Aparato y método para la medición de la velocidad del viento.

Un aparato de plataforma flotante que comprende un dispositivo de medición de la velocidad del viento

(20), que comprende un radar láser (lidar) (22) dispuesto para hacer mediciones de la velocidad del viento en uno o más volúmenes de sondas remotas de posición conocida con respecto a dicha plataforma flotante (36), los medios de detección de movimiento (26) que comprenden un sensor de rodillo, los medios de detección de movimiento que se disponen, en uso, para monitorear el movimiento de la plataforma flotante, y un medio de procesamiento (28) caracterizado porque el medio de procesamiento se dispone para compensar dichas mediciones de la velocidad del viento recibidas desde dicho lidar para los cambios en la inclinación de la plataforma que respondan a las salidas provenientes de los medios de detección de movimiento incluidas las provenientes de dicho sensor de rodillo.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/GB2004/002988.

Solicitante: QINETIQ LIMITED.

Inventor/es: SMITH, DAVID, A., HARRIS,Michael.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION;... > Sistemas que utilizan la reflexión o rerradiación... > G01S17/58 (Sistemas de determinación de la velocidad o la trayectoria; Sistemas de determinación del sentido del movimiento)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION;... > Sistemas que utilizan la reflexión o rerradiación... > G01S17/95 (para uso meteorológico)

PDF original: ES-2523102_T3.pdf

 

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Aparato y método para la medición de la velocidad del viento.
Aparato y método para la medición de la velocidad del viento.

Fragmento de la descripción:

Aparato y método para la medición de la velocidad del viento

Esta invención se refiere a un método y un aparato para la medición de la velocidad del viento que usa un sistema 5 de radar láser para la medición de la velocidad del viento (lidar) . Más particularmente, la invención se refiere a un aparato para la medición de la velocidad del viento para su uso en plataformas flotantes tales como boyas.

En la actualidad, hay mucho interés en la explotación de los recursos energéticos renovables en un intento por reducir los gases de efecto invernadero producidos por la quema de combustibles fósiles. Un tipo de fuente de 10 energía renovable que ha recibido mucha atención es la energía eólica.

Los parques eólicos con base en tierra que comprenden una serie de turbinas de viento se han usado comercialmente para producir energía durante muchos años. Sin embargo, encontrar sitios que son adecuados para tales parques eólicos ha resultado problemático, especialmente a la luz de las objeciones ambientales locales. 15 Recientemente, esto ha llevado al desarrollo de parques eólicos costa afuera donde el impacto ambiental se reduce considerablemente. Además, este tipo de parques eólicos son capaces de explotar las mayores velocidades de viento que se encuentran típicamente en el mar.

La selección de sitios costa afuera adecuados para la colocación de turbinas de viento es particularmente importante 20 para asegurar que la energía generada por la turbina es suficiente para desplazar los costos relativamente altos de construcción. Sin embargo, el proceso para determinar los sitios adecuados costa afuera se ha visto obstaculizado por una serie de problemas que no se encuentran cuando se evalúa la idoneidad de sitios con base en tierra. Por ejemplo, antes de la localización de una turbina de viento en tierra es típico registrar la velocidad del viento en el sitio propuesto por un período prolongado de tiempo (por ejemplo, doce meses o más) con el fin de asegurar que el 25 régimen de vientos es adecuado. Tales mediciones de la velocidad del viento, que se hacen preferentemente a la altura sobre el suelo en la que se encuentran los álabes de la turbina, se realizan típicamente en la tierra mediante la construcción de un mástil que porta un anemómetro mecánico o sónico adecuado. Tipos similares de mediciones han demostrado ser difíciles de realizar costa afuera.

30 Previamente se han intentado registrar los datos de velocidad del viento costa afuera mediante el uso de anemómetros mecánicos o sónicos montados en un mástil, similares a los usados en tierra. Los mástiles se han fijado directamente al fondo del mar o se han montado en plataformas flotantes, tales como barcazas o boyas. Como los álabes de las turbinas de viento costa afuera se localizan típicamente a varias decenas (posiblemente cientos) de metros por encima de la superficie del agua el mástil debería, idealmente, ser lo suficientemente alto como para 35 localizar el anemómetro convencional en una posición similar. Sin embargo, el coste de la conformación de las bases necesarias en el fondo del mar para apoyar directamente un mástil puede ser prohibitivo. Similarmente, sólo ha sido posible hacer mediciones periódicas mediante el uso de barcazas tripuladas porque el amarre de una barcaza en un sitio potencial por un largo período de tiempo es simplemente demasiado costoso. Además, la construcción de boyas suficientemente estables para llevar el mástil relativamente alto y la disposición del 40 anemómetro convencional ha demostrado ser un desafío técnico.

