ES2388514A1 - Pala de aerogenerador, de geometría variable con control pasivo - Google Patents

Pala de aerogenerador, de geometría variable con control pasivo Download PDF

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Abstract

Pala de aerogenerador, de geometría variable con control pasivo, incorporando medios de regulación de la sustentación formados por membranas (4, 4a) elásticas, dispuestas en la superficie de la cara de extradós, del perfil aerodinámico, las cuales membranas (4, 4a) poseen una cámara interior que se dispone conectada a un circuito neumático (8) por el que se aplica una depresión de referencia generada mediante bombas de vacío (9), de manera que dichas membranas (4, 4a) pueden deformarse en función del aire incidente sobre la pala (1) de aplicación, para modificar las características aerodinámicas de la misma.

Description

PALA DE AEROGENERADOR, DE GEOMETRÍA VARIABLE CON CONTROL PASIVO
Sector de la técnica
La presente invención está relacionada con la acción dinámica de las palas de aerogenerador en su función de captación de la energía del viento, proponiendo una pala de geometría variable capaz de reducir las cargas extremas que recibe la pala, por medio de un sistema de membranas elásticas de control pasivo activadas mediante la distribución de presiones
a
lo largo del perfil aerodinámico que conforma la
pala,
en relación con presiones de referencia que
actúan
sobre las membranas y que son generadas por
bombas
de succión.
Estado de la técnica
Las palas de un aerogenerador son los elementos que captan la energía del viento, para hacer girar un rotor que acciona a un generador eléctrico, consistiendo dichas palas en estructuras de gran envergadura (entre 50 y 70 metros de longitud para potencias de entre 2 y 5 MW del aerogenerador de aplicación), con las que la captación de energía eólica es proporcional al área de barrido de las mismas, de manera que la técnica actual tiende a aumentar la relación entre el área de barrido de las palas y la potencia nominal de los aerogeneradores, para aumentar la producción de éstos con vientos de velocidad más baja.
En ese sentido, el concepto estructural de las palas, el diseño de perfiles aerodinámicos más eficientes y los procesos de fabricación automatizada que garanticen la repetitividad, la calidad y la reducción de costes, son actualmente los principales factores de concentración de la innovación en el sector de los aerogeneradores.
El aumento de la relación entre el área de barrido de las palas y la potencia nominal del aerogenerador de aplicación, se soluciona convencionalmente con la utilización de palas más largas, lo cual se encuentra
con
unos aspectos críticos, como el aumento de las
cargas
que debe soportar el aerogener ador y el ruido
aerodinámico.
El ruido aerodinámico es la principal fuente de acústica en los aerogeneradores, factor que está
regulado por la normativa vigente, produciéndose dicho ruido aerodinámico en las zonas más exteriores de las palas; de manera que, para mantener el ruido dentro de los niveles admitidos, puede ser necesaria una reducción de la velocidad de giro del rotor eólico, lo que supone un mayor par mecánico, mayores cargas y necesidades adicionales en el generador eléctrico.
Por otro lado, la acción del viento ocasiona sobre las palas de los aerogeneradores un efecto de presión en la cara de intradós y un efecto de succión en la cara de extradós, aumentando este efecto de succión a lo largo de la pala, desde la raíz hasta la punta, lo cual hace que las palas tengan que soportar cargas de trabajo que varían en el tiempo, de manera que fuertes vientos y ráfagas extremas provocan cargas elevadas, fatiga. Los aumentos de carga tienen su origen en que el aumento de la velocidad del viento conlleva un aumento de la velocidad relativa en el perfil de las palas y una modificación del ángulo de ataque de dicho perfil, los cuales efectos combinados dan lugar a una fuerza resultante mayor que la fuerza estimada de diseño.
siendo
necesarios diseños robustos y
sobredimensionamientos
de los elementos estructurales
para
soportar dichas cargas y el comportamiento de
Además, la velocidad del viento no es uniforme en toda la superficie de barrido de las palas de los aerogeneradores, ya que además de las diferencias locales que se producen por fenómenos transitorios, como las turbulencias o cambios de dirección, la velocidad del viento tiende también a aumentar con la altura respecto del suelo, según una ley logarítmica, lo cual lleva a que en un aerogenerador el funcionamiento de cada pala se vea afectado, en función de la posición de la pala y de la aleatoriedad del viento, por una resultante de cargas aerodinámicas diferente a la de las otras palas.
