SISTEMA Y METODO PARA LA DETECCION DE HIELO EN AEROGENERADORES UTILIZANDO SENSORES DE RADIACION SOLAR.

La presente invención define un sistema y método que tiene como objetivo medir la radiación solar directa recibida por un aerogenerador para detectar la formación de hielo.

El valor medido se compara subsiguientemente con una curva de radiación teórica en la que los valores medidos en un día nublado están claramente por debajo de las curvas teóricas. La detección se realiza considerando la presencia de nubes y la temperatura. Los parámetros medidos son preferentemente la transmitancia solar directa y la temperatura ambiente.

SISTEMA Y MÉTODO PARA LA DETECCIÓN DE HIELO EN AEROGENERADORES UTILIZANDO SENSORES DE RADIACIÓN SOLAR

CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un sistema y un método

para la detección de la formación de hielo en

aerogeneradores, especialmente en palas del rotor, que

utiliza sensores de la radiación directa del sol.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Debido a la presencia de parques eólicos en zonas frías, a veces es necesario implementar sistemas y métodos que sean capaces de detectar anomalías en la curva de potencia asociada a la formación de hielo o escarcha en las palas de los aerogeneradores y en otros componentes principales.

La acumulación de hielo en los aerogeneradores supone un problema grave en las zonas de climas frío que reduce la producción de energía y asimismo acorta el tiempo estimado de vida útil de los componentes principales en los aerogeneradores. Estos pueden verse afectados por diversos tipos de hielo, como la escarcha, lluvia subenfriada, nieve húmeda, rime, etc.

Además este no es un problema que sólo suceda en climas fríos ya que puede darse en gran número de condiciones diferentes. El hielo puede encontrase en áreas costeras, principalmente en latitudes altas, y también en terreno montañoso. El problema principal en áreas de montaña o cercanas a las cimas de colinas es la formación de hielo cuando la base de las nubes se sitúa a una altura o altitud inferior al del centro o nacelle del

aerogenerador. Dicho acontecimiento se llama formación de hielo dentro de una nube, "in-cloud icing". La precipitación de nieve es otra causa conocida en la formación de hielo. Ambos casos normalmente muestran condiciones de nubosidad como factor común. De otro lado se puede demostrar que la formación de hielo no aparece en cielos despejados.

Los estándares conocidos, tal como la norma ISO 12494, definen varios tipos de hielo y las condiciones meteorológicas necesarias para su formación. Entre las variables empíricas encontramos la velocidad y dirección del viento, la temperatura y la duración de la condición de presencia de la nube en el aerogenerador. Estos sistemas típicamente utilizan higrómetros basados en el principio de que el contenido de vapor de agua dentro de la nube está muy cercano o es superior a la presión de saturación del vapor. Ello significa que la humedad relativa es por lo general superior al 95 %. Sin embargo dichos sistemas no son del todo fiables. En zonas costeras y en parques eólicos en el mar, "off shore", los valores de humedad relativa pueden ser altos en todo momento, incluso sin la presencia de ninguna nube.

Uno de tales sistemas se describe en el documento de patente US7086834. Se trata de un método para la detección de hielo en una pala de rotor que incluye el seguimiento de las condiciones meteorológicas y las características físicas de la turbina que pueda causar un desequilibrio de masa entre palas del rotor.

Es por tanto también objeto de la presente invención proponer un sistema y un método capaces de detectar condiciones de nubosidad en un parque eólico que no sufra los inconvenientes del estado de la técnico y de poder agregar una señal de control a un algoritmo de control para la detección de hielo de manera precisa.

Otro de los objetos de la presente invención es el proponer un sistema y método alternativo que sea simple y fiable y que no acaree problemas de calibración.

RESUMEN DE LA INVENCION

La presente invención tiene como propósito medir la radicación solar recibida por un aerogenerador con el fin de detectar la formación de hielo. Los valores medidos son posteriormente comparados a una curva de radiación teórica en la que los valores medidos en un día nuboso serán claramente menores de aquellos procedentes de las curvas teóricas. La detección de hielo se lleva a cabo considerando preferentemente la presencia de nubes y las bajas temperaturas.

La presente invención define un sistema de detección de hielo que comprende una entrada de temperatura para una señal que representa la temperatura ambiente en el lugar

de dicho aerogenerador, y que comprende un sensor de

radiación solar directa situado cerca de o sobre el

aerogenerador, y que adicionalmente comprende medios de

cálculo de la transmitancia para calcular un parámetro

Preferentemente el sensor de radiación solar directa comprende un sensor de temperatura de radiación parcialmente o totalmente expuesto a la radiación solar directa, en el que los medios de cálculo de la transmitancia se basan en la diferencia entre los valores medios de dicho sensor de temperatura de radiación solar y de la temperatura ambiente.

Dicha referencia predeterminada se basa ventajosamente en el valor de radiación solar directa recibió sobre o en el lugar de la turbina en un día sin presencia de nubes. Además dicho valor de referencia predeterminado puede basarse en la ecuación de Hottel. Dicho sensor de radiación es preferiblemente un piranómetro.

La presente invención se utiliza preferiblemente en sistemas de control de aerogeneradores que comprenden medios de entrada para recibir una alarma y señales de salida de dichos sistemas de detección de hielo, y medios de actuación para controlar la operación de los aerogeneradores basados en dicha alarma y señales de salida.

