Sistema y método para detectar un daño en una pala de turbina eólica.

Sistema (10, 30) de detección de un daño en una pala de turbina eólica (5) que comprende:

una o más fibras ópticas fluorescentes (12, 32) que comprenden un material fluorescente configurado para tener una longitud de onda de excitación tal que el material se ilumina por fluorescencia en caso de exposición a la radiación ambiental en la pala de turbina eólica, en el que la una o más fibras ópticas están configuradas para estar montadas de manera operativa en la pala de turbina eólica de manera que, en caso de daño en la pala de turbina eólica, al menos una parte de la fibra óptica queda expuesta en la superficie de la pala provocando que la fibra óptica se ilumine por fluorescencia;

un detector de luz (14, 34) para recibir una señal luminosa desde uno o desde ambos extremos de la una o más fibras ópticas en caso de excitación del material fluorescente y para emitir una señal basada en la señal luminosa; y

un controlador acoplado al detector de luz para recibir la señal.

Sistema y método para detectar un daño en una pala de turbina eólica La presente invención se refiere a un sistema de fibra óptica y a un método para la detección de un daño en una pala de turbina eólica durante el uso. La invención encuentra aplicación particular en la detección de delaminación de un material compuesto que forma un componente de pala de turbina eólica, así como en la detección de erosión o corrosión de superficie de una pala de turbina eólica.

Las palas de turbina eólica de turbinas eólicas comerciales están formadas normalmente por material compuestos, que pueden resistir la tensión y la carga a las que estará sometida la pala durante el funcionamiento de la turbina. En raros casos pueden producirse defectos en los materiales compuestos que forman una pala de turbina eólica y esto puede tener un efecto negativo en la integridad mecánica de la pala. Pueden producirse defectos como resultado de discontinuidades en el material que se han introducido durante la fabricación de la pala, por ejemplo, durante la disposición de las fibras que forman el material compuesto. Alternativamente, en algunos casos pueden producirse defectos como resultado de un esfuerzo o carga excesivos sobre la pala durante el funcionamiento de la turbina.

Algunos de los tipos más comunes de defectos que se producen en los materiales compuestos que forman palas de turbinas eólicas incluyen la delaminación o separación de las capas que forman el material compuesto y/o la formación de grietas en el material. Debido a la elevada carga de las palas de turbina eólica durante el funcionamiento, tal delaminación o formación de grietas pueden extenderse rápidamente por el material compuesto, dando como resultado un daño estructural en la pala y, en casos graves, un fallo de la turbina eólica.

Se conoce la incorporación de sistemas para monitorizar palas de turbinas eólicas durante el funcionamiento con el fin de detectar un daño en el material compuesto de la pala. Por ejemplo, el documento EP-A-2 112 374 da a conocer un sistema de detección de grietas para una pala de turbina eólica que comprende una red de fibras ópticas incrustadas en la pala. Se detecta la presencia de una grieta que discurre sustancialmente en perpendicular a la superficie de la pala detectando cambios bruscos en la transmisión de la luz por las fibras ópticas, lo que se produce como resultado de la rotura de la fibra a medida que se propaga la grieta.

El documento US2009/0262331 da a conocer otro ejemplo de sistema de detección de grietas en una pala de turbina eólica, que comprende una o más fibras ópticas, en el que la una o más fibras ópticas están montadas de manera operativa en la pala de turbina eólica de manera que, en caso de daño en la pala de turbina eólica, al menos una parte de la fibra óptica se rompe provocando reflexiones ópticas y/o disminuyendo la transmisión en la fibra óptica, un detector de luz para recibir una señal luminosa desde uno o desde ambos extremos de la una o más fibras ópticas y emitir una señal basada en la señal luminosa; y un controlador acoplado al detector de luz para recibir la señal.

