PROCEDIMIENTO Y SISTEMA PARA DETECTAR EL RIESGO DE LA FORMACIÓN DE HIELO EN LAS SUPERFICIES AERODINÁMICAS.

Procedimiento para la detección del riesgo de la formación de hielo en superficies aerodinámicas (5S) envueltas por un flujo de fluido (F),

tal como superficies de soporte de carga de máquinas de fluidos (5), que comprende las etapas que consisten en: - la detección de la temperatura en la superficie aerodinámica (5S); - la detección de la presencia de agua en la superficie; - el procesamiento de los datos relativos a la temperatura y la presencia de agua; - cuando se encuentra agua presente sobre la superficie y la temperatura es inferior a un valor crítico previamente establecido, la generación de una señal relativa al riesgo de formación de hielo

Procedimiento y sistema para detectar el riesgo de la formación de hielo en las superficies aerodinámicas.

La presente invención se refiere a un procedimiento para detectar y señalar el riesgo de formación de hielo en las superficies aerodinámicas, en particular en superficies de soporte de carga de máquinas de fluidos, por ejemplo las palas del rotor de sistemas de conversión de energía eólica (WECS) .

La invención principalmente se aplica al campo de las WECS, en el que todavía no se ha solucionado el problema de la previsión de que ocurran condiciones que conduzcan a la formación de hielo en las palas de una turbina eólica. Esta previsión se utiliza con dos propósitos principales, esto es para la detección de las condiciones de la formación de hielo y la detención de la turbina eólica, o para la activación y desactivación de un sistema de anticongelación y de descongelación instalado en la turbina.

En el campo de la aeronáutica, se ha encontrado una solución para detectar las condiciones de la formación de hielo mediante la utilización de sensores del tipo Rosemount®. Un sensor de este tipo es un cilindro de metal pequeño para ser expuesto a las condiciones atmosféricas reales, el cual se cubre con hielo cuando existen las condiciones de formación de hielo, cambiando de ese modo su frecuencia de vibración y señalando que está ocurriendo la formación de hielo. El sensor se instala típicamente en el ala y es golpeado por el flujo de fluido dirigido contra el mismo, de modo que proporciona una indicación precisa de las condiciones reales de formación de hielo de la superficie supervisada.

El mismo sensor, cuando se utiliza en palas de turbinas eólicas, causa problemas considerables de desequilibrio del rotor debido a la masa del propio sensor. Cuando se instala en superficies fijas de WECS, por ejemplo en la góndola de una turbina eólica, proporciona indicaciones no fiables sobre la ocurrencia real de la formación de hielo en las palas del rotor, debido a la diferencia que existe entre la velocidad relativa del flujo que envuelve las diferentes secciones de la pala y la velocidad absoluta del viento, detectada en una ubicación fija. En la práctica, el sensor instalado en la góndola puede indicar que no se está formando hielo, mientras está ocurriendo una formación de hielo importante en la pala. También, cuando el sensor del hielo inicia el envío de la señal de la formación de hielo, el rotor ya puede encontrarse en unas condiciones de formación de hielo duras. Las observaciones anteriores sobre el sensor del tipo Rosemount® también se aplican, en general, a cualquier sensor conocido que puede medir directamente la formación de hielo en superficies fijas de un WECS.

Los sistemas conocidos adoptan una estrategia para la detección de la presencia o el riesgo de la formación de hielo la cual se basa en la detección de los parámetros de la máquina y las condiciones atmosféricas. Por ejemplo, miden tanto las vibraciones de la torre y la temperatura ambiental como la salida de potencia y la temperatura ambiental, como se muestra en los documentos de patentes US 2005/276.696 y US nº 6.890.152. La lógica de las estrategias de este tipo consiste en deducir la ocurrencia del fenómeno de formación de hielo mediante la detección de un comportamiento anómalo de la turbina eólica, tal como mucha vibración o una caída en la salida de potencia, verificando al mismo tiempo los parámetros medioambientales, por ejemplo comprobando que la temperatura ambiente está por debajo de 0°C.

