MÉTODO PARA EVALUAR EL DESEQUILIBRIO DEL ROTOR DE UN AEROGENERADOR.
Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador,
que consta de una torre (3), una nacelle (2) y un rotor (1) compuesto por varias palas, girando dicho rotor respecto de un eje substancialmente horizontal orientado en la dirección del viento, pudiendo tener desequilibrio aerodinámico y másico, para cuya evaluación comprende las etapas de hacer funcionar al aerogenerador a un régimen de producción de potencia substancialmente menor que su potencia nominal; de obtener unas señales indicativas de las cargas en el aerogenerador mediante sensores localizados en la nacelle (2) y/o la torre (3), o mediante parámetros operacionales de la turbina; de calcular en dichas señales indicativas de carga en el aerogenerador al menos una magnitud (13) del armónico 1p calculado en función de la posición azimutal ({ps}) del rotor; comparar la magnitud (13) del armónico 1p con un umbral preestablecido, y; de decidir que existe un desequilibrio másico en el rotor (1) si dicha magnitud supera el citado umbral.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200803726.
Solicitante: ACCIONA WINDPOWER, S.A..
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: GARCIA SAYES,JOSE MIGUEL, NUÑEZ POLO,MIGUEL, HUARTE AMEZQUETA,ANA, TONKS,STEPHEN, GARCÍA BARACE,ALBERTO, SANZ CORRETGE,FRANCISCO JAVIER, EGAÑA SANTAMARINA,IGOR, AZANZA LADRÓN,EDUARDO.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- F03D11/00
- F03D7/02 MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA. › F03 MAQUINAS O MOTORES DE LIQUIDOS; MOTORES DE VIENTO, DE RESORTES, O DE PESOS; PRODUCCION DE ENERGIA MECANICA O DE EMPUJE PROPULSIVO O POR REACCION, NO PREVISTA EN OTRO LUGAR. › F03D MOTORES DE VIENTO. › F03D 7/00 Control de los motores de viento (alimentación o distribución de energía eléctrica H02J, p. ej. disposiciones para ajustar, eliminar o compensar la potencia reactiva en las redes H02J 3/18; control de generadores eléctricos H02P, p. ej. disposiciones para el control de generadores eléctricos con el propósito de obtener las características deseadas en la salida H02P 9/00). › teniendo los motores de viento el eje de rotación dispuesto sustancialmente paralelo al flujo de aire que entra al rotor.
- G01M1/16 FISICA. › G01 METROLOGIA; ENSAYOS. › G01M ENSAYO DEL EQUILIBRADO ESTATICO O DINAMICO DE MAQUINAS O ESTRUCTURAS; ENSAYO DE ESTRUCTURAS O APARATOS, NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR. › G01M 1/00 Ensayo del equilibrado estático o dinámico de máquinas o estructuras. › dando al objeto a ensayar un movimiento de oscilación o de rotación.
Fragmento de la descripción:
Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador.
Objeto de la invención
La presente invención, según se expresa en el enunciado de la presente memoria descriptiva, se refiere a un método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, teniendo por objeto detectar el desequilibrio en el rotor del aerogenerador y analizar la naturaleza del mismo.
Así, un primer objeto de la invención es proporcionar un método para detectar si existe desequilibrio y para discriminar si el equilibrio es másico o aerodinámico.
Un segundo objeto de la invención es establecer un cálculo del desequilibrio según su origen.
Un tercer objeto de la invención es proporcionar un método de operación para compensar dicho desequilibrio, eliminándose de forma efectiva las consecuencias de este efecto sobre las cargas mecánicas y sobre la producción energética.
Campo de aplicación
En la presente memoria se describe un método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, de aplicación en todos aquellos aerogeneradores que constan de una torre, una nacelle y un rotor compuesto por varias palas y girando dicho rotor respecto de un eje substancialmente horizontal orientado en la dirección del viento.
Antecedentes de la invención
La fabricación de palas de aerogenerador se realiza mediante técnicas que conjugan procedimientos automáticos y manuales. Esto puede dar lugar a cierta dispersión en el acabado final de los perfiles de una pala a otra, así como en la masa y distribución de la misma a lo largo de su eje longitudinal.
Estas tolerancias pueden provocar que el rotor montado en un aerogenerador no esté completamente equilibrado tanto desde un punto de vista aerodinámico, como desde un punto de vista másico.
