Sector de la técnica

La presente invención está relacionada con los sistemas de bombeo hidráulico mediante accionamiento eólico, proponiendo un sistema aerogenerador eólico- hidráulico de caudal variable por revolución y presión constante, ambas independientes de la velocidad del rotor eólico, con control coordinado para optimización del rendimiento, del rechazo de huecos de tensión y de la regulación de la potencia reactiva. Estado de la técnica

Uno de los principales retos que plantea el uso de las energías renovables, es reducir los costes de aplicación y hacerlos competitivos con los de las fuentes de energía tradicionales.

En ese sentido, las centrales hidroeléctricas, cuyo desarrollo se inició a finales del siglo diecinueve, son hoy en día, dentro del sector de las energías renovables, uno de los medios más desarrollados, más maduros, de menor coste y de mayor calidad energética, para la generación eléctrica. Concretamente, las minicentrales hidráulicas con turbinas Pelton que se disponen en saltos de agua de gran altura (por encima de los mil metros) , son las más eficientes, fiables y económicas, para la generación de electricidad.

Es conocida, por otro lado, la técnica de bombeo hidráulico mediante pistones radiales, con accionamiento de los pistones radiales por medio de una excéntrica incorporada en un eje giratorio, o mediante giro excéntrico del conjunto portador de los pistones radiales respecto de un eje central fijo.

Y en otro campo, la técnica de los aerogeneradores que aprovechan la acción del viento como medio accionador para la producción de energía eléctrica, ha llegado a un alto nivel de desarrollo, de manera que el sector eólico se halla consolidado, con unas grandes perspectivas de crecimiento.

A raíz de todos esos conocimientos, se han desarrollado soluciones, como las de las Patentes US 4 368 692 y US 4 496 846, que mediante el eje de un rotor eólico de palas captadoras de la acción del viento accionan un sistema complejo de pistones radiales, para producir un bombeo hidráulico que se puede utilizar en cualquier finalidad.

Según las Patentes US 6 856 039 y US 6 847 128, se han desarrollado también sistemas de control de los aerogeneradores para mejorar su rendimiento, pero con estas soluciones únicamente se regula la velocidad del rotor eólico en función de la fuerza del viento que incide contra las palas y del ángulo de calado de las mismas .

Objeto de la invención

De acuerdo con la presente invención se propone un sistema que permite el control de aerogeneradores eólico-hidráulicos de caudal variable por revolución, incluyendo grupos de turbinas multi-rueda con radios iguales, de forma que permite trabajar a presión hidráulica constante para maximizar la energía eléctrica producida, optimizando el rendimiento global de la máquina, así como operar ante huecos de tensión en la red eléctrica, y regular la potencia reactiva que ^; se entrega a la red.

Este sistema objeto de la invención comprende:

-Un subsistema de control del rendimiento aerodinámico del rotor eólico, mediante el cual se gobiernan de modo coordinado el caudal y la presión del circuito hidráulico, de forma variable e independiente de la velocidad del rotor eólico, de forma que, a partir de la medida de la velocidad del rotor eólico, y mediante la manipulación coordinada de la excentricidad de una bomba radial y de los ángulos de calado de las palas captadoras de la acción del viento, este subsistema modifica el caudal de bombeo, variando el par con el que la máquina se opone al viento y con ello la velocidad de giro del rotor eólico, con lo cual se optimiza el rendimiento aerodinámico y por tanto la energía que se consigue con cada velocidad del viento.

-Un subsistema de control del rendimiento de _las turbinas, mediante el cual se gobierna un conjunto de inyectores en las mismas, para regular la presión del circuito hidráulico, con lo cual se optimiza dicho rendimiento de las turbinas.

-Un subsistema de control de los huecos de tensión en la red eléctrica a la que se suministra la electricidad que se produce, mediante el cual se monitoriza la tensión de la red eléctrica y las velocidades de los grupos turbina-generador, modificando la posición de unos deflectores que hacen variar el comportamiento de las turbinas en los casos de huecos de tensión, permitiendo al aerogenerador eólico-hidráulico seguir trabajando con normalidad en el momento que desaparece el hueco de tensión.

-Un subsistema de control de potencia reactiva, mediante el cual se modifican las corrientes de excitación de los generadores eléctricos síncronos que utiliza el sistema, gobernando así la potencia reactiva que se inyecta a la red eléctrica.

