ES2204573T3 - Aerogenerador con circuito de refrigeracion cerrado. - Google Patents

Abstract

Aerogenerador (1) con un circuito de refrigeración, cerrado por completo o en parte, caracterizado porque la torre del aerogenerador se incluye como elemento de refrigeración y/o intercambiador de calor en el circuito de refrigeración y porque el calor, que se debe extraer del circuito de refrigeración, se cede básicamente a través de la torre (3) del aerogenerador (1).

Description

Aerogenerador con circuito de refrigeración cerrado.

Durante la transformación de energía se producen regularmente pérdidas en forma de calor. Esto ocurre tanto durante la transformación de la energía cinética del viento en energía eléctrica en el generador de un aerogenerador, donde estas pérdidas se ajustan regularmente en la cadena principal de transmisión del aerogenerador, como también durante la alimentación eléctrica de la energía, generada por el aerogenerador, a una red de tensión media. Con este fin, se necesitan regularmente dispositivos de electrónica de potencia, por ejemplo, onduladores y/o transformadores. En la cadena principal de transmisión, situada sobre un aerogenerador en la góndola del aerogenerador, se producen las pérdidas de manera determinante en la caja de engranajes, en los cojinetes y el generador o en otras unidades de control como, por ejemplo, en los dispositivos hidráulicos o las unidades similares de control y regulación, mediante las que las palas del rotor se ponen en marcha o se coloca el aerogenerador hacia el viento. En los aerogeneradores sin cajas de engranajes, por ejemplo, del tipo E-66 de la empresa Enercon, las pérdidas principales se producen en la cadena principal de transmisión en le generador, es decir, en la góndola (cabeza) del aerogenerador.

Durante la alimentación de la red, las pérdidas ocurren básicamente en el transformador de la red y, dado el caso, en la electrónica de potencia, por ejemplo, en el ondulador.

En un aerogenerador de 1,5 mW, las pérdidas pueden estar en el intervalo de 60-100 kW. Estas pérdidas pasan al medio ambiente a través de ventiladores. Aquí, se aspira aire frío del exterior mediante ventiladores y se refrigera el componente correspondiente, por ejemplo, el generador. A continuación, el aire caliente se sopla nuevamente hacia fuera.

Ya se ha pensado antes en refrigerar con agua el generador y enfriar después de nuevo el agua caliente mediante un intercambiador de calor. Todas estas soluciones conocidas tienen en común que se necesita siempre mucho aire del exterior. Esto resulta especialmente desventajoso si el aire externo es húmedo o, especialmente en las regiones costeras, si contiene sal, de modo que los elementos de refrigeración se solicitan con este aire húmedo y con contenido de sal. Esta problemática se vuelve especialmente extrema en los aerogeneradores que se encuentran directamente en la costa o, en la técnica offshore, en agua salada.

Un aerogenerador con las características del preámbulo de la reivindicación 1 se conoce del documento WO-A-99/30031.

La invención tiene el objetivo de evitar las desventajas mencionadas y prever una refrigeración para un aerogenerador, que reduzca las pérdidas del aerogenerador.

Este objetivo se alcanza mediante un aerogenerador con la característica según la reivindicación 1. Variantes ventajosas se describen en las reivindicaciones secundarias.

La invención se basa en el concepto de prever un circuito básicamente cerrado para el aerogenerador de modo que no haya que usar o que prácticamente no sea necesario el aire externo para la refrigeración. En este sentido, el aire de refrigeración circula dentro del aerogenerador desde su góndola hasta la torre o la
base del aerogenerador y la energía, absorbida por el medio de refrigeración, preferiblemente aire, durante la refrigeración, se cede a la torre del aerogenerador. La torre del aerogenerador siempre está expuesta al viento de modo que la torre del aerogenerador sirve de elemento de refrigeración o de intercambiador de calor que cede la energía absorbida al viento que pasa rozando la torre.

Otra ventaja del concepto según la invención es que la torre se calienta desde dentro debido a su funcionamiento como intercambiador de calor y parte portante del aerogenerador incluso a temperaturas externas muy frías de aproximadamente -20ºC a -30ºC. Así, el aerogenerador puede seguir funcionando. Según el estado actual de la técnica se debe usar un acero especialmente resistente al frío para ubicaciones muy frías como, por ejemplo, el norte de Suecia, Noruega, Finlandia, Canadá, etc.