Por ello, en las palas de los aerogeneradores modernos se incorporan sistemas para la reducción de cargas y la optimización de la potencia; siendo el sistema más habitual el mecanismo de pitch, mediante el cual cada pala se orienta para que encuentre su posición óptima en cada punto de trabaj o; existiendo también otros sistemas, por ejemplo frenos aerodinámicos en la zona de la punta de las palas. Sin embargo, dichos sistemas convencionales tienen, en general, un tiempo de respuesta que no les permite
reaccionar a tiempo ante fenómenos transitorios rápidos, como las ráfagas de viento, que acaban
ocasionando cargas más elevadas en las palas y en el conjunto de los aerogeneradores.
Se han propuesto al respecto diversas técnicas para la reducción de las cargas en las palas de los aerogeneradores, por medio de modificaciones de la geometría del perfil de las palas, en cuyo sentido, por ej emplo:
La Patente US 6361275 propone un sistema de control de cargas por medio de la introducción de mecanismos de pitch independientes para cada una de las palas.
La Patente EP 2282052 propone un sistema para aumentar la sustentación generada por cada pala a través de un perfil de pequeñas dimensiones, que permanece unido a la pala en condiciones normales, pero que se puede separar de la misma para conseguir el aumento de la sustentación.
La Patente US 4692095 propone un sistema de medios que en funcionamiento normal se encuentran en el intradós de la pala (zona de alta presión donde la influencia de dichos medios es relativamente baja), pero que en determinados momentos se trasladan al extradós (zona de baj a presión donde la influencia de esos medios es importante) , modificando así las características aerodinámicas de la pala.
La Patente WO 2004/099608 propone una pala de aerogenerador que incorpora unos sistemas de solapas situadas en el borde de ataque y/o en el borde de
salida, a lo largo de la dirección longitudinal de la pala, activándose dichas solapas por medios hidráulicos, electromagnéticos, neumáticos o fibras piezoeléctricas, para modificar las propiedades aerodinámicas de la pala según los requisitos del punto de trabajo, a través de unos sensores incorporados en la pala.
La Patente WO 2008/080407 propone una pala de aerogenerador que incorpora una serie de ranuras y/o huecos que emiten aire, para modificar las propiedades aerodinámicas de la pala según los requisitos del punto de trabaj o, por la acción de sensores incorporados en la pala.
La Patente ES 2261100 propone un aerogenerador que incorpora medios que se activan en un sector del área de barrido de las palas, para reducir la generación de ruido, siendo además posible la aplicación para disminuir la sustentación según la velocidad del viento incidente.
Todos estos sistemas son accionados por actuadores de uno u otro tipo, cuyo tiempo de respuesta desde la detección de la necesidad hasta que se consigue la posición final, es habitualmente superior al tiempo necesario para lograr un correcto control de las cargas
ante
variaciones rápidas de las condiciones
aerodinámicas
que afectan a las palas en los
aerogeneradores.
Objeto de la invención
De acuerdo con la invención se propone una pala de aerogenerador dotada de un sistema de geometría variable, con control pasivo a través de las presiones generadas por el aire incidente en el perfil aerodinámico.
Dicho sistema se basa en la disposición de unas
membranas elásticas situadas en el perfil aerodinámico a lo largo de la dirección longitudinal de la pala, siendo esas membranas capaces de deformarse por la diferencia entre la presión actuante sobre la cara exterior de las mismas que se halla expuesta al aire incidente sobre la pala y una presión de referencia, generada por bombas de succión, que actúa sobre la parte interior.
