ES2327695B1 - Sistema de giro de una pala de aerogenerador. - Google Patents
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Abstract
Sistema de giro de una pala de aerogenerador
(46) a la posición de bandera durante un proceso de parada de
emergencia del rotor. El sistema comprende un actuador hidráulico
(3) funcionalmente conectado a la pala (46) para cambiar el paso de
la pala (46) durante el movimiento del actuador hidráulico (3) y un
acumulador de emergencia (8) conectado al actuador hidráulico (3)
para dirigir el actuador hidráulico (3) con el caudal del acumulador
de emergencia (8). El acumulador de emergencia (8) comprende un
resorte para mantener bajo presión el fluido en el acumulador de
emergencia (8) o un peso (74) dispuesto sobre el fluido en el
acumulador de emergencia. El resorte (14) o el peso (74) estando
configurados para impulsar el fluido del acumulador de emergencia
debido a la expansión o la compresión del resorte.
Description
Sistema de giro de una pala de
aerogenerador.
La presente invención se refiere a tos
aerogeneradores en general y más específicamente a un sistema de
giro de al menos una pala de aerogenerador durante el proceso de
parada del rotor de dicho aerogenerador.
Con los recursos energéticos volviéndose
gradualmente más escasos y costosos, la producción energética a
partir del viento se convierte progresivamente más atractiva.
Consecuentemente, durante los últimos años se ha incrementado el
interés hacia las energías alternativas como la electricidad
generada a partir del viento.
Cuando un aerogenerador funciona en condiciones
normales, las palas pueden girarse a posición de bandera durante la
parada del aerogenerador. Esto puede realizarse de manera
controlada la mayoría de las veces, pero durante las paradas de
emergencia, en caso de calda de tensión de red, fallo en el
generador o en el sistema de control, el giro de las palas pueden
generar diversas cargas incontroladas a la hora de realizar una
parada de emergencia.
Mientras que el sistema de control de cambio de
paso de la pala del aerogenerador puede ser capaz de llevar las
palas a posición de bandera, por ejemplo en caso de excesiva
velocidad del viento, los sistemas de puesta en bandera son
utilizados para llevar las palas a bandera en caso de emergencia
durante un fallo del sistema de control de cambio de paso. Una
practica común para conseguir dicha puesta en bandera es ajustar
aproximadamente a 90º el ángulo de giro de las palas, de forma que
el flujo del viento sobre las palas reduce rápidamente la velocidad
de giro del rotor. De esta manera el par provocado por las palas y
por ende la velocidad de rotación del rotor del generador es
minimizada.
minimizada.
Se han intentado varios sistemas para
proporcionar a los aerogeneradores sistemas de puesta en bandera de
las palas cuando se considera necesario desconectar el
aerogenerador. Para reducir el tiempo de parada en condiciones de
excesiva velocidad del viento, es deseable una rápida puesta en
bandera. Por otra parte, la puesta en bandera a un ritmo constante,
una alta velocidad puede redundar en una sobrecarga en la pala
debido al considerable par de deceleración y al empuje inverso
experimentado por las palas a medida que alcanzan la posición de
bandera. Por lo tanto, como las palas son orientadas a la posición
de bandera, el giro de la pala aumenta hasta tal punto donde el
flujo del viento no proporciona un momento positivo sobre el rotor
de la turbina, el paso siguiente a realizar serla reducir la la
velocidad de puesta en bandera para reducir el par de deceleración
y el empuje inverso experimentado por las palas, minimizando así el
estrés de la pala. Por razones de seguridad, la reducción de la
velocidad de giro de las palas como resultado de la aproximación a
la posición de bandera no debe anteponerse a alcanzar la posición
de bandera con la máxima rapidez mientras el flujo de aire sobre las
palas genere un par positivo en el eje del rotor.
Los sistemas de cambio de paso de emergencia son
principalmente hidráulicos o eléctricos.
La patente US 4462753 presenta un sistema
hidráulico/mecánico de cambio de paso para aerogeneradores con un
sistemas de emergencia separado. El sistema de puesta en bandera
incluye un actuador de puesta en bandera, sistemas de control
operativamente conectados a él y dispositivos de ajuste
operativamente conectados a los sistemas de control para variar
selectivamente el ratio de operación del actuador de puesta en
bandera, para la puesta en bandera de las palas de la turbina de
viento a velocidad variable. Una desventaja de esta invención es la
necesidad de un seguidor para el funcionamiento de la válvula. El
seguidor es costoso y problemático de fabricar. Otra desventaja de
esta invención es que usa actuadores separados para girar las palas
durante una parada de emergencia y otro actuador para el
funcionamiento normal. Otra desventaja adicional del desarrollo es
el uso de bombas eléctricas para girar las palas durante la
emergencia. En caso de caída de tensión, esto podría acarrear
consecuencias fatales.
Los problemas de cambio de paso de emergencia
han sido previamente resueltos introduciendo una válvula de control
en el sistema hidráulico que limita la velocidad de giro alrededor
de los 10 grados/segundo. Esta velocidad de giro es una solución
que limita la velocidad de rotación a un valor aceptable en la
mayoría de los casos. Gracias a ello se pueden prevenir las cargas
extremas de la turbina. El problema crucial es que las válvulas de
control del flujo son inexactas. Esta pérdida de exactitud supone
que puedan darse flujos de 11 grados/segundo. Las cargas pueden por
consiguiente verse incrementadas significativamente. Otra
desventaja es que la velocidad de giro depende de la viscosidad del
aceite y por lo tanto de la temperatura del mismo.