También es posible, si se desea debido a temperaturas externas por debajo del punto de congelación, conectar el calentamiento de las palas del rotor al circuito de refrigeración de modo que el calentamiento de las palas del rotor no tenga que gastar energía por sí mismo.

La refrigeración del medio de refrigeración a través de la torre se realiza al configurarse en la misma torre (por el lado interno o externo), al menos, un canal de aire, a través del que fluye el aire caliente para que pueda ceder, al menos en parte, su energía a la pared de la torre.

Preferentemente, el canal se forma al realizarse la torre con pared doble de modo que una parte del canal de refrigeración se crea con la pared portante de la torre.

Mediante el uso de la torre del aerogenerador, fabricado casi siempre de acero, como elemento de refrigeración o intercambiador de calor, se aprovecha para una función ventajosa un componente obligatorio que necesitan todos los aerogeneradores. El aire caliente fluye dentro de la torre de acero en contacto con su pared externa. Esta pared externa tiene una gran superficie, por ejemplo, en un equipo de
1,5 mW, de aproximadamente 500 m^{2} y brinda, por tanto, una gran superficie de calentamiento/refrigeración. El viento que pasa rozando la torre la refrigera continuamente.

La potencia de refrigeración posible del viento aumenta a mayor velocidad del viento. Esta relación se muestra en la figura 1. A mayor velocidad del viento aumenta también la potencia del generador y, con ello, la potencia perdida. La relación entre la potencia del generador en dependencia de la velocidad del viento se muestra en la figura 2. De esta forma se pueden extraer con relativa facilidad cantidades crecientes de potencia perdida, dado que la potencia de refrigeración de la torre del aerogenerador se incrementa con el aumento de la potencia perdida.

La figura 3 muestra un ejemplo de realización de la invención sobre la base de un aerogenerador del tipo E-66 de la empresa Enercon, que tiene una potencia de generador de 1,5 mW. La figura 3 representa en corte transversal una góndola un aerogenerador 1 con una góndola 2 en el extremo de la cabeza, que se sostiene mediante una torre 3. Esta torre se ancla al terreno (no representado).

La góndola aloja la cadena principal de transmisión del aerogenerador. Esta cadena principal de transmisión se compone básicamente de un rotor 4 con palas 5(representadas sólo de forma resumida), montadas en éste, así como de un generador 3, unido al rotor, que presenta, a su vez, un inducido 6 de generador y un estator 7 de generador. Cuando gira el rotor y, con éste, el inducido del generador se produce energía eléctrica, por ejemplo, como corriente alterna (corriente continua).

Además, el aerogenerador presenta un transformador 8 y un ondulador 9, preconectado a éste, alimentado el ondulador la energía eléctrica al transformador en forma de una corriente alterna o trifásica. El transformador alimenta la energía, generada por el aerogenerador, a una red, preferentemente, a una red de tensión media (no representada).

Como se puede reconocer en la figura 3, la torre se realiza parcialmente con pared doble y forma, en cada caso, un canal de refrigeración en la zona de la pared doble. En este canal de refrigeración se sitúa un ventilador 10 (se pueden prever también varios ventiladores) que impele el aire a través de los canales de refrigeración.

La figura 4 muestra la pared de la torre en corte transversal a lo largo de la línea A-A según la figura 3. Aquí se puede ver que en el ejemplo representado se conforman dos canales 11, 12 de refrigeración, al conformase la torre con pared doble en una zona determinada. El aire calentado por el generador fluye ahora a través de un canal 12 de aire saliendo de las máquinas (góndola) a la zona superior de la torre. Allí, el aire caliente se orienta hacia el lado interno de la torre de acero. Como ya se ha mencionado, la torre de acero se realiza en una gran longitud, por ejemplo, de aproximadamente 50 a 80% con pared doble, constando de una pared externa 13 y una pared interna 14, y forma allí el canal 11 de refrigeración. La pared interna 14 en el canal de refrigeración puede ser de un material simple, por ejemplo, material sintético o lona de vela. El aire caliente del generador 3 tiene que fluir ahora por un largo trayecto por el lado interno de la torre 1 de acero. Así, la torre o, más bien, su acero se calienta en una gran superficie y el aire se enfría. En la zona inferior de la torre se encuentra el ondulador 9 y el transformador 8 de tensión media (y/u otros dispositivos eléctricos). Estos componentes también se deben refrigerar. El aire frío del generador se conduce en primer lugar a través del ondulador. Con ello se refrigeran activamente los dispositivos de la electrónica de potencia. El aire, que sale del ondulador, se dirige hacia el transformador y también refrigera el transformador. A continuación, el aire vuelve a subir a través del segundo canal 12 de refrigeración hacia la caja de mecanismos y el generador.