La presente invención también incluye un método de detección de hielo para un aerogenerador que comprende los pasos de proveer una señal que represente la temperatura ambiente en el lugar de dicho aerogenerador, y de medir la radiación solar directa cerca de o sobre tal aerogenerador, y de calcular un parámetro relacionado con el valor de la transmitancia de la radiación solar directa basado en una medida de la radiación directa y en un valor de referencia predeterminado, y generar un señal de detección de hielo basada en dicho valor de la transmitancia y dicha temperatura ambiente en el lugar del aerogenerador.

Preferentemente en el método de detección de hielo de la presente invención el paso de medir la radiación solar directa cerca de o sobre el aerogenerador incluye el paso de medir la temperatura de un sensor al menos parcialmente expuesto a la radiación solar directa, y el paso de calcular un parámetro relacionada con el valor de la

transmitancia de la radiación solar directa se basa en la

diferencia entre la temperatura del sensor al menos

parcialmente expuesto a la radiación solar directa y la

temperatura ambiente.

FIGURAS

La figura la muestra una gráfica de la radiación incidente del sol con respecto al tiempo y que compara el modelo de Hottel con datos experimentales obtenidos en días claros sin nubes.

La figura lb muestra la radiación incidente del sol con respecto al tiempo y que compara el modelo de Hottel y datos experimentales obtenidos en un día nublado.

La figura 2 muestra la localización de dos sensores de temperatura situados sobre la nacelle del aerogenerador.

DESCRIPCION DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS

Uno de las realizaciones de la presente invención se basa en el uso de piranómetro térmicos. Dichos instrumentos son capaces de medir la radiación recibida ( 5) en un lugar concreto de la superficie terrestre. Es sabido que el sol emite grandes cantidades de energía por unidad de tiempo desde su superficie. Dicha cantidad es de aproximadamente 1367 W/m2 en el tope de la atmósfera para un plano normal

a la radiación del sor incidente ( 5) . Sin embargo, la

cantidad de radiación se reduce enorme mente cuando es

recibida a nivel del mar. Una...

l. Sistema para la detección de hielo en aerogeneradores que comprende:

-al menos una entrada de señal de temperatura que represente la temperatura ambiente (2) en el lugar de dicho aerogenerador (4) , caracterizado por -al menos un sensor de radiación solar directa (1) situado alrededor de o sobre dicho aerogenerador (4) , y

-medios de cálculo de la transmitancia para calcular un parámetro relacionado con el valor de la transmitancia solar directa basado en la medida de una valor medido de la radiación solar directa ( 5) y un valor de referencia predeterminado,

-medios de detección de hielo para generar una señal de detección de hielo basada en dicho valor de transmitancia y dicha temperatura ambiente (2) en el lugar del aerogenerador (4) .

O 2. Sistema de detección de hielo según la reivindicación 1, en la que -dicho sensor de radiación solar directa (1) comprende un sensor de temperatura de radiación solar directa a menos parcialmente expuesto a la radiación solar directa (5) , y

en el que -dichos medios de cálculo de transmitancia se basan en la diferencia de los valores medidos de por dicho sensor de temperatura de radiación solar y dicha temperatura ambiente (2) .

3. Sistema de detección de hielo según la reivindicación 1, en la que -dicho valor predeterminad de referencia se basa en el valor de la radiación solar directa (5) recibida sobre o cerca del lugar donde está el aerogenerador en un día sin la presencia de nubes.

4. Sistema de detección de hielo según la reivindicación 3 en el que dicho valor de referencia predeterminado se basa en la ecuación de Hottel.

5. Sistema de detección de hielo según la reivindicación 1 donde -dicho sensor de radiación solar directa situado cerca de

o sobre el aerogenerador (4) comprende al menos un piranómetro.

6. Sistema de detección de hielo según la reivindicación

7. Un sistema de control para un aerogenerador (4) que tiene un sistema de detección de hielo según la

1, que comprende

- al meanos un sensor de temperatura ambiente (2) para

medir la temperatura ambiente (2) en el lugar de dicho

aerogenerador (4) y

- medios para enviar dicho valor de temperatura ambiente

(2) a dicha entrada de temperatura ambiente (2) .

reivindicación 1, que comprende -medios de entrada para recibir señales de alarma y de salida de dicho sistema de detección de hielo, y -actuadores para controlar la operación del aerogenerador basados en dicha alarma o señales de salida.

8. Parque eólico que tiene un sistema de detección de hielo según la reivindicación 1, donde -dicho sistema de detección de hielo se sitúa sustancialmente a la misma altura que los bujes o nacelles

9. Parque eólico que tiene un sistema de detección de

hielo según la reivindicación 1, donde

dicho sistema de detección de hielo se sitúa sobre al

menos una nacelle ( 3) de un aerogenerador localizado

dentro del parque eólico.

10. Método de detección de hielo en un aerogenerador que comprende los pasos de: -proporcionar al menos una señal representativa de la temperatura ambiente ( 2) en el lugar de dicho aerogenerador ( 4) ' caracterizado por -medir la radiación solar directa cerca de o sobre dicho aerogenerador (4) , y -calcular un parámetro relacionado con el valor de la transmitancia de la radiación solar directa basado en un valor medido de la radiación solar directa y un valor de referencia predeterminado, y -generar una señal de detección de hielo basada en dicho valor de transmitancia y dicha temperatura ambiente (2) en el lugar del aerogenerador (4) .