Los sistemas eléctricos trabajan de forma
diferente. Cuando se activa el cambio de paso de emergencia, no
existe garantía de continuidad eléctrica en el resto del
aerogenerador. Esto puede ser crucial debido al hecho de que el
sistema de control puede quedar fuera de servicio. Las baterías u
otras fuentes de alimentación eléctrica situadas junto al sistema
de giro pueden llevar las palas a posición de bandera. La
desventaja de este método es que el generador normalmente origina
un par de oposición, sin embargo en caso de disfunción eléctrica el
par de oposición no aparecerá. De forma que se puede producir un
importante incremento en la velocidad angular del rotor, que puede
repercutir en el eje de giro y en el peor de los casos dañar algún
componente. Además, las cargas aerodinámicas pueden producir
severas cargas incontrolados, debido a que las cargas, generalmente
hablando, son proporcionales al cuadrado de la velocidad. Por otro
lado, si el giro es demasiado rápido, la pala experimentará una
sustentación negativa, y por lo tanto, el rotor puede empujar la
turbina hacia delante e introducir cargas extremas en las palas y
la torre.
La patente WO06007838 muestra un método de
control de al menos una pala durante el proceso de parada del rotor
de un aerogenerador. El método optimiza el control de la velocidad
del proceso en respuesta a uno o más valores del sistema y/o uno o
más valores del entorno del sistema cuando cambia su velocidad de
giro de 10 grados/segundo de la etapa inicial a 5 grados/segundo de
la etapa final durante el proceso de parada. En la invención se
presenta el sistema de control y el aerogenerador, así como su uso.
Una desventaja de este sistema es el uso de un sistema de control
durante la parada de emergencia. Mientras que sería ventajoso
utilizar únicamente un. sistema pasivo mecánico, la invención
emplea un sistema de control de la turbina que requiere
alimentación eléctrica con la desventaja y el riesgo en caso de
calda de tensión.
Es un objeto de la presente invención
proporcionar un sistema simple y fiable y un método. para el
control de cambio de paso de una pala de un aerogenerador durante
el proceso de parada de emergencia de del rotor sin que se
produzcan las desventajas anteriormente mencionadas. Especialmente,
el objeto de la invención es proporcionar un método y un sistema,
en el cual el proceso de parada sea fiable y simple y funcione
también durante caídas de tensión. Otras ventajas de la presente
invención serán detalladas en la realización práctica de la
invención.
El objeto de la presente invención se lleva a
cabo por un sistema para girar la pala del de un aerogenerador. El
sistema tiene un primer sistema de cambio de paso configurado para
girar las palas durante el funcionamiento en condiciones de trabajo
normales basado en la realimentación de la señal del sistema de
control de cambio de paso, donde el sistema es configurado para
girar las palas a la posición de bandera con una velocidad variable
durante el proceso de una parada de emergencia. Es más, el sistema
además del primer sistema de guiado del giro tiene también un
sistema no realimentado de cambio de paso de emergencia para girar
las palas a posición de
bandera.
bandera.
El sistema de acuerdo con la presente invención
no necesita un lazo de control en situaciones de emergencia y es
por tanto, independiente de cualquier sistema de control eléctrico.
El sistema de parada de emergencia también funciona en caso de
caída de tensión.
Preferiblemente el sistema de cambio de paso es
de naturaleza hidráulica, donde las válvulas se encuentren abiertas
o cerradas hasta el reconocimiento de una situación de emergencia,
como por ejemplo una velocidad del rotor cercana un umbral de
seguridad predeterminado, o en caso de un fallo de red. Según lo
explicado anteriormente, son posibles varias realizaciones
prácticas.
La invención es configurada para una velocidad
de cambio de paso variable durante una parada de emergencia.
Especialmente, la velocidad de giro es regulada por etapas en uno o
más pasos, por la razón explicada en la introducción anterior.
En una primera realización, la invención abarca
un sistema para conducir una pala a posición de bandera durante una
parada de emergencia del rotor del aerogenerador, que comprende un
actuador hidráulico conectado funcionalmente con la pala para
cambiar el giro de la pala durante el movimiento del actuador
hidráulico y un acumulador de emergencia conectados al actuador
hidráulico para conducir dicho actuador hidráulico con el fluido del
acumulador de emergencia. El acumulador de emergencia almacena el
fluido bajo presión, que se puede liberar durante una parada de
emergencia. Debido al almacenaje de la energía potencial en el
acumulador de emergencia, ninguna otra energía, como la corriente
eléctrica, es necesaria para conducir el actuador hidráulico.
Por ejemplo, el acumulador de emergencia puede
comprender un miembro resistente para mantener el fluido bajo
presión en el acumulador de emergencia, el miembro resistente se
configura para conducir el fluido del acumulador de emergencia
debido a la extensión o a la contracción del miembro
resistente.
Aunque puede no ser una solución preferente, el
acumulador de emergencia puede comprender como alternativa al
miembro resistente, un miembro pesado sobre el fluido en el
acumulador de emergencia para mantener el fluido bajo presión, el
miembro pesado se configura para conducir el fluido del acumulador
de emergencia mediante el movimiento descendente del miembro
pesado.
