MX2008011996A - Sistema de tratamiento termico para turbina eolica. - Google Patents

Abstract

Un método para conducir calor generado en el equipo electrónico alojado dentro de una torre de energía eólica al utilizar la torre como un disipador térmico para propósitos de enfriamiento. La transferencia térmica ocurre por enfriamiento con líquido del equipo electrónico y al circular el líquido a través de un termopermutador, que se une de manera térmica a la torre. El viento que sopla sobre la torre a velocidades de viento y niveles de energía elevados, enfría entonces la torre. Un método utiliza un tubo de cobre, que se encuentra en contacto térmico con la torre. Un segundo método instala los componentes que generan calor directamente a la torre. Un tercer método utiliza un termopermutador líquido-aire colocado a intervalos a través de la circunferencia exterior de la torre. En todos los tres casos la torre que obstaculiza el viento se utiliza para eliminar calor del sistema de control.

Description

SISTEMA DE TRATAMIENTO TERMICO PARA TURBINA EOLICA Campo de la Invención Esta invención se refiere a turbinas eólicas alojadas en la parte superior de una nácela de una torre alta, y más particularmente a un aparato para eliminar calor del interior de una torre de turbina eólica. Descripción de la Técnica Anterior Ya que la electricidad generada por el viento se vuelve un asunto frecuente en muchas ubicaciones alrededor del mundo, se desea hacer instalaciones de turbina eólica más estéticas. Un problema especifico ha sido la ubicación de gabinetes de control, que se colocan fuera de las torres de turbina en donde se encuentran abiertamente visibles. Para tratar este problema, recientemente se ha vuelto común colocar los gabinetes del sistema de control dentro de la torre de turbina eólica. Típicamente existe suficiente espacio para acomodar tales gabinetes, pero puede haber serios problemas de tratamiento térmico. Por ejemplo, en turbinas eólicas de velocidad variable, en donde el sistema de control del convertidor electrónico de energía se utiliza comúnmente, puede haber generación de calor significativa por el sistema de control del convertidor. Considérese, por ejemplo, un sistema convertidor completo con 96% de eficiencia en una turbina de 1.5 M . Esto significa que el 4% de 1.5 MW, o 60 kW se disipa por el convertidor. Si el convertidor se coloca en la torre sin movimiento de aire adecuado, puede dar como resultado un gran aumento de temperatura dentro de la torre. Esta alta temperatura puede ser dañina para la vida del sistema de control del convertidor y otros componentes requeridos dentro de la torre. Para tratar con este aumento de temperatura, se han colocado grandes ventiladores de movimiento de aire en la torre para disipar el aire caliente; sin embargo, el retiro de materiales al cortar orificios en la torre es indeseable por razones tratadas más adelante. Seria mejor encontrar un método alternativo para eliminar el calor del interior de la torre . En la técnica anterior, se utiliza una estructura de torre de turbina eólica para elevar una turbina. La torre proporciona soporte estático y dinámico para cargas mecánicas sometidas a la estructura de la parte superior de la torre. Es costumbre que la torre tenga una puerta de entrada en la base de la torre. Esta puerta se abre para permitir el paso de aire exterior hacia la torre. Además de la puerta de entrada, se coloca una abertura a 180 grados de la puerta para permitir que aire adicional entre a la torre en el lado opuesto de la puerta. El corte adicional de la torre es indeseable ya que debilita la estructura de la torre y requiriéndose aún permitir la entrada de aire adecuada hacia la torre. En el caso de una turbina eólica de velocidad variable, el generador se conecta eléctricamente al sistema de control electrónico de energía dentro de la base de la torre a través de los cables eléctricos colgantes. Lo mismo es aplicable a una turbina eólica de velocidad constante excepto que el sistema de control en la parte inferior de la torre es un interruptor electrónico de energía o electromecánico más convencional en lugar de un convertidor de velocidad variable. El sistema de control se asienta en una plataforma. El retiro de calor del sistema de control se realiza por disipadores térmicos en la parte superior de un gabinete del sistema de control. El calor generador por el sistema de control se mueve hacia el disipador térmico en donde los ventiladores soplan aire sobre los disipadores térmicos para eliminar el calor. Sin embargo, el calor permanece en la torre y esto causaría un aumento en la temperatura de la torre si no fuera por la colocación de cortes de salida en la parte superior de la torre. Los ventiladores activos causan que el aumento de aire caliente se fuerce fuera de la torre justo debajo de la parte superior de la torre. Existen muchas consecuencias indeseables de este procedimiento para eliminar calor del interior de la torre. Primero, el procedimiento requiere tres cortes adicionales más allá de la puerta de mantenimiento para propósitos de introducir aire frió y disipar aire caliente. Estos cortes adicionales debilitan la torre de manera estructural y pueden dar como resultado la necesidad de agregar acero, que agrega costo a la estructura de la torre. Segundo, el procedimiento introduce contaminantes hacia la torre, los cuales, dependiendo del ambiente, pueden ser corrosivos y dañinos para el sistema de control, cables colgantes y otros componentes en la torre. Por último, los ventiladores de disipación en la parte superior de la torre pueden contribuir a una gran cantidad de ruido audible en el área que rodea la turbina . Es un objeto de la presente invención encontrar un método mejorado de un aparato para mover calor generado por un sistema de control dentro de una torre hacia el exterior de la torre. SUMARIO DE LA INVENCIÓN El objetivo de la presente invención se resuelve por un aparato en una torre de turbina eólica que comprende medios de transferencia térmica para conducir pérdidas de calor generadas por un sistema de control electrónico hacia la superficie de dicha torre de manera que dicha torre, que se somete al viento dominante, actúa como un disipador térmico. La presente invención proporciona un nuevo aparato y método para eliminar el calor del interior de una torre de turbina eólica que contiene un convertidor electrónico de energía en una turbina eólica de velocidad variable o alternativamente del interruptor en una turbina eólica de velocidad constante. En cualquier caso, la invención proporciona un procedimiento único para eliminar las pérdidas de cualquier sistema de control. Por lo tanto, la invención se basa en la idea de utilizar la torre como un disipador térmico . En una modalidad- los medios de transferencia térmica pueden comprender un tubo de cobre, que se encuentra en contacto térmico con dicha torre y dicho sistema de control electrónico. El uso de un tubo de cobre tiene la ventaja de que la instalación del tubo relevante es muy fácil y que ningún dispositivo electrónico adicional tiene que utilizarse para operar los medios de transferencia térmica. En otra modalidad los medios de transferencia térmica pueden comprender una superficie interior plana de dicha torre en la cual se instalan los componentes de dicho sistema de control electrónico para disipar calor directamente hacia dicha torre. En esta modalidad la torre puede comprender una superficie que se maquina para alojar los componentes. Los componentes usualmente comprenden una superficie plana, pero también pueden comprender una superficie curva para adaptar el componente a la superficie interior de la torre.

