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Patent Searching and Data


Title:
DEVICE FOR CHANGING THE ANGLE OF INCLINATION IN WIND TURBINES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/197876
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for changing the angle of inclination (13) in wind turbines, which device is formed by a connection part (4) having a peripheral rolling ring (10) on which three support points (11), which support a bed (6) where the power train is supported, roll, thereby permitting the orientation of the yaw angle. At least one line of pistons (14) and their corresponding cylinders (15) are provided on each of the rolling support points (11), anchored to the bed (6) via a plate (16) for each group of actuators, thereby integrating the yaw and tilt actuation systems. When the cylinder (15) pushes or retracts the piston (14) and the piston (14) extends or retracts the ring-shaped connection part (4) (the fixed part), and the bed (6) that supports the power train (the mobile part) displacing a certain angle α, the piston (14), which is articulated (17) in the lower end thereof, progressively inclines in proportion to the angle of inclination a. The degree of inclination reached, for a leeward wind turbine, is based on the measurements of respective anemometers (5) established in the front portion of the nacelle (3).

Inventors:
SANZ PASCUAL ENEKO (ES)
SAVII COSTA HELY RICARDO (ES)
Application Number:
ES2014/000106
Publication Date:
December 30, 2015
Filing Date:
June 27, 2014
Export Citation:
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Assignee:
NABRAWIND SL (ES)
International Classes:
F03D7/02
Foreign References:
EP2381100A22011-10-26
KR20140033591A2014-03-19
ES2179785A12003-01-16
Other References:
See also references of EP 3163073A4
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Claims:
REIVINDICACIONES

1- Dispositivo para el cambio de ángulo de inclinación (13) en aerogeneradores de eje horizontal, con al menos dos palas (1 ) orientadas al viento, con una torre de celosía (2) de al menos tres patas, con una pieza de conexión (4) de forma circular entre la góndola (3) y la torre (2), caracterizado por que la pieza de conexión (4) tiene un anillo de rodadura (10) perimetral sobre el que ruedan los tres puntos de apoyo (11) que soportan a través de tres pletinas (16) la bancada (6) que sustenta el tren de potencia, dichas pletinas (16) están atravesadas a través de al menos una hilera de agujeros por al menos un émbolo (14) que conecta cada apoyo (11) de rodadura dispuesto por debajo de la bancada (6) con su correspondiente cilindro (15) dispuesto en la bancada (6) y anclado a ella a través de su correspondiente pletina (16), cuando el cilindro (15) empuja o retrae el embolo (14) y el embolo (14) extiende o retrae la pieza anular de conexión (4) que es la parte fija, desplazando un cierto ángulo α la bancada (6) que soporta el tren de potencia que es la parte móvil, el émbolo que está articulado (17) en su extremo inferior se va inclinando progresivamente en la misma proporción que el ángulo de inclinación α que se desplace el rotor (9) respecto a la horizontal del suelo.

2- Dispositivo para el cambio de ángulo de inclinación en aerogeneradores, según la reivindicación primera caracterizado por que el conjunto de cilindro (15) y émbolo (14) solamente se extiende en el dispositivo (13) cercano al rotor (9) y se retrae en los otros dos dispositivos que completan el triángulo que soporta la bancada (6).

3- Dispositivo para el cambio de ángulo de inclinación en aerogeneradores, según la reivindicación primera caracterizado por que el ángulo de inclinación α está comprendido entre 0o y 10°, lo que representa una carrera del émbolo (14) menor de 1 metro de extensión o retracción en cada uno de los tres puntos de actuación.

4- Dispositivo para el cambio de ángulo de inclinación en aerogeneradores, según la reivindicación primera caracterizado por que el control de los grados que debe inclinarse la góndola (3) respecto a la horizontal del suelo se basa en las medidas de sendos anemómetros (5) dispuestos en la parte inicial de la misma y que al tratarse de un aerogenerador a sotavento se disponen a más de 10 m del rotor (9) y no están influenciadas por la sombra de las palas (2).

5- Dispositivo para el cambio de ángulo de inclinación en aerogeneradores, según la reivindicación primera caracterizado por que en al menos uno de los puntos de actuación los cilindros (15) son dobles y dispuestos según dos filas paralelas a lo largo de toda la superficie de la pletina (16).