Tal y como se ha empleado en la presente
invención, la palabra miembro resistente abarca a cualquier miembro
resistente capaz de ser expandido o contraído. El miembro resistente
podría a modo de ejemplo ser un resorte o un gas presurizado como
por ejemplo el aire.
La actual invención proporciona un sistema de
cambio de paso de emergencia preparado para girar una pala un
cierto ángulo, por ejemplo 6-8 grados, para reducir
rápidamente la elevación de dicha pala. Al girar este ángulo, la
elevación en la lámina será reducida perceptiblemente y, por
consiguiente, se conseguirá reducir la velocidad angular del rotor.
A continuación, las palas se giran lentamente durante el resto del
recorrido hasta llegar a la posición de bandera final. Cuando el
ángulo del ataque corresponde al ángulo del ataque negativo máximo,
la velocidad relativa de las palas es baja y por lo tanto no
soportarán grandes cargas. De este modo el sistema proporciona una
herramienta simple y fiable para controlar por lo menos el giro de
una pala durante el proceso de parada de emergencia del rotor de un
aerogenerador. El sistema proporciona un método, en el cual la
velocidad de cambio de paso es variable e independiente de los
valores instantáneos del sistema de control. Por consiguiente, el
sistema de cambio de paso funciona de la manera prevista incluso en
casos de caída de tensión, fallo en el sistema del generador o de
control y otras situaciones, en los cuales los sistemas
alternativos no pueden girar las palas y por ende se generan fuertes
cargas incontroladas.
Teniendo un acumulador de emergencia que
comprende un resorte para almacenar el fluido a presión en el
acumulador de emergencia, el resorte es configurado para conducir
el fluido del acumulador de emergencia debido a la extensión o a la
contracción del resorte, es posible almacenar la energía mecánica y
utilizarla para girar una pala de la turbina eólica a posición de
bandera durante un proceso de parada de emergencia. De esta forma,
se alcanza un sistema puramente mecánico que funciona en ausencia
de corriente eléctrica. Dicho sistema proporciona un alto grado de
seguridad.
El acumulador de emergencia puede también
comprender un miembro pesado encima del fluido que hay en el
acumulador de emergencia para almacenar el fluido bajo presión.
Asegurando que el miembro pesado es configurado para propulsar el
fluido del acumulador de emergencia debido al movimiento descendente
del miembro pesado, la energía mecánica se puede almacenar y
utilizar para conducir una pala de la turbina eólica a posición de
bandera.
En una realización particular de la de la
presente invención, el sistema comprende una dispositivo de
válvulas para la activación del escape del fluido del acumulador de
emergencia, en el que la disposición de las válvulas se configura
para activar el escape del fluido del acumulador de emergencia
mediante una señal de activación, dicha señal de activación indica
que la velocidad de la turbina sobrepasa cierto valor umbral, y
consiste en una señal no realimentada por el sistema de control
para el funcionamiento del rotor en condiciones normales. Liberando
el fluido del acumulador de emergencia debido a una señal de
activación que indica que la velocidad de la turbina sobrepasa
cierto umbral emplear una señal realimentada del sistema de control,
se consigue un sistema capaz de funcionar apropiadamente, aun
cuando el sistema de control esté dañado o fuera de servicio,
liberando el fluido provisto para conducir el actuador hidráulico.
El valor umbral se puede predeterminar según pautas generales.
En otra realización de la presente invención, el
sistema comprende un dispositivo de válvulas para la activación del
escape del fluido del acumulador de emergencia, en el que la
disposición de las válvulas se configura para activar la liberación
del fluido del acumulador de emergencia debido a una señal de la
activación, donde la ausencia de corriente eléctrica en el
dispositivo de válvulas es la propia señal de la activación. De
este modo, es posible operar el sistema en caso de caída de
tensión, fallo en el sistema del generador o de control y otras
situaciones, en las cuales los sistemas alternativos pueden fallar
a la hora de girar las palas y por consiguiente introducir grandes
cargas incontroladas. Este mecanismo es extremadamente importante y
requerido en muchas situaciones de emergencia para prevenir enormes
daños.
En otra realización más de la presente
invención, el dispositivo de válvulas comprende una válvula de
emergencia de resorte entre el acumulador de emergencia y el
actuador hidráulico, que se configura para ser cerrada durante el
normal funcionamiento de la turbina debido a la acción de la presión
hidráulica que el fluido contra el resorte. Así se consigue que el
dispositivo de válvulas se abra automáticamente en situaciones de
emergencia debido a la ausencia de corriente eléctrica. Sin
embargo, también es posible aplicar un sistema de control para
establecer la apertura de la válvula de emergencia en situaciones
de emergencia sin la ausencia de corriente eléctrica. De hecho, con
la presente invención se puede conseguir una combinación de un
sistema independiente de la corriente eléctrica junto con otro
sistema dependiente de la corriente eléctrica.
En otra realización de la actual invención, la
presión del fluido se controla por una válvula que es precargada
por un resorte, que se puede liberar por la señal de la activación.
De esta manera es posible controlar la válvula de forma sencilla.