-Un sistema de control coordinado, mediante el cual se supervisan los cuatro subsistemas anteriores, optimizando con ello el rendimiento y el funcionamiento global del aerogenerador eólico-hidráulico.

De este modo se obtiene un sistema de aerogenerador eólico-hidráulico con unas características funcionales que le confieren vida propia y carácter preferente para la aplicación de bombeo hidráulico por acción del viento a la que se halla destinado.

Descripción de las figuras

La figura 1 muestra un esquema general del sistema aerogenerador eólico-hidráulico objeto de la invención.

La figura 1A muestra un detalle ampliado del esquema de una turbina Pelton (turbina i) utilizada en el sistema de la invención.

La figura 2 muestra un esquema representativo del flujo de potencia y de los rendimientos de las distintas etapas, así como del control jerárquico del sistema de la invención.

La figura 3 muestra un esquema representativo un inyector de una turbina Pelton.

La figura 4 muestra un esquema representativo un deflector de una turbina Pelton, en posición desviación del flujo.

La figura 5 muestra una gráfica representativa del rendimiento aerodinámico del rotor eólico en el sistema de la invención.

La figura 6 muestra una gráfica representativa de la curva de potencia del aerogenerador eólico- hidráulico .

La figura 7 muestra una gráfica representativa del rendimiento de una turbina Pelton según la relación de velocidades .

La figura 8 muestra una gráfica representativa del rendimiento de una turbina Pelton según el caudal de trabaj o .

La figura 9 muestra un esquema representativo de las turbinas Pelton multi-rueda que se utilizan en el sistema aerogenerador eólico-hidráulico de la invención para trabajar a presión constante.

La figura 10 muestra una gráfica representativa de un hueco de tensión de la red eléctrica.

Descripción detallada de la invención La invención consiste en un sistema aerogenerador eólico-hidráulico de caudal variable por revolución y presión constante, ambas independientes de la velocidad del rotor eólico, y con control coordinado para optimización del rendimiento, rechazo de huecos de tensión y control de energía reactiva en la red eléctrica .

La Figura 1 representa el esquema general del sistema preconizado, comprendiendo un rotor eólico (1) de múltiples palas, el cual transforma la energía del viento en par mecánico en un eje (2) que a su vez transmite la energía a un sistema de bombeo (3) que mediante una bomba (4) radial introduce líquido a presión en un circuito hidráulico (5) capaz de generar energía eléctrica mediante grupos formados por turbinas Pelton (6) multi-rueda de radios iguales y en combinación con ellas respectivos generadores eléctricos (7 ) .

En relación con ese conjunto funcional el sistema dispone de un subsistema de control (8), mediante el cual se controla el rendimiento del rotor eólico (1) , un subsistema de control (9), mediante el cual se controla el rendimiento de las turbinas Pelton (6), un subsistema de control (10) , mediante el cual se controla el funcionamiento ante huecos de tensión en la red eléctrica (13) a la que se suministra la electricidad que produce el sistema aerogenerador eólico-hidráulico, un subsistema de control (11) , mediante el cual se controla la potencia reactiva que se inyecta a la red eléctrica (13), y un sistema de control coordinado (12), mediante el cual se supervisan los cuatro subsistemas anteriores. El aerogenerador eólico-hidráulico del sistema propuesto desacopla la red eléctrica (13) del rotor eólico (1) en la dirección red => rotor, de manera que un evento en la red eléctrica (13) no afecta al rotor eólico (1), pero si viceversa.

La figura 2 representa el diagrama de flujo de energía del sistema aerogenerador eólico-hidráulico, sus rendimientos, y el sistema de control coordinado de rendimiento del rotor eólico (1) , rendimiento de las turbinas Pelton (6) , huecos de tensión y potencia reactiva .