6- Dispositivo para el cambio de ángulo de inclinación en aerogeneradores, según la reivindicación primera caracterizado por que al menos uno de los cilindros

(15) está sustituido por una guías (19) por las que desliza al menos un vástago (20) igualmente articulado (17) en la parte de abajo, unido a un pórtico (21) que a su vez lo une, a través de una articulación (17), de nuevo al apoyo (11) de la estructura del yaw que es la parte fija.

Description:
DISPOSITIVO PARA EL CAMBIO DEL ANGULO DE INCLINACION EN

AEROGENERADORES

DESCRIPCIÓN

Campo de la invención

La presente invención se engloba en el campo de los aerogeneradores, y más en concreto, en el dispositivo que permite la variación del ángulo de inclinación (tilt) que forma el eje del rotor con el plano horizontal.

Antecedentes de la invención

Originalmente el ángulo de inclinación del eje del rotor no buscaba la alineación con la dirección del viento, sino aumentar la luz entre palas y torre para evitar el golpeo de las mismas. Este aumento es muy importante a barlovento, ya que la flecha máxima de pala se da hacia torre. En ese caso, el ángulo de inclinación provoca un cierto desalineamiento del viento horizontal, y este desalineamiento se agrava cuando el viento tiene componentes verticales (sobre todo en terreno complejo). Sin embargo, con rotores a sotavento los efectos se invierten. Primero la flecha máxima de pala es hacia afuera, con lo cual el ángulo de inclinación no es tan necesario. Pero por otro lado, dicho ángulo mejora la alineación con vientos de componente vertical. Por tanto, lo que en barlovento era una desventaja de producción energética asumida por la necesidad de la flecha de pala, en sotavento se convierte en una ventaja y, más aún, en una oportunidad de mejora adicional. Si el ángulo de inclinación es variable y se adecúa a la dirección del viento, se podrá producir en cada momento el máximo de energía posible. Por tanto, disponer de un sistema de cambio de ángulo de inclinación activo proporciona un aumento de producción energética (AEP) y en consecuencia una disminución del coste de la energía producida (COE).

Ahora bien, en el estado del arte ya hay invenciones que buscan este mejor aprovechamiento mediante un sistema activo de control del ángulo de inclinación. Por tanto, la novedad no radica en controlar este ángulo de inclinación, sino en la solución mecánica adoptada entre el bastidor y el sistema de orientación (yaw) para conseguir dicha variación del ángulo de inclinación de forma eficiente. En la presente invención se integran ambos dispositivos de orientación del rotor con la dirección del viento y la variación del ángulo de inclinación en un mismo dispositivo.

El estado de la técnica de los sistemas de variación del ángulo de inclinación lo componen un buen número de patentes, pero la mayoría de ellas son para aerogeneradores a barlovento y son complejos sistemas de control que toman distintas mediciones y actúan sobre el dispositivo para el cambio del ángulo mejorando el comportamiento en la generación de potencia. Por todo ello la búsqueda de antecedentes se restringe a sistemas de cambio de ángulo que presenten una forma de solución detallada y que se aplican para aerogeneradores de sotavento.

La patente US 2004/0076518 presenta una solución donde el ángulo de inclinación del eje de rotación cambia y absorbe las cargas producidas por el movimiento giroscópico del rotor en su constante ajuste a la dirección del viento. El movimiento de inclinación se ejecuta mediante una ballesta que cuelga desde la propia torre y soporta la góndola. Permite el giro del conjunto y la inclinación de la góndola. También se le puede añadir a la ballesta actuadores para forzar el movimiento. Además incorpora un sistema de control de la velocidad del rotor usando el peso de la propia turbina como parámetros para dicho control.