La señal de la activación puede ser una señal generada por un
sistema de control o una señal generada por la ausencia de
corriente eléctrica. Cerrando la válvula por medio de un actuador
eléctrico que carga el resorte, la válvula puede abrirse liberando
el resorte. La liberación del resorte puede realizarse usando un
actuador eléctrico en presencia de electricidad, o por la ausencia
de corriente eléctrica necesaria para sujetar el resorte y mantener
la válvula cerrada. En caso de no haber electricidad disponible, el
actuador eléctrico no puede sujetar el resorte que por tanto se
libera y comienza a girar la pala de la turbina eólica a posición
de bandera.
En una realización práctica más de la actual
invención, el sistema se configura para disminuir la velocidad de
cambio de paso durante la parada de emergencia. Para evitar
sobrecarga de cualquier parte de la turbina eólica especialmente de
las palas, durante el proceso de parada, la velocidad de cambio de
paso ha de ser escogida de forma conservadora. Si el proceso de
parada es demasiado lento, el generador y los engranajes de la
turbina eólica pueden sufrir daño. Si la velocidad angular de
cambio de paso tiene un alto valor inicial y disminuye su valor
sucesivamente (por ejemplo inicialmente aplicando una alta
aceleración transitoria desde 0 hasta algún valor entre 10 y 15
grados/sec^{2} en una primera etapa) se alcanza una posición de
no-aceleración en condiciones estacionarias. En una
situación de emergencia la turbina eólica puede ser rápidamente
detenida posicionando las palas de la turbina eólica en una
condición dinámicamente estable, en la que una pequeña fuerza puede
acelerar las palas. A partir de aquí las palas se pueden llevar a
una parada completa en un proceso más lento. Por consiguiente, es
ventajoso aplicar un sistema configurado para disminuir la
velocidad de cambio de paso durante la parada de emergencia.
Lo antedicho satisface el objeto de la presente
invención para proporcionar un sistema y un método en los cuales la
velocidad de cambio de paso variable, por ejemplo dividiendo las
velocidades en al menos dos etapas.
En otra realización de la presente invención, el
sistema comprende un circuito desde el acumulador de emergencia
hasta una cara del pistón en el actuador hidráulico, un primer
circuito desde el lado opuesto del pistón a un primer acumulador
para recibir el caudal con un primer flujo volumétrico desde el
actuador hidráulico durante el giro de la pala a posición de
bandera, y un segundo circuito desde el lado opuesto del pistón a
un segundo acumulador para recibir el caudal a un segundo flujo
volumétrico desde el actuador hidráulico durante el giro de la pala
a la posición de bandera, donde la capacidad del primer acumulador
es menor que la capacidad volumétrica del acumulador de emergencia
para disminuir la velocidad de giro durante el llenado del segundo
acumulador una vez se ha llenado el primer acumulador. El término
"flujo volumétrico" se refiere aquí a la cantidad de fluido por
unidad de
tiempo.
tiempo.
De esta manera se consigue un sistema, que de
forma sencilla, puede girar una pala a posición de bandera en dos
velocidades. La presencia del circuito entre el acumulador de
emergencia y una cara del pistón en el actuador hidráulico asegura
que el fluido puede mover el pistón en el actuador hidráulico
durante una situación de emergencia. El circuito desde el lado
opuesto del pistón en el actuador hidráulico al primer acumulador
provee los medios para el transporte del fluido desde el actuador
hidráulico durante el giro de la pala de un aerogenerador a
posición de bandera a una primera velocidad de puesta en bandera.
Dado que la capacidad del primer acumulador es menor que la
capacidad volumétrica del acumulador de emergencia, la velocidad de
cambio de paso varía una vez se llena el primer acumulador. Esta
velocidad menor de giro después del llenado del primer acumulador
puede ser controlada ajustando el flujo volumétrico del fluido en
el circuito entre el primer y el segundo acumulador.
Así, esta realización práctica también cumple el
propósito de la presente invención proveyendo un sistema y un
método en el que la velocidad de cambio de paso es independiente de
los valores realimentados del lazo de control.
En una realización preferencial de la presente
invención, se provee un regulador de caudal en el segundo circuito
limitando el flujo del segundo acumulador respecto al flujo del
primer acumulador. El regulador de caudal puede ser por ejemplo una
tobera ó una válvula. Situando una tobera o una válvula en el
segundo circuito para restringir el flujo del segundo acumulador
respecto al flujo del primer acumulador, es posible de una manera
sencilla proveer un sistema de regulación de la velocidad de cambio
de paso. Los elementos pueden ser puramente mecánicos, de forma que
el sistema puede operar en ausencia de electricidad. Si el
regulador de caudal restringe severamente el caudal, durante la
primera etapa de la parada de emergencia, en primer lugar el flujo
llenará el primer recipiente mientras que un pequeño caudal irá al
segundo recipiente. Una vez llenado el primer recipiente, el fluido
puede únicamente ser transmitido al segundo recipiente a través del
regulador de caudal determinando la velocidad de cambio de paso
durante la segunda etapa de la puesta en bandera.