Con todo ello, suponiendo una orientación correcta del rotor eólico (1) según la dirección del viento (ángulo de orientación o yaw = 0), las ecuaciones que describen el funcionamiento del sistema aerogenerador eólico-hidráulico son las siguientes:

donde los subíndices r, b, t, g, representan rotor, bomba, turbina y generador, respectivamente, la función de (t) significa función dependiente del tiempo, Tr es el par mecánico que el rotor eólico (1) extrae del viento, p _a ¡ _r es la densidad del aire, A es el área (A = π R ² ) del rotor eólico (1), R es el radio del espacio barrido por el rotor eólico (1), C _p es el rendimiento aerodinámico del rotor eólico (1), V es la velocidad del viento, Ω _r es la velocidad de giro del rotor eólico (1) , P _wr es la potencia mecánica en el eje del rotor eólico (1), P _wb es la potencia al final del circuito hidráulico (5), η _b es el rendimiento de dicho circuito hidráulico (5), P _b Y Qb son la presión y el caudal del líquido al final del circuito hidráulico (5), P _wgi es la potencia a la salida de las turbinas Pelton (6) y entrada a los generadores eléctricos (7), η _t es el rendimiento de las turbinas Pelton (6), T _g y Ω _g son el par mecánico y la velocidad de giro de los generadores eléctricos (7) a la entrada de los mismos, P _wg0 es la potencia a la salida de los generadores eléctricos (7) y entrada a la red eléctrica (13), η _g es el rendimiento de los generadores eléctricos (7), V _g es la tensión simple de la red eléctrica (13), I _g es la corriente eléctrica de línea aportada a la red eléctrica (13) .

Los actuadores ,d _x ,d _y ,d _z I _x son, respectivamente, el ángulo de calado de las palas del rotor eólico (1), la excentricidad de la bomba (4), la posición de los inyectores (figura 3) de las turbinas Pelton (6), la posición de los deflectores (figura 4) de las turbinas Pelton (6), y las corrientes de excitación de los generadores eléctricos (7).

El subsistema de control (8) controla el caudal Qb, que es variable e independiente de la velocidad Ω _r del rotor eólico (1), optimizando el rendimiento del aerogenerador eólico-hidráulico . El rendimiento aerodinámico C _p del rotor eólico (1) depende de la velocidad V del viento y de la velocidad Ω _r de giro del rotor eólico (1) para cada ángulo β de calado de las palas de dicho rotor eólico (1), según la ecuación (XI) y la Figura 5. El parámetro λ representa la relación entre la velocidad de la punta de las palas y la velocidad V del viento que llega al rotor eólico (1) . Es decir: λ = (Ω _r R) I V.

La velocidad Ω _r de giro del rotor eólico (1) depende de los pares T _r dados por el viento y el par mecánico antagonista T _b , tal que: donde Ω _r0 es la velocidad en el punto de trabajo estacionario, J _turb i _na es la inercia del rotor eólico (1) y s la variable de Laplace. Así, estando el sistema en el punto de trabajo (Ω _r0 , VQ, ¾) de máximo coeficiente aerodinámico C _pma x según la figura 5, si la velocidad V del viento disminuye, entonces λ aumenta y por tanto C _P disminuye, con lo cual T _r disminuye, según la ecuación (I) . Esto trae consigo, según la ecuación (XII), una deceleración de la velocidad Ω _r del rotor eólico (1) , que hace que λ disminuya. El sistema busca entonces otro punto de equilibrio tal que T _r = T _b · Si en ese transito λ cae por debajo de λ _ορί , manteniéndose T _b constante, el sistema acaba parando en la práctica.

Del mismo modo, estando el sistema en el punto de trabajo (Ω _r0 , V ₀ , ₀ ) de máximo coeficiente aerodinámico C _PMAX según la Figura 5, si la velocidad V del viento aumenta, entonces λ disminuye, y por tanto C _P disminuye, y con ello T _r disminuye, según la ecuación (I) . Esto trae consigo, según la ecuación (XII), una deceleración de la velocidad Ω _r de giro del rotor eólico (1), que hace que λ disminuya más todavía. En estas circunstancias, si T _b se mantiene constante, el sistema acaba parando en la práctica.