Los sistemas conocidos mencionados anteriormente tienen la principal desventaja que consiste en que no son fiables en predecir y detectar eficazmente la presencia de hielo, tan pronto como ocurre el fenómeno de la formación de hielo. De hecho, cuando se detecta la formación de hielo es el fenómeno puede estar ya tan avanzado que requiera que la turbina eólica se detenga a fin de evitar que se dañe; o también pueden aparecer condiciones en las que exista únicamente un riesgo remoto de formación de hielo, pero el sistema señale que la formación de hielo está a punto de ocurrir. Por ejemplo, cuando situaciones turbulentas o cambios de viento fuerte (las cuales son típicas en áreas montañosas) provocan un fenómeno de vibración anómala y se detecta una temperatura por debajo de 0°C, el sistema detendrá la turbina incluso aunque no existan condiciones de formación de hielo, puesto que el entorno de funcionamiento no es suficientemente húmedo.

Según los documentos US nº 5.005.015 y EP 1 466 827 para la detección de la presencia de agua o hielo son también conocidos sensores para ser aplicados directamente a las superficies aerodinámicas, en particular a álabes de motores. Estos sistemas únicamente pueden detectar la presencia o el grosor de agua o hielo que posiblemente esté presente en las superficies, pero no pueden prever la formación futura de hielo.

El documento EP 0 893 605 se refiere a un procedimiento para la identificación de estados diferentes de agua en la superficie de una estructura, sobre la cual ha sido colocado un elemento sensor compuesto de un material que transporta una oscilación acústica. También se refiere a disposiciones de sensores que se basan en un elemento de sensor de este tipo con el objetivo de la descongelación o la detección de la formación de hielo en superficies.

El documento WO 2005/020175 ilustra un procedimiento y un sistema para la detección de la formación de hielo o las condiciones incipientes de formación de hielo exteriores a un vehículo. En particular, un sensor de temperatura y un sensor del contenido de agua que detectan la temperatura y el contenido de agua de una corriente de aire están provistos y configurados para dirigir señales respectivas a un conjunto de procesamiento, que procesa los datos de

este tipo a fin de proporcionar aviso o señales de la condición incipiente de formación de hielo en el vehículo.

El objetivo de la presente invención consiste en resolver las desventajas mencionadas anteriormente de la técnica anterior proporcionando un procedimiento para la detección del riesgo de la formación de hielo en superficies aerodinámicas que puede prever realmente y eficazmente la ocurrencia de condiciones de agua o de la formación de hielo en superficies aerodinámicas, en particular en las palas que una turbina eólica. La invención también comprende un sistema para la implementación de dicho procedimiento.

Un objetivo de la presente invención consiste en proporcionar un sistema el cual es simple, barato y absolutamente eficaz cualesquiera que sean las condiciones de funcionamiento de las superficies aerodinámicas en las cuales se vaya a detectar el riesgo de la formación de hielo.

Según la presente invención, dichos objetivos se consiguen a través de un procedimiento y un sistema para la detección del riesgo de la formación de hielo en superficies aerodinámicas provistos de las características como se establece en las reivindicaciones adjuntas.

El sistema comprende un sensor de temperatura y un sensor para la detección de la presencia de agua o hielo, los cuales están instalados en la proximidad inmediata de la superficie aerodinámica en la cual se va a detectar el riesgo de la formación de hielo, a fin de detectar tanto la temperatura como la presencia de agua en la misma superficie. Para ello, partes de detección de los sensores respectivos están instaladas de tal modo que se pueden detectar las condiciones reales de la superficie aerodinámica supervisada.

La detección de la temperatura y de la presencia de agua obtenida directamente en la superficie concerniente permite supervisar el riesgo de la formación de hielo de una manera eficaz. Por ejemplo, cuando se detecta la presencia de gotas de agua junto con una temperatura por debajo de una temperatura crítica previamente establecida, esto es una temperatura a la cual se va a señalar el riesgo de la inminente formación de hielo (por ejemplo 3°C) , el sistema según la invención puede señalar un peligro real de formación de hielo.