Más detalles sobre algunos de los problemas asociados con la recolección de datos de velocidad del viento en sitios localizados costa afuera se dan por Grainger, W., Gammidge, A, y Smith, D., en el documento titulado "Offshore wind data for wind farms", publicado en las actas de la vigésima Conferencia sobre energía eólica de la British Wind 45 Energy Association ("la energía eólica - cambiar a la energía eólica") , ISBN 1-86058-374-4.

Adicionalmente a los sistemas de anemometría convencionales montados en mástiles, se les conoce como sistemas lidar con base en tierra. Los sistemas lidar proporcionan datos de la velocidad del viento por medio de la medición del desplazamiento Doppler impartido a la luz láser que se dispersa por los aerosoles naturales (por ejemplo, el 50 polvo, el polen, las gotas de agua, etc.) presentes en el aire. Un ejemplo de sistema lidar basado en láser para CO2 se describe en Vaughan y Forrester en Wind Engineering, Vol 13, No 1, 1989, págs. 1-15; ver en particular la sección 8 del mismo. Más recientemente, se han desarrollado dispositivos lidar basados en fibra óptica de bajo costo del tipo descritos en Karlsson y otros, Applied Optics, Vol 39, No. 21, 20 de julio de 2000.

55 Los sistemas lidar miden el desplazamiento Doppler impartido a la radiación reflejada dentro de un cierto volumen de sonda remota y por lo tanto sólo pueden adquirir los datos de velocidad del viento en una dirección paralela a la del haz del láser transmitido/devuelto. En el caso de un dispositivo lidar situado en el suelo, es posible medir el verdadero vector de velocidad del viento (3D) a una distancia dada sobre el suelo mediante la exploración del lidar de una manera controlada; por ejemplo mediante el uso de una exploración cónica. Esto permite que el vector viento 60 se intersecte en un intervalo de ángulos conocidos que permite de esta manera que el verdadero vector de velocidad del viento se construya. Los sistemas lidar de exploración con base en tierra se han usado para medir el cizallamiento, turbulencia y vórtices de estela del viento durante muchos años, en aplicaciones tanto militares como civiles; por ejemplo, véase Laser Doppler Velocimetr y Applied to the measurement of Local and Global Wind, J.M.Vaughan y P.A. Forrester, Wind Engineering, Vol. 13, No. 1, 1989. 65

La US 4, 735, 503 (Werner y otros) describe un método y un dispositivo para determinar la dirección y velocidad del viento en la atmósfera por medio de un anemómetro láser Doppler.

La US 5, 872, 535 (Jordan y otros) describe un aparato y un método para corregir el movimiento de la boya en los 5 estimados del momento del radar Doppler.

La publicación "High-Resolution Doppler Lidar for Boundar y Layer and Cloud Research" por Grund y otros (Journal of Atmospheric and Oceanic technology, Volumen 18 págs. 376-393) describe un sistema lidar Doppler de pulso adecuado para funcionar a bordo de un buque. 10

La US 5, 122, 807 describe un sistema de búsqueda de dirección con compensación de movimiento.

La US 5, 299, 173 describe un método y aparato para la exploración sonar submarina.

15 De acuerdo con un primer aspecto de la invención, un aparato de plataforma flotante comprende un dispositivo de medición de la velocidad del viento y se caracteriza porque el dispositivo de medición de la velocidad del viento comprende un radar láser (lidar) dispuesto para hacer mediciones de la velocidad del viento en uno o más volúmenes de sondas remotas de posición conocida respecto a dicha plataforma flotante.

