Sistema de sensor de fibra óptica larga en un componente de una turbina eólica.

Una turbina eólica que tiene un sistema de sensor de fibra óptica para medir un parámetro de funcionamiento de un componente de la turbina eólica

, comprendiendo el sistema de sensor de fibra óptica:

una fuente de iluminación para emitir luz en un intervalo predeterminado de longitudes de onda;

una fibra óptica que comprende una red de Bragg de fibra larga, teniendo la red de Bragg de fibra larga una red de un periodo de red predeterminado que se extiende continuamente a lo largo de una longitud de la fibra óptica para proporcionar una región de medición continua en la fibra óptica,

en la que la fibra óptica se acopla al componente de la turbina eólica de tal modo que la región de medición continua se sitúa en una región del componente de la turbina eólica que va a ser detectada, y de tal modo que el periodo de red en cada posición en la región de medición continua depende del valor del parámetro de funcionamiento en esa posición;

un detector de luz para recibir luz de la fibra óptica, y para proporcionar una señal de salida al controlador que indica la intensidad y longitud de onda de la luz recibida;

un controlador acoplado al detector de luz para determinar, basándose en la luz detectada, un valor del parámetro de funcionamiento.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/DK2011/050446.

Solicitante: VESTAS WIND SYSTEMS A/S.

Nacionalidad solicitante: Dinamarca.

Dirección: Hedeager 44 8200 Aarhus N DINAMARCA.

Inventor/es: GLAVIND,LARS, OLESEN,IB SVEND, HJORT,THOMAS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H04B10/18
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDAS NO ESPECIALMENTE ADAPTADAS A UNA VARIABLE... > Medios mecánicos para la transferencia de la magnitud... > G01D5/26 (que utilizan medios ópticos, p. ej. que utilizan luz infrarroja, visible o ultravioleta)
  • SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION;... > MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO,... > MOTORES DE VIENTO > Control de los motores de viento (alimentación o... > F03D7/04 (Control automático; Regulación)

PDF original: ES-2534103_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Sistema de sensor de fibra óptica larga en un componente de una turbina eólica.

La invención se refiere a un sistema de sensor de fibra óptica para un componente de una turbina eólica, y en concreto a un sistema para detectar variaciones en un parámetro de funcionamiento del componente a lo largo de una trayectoria extendida.

Se conoce utilizar sensores ópticos de fibra para medir las propiedades de funcionamiento de componentes de turbinas eólicas. Habitualmente, tales sensores miden la tensión o deformación de un componente de la turbina eólica, o temperaturas de funcionamiento, presiones, y flujos magnéticos, por ejemplo.

Aunque tales sensores pueden funcionar utilizando técnicas de detección basadas en interferometría, muchos sensores ópticos de fibra se basan en redes de Bragg de fibra (FBGs). Las FBGs son variaciones periódicas en el índice de refracción de la fibra que, dependiendo del periodo, reflejan luz de una cierta longitud de onda y permiten que otras longitudes de onda de la luz pasen.

Las FBGs se forman tradicionalmente exponiendo la región de la fibra a un láser que escribe la red directamente en el material de la fibra. La red se fabrica bien mediante la interferencia de dos de tales haces, o utilizando un único haz y una fotomáscara. Las técnicas de fabricación típicas limitan por lo tanto la longitud de la red al diámetro del haz de láser de grabado, o a la longitud de la fotomáscara correspondiente. En muchos casos, la longitud de la FBG resultante está limitada a alrededor de 15 cm.

En un sistema de sensor, las FBGs se sitúan de tal modo que variaciones en la temperatura, tensión o presión en el sistema que se está monitorizando den como resultado un cambio en el periodo de la red, y un cambio detectable en la longitud de onda de la luz que es reflejada por la FBG. Detectando o bien la luz reflejada o la luz transmitida, el sistema de sensor puede deducir así la magnitud del cambio en el parámetro detectado.

Una fibra individual puede contener múltiples FBGs cada una situada en una posición diferente en el sistema. Las FBGs pueden ser direccionadas individualmente a continuación utilizando señales luminosas multiplexadas por división de tiempo TDM, o construyendo las FBGs para que tengan diferentes periodos de red, y utilizando luz de distintas longitudes de onda. Esto se conoce como multiplexado por división de longitud de onda (WDM).

Sin embargo, los sistemas de TDM, por ejemplo, pueden requerir un espaciado de 2 metros o más entre FBGs con el fin de proporcionar una resolución aceptable de la señal, lo que reduce el número de FBGs que se pueden utilizar de modo práctico en una fibra individual. Para los casos de WDM, el número de FBGs con distintos periodos que se pueden instalar en una fibra individual está limitado típicamente asimismo a entre 1 y 2, debido a limitaciones en el análisis espectral.