El sistema según la invención también puede verificar empíricamente si, en combinación con la temperatura real de la superficie, realmente se están formando gotas de agua en dicha superficie, determinando de ese modo si el riesgo de la formación de hielo es real o no. Por ejemplo, si existe una temperatura entre -1°C y 1°C y no se encuentra agua en la superficie supervisada, el sistema según la invención puede abstenerse de señalar el riesgo de formación... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la detección del riesgo de la formación de hielo en superficies aerodinámicas (5S) envueltas por un flujo de fluido (F) , tal como superficies de soporte de carga de máquinas de fluidos (5) , que comprende las 5 etapas que consisten en:

- la detección de la temperatura en la superficie aerodinámica (5S) ;

- la detección de la presencia de agua en la superficie; 10

- el procesamiento de los datos relativos a la temperatura y la presencia de agua;

- cuando se encuentra agua presente sobre la superficie y la temperatura es inferior a un valor crítico previamente

establecido, la generación de una señal relativa al riesgo de formación de hielo. 15

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que las superficies aerodinámicas (5S) son las de un rotor de turbina eólica.

3. Sistema para la implementación del procedimiento según las reivindicaciones anteriores, que comprende una

superficie aerodinámica (5S) que se va a monitorizar, un sensor de temperatura (20) colocado sobre la superficie aerodinámica (5S) para la detección de la temperatura de la superficie aerodinámica (5S) , un sensor de lluvia (30) colocado sobre la superficie aerodinámica (5S) para la detección de la presencia de agua en la superficie aerodinámica (5S) , un sistema de adquisición de datos conectado a dichos sensores (20, 30) que procesa la información sobre la presencia/ausencia de agua enviada por el sensor de lluvia (30) y el valor de la temperatura de la superficie detectada por el sensor de temperatura (20) , en el que cuando los sensores (20, 30) detectan la presencia de agua y una temperatura inferior a un valor crítico previamente establecido, el sistema de adquisición de datos señala el riesgo de formación de hielo o la formación inminente de hielo a una unidad de control central.

4. Sistema según la reivindicación 3, en el que cuando no son detectadas gotas de agua sobre la superficie aerodinámica (5S) por el sensor de lluvia (30) , el sistema de adquisición de datos no señalará el riesgo de formación de hielo.

5. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 3 ó 4, en el que los sensores (20, 30) están dispuestos en las posiciones que corresponden a, o alrededor de, las zonas de presión máxima de la superficie aerodinámica (5S) que 35 se va a monitorizar.

6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, en el que el sensor de temperatura (20) presenta una parte de detección (21) colocada donde el flujo de fluido (F) envuelve la superficie aerodinámica (5S) .

7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, en el que los sensores (20, 30) están dispuestos en la superficie aerodinámica (5S) próximos entre sí.

8. Sistema según la reivindicación 7, en el que los sensores (20, 30) son de un tipo constituido por placas pequeñas y están fijados a la superficie aerodinámica (5S) . 45

9. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 8, en el que dichos sensores de temperatura y de lluvia (20, 30) están incorporados en un sensor individual.

10. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 9, en el que dicha superficie aerodinámica es la superficie 50 exterior (5S) de una pala de rotor (5) y la máquina de fluidos es una turbina eólica.

11. Sistema según la reivindicación 10, en el que la pala es de un tipo perforado y los sensores (20, 30) están colocados aguas arriba de un orificio individual (12) con relación al flujo de fluido (F) que envuelve la superficie exterior (5S) de la pala (5) .

12. Sistema según la reivindicación 10 u 11, en el que el sistema de adquisición de datos está dispuesto sobre la góndola de la turbina eólica, comprendiendo el sistema unos medios para la transmisión de señales detectadas por los sensores (20, 30) a la unidad de control central.