La patente EP 1683965 dispone de un sistema de control y cuando se establece un cierto ángulo entre el plano horizontal y el eje de rotación del aerogenerador, las excéntricas o levas (104, 105 y 106) actúan sobre los extremos de la góndola y cambian el ángulo de inclinación haciendo bascular la góndola sobre un punto de giro. Con ello se logra que la góndola cabecee hasta alinearse con la dirección del viento (Q) en cuyo punto para el giro. El punto de giro de la góndola está sobre un pedestal, hace las veces de sistema de orientación (yaw) y también logra el movimiento basculante. Las excéntricas están formadas por unos actuadores que extienden y retraen un émbolo. Si bien el sistema que permite girar a los actuadores según el giro de yaw es un complejo sistema de ruedas dentadas que mueve la góndola (4) respecto del propio soporte del actuador (13). La disposición de la articulación tipo horquilla hace variar todo el aerogenerador y condiciona por completo todo el diseño de la góndola o bastidor, complicándolo mucho porque no permite reaccionar las cargas en las partes más cercanas a la torre (el exterior) sino que lo hace en el eje central. Esto complicará y encarecerá mucho dicha estructura.

Con la finalidad de dar solución a los problemas existentes en el estado de la técnica se ha desarrollado el dispositivo objeto de la invención, integrando los movimientos de Yaw y Tilt en un mismo elemento modular. Las principales ventajas serán por tanto la simplicidad constructiva, eficiencia de actuación, versatilidad y coste final de la solución. Descripción de la invención

El aerogenerador de la invención reposa sobre una pieza anular de transición que soporta todo el tren de potencia. Esta gran estructura de conexión entre la torre en celosía y la góndola (descrita en la patente PCT/ES 2014/000036), no necesita ningún pedestal y a su vez contiene los elementos de rodadura del yaw.

El nuevo dispositivo para el cambio del ángulo de inclinación propuesto se coloca en serie con los elementos de rodadura, en la estructura original. Se coloca en la misma posición que los elementos del sistema de yaw, descritos en la patente PCT/ES 2014/000037, quedando por tanto integrados el sistema de yaw y tilt en un solo elemento de actuación multiaxial. Por tanto, aunque por este dispositivo pasan también las cargas hacia la torre, no introduce ninguna variación en el camino de cargas del aerogenerador. Si en una versión de aerogenerador no se incluye el dispositivo, el resto del aerogenerador no varía. Esto supone una ventaja del diseño en cuanto a la versatilidad de la posible particularización de aerogeneradores a las necesidades del emplazamiento, con o sin sistema activo. Por ejemplo si el viento es siempre horizontal o siempre con la misma dirección, se puede poner un tilt permanente o prescindir de él. El aerogenerador que no contenga el sistema de tilt activo no tendrá ningún extra-coste al respecto.

En la nueva propuesta, en lugar de bascular con dos accionamientos en los extremos y un eje de giro en el centro (EP 1683965), se propone la variación del plano base de la góndola, paralelo al eje del rotor, mediante tres puntos de actuación, que es la mínima definición unívoca de un plano.

El nuevo dispositivo integra el sistema de cambio de ángulo de inclinación y del sistema de orientación yaw en un mismo elemento, que es el conjunto objeto de la invención.

Otro objeto de la invención es la integración de esta actuación en el sistema de control de potencia. En el extremo delantero de la góndola se colocan sensores ultrasónicos de tres ejes o dos anemómetros, uno para medir la componente horizontal y otro para medir la componente vertical. Como el aerogenerador de la realización preferente es a sotavento, las medidas de estos anemómetros no estarán distorsionadas por el paso de las palas del rotor, aumentando por tanto su precisión de medida y por tanto la de los sistemas de yaw y tilt que dependen de ellas. Por otro lado, al tener la góndola tanto diámetro, la distancia entre los sensores y el rotor es superior a 15 m. Esto provoca que la medida se realice con cierta anticipación y, por tanto, una reacción anticipada de los sistemas de yaw y tilt que permitirá reducir las cargas extremas derivadas de ráfagas puntuales e incluso aliviar el espectro de cargas de fatiga con respecto a los generadores a barlovento. Obviamente estas reducciones de cargas provocarán reducciones de coste en aquellos componentes dimensionados por dichas cargas.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta. La Figura 1 es una vista completa del aerogenerador de sotavento.

La Figura 2 es una vista en perspectiva del rotor, tren de potencia, pieza anular y parte de la torre.

La Figura 3 es una vista en sección de la figura anterior.

La Figura 4 muestra un detalle del sistema de rodadura yaw, delimitando su contorno en trazo más grueso. Todo ello forma parte del estado de la técnica.

Las Figuras 5a y 5b muestran esquemáticamente el dispositivo de la invención en posición de reposo y actuando.

