Detector óptico de ángulo de ataque basado en detección y medición de distancias por luz (LIDAR) para controlar una superficie aerodinámica.

Método de determinación de un ángulo de ataque para un perfil aerodinámico (300) en un fluido fluyente, en el que el ángulo de ataque es un ángulo entre una dirección de flujo del fluido y una cuerda

(306) del perfil aerodinámico, comprendiendo el método:

emitir un haz luminoso desde un borde de ataque (302) del perfil aerodinámico (300) al interior del fluido con una pluralidad de ángulos de emisión, en el que el haz luminoso se retrodispersa por partículas en el fluido;

recibir una parte de la luz retrodispersada con cada uno de los ángulos de emisión; y

determinar el ángulo de ataque para el perfil aerodinámico basándose en las partes recibidas de la luz retrodispersada, mediante la determinación de una velocidad del fluido para cada uno de los ángulos de emisión basándose en la radiación retrodispersada desde las partículas en el fluido con cada uno de los ángulos de emisión, e identificando el ángulo de ataque como uno de los ángulos de emisión con el que la velocidad del fluido es máxima.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/DK2011/050499.

Solicitante: VESTAS WIND SYSTEMS A/S.

Nacionalidad solicitante: Dinamarca.

Dirección: Hedeager 42 8200 Aarhus N DINAMARCA.

Inventor/es: WESTERGAARD,CARSTEN HEIN.

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 F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO,... > MOTORES DE VIENTO > Control de los motores de viento (alimentación o... > F03D7/02 (teniendo los motores de viento el eje de rotación dispuesto sustancialmente paralelo al flujo de aire que entra al rotor)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE VELOCIDADES LINEALES O ANGULARES, DE LA... > G01P13/00 (Indicación o registro de la existencia, ausencia o de la dirección de un movimiento; Indicación o registro de la dirección del movimiento)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE VELOCIDADES LINEALES O ANGULARES, DE LA... > Indicación o registro de la existencia, ausencia... > G01P13/02 (Indicación de la dirección solamente, p. ej. con una veleta)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE VELOCIDADES LINEALES O ANGULARES, DE LA... > Medida de la velocidad de los fluidos, p. ej. de... > G01P5/26 (midiendo la influencia directa de la corriente de fluido en las propiedades de una onda luminosa de detección)

PDF original: ES-2544830_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Detector óptico de ángulo de ataque basado en detección y medición de distancias por luz (LIDAR) para controlar una superficie aerodinámica Antecedentes de la invención Campo de la invención Las realizaciones de la invención se refieren en general a perfiles aerodinámicos y, más particularmente, a determinar ópticamente un ángulo de ataque usando detección y medición de distancias por luz (LIDAR) .

Descripción de la técnica relacionada En las máquinas aeroelásticas de alto rendimiento modernas, tales como turbinas eólicas o aeronaves de alto rendimiento, cada vez se está haciendo más importante controlar las fuerzas aerodinámicas conjuntamente con la respuesta aeroelástica a través de la manipulación activa. Un control de este tipo puede lograrse no sólo mediante medios aerodinámicos (por ejemplo, ajustando un ángulo de uno o más flaps en una sección de perfil de o bien una pala de turbina eólica o bien un ala de avión) , sino también mediante, por ejemplo, el control del paso de la pala o la velocidad de rotación del rotor de turbina eólica.

En los controles del estado de la técnica, a menudo se generan señales sensoriales a partir de las propiedades de desviación de una estructura mediante medidores de tensión, sensores de desplazamiento o acelerómetros. Aunque se trata de métodos sólidos, estas señales se filtran a las frecuencias de respuesta naturales para la estructura, que son órdenes de magnitud más lentas que la respuesta aerodinámica. Puesto que los métodos de control cada vez son más sofisticados, la demanda de comprensión en tiempo real de las fuerzas de entrada puede conducir a mejoras sustanciales en las estrategias de control y su efecto sobre la gestión de la estructura.