También puede producirse un daño en una pala de turbina eólica como resultado de la erosión de la superficie de la pala durante el funcionamiento, en particular en el borde de ataque de la pala. Esto puede estar provocado por la exposición a las duras condiciones ambientales, tales como lluvia, granizo o arena. La erosión química, o corrosión, también es problema para las turbina eólicas de alta mar. El desgaste gradual de la superficie de la pala debido a la erosión puede afectar negativamente a las propiedades aerodinámicas de la pala, por ejemplo, como resultado de turbulencia en la superficie erosionada. Por tanto se reduce la eficacia global de la extracción de energía del viento.

Sería deseable proporcionar un sistema y método mejorados para monitorizar palas de turbina eólica durante el funcionamiento, que permitan detectar defectos o un daño en el material compuesto que forma la pala en una fase temprana de modo que la pala pueda repararse antes de que el daño empeore. También sería deseable si tal sistema y tal método pudieran adaptarse para detectar una diversidad de tipos de daño o defectos en el material compuesto. En particular, sería deseable proporcionar un sistema y un método que puedan adaptarse para detectar delaminación o erosión del material compuesto que forma la pala.

Según un primer aspecto de la invención se proporciona un sistema de detección de daño en una pala de turbina eólica que comprende: una o más fibras ópticas fluorescentes que comprenden un material fluorescente configurado para tener una longitud de onda de excitación tal que el material se ilumina por fluorescencia en caso de exposición a la radiación ambiental en la pala de turbina eólica; un detector de luz para recibir una señal luminosa desde uno o desde ambos extremos de la una o más fibras ópticas en caso de excitación del material fluorescente y emitir una señal basada en la señal luminosa; y un controlador acoplado al detector de luz para recibir la señal. La una o más fibras ópticas fluorescentes están configuradas para estar montadas de manera operativa en la pala de turbina eólica de manera que, en caso de daño en la pala de turbina eólica, al menos una parte de la fibra óptica queda expuesta en la superficie de la pala provocando que la fibra óptica se ilumine por fluorescencia.

Según un segundo aspecto de la invención se proporciona un método de detección de daño en una pala de turbina eólica, comprendiendo el método las etapas de: proporcionar una o más fibras ópticas en el material compuesto que forma la pala de turbina eólica, en el que la una o más fibras ópticas comprenden un material fluorescente que se selecciona de manera que el material se ilumina por fluorescencia en caso de exposición a la radiación ambiental en la pala de turbina eólica; conectar al menos un extremo de la una o más fibras ópticas a un detector de luz montado

en la turbina eólica que comprende la pala de turbina eólica; hacer funcionar el detector de luz para detectar la luz emitida desde el material fluorescente en caso de exposición de la una o más fibras ópticas en la superficie de la pala como resultado de un daño en la pala y para emitir una señal cuando se detecta luz; y recibir la señal en un controlador.

Según un tercer aspecto de la invención se proporciona un uso de una o más fibras ópticas fluorescentes para detectar un daño en una pala de turbina eólica, en el que la una o más fibras ópticas fluorescentes comprenden un material fluorescente que se selecciona de manera que el material se ilumina por fluorescencia en caso de exposición a la radiación ambiental en la pala de turbina eólica.

El término â?material fluorescenteâ? se usa para referirse a un material que tiene la propiedad de absorber radiación de una o más longitudes de onda específicas y, posteriormente, volver a emitir la energía de la radiación absorbida como luz de longitudes de ondas diferentes, habitualmente mayores. En el contexto de la presente invención, el término â?material fluorescenteâ? abarca cualquier tipo de material que emite luz en caso de excitación por una forma de radiación ambiental, incluyendo por ejemplo materiales fluorescentes que se excitan por ondas electromagnéticas tales como la luz visible y UV, y materiales centelleadores que se excitan por radiación ionizante tal como rayos gamma, fotones o partículas cargadas.