Dichos efectos de desequilibrio pueden darse además por otros motivos, tales como la degradación de las palas, la aparición de hielo causado por las condiciones meteorológicas o por un montaje incorrecto de la pala o del sistema de actuación de paso de pala.
De esta forma, la contribución de cada pala sobre las cargas del aerogenerador puede no ser uniforme debido a causas no deseadas, tales como un incorrecto montaje de la pala o del sistema de actuación sobre el ángulo de paso, según el cual al menos una de ellas presenta un ángulo de calado distinto al deseado, o debidas a las tolerancias de fabricación entre las distintas palas. Esto puede provocar cargas de fatiga de tipo aerodinámico que acortan la vida del aerogenerador, y que pueden causar además una merma en la producción de energía. Este tipo de efectos se conocen como desequilibrio aerodinámico.
Además, el proceso de fabricación de las palas puede también producir cierta dispersión en la masa de la pala, o al menos, en su distribución másica a lo largo de su eje longitudinal, dando lugar a desequilibrios del rotor de tipo másico. Esto también causa cargas de fatiga mayores, lo que provoca una reducción de la vida del aerogenera- dor.
Igualmente, también es posible que el desequilibrio másico o aerodinámico se den en un rotor como consecuencia de la degradación de las palas (rotura parcial o total de elementos estructurales, suciedad, impacto de aves, etc.), o la adición de hielo producido por ciertas condiciones ambientales transitorias.
El desequilibrio aerodinámico y másico pueden darse simultáneamente, superponiéndose el efecto producido por ambos, lo que dificulta la distinción de la fuente del desequilibrio.
Además, es imprescindible conocer la causa del desequilibro ya que las acciones correctoras para corregir un desequilibrio son totalmente distintas si el desequilibrio es másico o aerodinámico.
Así, por ejemplo, un desequilibrio másico no motivado por la presencia de hielo se corrige añadiendo masa en el rotor en la posición adecuada. Sin embargo si el desequilibrio es aerodinámico y está provocado por un incorrecto montaje de la pala, se corrige variando el ángulo de calado de dicha pala o realizando un nuevo montaje del rotor.
Un rotor desequilibrado, sea su desequilibrio de origen másico o aerodinámico, se traduce en cargas en el aerogenerador que fluctúan según la frecuencia de giro del rotor, frecuencia conocida como 1p.
Igualmente, las señales indicativas de las cargas también pueden provenir de otras magnitudes generales que pueden ser consideradas como parámetros operacionales, tales como la velocidad de giro del tren de potencia, o la potencia generada.
Existe una relación entre las cargas sobre el aerogenerador, y los movimientos que provocan dichas cargas en algunos componentes. Así por ejemplo, determinadas cargas provocan movimientos de la nacelle y de la parte superior de la torre en la dirección del eje de rotación del rotor. Por otra parte, otro tipo de cargas producen movimientos de la nacelle, y de la parte superior de la torre contenidos en planos perpendiculares al eje de giro del rotor.
La patente DE19628073 contempla la detección y compensación del desequilibrio aerodinámico a partir de la contribución de cada pala sobre la variación de potencia en el dominio del tiempo y su compensación. Dicha compensación se hace modificando el ángulo de paso de pala en un sentido cualquiera y midiendo la consecuencia de dicha modificación en las variables estudiadas.
La patente US7086834B2 describe la detección de desequilibrio másico motivado por hielo a partir de diferentes parámetros operativos de la turbina y las condiciones meteorológicas.
Por otra parte, la patente US6525518B1 contempla la medición de las oscilaciones de aerogeneradores basándose en el análisis del espectro de potencia de señales de cargas, y su atenuación basada en el sistema de control. Este método de operación no considera la distinción del origen que causa las oscilaciones ni su localización exacta en el rotor. En otro aspecto de la invención dicha patente contempla la actuación del sistema de control para la reducción de las oscilaciones mediante medidas de reducción parcial o total de la producción.
El artículo Mass and aerodynamic imbalance of a horizontal axis wind turbine (Borj & Kirchhoff, 1998, ASME Journal of Solar Energy Engineering, 120, 66-74) describe la superposición de los efectos provocados por los desequilibrios aerodinámico y másico en los armónicos 1p y múltiplos de diferentes parámetros de operación de la turbina.