Sistemas de sensor basados en FBGs como los descritos anteriormente son útiles, pero pueden ser difíciles de implementar en sistemas más complicados. En primer lugar, como las FBGs son discretas, se tiene que situar una FBG en cada posición de interés. Esto significa que los ingenieros de instalación del sensor deben típicamente aventurar previamente dónde están las posiciones de interés, tales como puntos calientes de temperatura en un generador, por ejemplo, y asegurar que se instala debidamente un sensor de FBG. Como a menudo no es práctico situar FBGs en todos sitios, esto conduce a una carencia de datos para posiciones intermedias entre las ubicaciones del sensor de FBG, y puede significar que simplemente no se dispone de datos importantes.

Además, como cada FBG tiene un periodo de red por defecto, la FBG tiene un intervalo de detección óptimo, basado en el periodo de red, y la cantidad que es esperable que cambie el periodo de red bajo la influencia de variaciones en el parámetro medido localmente. Así pues, puede ser difícil de detectar con precisión grandes variaciones de temperaturas, por ejemplo, utilizando FBGs.

La góndola de una turbina eólica, por ejemplo, contiene equipo de generación eléctrica y detección calibrado cuidadosamente. Tal equipo genera calor durante su funcionamiento y debe ser monitorizado cuidadosamente y controlado para mantener su funcionamiento dentro de parámetros de funcionamiento definidos. Actualmente es difícil monitorizar tal equipo adecuadamente, debido a limitaciones físicas tales como espacio limitado, y en muchos casos debido a la complejidad estructural del componente, y la gran variación posible en temperaturas de funcionamiento a lo largo de la estructura del componente.

Sería deseable, por ejemplo, monitorizar las temperaturas de funcionamiento del generador en la góndola, pero debido a la complejidad del diseño del rotor y el estator y los devanados asociados, esto no se consigue fácilmente.

Hemos apreciado que sería deseable proporcionar un sistema de sensor más flexible que pueda proporcionar información a lo largo de un amplio Intervalo de temperaturas u otros parámetros de funcionamiento y operar a lo

largo de un área extendida sin requerir una complejidad de instalación indebida. Hemos apreciado que se pueden utilizar redes de Bragg de fibra larga para abordar este problema.

Sumario de la invención

La invención se define en las reivindicaciones independientes a las cuales se debe hacer referencia a continuación. Características ventajosas se establecen en las reivindicaciones dependientes.

De acuerdo con un modo de realización ejemplar de la invención, se proporciona una turbina eólica que tiene un sistema de sensor de fibra óptica para medir un parámetro de funcionamiento de un componente de la turbina eólica, comprendiendo el sistema de sensor de fibra óptica: una fuente luminosa para emitir luz en un intervalo predeterminado de longitudes de onda; una fibra óptica que comprende una red de Bragg de fibra larga, teniendo la red de Bragg de fibra larga una red con un periodo de red predeterminado que se extiende continuamente a lo largo de una longitud de la fibra óptica para proporcionar una región de medición continua en la fibra óptica, en donde la fibra óptica se acopla al componente de la turbina eólica de tal modo que la región de medición continua se sitúe en una región del componente de la turbina eólica que se va a detectar, y de tal modo que el periodo de red en cada posición en el periodo de medición continua dependa del valor del parámetro de funcionamiento en esa posición; un detector de luz para recibir luz de la fibra óptica, y para proporcionar una señal de salida al controlador que indica la intensidad y longitud de onda de la luz recibida; un controlador acoplado al detector de luz para determinar, basándose en la luz detectada, un valor para el parámetro de funcionamiento.

La fibra óptica larga provista de una FBG proporciona una región de medición continua extendida. Además, el parámetro de funcionamiento a lo largo de toda la región se puede detectar sin que sea necesario proporcionar una pluralidad de FBGs cortas discretas en cada posición de interés. En concreto, esto significa que en un sistema de detección de temperatura, por ejemplo, no es necesario predecir con anterioridad dónde estarán los puntos calientes del componente, ya que se puede detectar la temperatura a lo largo de toda la longitud de la FBG. Para otros parámetros de funcionamiento que se vayan a medir, se aplican las mismas ventajas.

Por el contrario, un sistema basado en una pluralidad de FBGs cortas sería más complejo de implementar en términos de la necesaria separación de señales adicionales, bien utilizando multiplexado por división de tiempo o de longitud de onda, y menos útil, debido a la necesidad... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Una turbina eólica que tiene un sistema de sensor de fibra óptica para medir un parámetro de funcionamiento de un componente de la turbina eólica, comprendiendo el sistema de sensor de fibra óptica:

una fuente de iluminación para emitir luz en un intervalo predeterminado de longitudes de onda;

una fibra óptica que comprende una red de Bragg de fibra larga, teniendo la red de Bragg de fibra larga una red de un periodo de red predeterminado que se extiende continuamente a lo largo de una longitud de la fibra óptica para proporcionar una región de medición continua en la fibra óptica,

en la que la fibra óptica se acopla al componente de la turbina eólica de tal modo que la región de medición continua se sitúa en una región del componente de la turbina eólica que va a ser detectada, y de tal modo que el periodo de red en cada posición en la región de medición continua depende del valor del parámetro de funcionamiento en esa posición;

un detector de luz para recibir luz de la fibra óptica, y para proporcionar una señal de salida al controlador que indica la intensidad y longitud de onda de la luz recibida;

un controlador acoplado al detector de luz para determinar, basándose en la luz detectada, un valor del parámetro de funcionamiento.