En otra modalidad termopermutadores liquido-aire se colocan a intervalos a través de una superficie exterior de dicha torre, exponiéndose al viento dichos termopermutadores, de manera que ocurre una transferencia térmica al enfriar con liquido dichos componentes del sistema de control electrónico al circular el liquido a través de dicho uno o más termopermutadores liquido-aire, que se unen de manera térmica a dicha torre. En comparación con el uso de un tubo de cobre para los medios de transferencia térmica, un aparato de acuerdo a esta modalidad puede transferir cantidades más grandes de calor. Por lo tanto, un aparato de acuerdo a esta modalidad es adecuado para grandes torres de turbina eólica ya que es capaz de eliminar grandes cantidades de energía. Una gran ventaja del aparato de acuerdo a la presente invención es su capacidad de adaptarse a un gran rango de turbinas debido a las diferentes cantidades de calor conducidas por los diferentes medios de transferencia térmica . El objeto de la presente invención se resuelve además por un método para eliminar calor del interior de una torre de turbina eólica, la torre de turbina eólica comprende un sistema de control electrónico que genera calor, en donde el método comprende las etapas de transferir el calor a una superficie de la torre y disipar al menos una parte del calor hacia la torre.

En otras palabras, la invención proporciona un método para conducir pérdidas generadas en el convertidor o interruptor a la torre y para utilizar la torre como un disipador térmico para propósitos de enfriamiento. En una modalidad el calor generado por el sistema de control electrónico se absorbe por un fluido, el fluido transfiere el calor a una superficie de la torre y disipa al menos una parte del calor absorbido a la torre. El uso de un fluido para transferir el calor a una superficie de una torre proporciona la ventaja de transferir una gran cantidad de calor a la torre. Por lo tanto, se prefiere el método de acuerdo a esta modalidad cuando se utiliza un sistema electrónico que genera una gran cantidad de calor. Para disipar el calor absorbido por el fluido se prefiere que el fluido se circule a través de uno o más termopermutadores , que se unen de manera térmica a una superficie de la torre. El uso de uno o más termopermutadores hace posible disipar una cantidad más grande de calor a la torre asi como disipar más rápido el calor. En una modalidad preferida los termopermutadores se unen a la superficie exterior de la torre. Por supuesto, el al menos un termopermutador puede unirse en la superficie interior de la torre, sin embargo, la unión a la superficie exterior de la torre tiene la ventaja de que el termopermutador puede disipar el calor no solamente a la torre sino que también al viento al que la torre está expuesto . Los termopermutadores pueden unirse a intervalos a través de la circunferencia exterior de la torre. En este caso, las disipaciones de energía más altas ocurren a las velocidades más altas del viento donde el retiro de calor es el mejor. Debe apreciarse que cada fluido capaz de transferir calor puede utilizarse en conexión con la presente invención. Sin embargo, se prefiere utilizar un fluido con una alta capacidad de calor. La transferencia térmica puede ocurrir al enfriar con líquido el convertidor o interruptor y al circular el líquido a través de un termopermutador, que se une de manera térmica a la torre. El viento que sopla sobre la torre a altas velocidades de viento y altos niveles de energía enfría entonces la torre. Un simple procedimiento para mover las pérdidas a la torre incluye utilizar un tubo de metal, que está en contacto térmico con la torre y convertidor. Se prefiere utilizar un tubo de cobre. Sin embargo, puede utilizarse cualquier material con una alta capacidad de calor. La selección del material utilizado para el tubo se realiza mientras se considera la cantidad de calor que tiene que transferirse . Otro procedimiento utiliza un método para montar térmicamente los componentes, que disipan el calor directamente a la torre. En una modalidad preferida el sistema de control electrónico comprende componentes planos que generan calor, transfiriéndose el calor a través de la superficie plana de los componentes sobre la pared interior de la torre. En todas las modalidades sin embargo, la torre que obstaculiza el viento se utiliza como el método principal para eliminar calor del sistema de control. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La invención se describirá en detalle con referencia a los dibujos en los cuales: La figura 1 es una vista en perspectiva de una torre de turbina eólica de la técnica anterior con ventiladores enfriadores de aire; La figura 2 es una vista en perspectiva de un sistema de tratamiento térmico dentro de la torre de la turbina de acuerdo con la invención; y, La figura 3 es una vista más detallada del sistema de tratamiento térmico mostrado en la figura 2. DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS La figura 1 es un ejemplo de la técnica existente utilizada para eliminar el calor generado dentro de una torre de turbina eólica. En esta figura una turbina eólica se muestra dando al frente del viento entrante 8. Este viento crea una elevación en las paletas de la turbina eólica 6 lo que causa la rotación de todo el rotor 7. La rotación del rotor resulta en la rotación del eje principal a baja velocidad 5 que es la entrada mecánica al incrementador de velocidad 3. La salida mecánica del incrementador de velocidad es el eje a alta velocidad 4, que se conecta a un generador a alta velocidad 2. La proporción de engranaje de la caja 3 se selecciona para acoplar la velocidad requerida del eje a baja velocidad 5 con aquella del generador a alta velocidad 2 y eje 4. La estructura de la torre de turbina eólica se identifica como 1 en la figura. Esta estructura se utiliza para elevar la turbina y proporciona soporte estático y dinámico para cargas mecánicas sometidas a la estructura de la parte superior de la torre. Es costumbre que la torre tenga una puerta de entrada como se muestra en 9 y esta puerta