Control de pala de rotor basado en la detección de turbulencia.

Sistema de control de pala de rotor de turbina eólica (40), que comprende:

una pluralidad de sensores (44) para detectar flujo de aire turbulento a lo largo de una superficie de pala derotor;

un controlador (47) para recibir datos desde la pluralidad de sensores (44) y basándose en la detección deflujo de aire turbulento controlar un parámetro aerodinámico de la pala de rotor, caracterizado por que cadauno de la pluralidad de sensores (44) comprende:

una membrana de sensor (15) para detectar la turbulencia de flujo de aire a través de una superficie de lapala de turbina eólica (5), y en el que la membrana de sensor (15) es solidaria con la superficie y cubre almenos parte de una cavidad (13) en la pala de turbina eólica (5);

una fuente de luz (16) ubicada en la cavidad para iluminar la superficie de la membrana de sensor (15)dentro de la cavidad;

un detector de luz (16) ubicado en la cavidad para detectar luz reflejada desde la superficie de la membranay para proporcionar una salida a un procesador, determinando el procesador a partir de la salida un valor deturbulencia para el flujo de aire a lo largo de la membrana de sensor (15).

Control de pala de rotor basado en la detección de turbulencia.

La presente invención se refiere a un sistema de control de pala de rotor para una turbina eólica, y en particular un sistema de control de pala que controla un parámetro aerodinámico de la pala, tal como ángulo de paso, basándose en una medición de turbulencia.

La figura 1 ilustra una turbina eólica 1, que comprende una torre de turbina eólica 2 en la que está montada una góndola de turbina eólica 3. Un rotor de turbina eólica 4 que comprende al menos una pala de turbina eólica 5 está montado en un buje 6. El buje 6 está conectado a la góndola 3 a través de un árbol de baja velocidad (no mostrado) que se extiende desde la parte frontal de la góndola. La turbina eólica ilustrada en la figura 1 puede ser un modelo pequeño destinado para uso doméstico o de utilidad ligera, o puede ser un modelo grande, tal como los que son adecuados para su uso en generación de electricidad a gran escala en una granja eólica por ejemplo. En este último caso, el diámetro del rotor puede ser de hasta 100 metros o más.

En la generación de energía mediante turbina eólica, la eficiencia energética de la turbina depende en gran medida de dos factores, el ángulo de paso y la relación de la velocidad periférica. El ángulo de paso ! es el ángulo en el que está orientada la pala de rotor con respecto al plano del rotor, es decir, el sentido en el que está girando la pala de rotor. La orientación de la pala se evalúa con respecto a la cuerda de pala que conecta el borde de ataque y de salida. Esto se ilustra en más detalle en la figura 2.

El ángulo de paso no es el mismo que el ángulo de ataque (AOA) , que es el ángulo realizado entre el sentido del viento incidente en la pala y el ángulo de paso. El viento incidente se indica mediante un vector V, y una componente de giro a medida que la pala se mueve a través del aire se indica mediante un vector wRR. Esto da como resultado un sentido de viento relativo de Vr. La elevación L proporcionada por la pala es en ángulos rectos con respecto al sentido de viento relativo Vr.

El funcionamiento de una turbina eólica puede clasificarse a grandes rasgos como o bien de carga parcial o bien de carga total. En funcionamiento de carga parcial, las palas de la turbina eólica están girando y se está produciendo energía, pero debido a las bajas velocidades del viento la energía generada es menor que el valor de energía nominal o máximo posible para la turbina. En tales casos, es deseable maximizar la energía que puede extraerse inclinando la turbina eólica completamente en el viento y, para turbinas eólicas de control de paso, cambiando el ángulo de paso de las palas para maximizar la elevación en la pala. Para funcionamiento de carga total, o a velocidades de viento que son demasiado altas, la turbina eólica tiene que controlarse cuidadosamente de modo que se evite el daño a la turbina eólica.

En turbinas eólicas de control por pérdida aerodinámica, sin paso, las palas están conectadas al buje del rotor en un ángulo fijo, pero se conforman aerodinámicamente de modo que cuando la velocidad del viento incidente supera un valor predeterminado se crea turbulencia en el lado de sotavento de la pala. La turbulencia da como resultado que la elevación experimentada por la pala, y por consiguiente la energía generada, se limite a un intervalo que depende de la forma aerodinámica elegida.