La solicitud de patente US 2009/0046289 da a conocer un sistema óptico de datos aéreos (OADS) que puede usarse para determinar el ángulo de ataque e información de velocidad relativa del viento en la pala de un sistema de energía eólica. Para determinar el ángulo de ataque, el sistema calcula la velocidad del viento y la dirección del viento a partir de tres mediciones con láser Doppler independientes.

Sumario de la invención Las realizaciones de la invención se refieren en general a métodos y aparatos para determinar un ángulo de ataque usando detección y medición de distancias por luz (LIDAR) en un esfuerzo por controlar de manera precisa una superficie aerodinámica en un sistema de respuesta aeroelástica.

Una realización de la presente invención proporciona un método de determinación de un ángulo de ataque para un perfil aerodinámico en un fluido fluyente, en el que el ángulo de ataque es un ángulo entre una dirección de flujo del fluido y una cuerda del perfil aerodinámico. El método incluye generalmente emitir un haz luminoso desde un borde de ataque del perfil aerodinámico al interior del fluido con un ángulo de emisión, en el que el haz luminoso se retrodispersa por partículas en el fluido, recibir una parte de la luz retrodispersada con el ángulo de emisión, y determinar el ángulo de ataque para el perfil aerodinámico basándose en la parte recibida de la luz retrodispersada.

Otra realización de la presente invención proporciona un sistema. El sistema incluye generalmente un perfil aerodinámico y al menos un procesador. El perfil aerodinámico normalmente incluye un emisor de luz configurado para emitir un haz luminoso desde un borde de ataque del perfil aerodinámico al interior de un fluido fluyente con un ángulo de emisión, en el que el haz luminoso se retrodispersa por partículas en el fluido, y un receptor óptico configurado para recibir una parte de la luz retrodispersada con el ángulo de emisión. El procesador está configurado generalmente para determinar un ángulo de ataque para el perfil aerodinámico basándose en la parte recibida de la luz retrodispersada, en el que el ángulo de ataque es un ángulo entre una dirección de flujo del fluido y una cuerda del perfil aerodinámico.

Aún otra realización de la presente invención proporciona un generador de turbina eólica. El generador de turbina eólica incluye generalmente una torre, una góndola acoplada a la torre, un rotor que comprende una pluralidad de palas y configurado para hacer rotar un árbol dispuesto parcialmente en la góndola cuando el viento impulsa las palas, y al menos un procesador. La al menos una de las palas normalmente incluye un emisor de luz configurado para emitir un haz luminoso desde un borde de ataque de la al menos una de las palas al viento con un ángulo de emisión, en el que el haz luminoso se retrodispersa por partículas en el viento; y un receptor óptico configurado para recibir una parte de la luz retrodispersada con el ángulo de emisión. El al menos un procesador está configurado para determinar un ángulo de ataque para la al menos una de las palas basándose en la parte recibida de la luz retrodispersada, en el que el ángulo de ataque es un ángulo entre una dirección del viento y una cuerda de la al menos una de las palas.

Breve descripción de los dibujos Para que puedan entenderse en detalle las características citadas anteriormente de la presente invención, una

descripción más particular de la invención, resumida antes brevemente, puede facilitarse como referencia a las realizaciones, algunas de las cuales se ilustran en los dibujos adjuntos. Ha de observarse, sin embargo, que los dibujos adjuntos ilustran sólo las realizaciones típicas de esta invención y por tanto no han de considerarse limitativos de su alcance, ya que la invención puede admitir otras realizaciones igualmente eficaces.

La figura 1 ilustra una vista esquemática de un generador de turbina eólica, según una realización de la invención.

La figura 2 ilustra una vista esquemática de los componentes internos de la góndola y la torre de un generador de turbina eólica, según una realización de la invención.

La figura 3 ilustra un perfil aerodinámico y el ángulo de ataque para el perfil aerodinámico, según una realización de la invención.