En otra realización particular de la actual
invención, el primer depósito del acumulador comprende un miembro
resistente y un acumulador para contener el fluido en el acumulador
de emergencia bajo presión, el acumulador es configurado para
recibir el fluido bajo flujo volumétrico decreciente debido a la
extensión o a la contracción del miembro resistente durante el
llenado del primer depósito del acumulador. Empleando un miembro
resistente, por ejemplo un resorte, la fuerza para llenar el primer
depósito del acumulador aumenta continuamente durante el llenado
del primer depósito, implicando una disminución constantemente de
la velocidad de cambio de paso. Usando a un miembro resistente, la
energía mecánica se puede almacenar en el miembro resistente. El
fluido hidráulico se puede proveer luego de la energía almacenada
para salir del depósito del acumulador. El acumulador, que por
ejemplo puede ser un cartucho o un cilindro, es capaz de recibir
cierta cantidad de fluido. El miembro resistente puede ser
expandido o contraído para proporcionar espacio para el fluido que
se almacena en el primer acumulador. Cambiando el volumen del
acumulador es posible alterar la duración del llenado del primer
acumulador y por lo tanto la duración de la primera etapa del
proceso de puesta en bandera.
De la descripción anterior, se desprende que la
velocidad de cambio de paso es regulada por el volumen del primer
depósito y por el regulador de caudal al segundo depósito. Además,
en el caso de los miembros elásticos tales como resortes, se
produce una variación del flujo durante la puesta en bandera debido
a la compresión continuada del resorte en el primer depósito y a la
liberación continuada del resorte en el acumulador de emergencia.
Además, se pueden emplear limitadores de flujo adicionales para
fijar exactamente el caudal en este sistema pasivo con los
requisitos generales para la velocidad de cambio de paso en
situaciones de emergencia.
Un sistema alternativo según la invención
contempla un circuito desde el acumulador de emergencia hasta una
cara de un pistón en el actuador hidráulico, que comprende una
primera linea y una segunda línea, la restricción del flujo en la
primera línea es menor que la restricción del flujo en la segunda
línea para conseguir un flujo inicial principalmente en la primera
línea y secundariamente en la segunda línea.
Opcionalmente, este sistema puede tener una
primera línea con un pistón que dispone de una cámara de entrada y
una cámara de salida en ambos lados del pistón móvil, donde la
cámara de entrada se configura para recibir el caudal del
acumulador de emergencia para mover el pistón hacia la cámara de
salida, y donde la cámara de salida se configura para suplir de
caudal al actuador hidráulico disminuyendo el volumen de la cámara
de salida debido al movimiento del pistón.
En otra realización de la presente invención, el
actuador hidráulico se configura para la regulación del giro de la
pala también bajo condición de funcionamiento normal de la turbina
del viento. De modo que se provee un sistema de menores exigencias
técnicas para la regulación del cambio de paso de la pala. De esta
forma, el sistema de cambio de paso requiere menos espacio, ya que
el sistema operativo en condiciones normales y el sistema de
emergencia pueden hacer uso de los mismos circuitos hidráulicos.
Este hecho satisface otro objetivo de la actual invención por
proporcionar un sistema y un método donde se utiliza el mismo
mecanismo para girar las palas tanto durante una parada de
emergencia como durante su normal funcionamiento.
En otra realización de la presente invención, el
sistema comprende una válvula proporcional para conducir el
actuador hidráulico durante el funcionamiento normal, donde el
sistema comprende válvulas configuradas para desviar
hidráulicamente la válvula proporcional en condiciones de
emergencia. Usando una válvula proporcional, es posible dirigir el
actuador hidráulico durante el funcionamiento normal. El proceso de
cambio de paso puede lograrse usando ajustes menores. Esto es
extremadamente importante durante el funcionamiento normal. Por
consiguiente, la combinación de un "sistema de cambio de paso de
emergencia" y de un "sistema de cambio de paso en condiciones
normales" es una solución óptima.
En una realización preferente de la actual
invención, el control del flujo implica dos circuitos dé válvulas
de emergencia. Una válvula se abre para la alta velocidad y la otra
asume el control después de un corto período (por ejemplo, pocos
segundos). En la última etapa se reduce la velocidad.
Según el antedicho, es posible aplicar más de
dos velocidades para controlar el giro de una pala de una turbina
eólica durante el proceso de parada, por ejemplo una velocidad de
giro continuamente variable, o un cambio de la velocidad de giro en
más de dos etapas. Así se obtiene un mayor grado de libertad para
elegir la duración y la configuración del cambio de paso.
La invención no se limita a las realizaciones
descritas que pueden ser modificar de muchas maneras. Esto implica
en particular al conformado y los materiales de etiquetado, la
perforación de varillas, la palanca y los perfiles transversales de
la base y el soporte de un bastidor.
Además, el cambio de paso en dos etapas o
multietapas de las palas puede, alternativamente, ser alcanzado
empleando resortes tensados con sucesivas descargas de la tensión
del resorte para conducir el giro de la pala directamente.
Otra realización más contempla acumuladores
eléctricos que se activan para el liberar electricidad de manera
escalonada, por ejemplo gobernados por condensadores
interconectados de forma pasiva, la corriente regulada
escalonadamente conduce un motor para la regulación del cambio de
paso a velocidad escalonada variable.
La invención será explicada en detalle a
continuación con referencia a las siguientes figuras, donde
La Figura 1 muestra un diagrama de bloques de la
realización de la presente invención con un acumulador de
emergencia cargado mediante un resorte,
La Figura 2 muestra una turbina eólica con tres
palas en el rotor de la turbina eólica,
La Figura 3 ilustra esquemáticamente las fuerzas
involucradas durante el proceso de cambio de paso de una pala según
la presente invención,
La Figura 4 muestra un diagrama de bloques de
una realización alternativa con un elemento pesado para cargar el
acumulador de emergencia,
La Figura 5 muestra otra realización con una
regulación de velocidad en el lado de entrada del actuador
hidráulico,
La Figura 6 muestra un esquema para un motor que
carga el acumulador de emergencia.