Por último el artículo Rotor Condition Monitoring for improved operacional safety of offshore wind energy converters (Caselitz & Giebhardt, 2004, Institut für Solare Energieversorgungstechnk) describe la discriminación de los desequilibrios aerodinámicos y másicos mediante el análisis de la señal obtenida con múltiplos acelerómetros, comprendiendo dicho método el cálculo de las componentes 1p de dichas señales, calculadas respecto a la posición azimutal (Ψ) del rotor.
Descripción de la invención
En la presente memoria se describe un método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, constando dicho aerogenerador de una torre, una nacelle y un rotor compuesto por varias palas y girando dicho rotor respecto de un eje substancialmente horizontal orientado en la dirección del viento, siendo dicho rotor susceptible de tener desequilibrio aerodinámico y másico, de forma que dicho método comprende las siguientes etapas:
• hacer funcionar al aerogenerador a un régimen de producción de potencia substancialmente menor que su potencia nominal;
• obtener unas señales indicativas de las cargas en el aerogenerador mediante sensores localizados en la nacelle y/o la torre, o mediante parámetros operacionales de la turbina;
• calcular en dichas señales indicativas de cargas en el aerogenerador al menos una magnitud del armónico 1p calculado en función de la posición azimutal (Ψ) del rotor;
• comparar la magnitud del armónico 1p con un umbral preestablecido, y;
• decidir que existe un desequilibrio másico en el rotor si dicha magnitud supera el citado umbral.
Como ya se ha descrito, los efectos del desequilibrio másico y del aerodinámico se superponen sobre el aerogenerador. Por ello, según el estado de la técnica para detectar el desequilibrio en el rotor y...
Reivindicaciones:
1. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, constando dicho aerogenerador de una torre (3), una nacelle (2) y un rotor (1) compuesto por varias palas y girando dicho rotor respecto de un eje substancialmente horizontal orientado en la dirección del viento, siendo dicho rotor susceptible de tener desequilibrio aerodinámico y másico, caracterizado porque la evaluación del desequilibrio del rotor comprende las siguientes etapas:
2. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho método se aplica cuando el viento es lo bastante bajo para que el aerogenerador funcione en la zona de velocidad mínima constante (13).
3. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 2, caracterizado porque se utiliza la potencia generada como señal indicativa de las cargas en el aerogenerador.
4. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 3, caracterizado porque, en el caso de existir desequilibrio másico, se estima la masa equivalente (mEQ) necesaria para compensar dicho efecto en un radio (rEQ) determinado del rotor (1) a partir de la magnitud (13) de dicho armónico 1p calculado en función de la posición azimutal (Ψ) y la velocidad de giro del rotor.
5. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 4, caracterizado porque dicho método comprende además los siguientes pasos:
6. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 4, caracterizado porque dicho método comprende además los siguientes pasos:
7. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 1, caracterizado porque una vez se ha verificado que no hay desequilibrio másico dicho método comprende los siguientes pasos adicionales:
8. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 7, caracterizado porque, en el caso de existir desequilibrio aerodinámico, se decide a partir de la fase (14) del armónico 1p de las señales indicativas de cargas en el aerogenerador cuál es la pala o palas que originan el desequilibrio.
9. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 8, caracterizado porque las señales indicativas de las cargas en el aerogenerador proceden de la medida de, al menos, un acelerómetro (10).
10. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 9, caracterizado porque, en el caso de existir desequilibrio aerodinámico, se estima el ángulo que hay que corregir en una o varias palas para compensar dicho efecto a partir de:
11. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 10, caracterizado porque el desequilibrio aerodinámico se compensa corrigiendo el ángulo de calado en al menos una pala de dicho rotor.
12. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 11, caracterizado porque dicha compensación se hace mediante una corrección puntual del ángulo de calado de una o varias palas aplicado por el programa de control.
13. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, según la reivindicación 11, caracterizado porque dicha compensación se hace mediante un nuevo montaje de una o varías palas en el buje (4).
14. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se utiliza la medida de temperatura ambiente para descartar el hielo como origen del desequilibrio.
15. Método para evaluar el desequilibrio del rotor de un aerogenerador, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que se aplica en la puesta en marcha de un aerogenerador tras su instalación.
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