20 La presente invención proporciona por lo tanto un aparato de plataforma flotante (es decir, una plataforma que flota sobre el agua) que puede rápida y fácilmente desplegarse en cualquier localización deseada en una extensión de agua y puede proporcionar mediciones fiables de la velocidad del viento. Particularmente, la plataforma flotante puede desplegarse fácilmente costa afuera. La presente invención supera la necesidad de construir torres que se eleven desde el fondo del mar en las que se monten los anemómetros convencionales, y permite que los perfiles de 25 viento de los posibles sitios de parques eólicos costa afuera se... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un aparato de plataforma flotante que comprende un dispositivo de medición de la velocidad del viento (20) , que comprende un radar láser (lidar) (22) dispuesto para hacer mediciones de la velocidad del viento en uno o más volúmenes de sondas remotas de posición conocida con respecto a dicha plataforma flotante 5 (36) , los medios de detección de movimiento (26) que comprenden un sensor de rodillo, los medios de detección de movimiento que se disponen, en uso, para monitorear el movimiento de la plataforma flotante, y un medio de procesamiento (28) caracterizado porque el medio de procesamiento se dispone para compensar dichas mediciones de la velocidad del viento recibidas desde dicho lidar para los cambios en la inclinación de la plataforma que respondan a las salidas provenientes de los medios de detección de 10 movimiento incluidas las provenientes de dicho sensor de rodillo.

2. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde el dispositivo de medición de la velocidad del viento (20) se dispone para adquirir mediciones de la velocidad del viento a partir de volúmenes de sondas remotas en una pluralidad de posiciones de manera que puede determinarse un 15 verdadero vector de velocidad del viento.

3. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde el lidar (22) tiene una dirección de observación sustancialmente vertical durante el uso.

4. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde el lidar (22) comprende además unos medios de exploración de haz (24) .

5. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 4 en donde los medios de exploración del haz (24) se disponen para proporcionar una exploración cónica. 25

6. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en el cual el radar láser se dispone para medir la velocidad del viento desde decenas hasta cientos de metros sobre el nivel del mar.

7. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en el cual el radar láser tiene un intervalo 30 fijo.

8. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde los medios de detección de movimiento (26) comprenden un sensor de rotación y en el cual los medios de procesamiento se disponen para compensar dicha sensibilidad a la velocidad de viento a las salidas desde dicho sensor de rotación. 35

9. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde los medios de detección de movimiento (26) comprenden un sensor de movimiento vertical y en el cual los medios de procesamiento se disponen para compensar dicha sensibilidad de la velocidad de viento a las salidas de dicho sensor de movimiento vertical. 40

10. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde los medios de detección de movimiento (26) comprenden un sensor de traslación y en el cual los medios de procesamiento se disponen para compensar dicha sensibilidad a la velocidad de viento a las salidas de dicho sensor de traslación.

11. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde los medios de procesamiento (28) se proporcionan adicionalmente para recibir la salida proveniente de los medios de detección de movimiento y para calcular la posición absoluta del volumen de sonda remota de cada medición de la velocidad del viento.

12. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 11, en donde los medios de procesamiento (28) reciben la velocidad de la plataforma medida por los medios de detección de movimiento y compensan dichas mediciones de velocidad del viento para la velocidad relativa de la plataforma.

13. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde los medios de almacenamiento de 55 datos se proporcionan adicionalmente.

14. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde el lidar (22) es biestático.

15. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde el lidar (22) se basa en fibra 60 óptica.

16. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde el dispositivo de medición de la velocidad del viento se monta dentro del aparato de la plataforma flotante.

17. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde se proporcionan medios para limpiar el puerto óptico a través del cual pasa la radiación transmitida y recibida por los lidar. 5

18. Un aparato de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde el aparato de la plataforma flotante es una boya (36) .

19. Un método para determinar la velocidad del viento en la proximidad de una plataforma flotante que 10 comprende medios de detección de movimiento (26) que comprenden un sensor de rodillo, dichos medios de detección de movimiento que se disponen para medir el movimiento de dicha plataforma flotante, el método que comprende las etapas de:

(i) tener un radar láser (lidar) (22) unido a la plataforma flotante (36) y 15

(ii) usar el lidar (22) para adquirir mediciones de la velocidad del viento a partir de uno o más volúmenes de sondas remotas de posición conocida respecto a la plataforma flotante caracterizado por que comprende además la etapa de:

(iii) compensación (28) de dichas mediciones de la velocidad del viento para cambios en la inclinación de la plataforma flotante que responde a las salidas provenientes de dichos medios de detección de 20 movimiento incluidas las provenientes de dicho sensor de rodillo.

20. Un método de acuerdo con la reivindicación 16 que comprende la etapa adicional (iv) de adquirir las mediciones de velocidad del viento a partir de una pluralidad de volúmenes de sondas de posición conocida respecto a la plataforma flotante. 25

21. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 16 y 17 y que comprende la etapa adicional (v) de compensar las mediciones de velocidad del viento adquiridas para la velocidad relativa de la plataforma.