se abre para permitir el paso del aire exterior hacia la torre. Además de la puerta, se coloca una abertura 180 grados de la puerta para permitir que aire adicional entre a la torre en 13. El corte adicional de la torre es indeseable ya que debilita la estructura de la torre y aún requiere permitir la entrada de aire adecuada hacia la torre 1. Además en la figura 1, en el caso de una turbina eólica de velocidad variable el generador se conecta eléctricamente al sistema de control electrónico de energía 11 a través de cables eléctricos colgantes 15. Lo mismo es verdadero para una turbina eólica de velocidad constante excepto que el sistema de control en la parte inferior de la torre 11 es un interruptor electrónico de energía o electromecánico más convencional en lugar de un convertidor de velocidad variable. El sistema de control 11 se asienta en una plataforma 10. El retiro de calor del sistema de control 11 se realiza por disipadores térmicos 19 mostrados en la parte superior del gabinete del sistema de control 11. El calor generado por el sistema de control se mueve al disipador térmico 19 donde los ventiladores 20 soplan aire sobre los disipadores térmicos para eliminar el calor. El calor, sin embargo, permanece en la torre y esto causaría un aumento en la temperatura de la torre si no fuera por los cortes de salida de la torre 18 en la parte superior de la torre. Los ventiladores activos 17 causan que el aumento de aire caliente se fuerce fuera de la torre justo debajo de la parte superior de la torre. Puede haber consecuencias indeseables de este procedimiento para eliminar calor del interior la torre. Primero, el procedimiento requiere tres cortes adicionales más allá de la puerta de mantenimiento para propósitos de introducir aire frío y disipar aire caliente. Estos cortes adicionales debilitan la torre estructuralmente y pueden dar como resultado la adición de acero y costo a la estructura de la torre. Segundo, el procedimiento introduce contaminantes hacia la torre los cuales, dependiendo del ambiente pueden ser corrosivos y dañinos para el sistema de control, cables colgantes y otros componentes en la torre. Por último, los ventiladores de disipación en la parte superior de la torre pueden contribuir a un gran trato de ruido audible al área que rodea la turbina. Por estas razones, seria deseable encontrar un procedimiento mejorado para mover el calor generado por el sistema de control fuera de la torre. La figura 2 y la figura 3 describen diferentes aspectos de la invención. Un experto en la materia reconocerá fácilmente a partir de la siguiente discusión que las modalidades alternativas de las estructuras y métodos ilustrados en la presente pueden emplearse sin apartarse de los principios de la invención. Se refiere a la figura 2, que proporciona una visión general de la invención. Una turbina eólica se muestra dando al frente del viento entrante 8. Este viento crea una elevación en las paletas de la turbina eólica 6 lo que causa la rotación de todo el rotor 7. La rotación del rotor resulta en rotación del eje principal a baja velocidad 5, que es la entrada mecánica al incrementador de velocidad 3. La salida mecánica del incrementador de velocidad es el eje a alta velocidad 4, que se conecta a un generador a alta velocidad 2. La proporción de engranaje de la caja 3 se selecciona para acoplar la velocidad requerida del eje a baja velocidad 5 con aquella del generador a alta velocidad 2 y eje a alta velocidad 4. La estructura de la torre de turbina eólica se identifica como 1 en la figura. Esta estructura se utiliza para elevar la turbina y proporciona soporte estático y dinámico para cargas mecánicas en la estructura de la parte superior de la torre. Es costumbre que la torre tenga una puerta de entrada como se muestra en 9. Debido a que la torre es una estructura que lleva carga, es altamente indeseable cortar orificios para permitir el retiro de calor. Además en la figura 2, en el caso de una turbina eólica de velocidad variable el generador se conecta eléctricamente al sistema de control electrónico de energía 11 a través de cables eléctricos colgantes 15. Lo mismo es verdadero para una turbina eólica de velocidad constante excepto que el sistema de control en la parte inferior de la torre 11 es un interruptor electrónico de energía o electromecánico más convencional en lugar de un convertidor de velocidad variable. El sistema de control se asienta en una plataforma 10 y contiene un sistema enfriador de líquido que consiste de entubado 13 y bomba de circulación 12. La entrada eléctrica al sistema de control proviene de los cables colgantes 15 del generador y la energía eléctrica de salida del sistema de control se conecta al transformador padmount de la turbina a través de los conductores bajo tierra 14 que se muestran saliendo de la base de la torre. La bomba de circulación causa que el liquido fluya a través de la porción que genera calor del sistema de control. Este liquido se calienta por el sistema de control y sale a una temperatura elevada. El liquido se hace térmicamente conductivo a la torre a través de un tubo en espiral como se muestra 13. A medida que el liquido pasa a través del entubado 13 da su calor a la torre 1. El viento 8 que sopla sobre la torre 1 causa que el calor que se suministra a la torre se disipe en el viento. Ya que el calor se lleva finalmente por el viento, no ocurre formación de calor significativa dentro de la torre. El liquido a baja temperatura en el otro extremo del tubo en espiral se circula entonces de regreso a la entrada del sistema de control a través del entubado 13. Existen numerosos métodos para unir el entubado a la torre de turbina eólica. Por ejemplo, soldeo, suspensión, o unión térmica serán todos métodos aceptables. El número de vueltas y altura del tubo en espiral puede dimensionarse en base a los KW's a eliminarse del sistema de control; más altura permitirla la disipación de más KW's para un aumento de temperatura deseado. Es costumbre eliminar cinco a cientos de KW s mientras se trata de mantener los aumentos de temperatura de 10 - 80 Grados Celsius.