De este modo se obtiene una pala en la que las membranas incorporadas en ella se deforman en función del aire incidente sobre la pala, consiguiéndose mediante dicha deformación de las membranas una modificación de las características aerodinámicas del perfil de la pala, con lo que las cargas generadas en el conj unto de la pala se mantienen en los valores nominales ante las variaciones de las condiciones aerodinámicas que experimenta la pala.
Por lo tanto, dicha pala obj eto de la invención resulta de unas características que la hacen ventajosa para la función a desarrollar en los aerogeneradores de aplicación, adquiriendo vida propia y carácter preferente respecto de las soluciones aplicadas en las
palas
convencionales para compensar las variaciones de
las
condiciones aerodinámicas de las mismas por la
acción cambiante del viento.
Descripción de las figuras
La figura 1 muestra una vista frontal de un rotor eólico de aerogenerador con tres palas estructuradas según la invención.
La figura lA es un detalle parcial ampliado de la
figura anterior.
La figura 2 muestra en perspectiva el perfil de una pala de aerogenerador con una serie de membranas longitudinales según la invención.
La figura 3 es una vista en sección transversal ampliada de un perfil aerodinámico de pala provisto con rebajes destinados para la incorporación de membranas según la invención.
La figura 4 es una sección como la de la figura anterior con las membranas incorporadas y en posición normal sin deformación de las mismas.
La
figura 5 es una sección como la de la figura
anterior
con las membranas deformadas hacia el
exterior.
La figura 6 es una sección como la de la figura anterior con membranas deformables de manera variable en una dirección.
La figura 7 es un detalle ampliado de la zona VII indicada en la figura 3.
La figura 8 es un detalle ampliado de la zona VIII indicada en la figura 4.
La figura 9 es un detalle ampliado de una membrana como la incorporada en la figura anterior.
La figura 10 es un detalle ampliado de la zona X indicada en la figura 5.
La figura 11 es un detalle ampliado de la zona XI indicada en la figura 6.
La figura 12 muestra una gráfica de la distribución de la fuerza de sustentación en la dirección longitudinal de una pala tradicional de aerogenerador ante un viento ideal uniforme.
La figura 13 muestra una gráfica de la distribución de la fuerza de sustentación en la dirección longitudinal de una pala tradicional de aerogenerador ante un viento turbulento, en sobreimpresión sobre la distribución de la fuerza de sustentación ante un viento ideal uniforme representada a trazos.
La figura 14 muestra una gráfica de la distribución de la fuerza de sustentación en la dirección longitudinal de una pala de aerogenerador provista con un sistema de control de cargas según la invención, ante un viento turbulento, en sobreimpresión sobre la distribución de la fuerza de sustentación ante un viento ideal uniforme representada a trazos.
Descripción detallada de la invención
El
obj eto de la invención se refiere a una pala
(1)
de las que se disponen con una distribución de dos
o
tres palas (1) en un rotor eólico (2) incorporado
sobre
una torre (3) , para la formación de un
aerogenerador.
La pala (1) preconizada incorpora unas membranas (4, 4a) dispuestas en la dirección longitudinal del perfil aerodinámico que conforma la pala (1), por
ejemplo en tres zonas distribuidas en la anchura de la cara extradós (5) del perfil aerodinámico, una próxima al borde de ataque (6) del perfil, otra en la parte central y otra próxima al borde de salida (7) del perfil, corno se observa en la figura 2.
Las membranas (4, 4a) se alojan en rebajes (1.1) definidos en el exterior del perfil aerodinámico de la pala (1), enrasando con la superficie de dicho perfil aerodinámico, y son de material elástico con capacidad de deformación, determinando en el interior una cámara, con la cual comunica por la parte inferior un circuito neumático (8) conectado a una bomba de vacío (9) que mantiene una depresión (10) tarada a un valor nominal de trabajo. De una manera particular se prevé la utilización de bombas de vacío (9) independientes para cada membrana o grupos de membranas (4, 4a) de cada pala (1), corno se observa en el ejemplo de la figura 1.