La figura 1 muestra un diagrama de bloques del
circuito hidráulico en situación de parada mecánica en la
realización del sistema de cambio de paso y de puesta en bandera de
la pala de una turbina eólica según la presente invención. Un
pistón 4 es adaptado para moverse dentro de un cilindro del
actuador hidráulico 3 de la pala de una turbina eólica en presencia
de fluido hidráulico 2, 11. El pistón 4 está conectado a una pala de
la turbina eólica según se muestra en la Fig. 2 mediante un vástago
36. El acumulador de emergencia 8 tiene un resorte 14 y un pistón
12 encerrado en un cilindro 16 que contiene el fluido hidráulico.
El acumulador de emergencia 8 se puede vaciar a través de un
circuito 18, 20 que está conectada al primer lado del actuador
hidráulico 3. En condiciones normales, el actuador hidráulico 3
puede mover el vástago 36 y fijar así la orientación de la pala 48
por medio de la válvula proporcional 10 controlada por un sistema
de control, por ejemplo en relación a la válvula proporcional 10.
En condiciones normales, el fluido hidráulico se puede evacuar de
la válvula proporcional 10 para alimentar el primer lado del
actuador hidráulico 3 por un circuito 24. Esta acción moverá el
pistón 4 del actuador hidráulico 3 a la derecha. Durante esta
operación el fluido hidráulico será vaciado del segundo lado del
actuador hidráulico 3 a la válvula proporcional 10 por el circuito
32. Asimismo se puede conseguir el movimiento inverso del pistón
mediante la válvula proporcional en condiciones normales de
funcionamiento.
Durante una situación de la emergencia, en caso
de calda de red y fallo en el generador o en el sistema de control,
la orientación de las palas se establece por medio del sistema de
emergencia. En presencia de una señal de activación, que podría
deberse a la ausencia de electricidad o a que la velocidad de giro
exceda un valor umbral predeterminado, detectado por ejemplo por el
sistema de control, las válvulas de emergencia 23, 37, 31 se abren y
la válvula proporcional 10 se cierra, o la válvula de presión 25 en
el circuito 24 se cierra. Por consiguiente, el fluido hidráulico se
vacía del acumulador de emergencia 8 debido a la energía mecánica
almacenada en el resorte 14 del acumulador de emergencia. Entonces,
el único camino para el fluido hidráulico es entrar en el actuador
hidráulico 3 moviendo el pistón 4 del actuador hidráulico y, de ese
modo, se conduce la pala 46 a posición de bandera. En la etapa
inicial del proceso de puesta en bandera, el movimiento del pistón
4 del actuador hidráulico vaciará el fluido hidráulico del segundo
lado del actuador hidráulico 3 a través del circuito 33, 34, 38 en
el primer depósito 6 debido a la diferencia de resistencia relativa
del flujo en el primer inyector del depósito 43 y en el segundo
inyector del depósito 41 dado que la resistencia al flujo es más
alta en el segundo inyector del depósito 41 que en el primer
inyector del depósito 43. Cuando el primer depósito 6 es abastecido
con una cierta cantidad de fluido hidráulico, se igualan las
fuerzas a ambos lados del pistón del primer acumulador del depósito
44. A partir de aquí, el fluido hidráulico vaciado del actuador
hidráulico 3 puede atravesar solamente el circuito 26 conectado al
segundo depósito 66.
Hay que destacar que el resorte 42 del
acumulador 6 es opcional y puede ser omitido. El vaciado del fluido
del actuador hidráulico 3 puede en este caso ser a través del
circuito 26 conectado con el segundo depósito 66 cuando el depósito
se llena. El segundo depósito se puede equipar con un resorte y un
pistón. Sin embargo, esta disposición del resorte puede también ser
omitida, y el segundo depósito 66 puede ser un tanque para recibir
el fluido del actuador hidráulico 3.
Como alternativa o además de los limitadores de
flujo 43, 41, es posible emplear la válvula de control de flujo 37,
31 con un retraso en la regulación de la cantidad del flujo. De
esta manera, se puede inicialmente forzar al fluido a entrar en el
primer depósito 6 cuando una válvula 37 se abre. A partir de aquí,
la otra válvula 31 se puede abrir para suministrar el llenado del
segundo depósito 66.
Tal y como se ha descrito, el circuito
hidráulico puede realizar una parada de emergencia de la pala 46
desviando la válvula proporcional 10, que es aislada
hidráulicamente durante una parada de emergencia, por ejemplo
cerrando las válvulas 25 y 25'. Por ejemplo, el cierre de las
válvulas 25, 25' y la apertura de las válvulas 23, 37, 39 y 31
puede conseguirse mediante válvulas eléctricas ó, alternativamente,
válvulas hidráulicas que requieren presión hidráulica para abrirse
o cerrarse respectivamente. En caso de emergencia, esta presión
puede fallar, dando como resultado el apropiado cierre o apertura
pasiva de las válvulas respectivas. La velocidad de cambio de paso
durante una parada de emergencia se puede controlar de varias
maneras; usando las válvulas reguladoras de flujo o inyectores y
colocando estos componentes en el lado de entrada, el lado de
salida o ambos lados del cilindro de cambio de paso 3.