Para turbinas eólicas de control de paso, a velocidades de viento que están dentro del intervalo de velocidades de funcionamiento seguro para generación de energía, la manera en la que se aumenta el paso de las palas es en gran medida la misma para todos los diseños, concretamente se les aumenta el paso en el viento todo lo posible con el fin de extraer la máxima energía del viento incidente. Sin embargo, si se aumenta demasiado el paso de las palas, provocarán una pérdida aerodinámica en el flujo de viento alrededor de las palas. Este principio se usa en turbinas eólicas de control por pérdida aerodinámica activa para proteger el generador de sobrecargas provocadas por velocidades de viento excesivas. Sin embargo, durante el funcionamiento normal no se deseable una condición de pérdida aerodinámica ya que quiere decir que la turbina eólica no está funcionando eficazmente.

En funcionamiento de carga total, las palas de turbina eólica están girando y se está produciendo energía, pero la energía generada está en este caso en un máximo y existe el peligro de sobrecargar el generador o en la red de suministro. En tales casos, las palas o la propia turbina pueden inclinarse con respecto al viento para reducir la velocidad periférica y reducir la energía generada. En las turbinas eólicas de control de paso por ejemplo, puede reducirse deliberadamente el paso de las palas, inclinándolas hacia fuera del viento con el fin de reducir la energía extraída y evitar sobrecargar el generador. En las turbinas eólicas de pérdida aerodinámica activa, se aumenta adicionalmente el paso de las palas de manera activa en el viento, y se les aumenta el paso en exceso hasta tal punto de que se introducen deliberadamente condiciones de tipo de pérdida aerodinámica para reducir la energía extraída del viento. En efecto, la eficiencia se adapta para cumplir con la energía nominal máxima.

El documento US 2009/00907976 A1 describe una atenuación activa de palas de turbina eólica que incluye un sensor dispuesto aguas arriba de un borde de salida de una pala de turbina eólica para medir una característica de flujo de aire cerca de una superficie de una pala.

El documento US 2008/0317598 A1 describe una reducción de pérdida de potencia en viento turbulento para una turbina eólica usando detección y control localizados con el fin de reducir el efecto de la desviación de ángulo de

ataque.

Por tanto, existe la necesidad de un control para garantizar que las palas responden rápidamente a cambios en el sentido y la velocidad del viento para mantener el paso óptimo y evitar condiciones de pérdida aerodinámica indeseables. Esto es particularmente importante a bajas velocidades de viento, por ejemplo entre 3 m/s y 15 m/s, cuando la turbina está funcionando en condiciones de carga parcial por debajo de su energía nominal máxima, y por tanto es crucial extraer la máxima potencia disponible del viento. Además, el funcionamiento y la eficiencia general de una pala de turbina eólica dependen en gran medida de la calidad del flujo de aire sobre el lado de sotavento o succión de la pala. Sería deseable poder monitorizar esto más estrechamente por consideraciones de funcionamiento, mantenimiento y control.

Sumario de la invención Según una realización preferida de la invención, se proporciona un sistema de control de pala de rotor de turbina eólica que comprende: una pluralidad de sensores para detectar flujo de aire turbulento a lo largo de una superficie de pala de rotor; un controlador para recibir datos desde la pluralidad de sensores y basándose en la detección de flujo de aire turbulento controlar un parámetro aerodinámico de la pala de rotor. Cada uno de la pluralidad de sensores comprende: una membrana de sensor para detectar la turbulencia de flujo de aire a través de una superficie de la pala de turbina eólica, y en el que la membrana de sensor es solidaria con la superficie y cubre al menos parte de una cavidad en la pala de turbina eólica; una fuente de luz ubicada en la cavidad para iluminar la superficie de la membrana de sensor dentro de la cavidad; un detector de luz ubicado en la cavidad para detectar luz reflejada desde la superficie de la membrana y para proporcionar una salida a un procesador, determinando el procesador a partir de la salida un valor de turbulencia para el flujo de aire a lo largo de la membrana de sensor.

Por tanto, la invención permite monitorizar en tiempo real la interacción aerodinámica de la pala con el flujo de aire y ajustarla según se desee basándose en una medida de turbulencia.