Un segundo procedimiento para mover el calor del sistema de control fuera de la torre se muestra en la figura 3. Este procedimiento utiliza una estructura similar de la torre 1 a la ya tratada. Un corte de la torre se muestra en la figura que revela la invención dentro de la torre. Una superficie plana maquinada 6 se proporciona en un lado de la torre 1. La superficie 6 se maquina de manera que aceptará componentes planos 4 para montarse en él lo que proporciona una buena trayectoria de conducción térmica a la torre entera 1. Los componentes comunes 4 utilizados en el sistema de control son módulos electrónicos que contienen IGBT's, SCR's, y diodos. Tales módulos se diseñan a montarse a superficies planas. El calor generado por estos componentes 4 se transfiere entonces a través de la superficie plana y sobre la pared interior de la torre 1. Los elementos 5 son tubos isotérmicos utilizados para transferir mejor el flujo de calor de los componentes 4 a una superficie más grande de la torre. El dimensionamiento de los tubos isotérmicos se determina por la cantidad de flujo de calor a moverse. Mientras más alto sea el flujo de calor, más largos serán los tubos isotérmicos. Los tubos isotérmicos se conectan térmicamente a la torre por medio de soldeo, suspensión, o unión térmica y sirven para transferir el calor del componente 4 a una superficie más grande de la torre. En algunas solicitudes, pude no ser necesario utilizar los tubos isotérmicos . Las características y ventajas descritas en esta especificación no son todas inclusivas, y particularmente, muchas características y ventajas adicionales serán aparentes para uno de experiencia ordinaria en la materia en vista de las figuras, especificación, y reivindicaciones de la misma. Además, debe observarse que el lenguaje utilizado en la especificación se ha seleccionado principalmente para propósitos de instrucción y legibilidad, y por lo tanto recurrirá a las reivindicaciones si es necesario para determinar la materia sujeto inventiva.