La figura 4 ilustra dos haces de láser emitidos con diferentes ángulos desde el borde de ataque de un perfil aerodinámico para representar por qué el ángulo de ataque corresponde a la velocidad máxima, según una realización de la invención.

La figura 5 ilustra el uso de un espejo para emitir secuencialmente el haz luminoso con ángulos de emisión diferentes desde el borde de ataque del perfil aerodinámico en un esfuerzo por efectuar un barrido, según una realización de la invención.

La figura 6 ilustra múltiples haces luminosos que se exploran usando un espejo de barrido, según una realización de la invención.

La figura 7 ilustra el uso de un modulador acústico-óptico (AOM) para emitir el haz luminoso con ángulos de emisión diferentes desde el borde de ataque del perfil aerodinámico para efectuar un barrido de manera electroóptica, según una realización de la invención.

La figura 8 ilustra el uso de un multiplexador óptico para generar múltiples haces para su emisión con diferentes ángulos desde el borde de ataque del perfil aerodinámico, según una realización de la invención.

La figura 9 ilustra el uso de un prisma para separar un haz luminoso en una pluralidad de haces luminosos que tienen longitudes de onda diferentes y emitidos desde el borde de ataque del perfil aerodinámico con diferentes ángulos, según una realización de la invención.

La figura 10 es un diagrama de flujo de operaciones a modo de ejemplo para determinar un ángulo de ataque para un perfil aerodinámico en un fluido fluyente, según una realización de la invención.

Descripción detallada Las realizaciones de la invención proporcionan... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Método de determinación de un ángulo de ataque para un perfil aerodinámico (300) en un fluido fluyente, en el que el ángulo de ataque es un ángulo entre una dirección de flujo del fluido y una cuerda (306) del perfil aerodinámico, comprendiendo el método:

emitir un haz luminoso desde un borde de ataque (302) del perfil aerodinámico (300) al interior del fluido con una pluralidad de ángulos de emisión, en el que el haz luminoso se retrodispersa por partículas en el fluido;

recibir una parte de la luz retrodispersada con cada uno de los ángulos de emisión; y determinar el ángulo de ataque para el perfil aerodinámico basándose en las partes recibidas de la luz

retrodispersada, mediante la determinación de una velocidad del fluido para cada uno de los ángulos de emisión basándose en la radiación retrodispersada desde las partículas en el fluido con cada uno de los ángulos de emisión, e identificando el ángulo de ataque como uno de los ángulos de emisión con el que la velocidad del fluido es máxima.

2. Método según la reivindicación 1, en el que emitir el haz luminoso comprende emitir secuencialmente el haz 15 luminoso con la pluralidad de ángulos de emisión.

3. Método según la reivindicación 1, en el que emitir el haz luminoso comprende dirigir el haz luminoso ajustando un espejo (504, 602) .

4. Método según la reivindicación 1, en el que emitir el haz luminoso comprende usar un prisma (902) para

separar el haz luminoso en una pluralidad de haces luminosos que tienen longitudes de onda diferentes y 20 que se emiten con los ángulos de emisión.

5. Método según la reivindicación 1, en el que emitir el haz luminoso comprende usar un modulador acústicoóptico (AOM) (700) para difractar el haz luminoso para su emisión con la pluralidad de ángulos de emisión.

6. Método según la reivindicación 1, que comprende además emitir un pulso del haz luminoso con cada uno

de los ángulos de emisión desde el borde de ataque del perfil aerodinámico al interior del fluido, en el que el 25 pulso del haz luminoso se retrodispersa por las partículas en el fluido.

7. Método según la reivindicación 6, en el que recibir la parte de la luz retrodispersada comprende recibir la parte del pulso retrodispersado con cada uno de los ángulos de emisión y en el que determinar el ángulo de ataque comprende:

determinar una velocidad del fluido para cada uno de los ángulos de emisión basándose en la aplicación de 30 regulación de la distancia al pulso retrodispersado recibido con cada uno de los ángulos de emisión;

identificar el ángulo de ataque como uno de los ángulos de emisión con el que la velocidad del fluido es máxima.