El término â?radiación ambientalâ? se usa para referirse a cualquier tipo de radiación que está presente de forma natural en la atmósfera o el entorno que rodea la pala de turbina eólica. El sistema y método de la presente invención se basa en la excitación del material fluorescente por la radiación presente en la atmósfera y no necesita incorporar una fuente de radiación separada en la turbina eólica para que funcione eficazmente. El aparato requerido para la monitorización de la pala de turbina eólica para detectar un daño es por tanto más sencillo y más rentable de producir y hacer funcionar que otros tipos de sistemas de fibra óptica que requieren una fuente de luz para dirigir luz a las fibras ópticas.

La radiación ambiental en la pala de turbina eólica en condiciones normales incluye normalmente, aunque no se limita a, luz visible, radiación infrarroja, radiación ultravioleta, rayos gamma, fotones u otros tipos de partículas ionizantes que aparecen de forma natural. En el sistema y método de la presente invención, el material fluorescente en las fibras ópticas puede seleccionarse para que se ilumine por fluorescencia en caso de excitación por cualquier... [Seguir leyendo]

1. Sistema (10, 30) de detección de un daño en una pala de turbina eólica (5) que comprende:

una o más fibras ópticas fluorescentes (12, 32) que comprenden un material fluorescente configurado para tener una longitud de onda de excitación tal que el material se ilumina por fluorescencia en caso de exposición a la radiación ambiental en la pala de turbina eólica, en el que la una o más fibras ópticas están configuradas para estar montadas de manera operativa en la pala de turbina eólica de manera que, en caso de daño en la pala de turbina eólica, al menos una parte de la fibra óptica queda expuesta en la superficie de la pala provocando que la fibra óptica se ilumine por fluorescencia;

un detector de luz (14, 34) para recibir una señal luminosa desde uno o desde ambos extremos de la una o 10 más fibras ópticas en caso de excitación del material fluorescente y para emitir una señal basada en la señal luminosa; y un controlador acoplado al detector de luz para recibir la señal.

2. Sistema según la reivindicación 1, en el que el material fluorescente es un material centelleador.

3. Sistema según cualquier reivindicación anterior, en el que el detector de luz está montado de manera 15 operativa en una parte estacionaria de la turbina eólica que comprende la pala de turbina eólica.

4. Sistema según cualquiera de la reivindicación 1 a 3, que comprende una pluralidad de fibras ópticas fluorescentes sustancialmente paralelas.

5. Sistema según cualquier reivindicación anterior para detectar delaminación de un material compuesto que forma la pala de turbina eólica, en el que la una o más fibras ópticas fluorescentes están incrustadas de

manera operativa entre capas del material compuesto de manera que, en caso de delaminación, la una o más fibras ópticas fluorescentes quedan expuestas a la radiación ambiental.

6. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 para detectar erosión de una superficie de la pala de turbina eólica, en el que la una o más fibras ópticas fluorescentes están incrustadas en el material compuesto que forma la pala de turbina eólica cerca de la superficie externa de la pala de manera que, en caso de erosión del material compuesto superpuesto, la una o más fibras ópticas fluorescentes quedan expuestas a la radiación ambiental.

7. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende además una capa de un material óptico previsto operativamente entre la una o más fibras fluorescentes y la superficie de la pala, en el que en caso de exposición del material óptico a la radiación ambiental, el material transmite la radiación a la fibra óptica fluorescente subyacente, provocando que la fibra óptica se ilumine por fluorescencia.

8. Sistema según cualquier reivindicación anterior, en el que la una o más fibras ópticas fluorescentes están incrustadas de manera operativa en el borde de ataque o borde de salida de la pala de turbina eólica.

9. Sistema según cualquier reivindicación anterior, en el que la una o más fibras ópticas fluorescentes están incrustadas de manera operativa hacia el extremo de punta de la pala de turbina eólica.

10. Sistema según cualquier reivindicación anterior, en el que el material fluorescente está adaptado para excitarse por una o más de luz visible, radiación infrarroja y ultravioleta.

11. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el material fluorescente está adaptado para excitarse por radiación ionizante.

12. Sistema según cualquier reivindicación anterior, en el que cada una de la una o más fibras ópticas

fluorescentes tiene un núcleo de fibra y un revestimiento exterior, y en el que el material fluorescente en la fibra óptica fluorescente está ubicado principalmente en el revestimiento.

13. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que cada una de la una o más fibras ópticas fluorescentes tiene un núcleo de fibra y un revestimiento exterior, y en el que el material fluorescente en la fibra óptica fluorescente está ubicado principalmente en el núcleo.

14. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que la fibra óptica fluorescente es una fibra óptica que tiene un recubrimiento fluorescente.

15. Sistema según cualquier reivindicación anterior, en el que la una o más fibras ópticas fluorescentes están conectadas al detector de luz por medio de una o más fibras ópticas no fluorescentes.

16. Sistema según cualquier reivindicación anterior, que comprende además una fuente de radiación externa 50 montada en o adyacente a la pala de turbina eólica configurada de manera que la radiación procedente de

la fuente de radiación incide sobre la pala de turbina eólica, en el que la longitud de onda de la radiación corresponde a la longitud de onda de excitación del material fluorescente en la una o más fibras fluorescentes.

17. Sistema según cualquier reivindicación anterior, que comprende además una fuente de radiación interna incrustada en la pala de turbina eólica adyacente a la una o más fibras ópticas fluorescentes, en el que la longitud de onda de la radiación corresponde a la longitud de onda de excitación del material fluorescente en la una o más fibras fluorescentes.

18. Sistema según la reivindicación 17, en el que la fuente de radiación interna comprende una fuente de luz y una o más fibras ópticas emisoras de luz conectadas a la fuente de luz.

19. Método de detección de un daño en una pala de turbina eólica (5) , comprendiendo el método las etapas de:

proporcionar una o más fibras ópticas fluorescentes (12, 32) en el material compuesto que forma la pala de turbina eólica, en el que la una o más fibras ópticas comprenden un material fluorescente que tiene una longitud de onda de excitación que se selecciona de manera que el material se ilumina por fluorescencia en caso de exposición a la radiación ambiental en la pala de turbina eólica;

conectar al menos un extremo de la una o más fibras ópticas a un detector de luz (14, 34) montado en la turbina eólica que comprende la pala de turbina eólica;

hacer funcionar el detector de luz para detectar luz emitida desde el material fluorescente en caso de exposición de la una o más fibras ópticas en la superficie de la pala como resultado de un daño en la pala y para emitir una señal cuando se detecta luz; y recibir la señal en un controlador.

20. Método según la reivindicación 19, que comprende además la etapa de hacer funcionar el detector de luz para detectar degradación en la luz recibida desde una o más de la fibras ópticas fluorescentes indicativa de erosión o rotura de las fibras ópticas fluorescentes.

21. Método según la reivindicación 19 ó 20, que comprende procesar la señal de salida en el controlador para 25 determinar la ubicación de la fibra óptica fluorescente expuesta.

22. Método según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21, que comprende incrustar la una o más fibras ópticas entre las capas de un material compuesto que forma la pala de turbina eólica.

23. Método según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 22, que comprende incrustar la una o más fibras ópticas cerca de la superficie externa de la pala de turbina eólica.

24. Método según la reivindicación 22 ó 23, que comprende incrustar la una o más fibras ópticas en el borde de ataque de la pala de turbina eólica.

25. Método según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 24 para detectar delaminación de un material compuesto que forma la pala de turbina eólica.

26. Método según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 24 para detectar erosión o corrosión de la superficie 35 de la pala de turbina eólica.

27. Método según cualquiera de las reivindicaciones 19 a 26, que comprende además proporcionar un material óptico entre la una o más fibras ópticas fluorescentes y la superficie de la pala, en el que en caso de exposición del material óptico a la radiación ambiental, el material transmite la radiación a la fibra óptica subyacente, provocando que la fibra óptica se ilumine por fluorescencia.

28. Pala de turbina eólica que comprende el sistema según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18.

29. Turbina eólica que comprende una o más palas de turbina eólica que incorporan el sistema según las reivindicaciones 1 a 18.