Claims (5)

1. REIVINDICACIONES 1. Una turbina eólica que comprende: una torre de turbina eólica, un sistema de control electrónico de energía ubicado dentro de la torre de turbina eólica, comprendiendo el sistema de control electrónico de energía componentes que generan calor, caracterizado en que los componentes que generan calor se instalan directamente a la superficie interior de la torre de turbina eólica que disipa el calor generado por los componentes que generan calor directamente a la superficie interior de la torre de turbina eólica, mediante lo cual se proporciona una buena trayectoria de conducción térmica a la torre entera de la turbina eólica.
2. 2. La turbina eólica de la reivindicación 1, caracterizada en que se proporciona una superficie plana en un lado de la torre de turbina eólica y en donde los componentes que generan calor comprenden una superficie plana. '
3. 3. La turbina eólica de la reivindicación 1 o 2, caracterizada en que la turbina eólica comprende una pluralidad de tubos isotérmicos utilizados para transferir mejor el calor generado por los componentes que generan calor hacia la superficie mayor de la torre de turbina eólica.
4. 4. La torre de turbina eólica de cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizada en que los tubos isotérmicos se conectan térmicamente a la torre de turbina eólica por medio de soldeo, broncesoldadura , o unión térmica.
5. 5. Un método para eliminar calor del interior de una torre de turbina eólica que comprende un sistema de control electrónico de energía ubicado dentro de la torre de turbina eólica, incluyendo el sistema de control electrónico de energía componentes que generan calor, en donde el método comprende las etapas de: a) transferir directamente el calor de los componentes que generan calor del sistema de control electrónico de energía hacia la superficie interior de la torre de turbina eólica; y b) disipar al menos una parte del calor hacia la torre de turbina eólica.