Las Figuras 6a y 6b muestran los nuevos puntos de actuación del dispositivo sobre la pieza anular y parte de la torre según el viento incidente.

Las Figuras 7a y 7b son otra realización práctica donde los cilindros actuadores son dobles con el fin de absorber la flexión de sus vástagos.

La Figura 8a muestra la disposición en planta de las plataformas que soportan los cilindros actuadores en los trenes del sistema de yaw y la figura 8b un detalle de la mayor.

La Figura 9 muestra la sección de la figura 3 con el dispositivo tilt añadido en dos posiciones a y b de diferente ángulo, con actuación complementaria y de sentido contrario entre el actuador delantero y los traseros.

La Figura 10 muestra la sustitución del dispositivo por un bloque sólido que permite particularizar de forma estática el ángulo de inclinación requerido en un emplazamiento sin variabilidad de dirección vertical de viento.

La Figura 11 muestra una variante en la que el sistema de variación de tilt se dispone entre la pieza anular y la torre, no quedando integrado con el sistema de yaw pero en serie en el camino de cargas de la estructura por las patas principales de la torre. La Figura 12 es una vista frontal en la que se muestra el sistema yaw y tilt, y en la opción 12b una nueva realización práctica donde se sustituyen algunos émbolos por guías cuya misión es absorber las cargas de horizontales o de cortadura, evitando así la flexión de los vástagos del émbolo y por tanto la necesidad de disponerlos dobles como en la Figura 7. Descripción detallada de la invención

En la figura 1 , el dispositivo para el cambio de ángulo de inclinación se aplica sobre un aerogenerador de eje horizontal, con al menos dos palas (1) orientadas al viento y con una torre de celosía (2) de al menos tres patas. Entre la góndola (3) y la torre (2) se dispone una pieza anular de conexión (4). En el extremo delantero de la góndola (3) se colocan dos anemómetros (5), uno para medir la componente horizontal (5') y otro para medir la componente vertical (5"). Estas medidas alimentan el sistema de control que indica los grados que debe desplazarse la góndola (3) respecto a la horizontal del suelo.

Tal y como se muestra en las figuras 2 y 3, la torre de celosía (2) soporta la pieza anular de conexión (4) y sobre ella se dispone la bancada (6) de forma triangular y que alberga en su interior al generador (7) y al eje principal (8) y en uno de sus extremos soporta el rotor (9). En la parte superior de la pieza anular de conexión (4) se dispone un anillo o pista de rodadura (10) que forma parte del sistema de giro (yaw). Dicho sistema de giro lo componen el mencionado anillo (10) y los tres apoyos de rodadura (11) dispuestos uno en cada vértice del triángulo que forma la bancada (6).

Tal y como se muestra en la figura 4 la bancada (6) se apoya sobre la pieza anular de conexión (4) a través del sistema de rodadura compuesto por un anillo de rodadura (10) y sus correspondientes apoyos de rodadura (11). El anillo de rodadura (10) tiene una sección con forma de T invertida en la base y forma circular en la parte superior. En el punto de apoyo (11) (la carcasa mostrada con trazo más grueso) y más concretamente en su interior se muestran los elementos de rodadura (12) actuando sobre el anillo de rodadura (10). Todo esto es estado de la técnica según lo descrito en la patente PCT/ES 2014/000037.

En la figura 5a se muestra la carcasa que conforma el punto de apoyo (11) que incluye los elementos de rodadura (no mostrados en la figura). Este apoyo (11) se desplaza sobre el anillo de rodadura (no mostrado en la figura) y por su parte superior conecta con la bancada (6) a través de un émbolo (14) que atraviesa una pletina (16) unida a la bancada (6) antes de unirse a su correspondiente cilindro (15). En la figura 5b se muestra como, una vez que el cilindro (15) se pone en funcionamiento empuja, a través de la pletina (16) que se encuentra unida a la bancada (6), el émbolo (14) que en su extensión desplaza un cierto ángulo α (ángulo de tilt) la bancada (6) que soporta el tren de potencia que es la parte móvil. El émbolo (14) está articulado (17) en su extremo inferior y se va inclinando progresivamente y en la misma medida α según aumenta el ángulo de inclinación. Al conjunto de sistema de rodadura yaw y sistema de variación del ángulo de inclinación tilt se le señala como dispositivo (13).

