Palas de turbina eólica con elementos de vórtice aerodinámicos controlables.

Una pala de turbina eólica (16), comprendiendo la citada pala:

una superficie de lado de succión (20) y una superficie de lado de presión (22);

una pluralidad de elementos de vórtice dinámicos (24) formados sobre al menos una de entre las citadas superficies de lado de succión o las citadas superficies de lado de presión;

los citados elementos de vórtice pueden ser activados a cualquiera de una primera posición retraída, que está embutida hacia dentro con respecto a un plano neutro que es de la misma extensión que una de la citadas superficies (20, 22), o una segunda posición extendida que sobresale hacia fuera con respecto al citado plano neutro;

una depresión (26) en la citada superficie (20, 22) en la ubicación de cada uno de los citados elementos de vórtice (24), comprendiendo los citados elementos de vórtice una lámina de material flexible (30) dispuesta sobre la citada depresión, en el que la citada lámina de material se conforma dentro de la citada depresión en la citada primera posición retraída y se expande hacia fuera sobre la citada depresión en la citada segunda posición extendida, y un mecanismo de activación (38) configurado con la citada lámina de material (30) para mover la citada lámina de material entre la citada primera posición retirada y la citada segunda posición extendida; que se caracteriza porque:

la citada lámina de material (30) comprende un material piezoeléctrico (32), comprendiendo el citado mecanismo (38) de activación una fuente de energía controlable (40) conectada al citado material piezoeléctrico; y

en el que los citados elementos de vórtice (24) son en general hemisféricos en la citada primera posición retraída y en la citada segunda posición extendida.

Palas de turbina eólica con elementos de vórtice aerodinámicos controlables La presente invención se refiere en general al campo de las turbinas eólicas, y más en particular, se refiere a palas de turbina que tienen una configuración de superficie aerodinámica.

Las palas de turbina son los elementos primarios de las turbinas eólica para la conversión de la energía del viento en energía eléctrica. El principio de funcionamiento de las palas se asemeja al de las alas de un avión. Las palas tienen un perfil de sección transversal como un perfil aerodinámico de tal manera que, durante el funcionamiento, el aire circula sobre la pala produciendo una diferencia de presión entre los lados. Como consecuencia, una fuerza de sustentación, que está dirigida desde un lado de presión hacia un lado de succión, actúa sobre la pala. La fuerza de sustentación genera un par de torsión en el árbol del rotor principal, que está engranado a un generador para producir electricidad.

El flujo de aire sobre el borde de ataque de la pala es principalmente laminar en una región de "flujo unido". La fuerza de sustentación es generada principalmente en esta región de flujo unido. A medida que el aire se mueve hacia el borde de salida de la pala, se produce la separación de flujo y las transiciones del flujo de aire a una región de "flujo separado", en la que el flujo es más turbulento. La separación de flujo depende de un número de factores, tales como las características del flujo de aire de entrada (por ejemplo, número de Reynolds, velocidad del viento, turbulencia atmosférica en el flujo) y las características de la pala (por ejemplo, las secciones de perfil aerodinámico, las cuerdas y el grosor de la pala, la distribución de giro, ángulo de cabeceo, etc.) . La región de flujo separado también conduce a un incremento de la fuerza de arrastre, debido principalmente a una diferencia de presión entre la región de flujo unido aguas arriba y la región de flujo separado aguas abajo.

Por lo tanto, con el fin de incrementar la eficiencia de la conversión de energía durante el funcionamiento normal de la turbina eólica, se desea incrementar la fuerza de sustentación, mientras que disminuye la fuerza de arrastre. Para este fin, es ventajoso incrementar la región de flujo unido y reducir la región de flujo separado produciendo la separación de flujo más cerca del borde de salida de la pala, es decir, en una región aguas abajo de la pala. Además, se desea en general tener una separación de flujo estable con el fin de incrementar la estabilidad de funcionamiento y disminuir la generación de ruido de la pala.