El circuito de refrigeración queda así cerrado y no hay que traer necesariamente aire frío de fuera.

De esta forma, para la refrigeración de todos los componentes, especialmente de los componentes sensibles, del aerogenerador se usa siempre el mismo aire.

En caso necesario también se pueden situar filtros de aire y otros dispositivos de refrigeración (por ejemplo, intercambiadores de calor) en el canal de refrigeración.

Las ventajas de la invención radican en que los componentes sensibles como el generador, el ondulador y el transformador no entran en contacto con aire húmedo o con contenido de sal. Así se reduce drásticamente el peligro de corrosión dentro de la caja de mecanismos y de la torre. No pueden crecer mohos u hongos en el aerogenerador, especialmente, en su torre.

En general, para la refrigeración de todo el aerogenerador se necesita mucho menos energía que hasta ahora, pues la potencia de refrigeración (secundaria) la aporta el viento por fuera de la torre.

Mediante la conformación de canales de refrigeración en las palas del rotor y la conexión de estos canales de refrigeración al circuito de refrigeración, según la invención, también resulta posible introducir el aire calentado por el generador primero en los canales de refrigeración de las palas del rotor de modo que en la época fría del año, especialmente a temperaturas próximas al punto de congelación, se puedan deshelar las paletas del rotor. La configuración de canales de refrigeración en una paleta de rotor se conoce, por ejemplo, del documento DE195288629.

La configuración de canales de refrigeración en la caja de mecanismos se realiza mediante paredes y dispositivos de orientación del aire correspondientes, con los que el aire se dirige de modo que choque contra los elementos como, por ejemplo, el generador.

Si la potencia de refrigeración de la torre no es suficiente, por ejemplo, en días de mucho calor, también es posible incluir en el circuito de refrigeración otros elementos de refrigeración como, por ejemplo, los usuales intercambiadores de calor.

La figura 5 muestra una forma de realización alternativa del circuito de refrigeración según la figura 3. Aquí se puede ver que el aerogenerador presenta dos circuitos cerrados, separados e independientes 15, 16 que ceden a la torre, en cada caso, el calor absorbido. Sin embargo, los dos circuitos 15, 16 de refrigeración están separados entre sí, a diferencia de la representación de la figura 3. Cada uno de los circuitos 15, 16 de refrigeración presenta en el punto de viraje dentro de la torre 3 un paso o un canal transversal, de modo que el aire, que desciende o asciende por la torre, se orienta hacia el lado, opuesto en cada caso, de la torre y se conduce así más frío, en cada caso, a la unidad que se debe refrigerar, ya sea el generador o la electrónica de potencia.

La figura 6 muestra otro ejemplo de realización de un aerogenerador según la invención. Aquí se conduce un canal de aire, por ejemplo, un tubo flexible 17 de salida de aire a través del interior de la sección inferior de la torre. Éste se puede reponer, por ejemplo, de manera muy sencilla también en el caso de un aerogenerador ya existente y se puede fijar (colgar) en la torre 3. A través de este tubo flexible 17 de aire de escape se conduce del fondo de la torre hacia arriba el aire caliente, procedente de un armario de potencia 18, por ejemplo, de un armario de potencia de 600 kW, y entra a la torre en la salida del tubo flexible 17 de aire de escape. De allí, después de la refrigeración en la pared de la torre, el aire caliente fluye de nuevo hacia abajo y allí puede ser aspirado nuevamente por un dispositivo 20 de ventilación (para alimentación de aire) que se acopla al armario 18 de potencia mediante una campana 19 de aire. El tubo flexible 17 de aire de escape se puede conectar directamente a la salida de aire del armario 18 de potencia o a la entrada del tubo flexible 17 de aire de escape se prevé un segundo dispositivo 21 de ventilación que aspira el aire caliente del armario 18 de potencia y sopla al tubo flexible 17 de aire de escape. El tubo de aire de escape es, preferentemente, de material sintético y, por tanto, se puede realizar de un modo muy sencillo. Tiene un peso muy pequeño, lo que facilita su fijación y su reposición en un aerogenerador.