8. Método según la reivindicación 1, que comprende además controlar un parámetro del perfil aerodinámico basándose en el ángulo de ataque, incluyendo al menos uno de paso, velocidad o forma del perfil 35 aerodinámico.

9. Sistema, que comprende:

un perfil aerodinámico (300) que comprende:

un emisor de luz (500) configurado para emitir un haz luminoso desde un borde de ataque (302) del perfil aerodinámico al interior de un fluido fluyente con una pluralidad de ángulos de emisión, en el que el haz

luminoso se retrodispersa por partículas en el fluido; y un receptor óptico (500) configurado para recibir una parte de la luz retrodispersada con cada uno de la pluralidad de ángulos de emisión; y al menos un procesador configurado para determinar un ángulo de ataque para el perfil aerodinámico basándose en las partes recibidas de la luz retrodispersada, en el que el ángulo de ataque es un ángulo 45 entre una dirección de flujo del fluido y una cuerda del perfil aerodinámico, determinando una velocidad del fluido para cada uno de los ángulos de emisión basándose en la radiación retrodispersada desde las partículas en el fluido con cada uno de los ángulos de emisión, e identificando el ángulo de ataque como uno de los ángulos de emisión con el que la velocidad del fluido es máxima.

10. Sistema según la reivindicación 9, que comprende además un espejo (504, 602) configurado para dirigir el 50 haz luminoso para su emisión con la pluralidad de ángulos de emisión.

11. Sistema según la reivindicación 9, que comprende además un prisma (902) para separar el haz luminoso en una pluralidad de haces luminosos que tienen longitudes de onda diferentes para su emisión con la pluralidad de ángulos de emisión.

12. Sistema según la reivindicación 9, que comprende además un modulador acústico-óptico (AOM) (700) para 5 difractar el haz luminoso para su emisión con la pluralidad de ángulos de emisión.

13. Sistema según la reivindicación 9, en el que el al menos un procesador está configurado para controlar un parámetro del perfil aerodinámico basándose en el ángulo de ataque, incluyendo uno de paso, velocidad o forma del perfil aerodinámico.

14. Sistema según la reivindicación 9, en el que el perfil aerodinámico (300) comprende una pala (108) para un

rotor (106) de un generador de turbina eólica (100) , en el que el al menos un procesador comprende un primer procesador configurado para determinar el ángulo de ataque y un segundo procesador configurado para controlar el parámetro de la pala basándose en el ángulo de ataque, y en el que el segundo procesador está ubicado en una góndola del generador de turbina eólica.

15. Generador de turbina eólica, que comprende:

una torre (102) ;

una góndola acoplada a la torre (104) ;

un rotor (106) que comprende una pluralidad de palas (108) y configurado para hacer rotar un árbol dispuesto parcialmente en la góndola cuando el viento impulsa las palas, en el que al menos una de las palas comprende:

un emisor de luz (500) configurado para emitir un haz luminoso desde un borde de ataque (302) de la pala al interior de un fluido fluyente con una pluralidad de ángulos de emisión, en el que el haz luminoso se retrodispersa por partículas en el fluido; y un receptor óptico (500) configurado para recibir una parte de la luz retrodispersada con cada uno de la pluralidad de ángulos de emisión; y al menos un procesador configurado para determinar un ángulo de ataque para la pala basándose en las partes recibidas de la luz retrodispersada, en el que el ángulo de ataque es un ángulo entre una dirección de flujo del fluido y una cuerda de la pala mediante la determinación de una velocidad del fluido para cada uno de los ángulos de emisión basándose en la radiación retrodispersada desde las partículas en el fluido con cada uno de los ángulos de emisión, e identificando el ángulo de ataque como uno de los ángulos de emisión con el que la velocidad del fluido es máxima.