Es conocido en la técnica cambiar las características aerodinámicas de las palas de turbina eólica mediante la adición de huecos, protuberancias, u otras estructuras en la superficie de la pala. Estas estructuras son denominadas a menudo como "generadores de vórtice" y sirven para crear regiones microturbulentas del flujo de aire sobre la superficie de la pala. Esto produce la estabilidad de la transición de flujo en regiones de la pala de velocidad relativamente baja en general más cerca de la raíz de la pala. En las regiones de velocidad relativamente altas de la pala más cerca de la punta de la pala, los generadores de vórtice sirven para extender la separación de flujo del flujo de aire hacia el borde de salida de la pala para generar más sustentación y reducir el arrastre.

Los elementos generadores de vórtice estáticos o fijos son conocidos. Se hace referencia, por ejemplo, a los documentos WO 2007/065434; WO 00/15961; y a la patente norteamericana número 7.604.461. Los elementos de vórtice en estas referencias tienen una forma, tamaño y configuración definidos que no cambian y, por lo tanto, la versatilidad de los elementos para variar las condiciones de flujo de aire es limitada.

También se conocen generadores de vórtice retráctiles o pivotantes que se despliegan con relación a la superficie de una pala. Se hace referencia, por ejemplo, a la patente norteamericana número 4.039.161; la patente norteamericana número 5.253.828; la patente norteamericana número 6.105.904; la patente norteamericana número 6.427.948; y el documento WO 2007/005687.

El documento EP 1 896 323 B1 describe un generador de vórtice pivotante en forma de un elemento plano que se encuentra en la superficie de control de flujo en un estado retraído y pivota en un ángulo desde la superficie en un estado extendido. El generador de vórtice puede estar formado de una aleación con memoria de forma que es actuada por un calentador. La referencia describe que otros tipos de actuadores pueden ser utilizados para impartir una acción de pivotamiento al generador de vórtice, incluyendo un actuador piezoeléctrico bimorfo.

La patente norteamericana número 7.293.959 describe una pala de turbina eólica que tiene un medio de regulación de sustentación en forma de aletas flexibles que se extienden en la dirección longitudinal a lo largo del borde de seguimiento y del borde de ataque del lado de succión de la pala. Las aletas se activan a altas velocidades del viento para reducir la sustentación de la pala. El medio de activación puede ser piezoeléctrico.

Aunque los generadores de vórtice que se han explicado en las referencias que se han citado más arriba pueden ser considerados "dinámicos" puesto que se despliegan a un estado activo, la utilidad de los elementos en el estado " de reposo" es mínima.

En consecuencia, la industria se beneficiaría de una pala de turbina eólica que tuviese elementos de generación de vórtice dinámicos que proporcionasen características de superficie aerodinámica mejoradas tanto en un estado activo como no activo en un rango más amplio de condiciones viento y de flujo de aire.

Varios aspectos y ventajas de la invención se expondrán en parte en la descripción que sigue, o pueden ser evidentes a partir de la descripción, o se pueden aprender mediante la práctica de la invención.

De acuerdo con diversos aspectos de la invención, se proporciona una pala de turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1.

La superficie de la pala respectiva incluye una depresión formada en la misma en la ubicación de cada uno de los elementos de vórtice. Los elementos de vórtice están hechos de una lámina de material flexible que se dispone sobre la depresión. La lámina de material se conforma dentro de la depresión en la primera posición retraída y se expande hacia fuera sobre la depresión en la segunda posición extendida. Un mecanismo de activación se configura con la lámina de material para mover o desplegar la lámina de material entre las posiciones respectivas. La lámina de material comprende un material piezoeléctrico y el mecanismo de activación incluye una fuente de energía controlable conectada al material piezoeléctrico. Las características de la energía alimentada al material piezoeléctrico determinan si el material asume una configuración extendida o retraída con respecto al plano neutro de la superficie de la pala. Las características de energía se pueden variar para producir una forma correspondientemente variada de los elementos de vórtice en la configuración extendida.