Por lo tanto, en ambos casos, si T _b es constante el sistema acaba parando. Para devolver el sistema al punto de C _PMAX (λ _opt ), hay que controlar el par mecánico antagonista T _b , de modo que disminuyéndolo o aumentándolo se modifique la velocidad Ω _Γ de giro del rotor eólico (1) hasta llegar a C _PMAX de nuevo. Para una máquina alineada con la dirección del viento (ángulo de orientación o yaw = 0) , la curva de potencia P _WR (ecuación II) respecto a la velocidad V del viento sigue una función cúbica (Zona 1) o recta (Zona 2), según la figura 6 y las ecuaciones (XIII) y (XIV) siguientes : ) donde P _wr es la potencia mecánica en el eje (2) dada por el viento, P _nom es el valor nominal de dicha potencia y Vom es la primera velocidad de viento a la que se alcanza P _n0 m-

En la zona de velocidad de viento menor que la velocidad nominal (V≤ V _nom , Zona 1), el subsistema (8) de control de rendimiento del rotor eólico (1) trata dé mantener a dicho rotor eólico (1) sobre el máximo coeficiente aerodinámico C _pmax , obteniendo asi la máxima potencia para cada velocidad de viento.

Asi, estando el sistema a máximo C _p (Figura 5) , al variar la velocidad V del viento y por tanto ir a una nueva posición λ = Ω _r R/Vy disminuir el coeficiente C _p , el subsistema de control (8) modifica el caudal por revolución de la bomba (4) mediante la variación coordinada de la excentricidad dx de dicha bomba (4) y de los ángulos β de las palas del rotor eólico (1) , según un algoritmo de control especifico. Con ello se modifica el par mecánico antagonista T _b , con lo cual cambia la velocidad _r de giro del rotor eólico (1) , según la ecuación (XII), y el rotor eólico (1) retorna a la posición λ= Q _r R/V original y por tanto al punto de máximo rendimiento aerodinámico C _pmaxt optimizando asi el rendimiento aerodinámico y por tanto la energía que se consigue con cada velocidad del viento. De este modo, cada velocidad V de viento tiene una correspondiente velocidad Ω _Γ de giro del rotor eólico (1) (λ= ü _r R/V= λ _ορί = constante) para estar en el punto C _pmax .

En la zona de velocidad del viento mayor que la velocidad nominal (V > V _nom , Zona 2) , el subsistema de control (8) trata de mantener una velocidad _r de giro del rotor eólico (1) constante, y una potencia constante, variando el ángulo β de las palas del rotor eólico (1) , disminuyendo o aumentando con ello el coeficiente aerodinámico C _p (Figura 5) .

El sistema de generación de energía eléctrica está compuesto por un conjunto de grupos formados por turbinas Pelton (6) multi-rueda y generadores eléctricos (7), según la figura 1.

La potencia generada por una turbina Pelton (6) multi-rueda responde a la ecuación siguiente:

^P wgi = Pturbina≈ k p ₁ ηt (XV) donde k es una constante de proporcionalidad, A _v es el área de la vena líquida inyectada,, es el rendimiento de la turbina Pelton (6), p _\ la densidad del líquido inyectado, y V _ai la velocidad del líquido inyectado.

El rendimiento ηt, de la turbina Pelton (6) depende de la velocidad g _r de giro de la propia turbina Pelton (6) y de la velocidad V _a ¡ del líquido inyectado, según la figura 7 y las ecuaciones (XVI) y (XVII) siguientes:

J7,=2v(l-v)[l-k _r cos( )] (XVI) donde v es la relación de velocidades U/V _ai , siendo U la velocidad lineal del extremo exterior (radio) de la rueda de la turbina Pelton (6) y V _ai la velocidad del liquido inyectado, Ω _g es la velocidad de giro del eje de la turbina Pelton (6) o del generador {8) , R _t es el radio de la rueda de la turbina Pelton (6), k _r es el factor de fricción (típicamente de valor entre 0.8 y 0.95), φ es un ángulo constructivo de la turbina Pelton (6) (típicamente « 165°) y K„ es el coeficiente de velocidad de los inyectores (típicamente ≈ 0.98).

La velocidad í¾ de giro de las turbinas Pelton (6) es fija y está gobernada por los generadores (7) correspondientes y la red eléctrica (13) , dependiendo del número de pares de polos del generador (7) y de la frecuencia de la red eléctrica (13), de manera que Ω _g = frec aed * 60 / num_pares_de_pobs · Por ejemplo: 1800 rpm con 2 pares de polos y red a 60 Hz, o 1500 rpm con 2 pares de polos y red a 50 Hz.