Para el mejoramiento del efecto de refrigeración de la góndola 2, ésta se puede realizar por completo o en parte de metal, preferentemente, de aluminio para aprovechar así también el efecto de refrigeración de la góndola que siempre se expone al viento, fortaleciéndose la refrigeración del generador. Con este fin también puede ser ventajoso dotar la góndola en su interior con una estructura, que aumente la superficie, por ejemplo, nervios de refrigeración.

Como muestran los primeros ensayos, la realización de un circuito de refrigeración cerrado con un canal de aire, como el mostrado en la figura 6, puede ser extraordinariamente efectiva y especialmente económica, porque la inversión, necesaria para el recorrido de un canal de aire, especialmente, un tubo flexible de material sintético, es muy reducida en comparación con un intercambiador de calor y sus permanentes costos de mantenimiento. Además, la refrigeración es extremadamente eficiente.

Claims (15)

1. Aerogenerador (1) con un circuito de refrigeración, cerrado por completo o en parte, caracterizado porque la torre del aerogenerador se incluye como elemento de refrigeración y/o intercambiador de calor en el circuito de refrigeración y porque el calor, que se debe extraer del circuito de refrigeración, se cede básicamente a través de la torre (3) del aerogenerador (1).

2. Aerogenerador según la reivindicación 1, caracterizado porque la torre (3) presenta, al menos, un canal (11, 12) de refrigeración, a través del que pasa el medio de refrigeración, preferentemente, aire.

3. Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque tanto la cadena (3, 4) de transmisión del aerogenerador o partes de la cadena de transmisión y/o los dispositivos eléctricos (8, 9) para la transformación de la energía eléctrica se conectan al circuito de refrigeración.

4. Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la torre (3) se realiza con pared doble en, al menos, dos secciones a lo largo de su eje longitudinal (figura 4) y porque una zona con pared doble forma un canal (12, 11) de refrigeración, en el que el aire caliente, que entra en el canal de refrigeración, cede su calor a la pared externa de la torre (3).

5. Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para la refrigeración de la cadena principal (3, 4) de transmisión y de los dispositivos (8, 9) de la electrónica de potencia se usa siempre, básicamente, el mismo aire.

6. Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el canal de refrigeración dispone de, al menos, un ventilador (10) que garantiza una circulación del aire dentro del circuito de ventilación.

7. Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el aerogenerador se puede mantener en funcionamiento también a temperaturas externas de, aproximadamente, -20ºC a -40ºC y porque la torre se calienta a través del circuito de refrigeración.

8. Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el aerogenerador presenta, al menos, dos circuitos de refrigeración cerrados por completo o en parte, usándose un

\hbox{circuito}

de refrigeración para la refrigeración de la cadena de transmisión del aerogenerador y el otro circuito de refrigeración, para la refrigeración del dispositivo eléctrico para la transformación de la energía eléctrica.

9. Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se prevé, al menos, un conducto de aire que se usa para el transporte del aire caliente.

10. Aerogenerador según la reivindicación 9, caracterizado porque el conducto de aire está formado por un tubo flexible que se conecta a un generador de calor, por ejemplo, al orificio de salida del aire de un dispositivo eléctrico para la transformación de energía eléctrica y/o partes de la cadena de transmisión (generador).

11. Aerogenerador según la reivindicación 10, caracterizado porque el tubo flexible se conecta por el lado de la entrada de aire a un dispositivo de ventilación (ventilador), con el que se sopla aire caliente al tubo flexible.

12. Aerogenerador según una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque el tubo flexible tiene una longitud de más de 10 metros, preferentemente, más de 25 metros, y porque se sitúa en la parte inferior de la torre de modo que el aire caliente, procedente de un dispositivo eléctrico para la transformación de energía eléctrica, por ejemplo, de un armario de conexión o un armario de potencia, se sopla a través del tubo flexible y sale nuevamente aire caliente por la salida del tubo flexible, de modo que éste se puede enfriar en la pared de la torre y volver a fluir hacia el fondo de la torre.

13. Aerogenerador según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la góndola se fabrica por completo o en parte de un metal, preferentemente, de aluminio.

14. Aerogenerador según la reivindicación 13, caracterizado porque la góndola se dota por completo o en parte de nervios de refrigeración u otros medios para aumentar la superficie de la góndola.

15. Uso de una torre de un aerogenerador como elemento de refrigeración y/o intercambiador de calor para la refrigeración de aire del aerogenerador, que se calienta a través de dispositivos generadores de calor, por ejemplo, la cadena de transmisión y/o dispositivos eléctricos para la transformación de energía eléctrica.