La figura 2 ilustra una turbina eólica 50 con
tres palas 48. La turbina eólica comprende una torre 46 una
barquilla 54 y un buje 52. El viento que pasa por el área de
barrido de las palas 48 permitirá al rotor girar en un plano
perpendicular a la dirección del viento. Este movimiento rotatorio
puede ser utilizado para la generación eléctrica que se puede
suministrar a la red.
La figura 3 muestra las fuerzas implicadas
durante una operación de guiado de una pala según la presente
invención. La pala 48 se gira en dirección contraria a las agujas
del reloj desde una posición 62 a la posición 64. La pala 48 es
guiada fuera del empuje del viento a la posición 64 por una rotación
sobre su eje longitudinal para reducir la carga de la pala. Se
muestra la dirección del viento 60, la velocidad rotacional 56 y Wr
58. La pala 48 se gira a posición de bandera desde la posición 62 a
la posición 64. La posición 62 corresponde a cualquier situación
durante el normal funcionamiento, donde las palas 48 se hayan
enfrentadas al viento para optimizar las fuerzas de elevación en la
pala y hacer girar el eje del rotor de la turbina eólica. La pala
48 está bajo influencia de una fuerza de la elevación ortogonal a
la dirección del viento y bajo una fuerza resistente paralela a la
dirección del viento 60. La suma de la fuerza de elevación y de la
fuerza resistente determina la magnitud de la aceleración de la
pala 48.
La figura 4 muestra un diagrama de bloques del
circuito hidráulico en una situación de parada mecánica
representando un sistema de cambio de paso y de puesta en bandera
de la pala igual que la presentada en la figura 1. Sin embargo el
acumulador de emergencia 8 tiene un pistón 129 en el acumulador de
emergencia que se carga con un peso 74 en vez de un resorte.
Alternativamente, el resorte se puede sustituir suministrando un gas
presurizado.
Otro sistema alternativo se muestra en la figura
5. Un acumulador de emergencia 8, activado en situaciones de
emergencia, está conectado con el cilindro de cambio de paso 3 a
través de la válvula 23 y el circuito 20. El fluido del cilindro de
emergencia puede pasar a través de la válvula 23 al cilindro de
cambio de paso 3 de dos formas, la primera de ellas a través del
circuito 18, circuito 21, regulador de caudal 43', cara del pistón
27, y el circuito 21', y el segundo camino es a través del circuito
18, el regulador de caudal 41' y el circuito 18'. como el regulador
de caudal 41' es más estrecho que el regulador de caudal 43', el
flujo pasará sobre todo a través del limitador 43' al principio del
proceso de emergencia de puesta en bandera. La cámara del pistón 27
recibirá el fluido en el compartimiento inferior 30 y empujará el
pistón 28 hacia arriba, lo que vacía el fluido' del compartimiento
superior 30' y provoca el primer movimiento rápido del pistón 4 en
el cilindro de cambio de paso 3. Después del llenado completo del
compartimiento inferior 30 y el vaciado del compartimiento superior
30', no puede pasar más fluido a la cámara del pistón 27 y sólo es
posible dirigir el flujo hacia la entrada más restrictiva en la
línea 18, 18' que causan un segundo movimiento más lento del pistón
4 del cilindro de cambio de paso 3.
La figura 6 representa otra realización más.
Como ya es sabido de las soluciones del estado del arte, en
condiciones normales para mover las palas se utiliza un motor
eléctrico (C.A. ó C.C.) con engranajes,. Sin embargo, este sistema
eléctrico controlado por lazo cerrado se combina con un sistema de
emergencia hidráulico en lazo abierto. En este caso la bomba del
motor se emplea por un lado para rellenar el acumulador de
emergencia, y por otro, para girar las palas en caso de emergencia
cuando el sistema eléctrico aun funciona. Si el sistema eléctrico
deja de funcionar, la combinación de las válvulas, la energía
almacenada en las válvulas y la energía del acumulador hidráulico se
emplea para dirigir el fluido y cambiar el giro de las palas en dos
o más etapas. Los sistemas derivados de las figuras 1, 4 y 5 pueden
ser usado en este caso.
Claims (15)
1. Sistema de giro de una pala dé aerogenerador
(46), que comprende un primer sistema de giro configurado para
ajustar el cambio de paso de las palas durante el funcionamiento
del aerogenerador en condiciones normales basado en la
realimentación de una señal del sistema de control de cambio de
paso, configurado para girar las palas a posición de bandera con
velocidad de cambio de paso variable durante un proceso de parada
de emergencia, caracterizado por que además del primer
sistema de cambio de paso comprende un sistema de cambio de paso de
emergencia no realimentado para girar las palas a posición de
bandera.
2. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque está configurado para disminuir
escalonadamente la velocidad de cambio de paso durante la parada de
emergencia.
3. Sistema según las reivindicaciones 1 o 2,
caracterizado porque el sistema de cambio de paso de
emergencia comprende un actuador hidráulico (3) funcionalmente
conectado a la pala (46) para cambiar el giro de la pala (46)
durante el movimiento del actuador hidráulico y un acumulador de
emergencia (8) conectado al actuador hidráulico (3) para dirigir el
actuador hidráulico (3) con el fluido del acumulador de emergencia,
estando dicho fluido almacenado bajo presión en el acumulador de
emergencia.