Dado que la velocidad -f¾ de giro de las turbinas Pelton (6) es fija debido a la conexión de los generadores (7) síncronos a la red eléctrica (13), y que la velocidad V _ai del líquido inyectado depende directamente de la presión P _b del circuito hidráulico (5), según la ecuación (XVII), el subsistema (9) de control del rendimiento de las turbinas Pelton (6) manipula los inyectores d _y¡j de las turbinas Pelton (6) (turbina i, inyector j) , para mantener el circuito hidráulico (5) a presión _b constante, es decir a V _ai constante, en el punto (Ω _g /V _ai ) _opt de máximo rendimiento

Vtjnax ·

Por otro lado, el rendimiento η _t de las turbinas Pelton (6) depende del caudal Q¡, con el que trabajan, con lo cual el máximo rendimiento del sistema eólico- hidráulico se alcanza cuando las turbinas Pelton (6) trabajan a altos caudales, mientras que con un bajo caudal las turbinas Pelton (6) reducen el rendimiento del sistema eólico-hidráulico (véase figura 8) .

Por ello, en el sistema preconizado se utilizan turbinas Pelton (6) multi-rueda, es decir con varias ruedas de diferente tamaño dispuestas sobre un eje, las cuales proporcionan diferentes potencias o caudales máximos, en cada turbina Pelton (6) . Asi, al variar el viento, y por tanto el caudal Q _b del liquido bombeado, éste se inyecta en las ruedas de las turbinas Pelton (6) de modo escalonado, maximizando asi el rendimiento de las turbinas Pelton (6) utilizadas.

Dado que el máximo rendimiento de una turbina Pelton multi-rueda se alcanza típicamente para una relación de velocidades U/V _ai de valor v«0.5, y. dado que el modo más simple y eficaz de controlar el sistema eólico-hidráulico es a presión P _b constante, es decir, la misma para todas las ruedas de las turbinas Pelton (6), de acuerdo con la ecuación (XVII), las distintas ruedas de cada turbina Pelton (6) deben tener el mismo radio R _t = R _t1 = R _t2 = R _t3 = ...= R _tn (ver figura 9).

Por tanto, para maximizar el rendimiento del sistema eólico-hidráulico y hacerlo más controlable, las turbinas Pelton (6) deben tener varias ruedas, todas del mismo radio y diferentes caudales máximos, según una relación escalonada, yendo conectadas al mismo eje, que es a su vez el eje del generador eléctrico (7) correspondiente. El subsistema (9) de control de rendimiento de la turbina (6) mide la velocidad Ω _Γ de giro del rotor eólico (1), la asimetría d _x de la bomba (4) radial, y la presión Pb del circuito hidráulico (5), y en función de las mismas modifica las posiciones d _yij de las agujas (14) de los inyectores (15), de las ruedas de cada turbina Pelton (6) (figuras 3 y 9) . Con ello se distribuye el caudal escalonadamente entre las ruedas de las turbinas Pelton (6), gobernando la presión Pb del circuito hidráulico (5) y la velocidad V _a ¡ del líquido inyectado, de modo que la relación Ω _g / V _ai sea la correspondiente al valor de máximo rendimiento η _t , según la Figura 7.

La Figura 10 muestra el perfil típico de un hueco de tensión en la red eléctrica (13) , que se caracteriza por una bajada de tensión V _g momentánea, durante un breve periodo de tiempo (17). En esa situación, el sistema eólico-hidráulico no puede inyectar potencia activa P _wg0 a la red eléctrica (13) , ya que la potencia es P _wgo (t) = fí I _g (t) V _g (t), según la ecuación (VIII), y para V _g muy pequeña (hueco de tensión) se necesitaría una corriente I _g demasiado grande.

En esa situación, el subsistema de control (10) gobierna la posición d _z de los deflectores (16) de las turbinas Pelton (6) (figura 4), desviando la proyección del líquido que se inyecta, en el momento (18) en el que se inicia el hueco de tensión, y re-direccionando la proyección cuando el hueco desaparece, lo cual permite que el sistema eólico-hidráulico pueda seguir trabajando con normalidad en el momento (19) que desaparece el hueco de tensión. La regulación de las corrientes de excitación I _x de los generadores (7) síncronos, mediante el subsistema de control (11), permite además gobernar apropiadamente la potencia reactiva que el sistema eólico-hidráulico inyecta a la red eléctrica (13) .