La invención proporciona un sistema de sensor sensible debido al hecho de que pueden detectarse pequeños desplazamientos de la membrana de sensor usando la fuente de luz y el detector. Además, el sensor es relativamente fácil de instalar y puede colocarse en la pala de turbina eólica para su protección y para garantizar que la presencia del sensor no interfiere con la medición. Dado que hay pocas partes móviles, el sensor es resistente a cambios extremos de temperatura.

En una realización, el parámetro aerodinámico es el ángulo de paso de la pala de rotor. Esto ofrece un mecanismo de control de paso de pala de rotor sensible y afinado con precisión basado en ambos casos en las condiciones aerodinámicas... [Seguir leyendo]

1. Sistema de control de pala de rotor de turbina eólica (40) , que comprende:

una pluralidad de sensores (44) para detectar flujo de aire turbulento a lo largo de una superficie de pala de rotor;

un controlador (47) para recibir datos desde la pluralidad de sensores (44) y basándose en la detección de flujo de aire turbulento controlar un parámetro aerodinámico de la pala de rotor, caracterizado por que cada uno de la pluralidad de sensores (44) comprende:

una membrana de sensor (15) para detectar la turbulencia de flujo de aire a través de una superficie de la pala de turbina eólica (5) , y en el que la membrana de sensor (15) es solidaria con la superficie y cubre al 10 menos parte de una cavidad (13) en la pala de turbina eólica (5) ;

una fuente de luz (16) ubicada en la cavidad para iluminar la superficie de la membrana de sensor (15) dentro de la cavidad;

un detector de luz (16) ubicado en la cavidad para detectar luz reflejada desde la superficie de la membrana y para proporcionar una salida a un procesador, determinando el procesador a partir de la salida un valor de 15 turbulencia para el flujo de aire a lo largo de la membrana de sensor (15) .

2. Sistema de control (40) según la reivindicación 1, en el que el parámetro aerodinámico es el ángulo de paso de la pala de rotor.

3. Sistema de control (40) según la reivindicación 2, que comprende:

un sensor de potencia para detectar la potencia de salida de la turbina eólica y emitir una señal hacia el 20 controlador de paso (50) , en el que el controlador de paso (50) controla adicionalmente el paso de las palas de rotor basándose en la detección de potencia de salida de turbina eólica.

4. Sistema de control (40) según la reivindicación 3, en el que el controlador de paso (50) controla el paso de las palas de rotor para minimizar la turbulencia y maximizar la potencia de salida de turbina eólica.

5. Sistema de control (40) según cualquier reivindicación anterior, en el que el controlador reduce el paso de la 25 pala de rotor en el viento, cuando un número predeterminado de sensores indican flujo de aire turbulento.

6. Sistema de control (40) según la reivindicación 1, en el que el parámetro aerodinámico es la forma de la pala de rotor.

7. Sistema de control (40) según la reivindicación 1, en el que el parámetro aerodinámico es el flujo de aire a través de la pala.

8. Sistema de control (40) según cualquier reivindicación anterior, en el que la pluralidad de sensores 44 están ubicados en la superficie de succión de la pala.

9. Sistema de control (40) según la reivindicación 8, en el que la pluralidad de sensores (44) están ubicados en mayor número hacia el borde de salida del lado de succión de la pala que en otras zonas.

10. Sistema de control (40) según cualquier reivindicación anterior, en el que la fuente de luz (16) y el detector 35 de luz (16) en la cavidad son fibras ópticas (17) conectadas a una fuente de luz optoeléctrica.

11. Sistema de control (40) según cualquier reivindicación anterior, que comprende un sumador para sumar luz reflejada desde la superficie de la membrana (15) a una señal de luz de referencia para dar un patrón de interferencia que indica desplazamiento de la membrana.

12. Sistema de control (40) según la reivindicación 11, en el que el sumador comprende un espejo parcial (20)

ubicado en la cavidad del sensor (13) para reflejar una parte de la luz desde la fuente de luz (16) hasta el detector de luz (16) y proporcionar la señal de luz de referencia.

13. Sistema de control (40) según cualquier reivindicación anterior, en el que la cavidad (13) está sellada.

14. Sistema de control (40) según la reivindicación 13, en el que la cavidad (13) está rellena con un gas distinto del aire.

15. Sistema de control (40) según cualquier reivindicación anterior, en el que la membrana de sensor (15) está formada de un material diferente del que está formada la superficie del componente de turbina eólica.