4. Sistema según reivindicación 3,
caracterizado porque
- el acumulador de emergencia (8) comprende un
resorte (14) para mantener bajo presión el fluido en el acumulador
de emergencia (8), estando el resorte (14) configurado para
conducir el fluido fuera del acumulador de emergencia (8) debido a
la expansión o contracción del resorte (14)
ó
- el acumulador de emergencia (8) comprende un
peso (74) sobre el fluido del acumulador de emergencia para
mantener bajo presión el fluido, estando el peso (74) configurado
para conducir el fluido fuera del acumulador de emergencia (8)
debido al movimiento descendente del peso (74).
5. Sistema según reivindicaciones 3 o 4,
caracterizado porque comprende una distribución de válvulas
(23, 37, 31) para liberar el fluido presurizado en el acumulador de
emergencia (8), donde la distribución de las válvulas está
configurada para liberar el fluido del acumulador de emergencia (8)
debido a una señal de activación, indicando la señal de activación
una velocidad de la turbina cercana a cierto valor umbral, estando
la señal de activación libre de la realimentación del sistema de
control para el normal funcionamiento del rotor.
6. Sistema según la reivindicación 3 o 4,
caracterizado porque comprende un dispositivo de válvulas
para liberar el fluido del acumulador de emergencia (8), donde el
dispositivo de válvulas (23, 37, 31) se configura para liberar el
fluido del acumulador de emergencia (8) debido a una señal de
activación, siendo la señal de activación la falta de corriente
eléctrica en el dispositivo de válvulas (23, 37, 31).
7. Sistema según las reivindicaciones 5 o 6,
caracterizado porque el dispositivo de válvulas (23, 37, 31)
comprende una válvula de emergencia de resorte (23) entre el
acumulador de emergencia (8) y el actuador hidráulico (3), donde la
válvula de emergencia (23) se configura para estar cerrada durante
el funcionamiento en condiciones normales de la turbina debido a la
acción de la presión del fluido contra el resorte.
8. Sistema según reivindicación 7,
caracterizado porque la presión del fluido se controla
mediante una válvula precargada por un resorte, liberándose la
carga del resorte mediante la señal de activación.
9. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 3-8 anteriores,
caracterizado porque comprende unas líneas (18, 20) desde el
acumulador de emergencia (8) hasta uno de los lados del pistón (4)
del actuador hidráulico (3), una primera línea (33, 34) desde el
lado opuesto del pistón hasta el primer depósito (6) para recibir
el fluido con un primer flujo volumétrico desde el actuador
hidráulico (3) durante el guiado de la pala (46) a posición de
bandera, y una segunda línea (26) desde el lado opuesto del pistón
(4) hasta un segundo depósito (66) para recibir un segundo flujo
volumétrico desde el actuador hidráulico (3) durante el guiado de
la pala (46) a posición de bandera, donde la capacidad del primer
depósito (6) es menor que la capacidad volumétrica del acumulador
de emergencia (8) para reducir la velocidad de cambio de paso
durante el llenado del segundo depósito (66) tras haber llenado el
primer depósito (6).
10. Sistema según la reivindicación 9,
caracterizado porque la segunda línea (26) dispone de un
regulador de caudal (31) para limitar el paso de flujo al segundo
depósito (66) en función del flujo del primer depósito (6).
11. Sistema según la reivindicación 9 o 10,
caracterizado porque el primer depósito (6) dispone de un
resorte (42) y un émbolo (44) para mantener bajo presión el fluido
en el acumulador de emergencia (8), siendo configurado el embolo
(44) para recibir caudal volumétrico decreciente debido a la
expansión o la compresión del resorte (42) durante el llenado del
primer depósito (6).
12. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 3-8 anteriores,
caracterizado porque comprende un circuito(18, 18',
21, 27, 21', 23, 20,) desde el acumulador de emergencia (8) hasta
un lado del pistón (4) del actuador hidráulico (3), que comprende
una primera línea (21, 43', 27, 21') y una segunda línea (41',
18'), siendo menor la restricción de caudal en la primera línea (21,
43', 27, 21') que en la segunda línea (41', 18') para conseguir un
caudal inicial en primer lugar en la primera línea y en segundo
lugar en la segunda línea.
13. Sistema según reivindicación 12,
caracterizado porque la primera línea (21, 43', 27, 21')
comprende una cámara del pistón (27) con una cámara de entrada (30)
y una cámara de salida (30') a ambos lados del pistón móvil (28),
donde la cámara de entrada (30) está configurada para recibir el
caudal del acumulador de emergencia (8) con el que mover el pistón
hacia la cámara de salida (30'), y donde la cámara de salida (30')
está configurada para suplir caudal al actuador hidráulico (3) al
disminuir el volumen de la cámara de salida (30') por el movimiento
del pistón.
14. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 3-13 anteriores,
caracterizado porque el actuador hidráulico (3) está
configurado para la regulación del giro de la pala (48) también
durante el funcionamiento en condiciones normales de la turbina
eólica.
15. Sistema según reivindicación 14,
caracterizado porque comprende una válvula proporcional (10)
para dirigir el actuador hidráulico (3) en condiciones normales,
que comprende válvulas (25) configuradas para desviar
hidráulicamente la válvula proporcional (10) en condiciones de
emergencia.
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