De este modo, considerando, por ejemplo, una membrana (4) dispuesta en la superficie de la cara de extradós (5) del perfil aerodinámico de una pala (1) de aplicación, dicha membrana (4) se mantiene en estado normal, corno muestran las figuras 4 y 8, cuando la presión de succión (11) generada por la acción del aire en la parte exterior del perfil aerodinámico es menor que la depresión (10) generada en la parte interior por la bomba de vacío (9) correspondiente en el circuito neumático (8).
Sin embargo, si ante vientos turbulentos o ráfagas que modifiquen las condiciones aerodinámicas de la pala
(1)
de aplicación, el valor de la presión de succión
(11)
del exterior supera a la depresión (10) que actúa a través del circuito neumático (8) por la parte
interior, la membrana (4) se deforma hacia el exterior,
como
se observa en las figuras 5 y 10, modificando así
la
geometría del perfil y, por lo tanto, las
características
aerodinámicas de la pala (1) de
aplicación.
Esto permite compensar las alteraciones aerodinámicas que sufren las palas ( 1) cuando se producen fenómenos, como turbulencias o ráfagas de viento, ya que estos fenómenos provocan variaciones de las condiciones aerodinámicas del perfil de las palas
(1) con respecto al estado normal, puesto que en dicho perfil se modifica la distribución de presiones, aumentando la sustentación por encima del valor nominal. Frente a lo cual, la incorporación de membranas (4, 4a) en el perfil de las palas (1), según la invención, permite la compensación instantánea de esa modificación de la distribución de presiones en la cara extradós (5), con lo que resulta una sustentación que no supera al valor nominal de trabaj o, sin necesidad de esperar a la respuesta de sensores y de medios actuadores.
Por lo tanto, la respuesta local de la sustentación generada a lo largo de una pala (1) que incorpora membranas (4, 4a) según la invención, supone,
frente a una pala tradicional, en la que ante un viento ideal uniforme se produciría una distribución (12) de la fuerza de sustentación en la dirección longitudinal según muestra la figura 12, y en la que con un viento turbulento o a ráfagas se producen cargas (13) superiores a la carga nominal de trabajo según la distribución (12) ideal, como muestra la figura 13, que en dicha pala (1 ) según la invención las membranas (4, 4a) se activen cuando se produce esa situación de
vientos turbulentos o a ráfagas, manteniendo una distribución de cargas (14) con unos niveles equivalentes a los valores nominales de la distribución
(12) ideal, como muestra la figura 14.
La incorporación de varias membranas (4, 4a) en el perfil de una pala (1), como muestran las figuras 4 y 5, permite una respuesta suave a la modificación de la sustentación, en función de las características del perfil aerodinámico de cada sección de la pala (1), así como de las características del aerogenerador de aplicación y del viento en el lugar de emplazamiento.
Las membranas (4, 4a) situadas en la zona próxima al borde de salida (7 ) del perfil aerodinámico, pueden activarse además, del mismo modo, para reducir el nivel de ruido que generan las palas (1) de los aerogeneradores en determinadas condiciones de trabaj o críticas, ya que una geometría de la deformación de
dichas membranas (4, 4a) adecuada al perfil aerodinámico de la pala (1) de aplicación, permite
reducir el ruido aerodinámico.
Las características de diseño de las membranas (4, 4a) permiten, mediante la variación del grosor y de la rigidez de la parte deformable (4.1) de las mismas, como muestran las figuras 6 y 11, que la deformación de dichas membranas (4, 4a) pueda ser variable en una dirección, haciendo posible que la modificación de la
geometría
del perfil aerodinámico se ajuste a las
necesidades
requeridas en cada sección de la pala (1)
de
aplicación, para obtener la respuesta esperada.
En la cámara interior de las membranas (4, 4a) se dispone una malla (15), con lo cual siempre existe una
cantidad de aire en dicha cámara interior de las membranas (4, 4a), evitando que queden pegadas las paredes de la misma, para que haga el efecto necesario la depresión (10) que se aplica a través del circuito neumático (8) correspondiente.