En las figuras 6a y 6b se muestra esquemáticamente la torre (2) soportando la pieza de conexión (4) sobre la que destacan los tres dispositivos (13), cada uno de los cuales está formado por la agrupación de varios émbolos y cilindros. En función a la dirección del viento V los elementos de rodadura orientan la góndola y uno de los tres puntos del sistema tilt (13) queda siempre alineado con la dirección del viento V. Cuando la dirección del viento cambia debido al viento vertical, el dispositivo cambia también el ángulo de inclinación a. El rango típico de partida del ángulo de inclinación (tilt) podría ser ±15°. No obstante, como la dirección del viento casi nunca tiene componente vertical negativa (hacia abajo), se particulariza más el rango de actuación entre 0 o y 10°. En ese caso, la carrera máxima a recorrer por cada émbolo (14) será menor a 1 m, teniendo en cuenta que el movimiento será siempre repartido entre el grupo de cilindros (15) delanteros y los dos grupos de cilindros traseros.

Las figuras 7a y 7b muestran una segunda realización práctica de la invención para el caso de que la actuación esté ejecutada por dos líneas de émbolos (14 y 14') y sus correspondientes cilindros (15 y 15') en vez de por una sola línea. El grupo de émbolos atraviesan y los cilindros descansan sobre sus correspondientes pletinas (16). El uso de dos émbolos absorbe la cortadura evitando la flexión del vástago como sucede en el caso de usar un solo émbolo.

La figura 8a muestra la disposición en planta de las pletinas (16) por donde atraviesan las dos líneas de émbolos anteriormente mencionados y movidos por los cilindros actuadores. La pletina (16') más cercana al rotor es más grande porque soporta más carga que las otras dos pletinas que acompañan en el funcionamiento de la primera. La figura 8b muestra un detalle de esta pletina (16') con 10 agujeros por donde atraviesan los correspondientes cinco pares de émbolos necesarios para lograr la variación del ángulo de inclinación (tilt) según esta realización concreta, pero el número de émbolos de la implementación final puede variar y dependerá de las cargas y diseño de detalle. Así, mientras a través de la pletina (16') el dispositivo (13') cercano al rotor extiende sus émbolos, los otros dos dispositivos (13) retraen los suyos de forma que el ángulo de inclinación (tilt) sea la suma de ambos movimientos, tal y como se muestra en las figuras 9a y 9b. Existe una segunda realización para el caso que los vientos verticales sean lo suficientemente constantes para que la variación del ángulo de inclinación sea siempre la misma. En este caso se puede dotar a los aerogeneradores de un alza (18) que se ubica sobre el apoyo (11) que incluye los elementos de rodadura y la pletina (16) unida a la bancada (6) que soporta el tren de potencia, tal y como se muestra en la figura 10. En esta realización el dispositivo fijo para regular el ángulo de inclinación ( 3') puede disponerse entre la pieza anular (4) y la torre (2) tal y como se muestra en la figura 11. Por último, la figura 12a muestra otra alternativa donde se dispone de gulas (19) que ayudan a soportar la cortadura sin aumentar excesivamente en número de cilindros (15). En la figura 12 b se muestra cómo se desarrolla el movimiento en esta nueva realización donde al menos dos de los cilindros (15) han sido sustituidos por una guías (19) que soportan al menos dos vástagos (20). Dichos vástagos (20) están articulados (17) en la parte de abajo y unido a un pórtico (21) que a su vez lo une, a través de su propia articulación (17) a la estructura de apoyo (11) que contiene los elementos de Yaw. El pórtico (21) es solidario a la estructura de apoyo (11). Las guías (19) son solidarias a la pletina (16). Al accionarse el sistema de tilt, el nuevo vástago (20), solidario al yaw con articulación, desliza por la guía (19) permitiendo el movimiento vertical pero absorbiendo el horizontal. Esto se aprecia entre la figura 12b de la izquierda, donde los émbolos (14) están retraídos en el cilindro (15), y en la figura 12b de la derecha dichos émbolos (14) están extendidos. Los vástagos (20) han deslizado con respecto a la guía (19), que ha subido, mientras dichos vástagos (20) permanecen en la misma cota vertical.