En una realización particular, la pluralidad de elementos de vórtice puede ser alimentada por una fuente de energía controlada común de manera que los mismos actúan al unísono, o puede ser alimentada y controlada individualmente para un control más preciso. Alternativamente, los elementos de vórtice pueden subdividirse en grupos, estando controlado individualmente cada uno de los grupos.

En todavía otra realización, la pala de turbina eólica puede incluir elementos de vórtice estáticos además de los elementos de vórtice dinámicos. Los elementos estáticos pueden estar separados de o intercalados entre los elementos de vórtice dinámicos.

La forma y la configuración particulares de los elementos de vórtice dinámicos no son un factor limitante. En una realización particular, los elementos son en general de forma hemisférica tanto en la configuración retraída como en la expandida. Cualquier forma, orientación, u otra característica geométrica deseada de los elementos de vórtice está dentro del alcance y espíritu de la invención.

En otra realización única, los elementos de vórtice también pueden ser configurados para asumir una tercera posición neutra en la que los elementos son de la misma extensión que el plano neutro de la superficie de la pala y por lo tanto se encuentran esencialmente a ras con la superficie de la pala.

Las realizaciones de la invención también abarcan una turbina eólica que tiene una o más palas de turbina configuradas con los elementos de vórtice... [Seguir leyendo]

1. Una pala de turbina eólica (16) , comprendiendo la citada pala:

una superficie de lado de succión (20) y una superficie de lado de presión (22) ;

una pluralidad de elementos de vórtice dinámicos (24) formados sobre al menos una de entre las citadas 5 superficies de lado de succión o las citadas superficies de lado de presión;

los citados elementos de vórtice pueden ser activados a cualquiera de una primera posición retraída, que está embutida hacia dentro con respecto a un plano neutro que es de la misma extensión que una de la citadas superficies (20, 22) , o una segunda posición extendida que sobresale hacia fuera con respecto al citado plano neutro;

una depresión (26) en la citada superficie (20, 22) en la ubicación de cada uno de los citados elementos de vórtice (24) , comprendiendo los citados elementos de vórtice una lámina de material flexible (30) dispuesta sobre la citada depresión, en el que la citada lámina de material se conforma dentro de la citada depresión en la citada primera posición retraída y se expande hacia fuera sobre la citada depresión en la citada segunda posición extendida, y un mecanismo de activación (38) configurado con la citada lámina de material (30) para mover la citada lámina de material entre la citada primera posición retirada y la citada segunda posición extendida; que se caracteriza porque:

la citada lámina de material (30) comprende un material piezoeléctrico (32) , comprendiendo el citado mecanismo (38) de activación una fuente de energía controlable (40) conectada al citado material piezoeléctrico; y en el que los citados elementos de vórtice (24) son en general hemisféricos en la citada primera posición retraída y en la citada segunda posición extendida.

2. La pala de turbina eólica (16) de acuerdo con la reivindicación 1, en el que a la citada pluralidad de elementos de vórtice (24) se le suministra una fuente de energía controlada común (46) .

3. La pala de turbina eólica (16) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la citada

pluralidad de elementos de vórtice (24) están divididos en grupos controlados por separado, siendo alimentado cada uno de los citados grupos por una fuente de energía regulada correspondiente (40) .

4. La pala de turbina eólica (16) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la citada pluralidad de elementos de vórtice (24) son controlados individualmente con una fuente de energía regulada correspondiente (40) .

5. La pala de turbina eólica (16) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los citados elementos de vórtice (24) comprenden una tercera posición neutra de la misma extensión que el citado plano neutro de la citada superficie.

6. La pala de turbina eólica (16) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que los citados elementos de vórtice (24) están formados en la citada superficie de lado de succión (20) y la citada su35 perficie de lado de presión (22) .

7. Una turbina eólica (10) , comprendiendo la citada turbina eólica una pluralidad de palas de turbina (16) formadas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.