Las bombas de vacío (9 ) relacionadas con las membranas (4, 4a), pueden colocarse en el rotor eólico
(2) del aerogenerador de aplicación, siendo ésta una ubicación preferente, pero también pueden colocarse en las propias palas ( 1) o en otras partes del aerogenerador e incluso fuera del aerogenerador; pudiendo establecerse una variación de la presión de trabaj o de dichas bombas de vacío (9) ante diferentes parámetros de funcionamiento del aerogenerador, como el ángulo girado por el mecanismo de pitch o la velocidad de giro del rotor eólico (2), ej emplos éstos que no tienen carácter limitativo.
Se prevé, además, el empleo de membranas (4, 4a) o grupos de las mismas, en conexión con bombas de vacío
(9) independientes, permitiendo así emplear diferentes depresiones (10) de referencia en distintas zonas de las palas (1) de aplicación e incluso en función de la posición de cada pala (1) en el barrido de giro del rotor eólico (2) durante el funcionamiento.
El control de las bombas de vacío (9) permite además, en determinadas ocasiones, facilitar la entrada en funcionamiento de las membranas (4, 4a) en otras condiciones más allá del incremento puntual de la distribución de cargas en las palas (1 ) de aplicación. En ese sentido, pueden, por ejemplo, activarse las membranas (4a) de la parte más extrema de las palas
(1), una vez alcanzada una determinada potencia, de modo que se anule la sustentación generada en dicha zona extrema de las palas (1), con lo que se consigue un efecto de reducción virtual de la longitud de las mismas, permitiendo de esta forma la implementación de
5 rotores eólicos (2 ) de mayor envergadura, sin que ello suponga un aumento de cargas en la estructura y, por tanto, sin necesidad de incorporar refuerzos adicionales en ella.

Claims (8)

  1. REIVINDICACIONES
    1. -Pala de aerogenerador, de geometría variable con control pasivo, incorporando medios de regulación de la sustentación situados sobre' la superficie de la cara extradós del perfil aerodinámico en la dirección longitudinal de la pala (1) de aplicación, caracterizada porque los medios de regulación de la sustentación están formados por membranas (4, 4a) elásticas, las cuales quedan con su cara exterior expuesta al fluj o de aire que incide sobre la superficie exterior del perfil aerodinámico de la pala
    (1), poseyendo dichas membranas (4, 4a) una cámara interior que se dispone conectada a un circuito neumático (8) por el que se aplica una depresión (10) de referencia generada mediante bombas de vacío (9).
  2. 2. -Pala de aerogenerador, de geometría variable
    con
    control pasivo, de acuerdo con la primera
    reivindicación,
    caracterizada porque las membranas (4,
    4a)
    se sitúan en zonas distribuidas en la anchura del
    perfil aerodinámico
    de la pala (1).
  3. 3.
    -Pala de aerogenerador, de geometría variable con control pasivo, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizada porque las membranas (4, 4a) se sitúan en zonas distribuidas en el sentido longitudinal de la pala (1).
  4. 4.
    -Pala de aerogenerador, de geometría variable con control pasivo, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizada porque al menos un grupo de membranas (4, 4a) se sitúa en una zona próxima al borde de salida (7) del perfil aerodinámico de la pala
    (1) .
  5. 5.
    -Pala de aerogenerador, de geometría variable con control pasivo, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizada porque las bombas de vacío (9) se sitúan en cualquier parte del aerogenerador de aplicación o fuera del mismo.
  6. 6.
    -Pala de aerogenerador, de geometría variable con control pasivo, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizada porque las membranas (4, 4a) se disponen conectadas, individualmente o por grupos, mediante correspondientes circuitos neumáticos
    (8) a bombas de vacío (9) independientes.
  7. 7.
    -Pala de aerogenerador, de geometría variable con control pasivo, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizada porque la depresión (10) que generan las bombas de vacío (9) en relación con las membranas (4, 4a), es controlada por parámetros de funcionamiento del aerogenerador de aplicación, como la velocidad de giro de las palas (1) o el ángulo de orientación de las mismas.
  8. 8.
    -Pala de aerogenerador, de geometría variable con control pasivo, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizada porque en la cámara
    interior
    de las membranas (4, 4a) se dispone una malla
    (15)
    que impide que las paredes de la cámara queden
    pegadas.
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