16. Sistema de control (40) según la reivindicación 11, que comprende un procesador (47) para analizar las variaciones sinusoidales en el patrón de interferencia a lo largo de un periodo de tiempo predeterminado

para determinar si el flujo de aire es turbulento.

17. Sistema de control (40) según cualquier reivindicación anterior, que comprende una memoria (49) para almacenar datos de la pluralidad de sensores (44) y generar un registro de condiciones de flujo de aire sobre la superficie de la pala de turbina eólica.

18. Turbina eólica que comprende el sistema de control (40) según cualquier reivindicación anterior.

19. Método implementado en ordenador para controlar una pala de rotor de turbina eólica, que comprende:

a) recibir datos desde una pluralidad de sensores (44) que detectan flujo de aire turbulento a lo largo de una superficie de pala de rotor;

b) basándose en los datos de los sensores (44) , controlar un parámetro aerodinámico de las palas de rotor, 10 caracterizado por que cada uno de la pluralidad de sensores comprende:

una membrana de sensor (15) para detectar la turbulencia de flujo de aire a través de una superficie de la pala de turbina eólica, y en el que la membrana de sensor (15) es solidaria con la superficie y cubre al menos parte de una cavidad (13) en la pala de turbina eólica;

una fuente de luz (16) ubicada en la cavidad (13) para iluminar la superficie de la membrana de sensor (15) 15 dentro de la cavidad (13) ;

un detector de luz (16) ubicado en la cavidad (13) para detectar luz reflejada desde la superficie de la membrana (15) y para proporcionar una salida a un procesador, determinando el procesador a partir de la salida un valor de turbulencia para el flujo de aire a lo largo de la membrana de sensor (15) .

20. Método según la reivindicación 19, que comprende controlar la salida de la fuente de luz y analizar la salida 20 del detector de luz.

21. Método según la reivindicación 19 ó 20, que comprende:

c) detectar la potencia de salida de la turbina eólica y emitir una señal; en el que la etapa b) comprende adicionalmente controlar el paso de las palas de rotor basándose en la detección de potencia de salida de turbina eólica.

22. Método según la reivindicación 19, en el que la etapa b) comprende controlar el paso de las palas de rotor para minimizar la turbulencia y maximizar la potencia de salida de turbina eólica.

23. Producto de programa informático que comprende un medio legible por ordenador en el que se almacena código informático, en el que cuando se ejecuta el código informático mediante un procesador (47) se provoca que el procesador realice las etapas de:

a) recibir datos desde una pluralidad de sensores (44) para detectar flujo de aire turbulento a lo largo de una superficie de pala de rotor; y

b) basándose en los datos de los sensores (44) controlar un parámetro aerodinámico de las palas de rotor, caracterizado por que cada uno de la pluralidad de sensores comprende:

una membrana de sensor (15) para detectar la turbulencia de flujo de aire a través de una superficie de la 35 pala de turbina eólica, y en el que la membrana de sensor (15) es solidaria con la superficie y cubre al menos parte de una cavidad (13) en la pala de turbina eólica;

una fuente de luz (16) ubicada en la cavidad (13) para iluminar la superficie de la membrana de sensor (15) dentro de la cavidad (13) ;

un detector de luz (16) ubicado en la cavidad (13) para detectar luz reflejada desde la superficie de la 40 membrana (15) y para proporcionar una salida a un procesador, determinando el procesador a partir de la salida un valor de turbulencia para el flujo de aire a lo largo de la membrana de sensor (15) .

24. Producto de programa informático según la reivindicación 23, en el que cuando se ejecuta el código informático mediante un procesador, se provoca que el procesador realice las etapas de controlar la salida de la fuente de luz y analizar la salida del detector de luz.

25. Producto de programa informático según la reivindicación 23 ó 24, en el que cuando se ejecuta el código informático mediante un procesador, se provoca además que el procesador:

c) detecte la potencia de salida de la turbina eólica y emita una señal; y en el que la etapa b) comprende adicionalmente controlar el paso de las palas de rotor basándose en la detección de potencia de salida de turbina eólica.

26. Producto de programa informático según la reivindicación 23, en el que la etapa b) comprende controlar el paso de las palas de rotor para minimizar la turbulencia y maximizar la potencia de salida de turbina eólica.