura (12, 14) y la humedad relativa dentro de la estructura.

3. El procedimiento de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que la corriente de aire de recirculación es controlada inicialmente como una función de la temperatura del componente (16) monitoreado en la estructura (12, 14), en el que el aire externo no es introducido en la estructura hasta que la temperatura del componente monitoreado alcanza una temperatura de punto fijo, y en el que después de introducir el aire externo en la estructura, la corriente de aire de recirculación se controla como una función de humedad relativa dentro de la estructura.

4. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el control de la cantidad de aire externo introducido en la estructura (12, 14) es realizado mediante un regulador (36) de flujo de aire externo controlable que regula el acceso de aire externo a la estructura dentro de un intervalo de acceso cero hasta una capacidad de acceso máximo del regulador de flujo de aire.

5. El procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la corriente de aire de recirculación es generada mediante componentes (24) de manejo de aire controlables dentro de la estructura y varía como una función del conjunto determinado de condiciones operativas dentro de un intervalo de flujo esencialmente cero hasta un límite de flujo superior de los componentes de manejo de aire.

6. Un aerogenerador (10) que comprende:

una torre (12);

una góndola (14) montada sobre dicha torre;

un rotor (18) que tiene una pluralidad de palas (20) de la turbina soportadas de manera rotativa mediante dicha góndola;

al menos uno de dicha torre (12) o dicha góndola (14) define un componente estructural de dicho aerogenerador a enfriar;

componentes (24) de manejo de aire dentro de dicho componente estructural configurados para establecer una corriente de aire de recirculación de aire interno dentro de dicho componente estructural;

un regulador (36) de flujo de aire externo configurado con dicho componente estructural y configurado para controlar el acceso de aire externo a dicho componente estructural; y

un sistema (46) de control en comunicación operativa con dichos componentes de manejo de aire y dicho regulador de flujo de aire externo para llevar a cabo el procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 para enfriar componentes alojados dentro de dicha torre (12) o dicha góndola (14).