2. La turbina eólica de la reivindicación 1, en la que la red de la red de Bragg de fibra larga se escribe suavemente para reflejar luz que tiene una primera longitud de onda tal que la cantidad de luz reflejada es proporcional a la distancia que la luz ha viajado en la red.

3. La turbina eólica de la reivindicación 2, en la que el punto en el cual se refleja la luz introducida máxima a la primera longitud de onda es igual a la longitud de la región de medición continua.

4. La turbina eólica de la reivindicación 2 o 3, en la que el controlador es operable para determinar un intervalo de valores para el parámetro de funcionamiento y un valor que indica con qué frecuencia ocurre ese valor en la región de medición continua.

5. La turbina eólica de la reivindicación 1, en la que la red de la red de Bragg de fibra larga se escribe fuertemente para reflejar una cantidad máxima de luz a lo largo de una fracción pequeña de la longitud de la red.

6. La turbina eólica de la reivindicación 5, en la que el controlador es operable para determinar un valor máximo y uno mínimo para el intervalo de parámetros de funcionamiento que tiene lugar en la región de medición continua.

7. La turbina eólica de cualquier reivindicación anterior, en la que la fibra óptica comprende una segunda red de Bragg de fibra larga, que proporciona una segunda región de medición continua en la fibra óptica.

8. La turbina eólica de la reivindicación 7, en la que la segunda red de Bragg de fibra larga se sitúa en una parte de la fibra óptica diferente de la primera red de Bragg de fibra larga.

9. La turbina eólica de la reivindicación 8, en la que la segunda red de Bragg de fibra larga tiene un periodo de red predeterminado diferente del de la primera.

1. La turbina eólica de cualquier reivindicación anterior, en la que un periodo de red de la red de Bragg de fibra larga alterna periódicamente entre dos valores a lo largo de la longitud de la región de medición continua.

11. La turbina eólica de cualquier reivindicación anterior, en la que la región de medición continua de la fibra óptica está dispuesta en las ranuras del estator o devanados de la bobina de un generador para medir por lo menos la temperatura a través de una región de la ranura o del devanado.

12. La turbina eólica de cualquier reivindicación anterior, en la que la fibra óptica comprende una o más redes de Bragg de fibra corta en puntos en el exterior óptico de las regiones de medición continua.

13. La turbina eólica de la reivindicación 12, en la que la región de medición continua de la fibra óptica está dispuesta en ranuras del estator o devanados de la bobina de un generador para medir por lo menos la temperatura a través de una región de la ranura o del bobinado, y las redes de Bragg de fibra cortas se sitúan fuera de los devanados de la bobina o ranuras del estator.

14. La turbina eólica de cualquier reivindicación anterior, en la que el parámetro de funcionamiento es uno o más de tensión, temperatura, presión, o flujo magnético.

15. Un procedimiento para determinar un parámetro de funcionamiento de un componente de una turbina eólica, comprendiendo el procedimiento:

acoplar una fibra óptica al componente de la turbina eólica, en donde la fibra óptica comprende una red de Bragg de fibra larga que tiene una red de un periodo predeterminado que se extiende continuamente a lo largo de una longitud de la fibra óptica para proporcionar así una región de medición continua en la fibra óptica, y en donde la región de medición continua se sitúa en una región del componente de la turbina eólica que va a ser detectada de tal modo que el periodo de red en cada posición en la región de medición continua depende del valor del parámetro de funcionamiento en esa posición;

introducir luz en un intervalo predeterminado de longitudes de onda en la fibra óptica;

recibir una salida de luz de la fibra óptica, y proporcionar una señal de salida que indica la intensidad de la luz recibida;

determinar, basándose en la luz detectada, qué longitudes de onda de la luz introducida interaccionan con el periodo de red.

16. El procedimiento de la reivindicación 15, en el que la etapa de determinación comprende: determinar el intervalo de longitudes de onda presentes en la luz que interacciona con el periodo de red.

17. El procedimiento de la reivindicación 15, en el que la etapa de determinación comprende determinar una intensidad para cada longitud de onda de luz que interacciona con el periodo de red y determinar qué longitud de onda de la luz tiene la intensidad máxima.

18. El procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, en el que la etapa de acoplamiento comprende proporcionar la región de medición continua de la fibra óptica en las ranuras del estator o devanados de la bobina de un generador para medir por lo menos la temperatura a través de una región de la ranura o del devanado.

19. El procedimiento de la reivindicación 15 a 17, en el que la fibra óptica comprende una o más redes de Bragg de fibra corta en puntos en el exterior óptico de las regiones de medición continuas.

2. El procedimiento de la reivindicación 19, en el que la etapa de acoplamiento comprende proporcionar la región de medición continua de la fibra óptica en las ranuras del estator o los devanados de la bobina de un generador para medir por lo menos la temperatura a través de una región de la ranura o del devanado, y las redes de Bragg de fibra corta se sitúan fuera de los devanados de la bobina o las ranuras del estator.