ES2325620T3 - Control de turbina eolica que tiene una aparato de medida de velocidad del viento de tipo lidar. - Google Patents

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Abstract

Una turbina eólica que tiene unos medios de lidar (10, 16, 18) para determinar la velocidad del viento, en la que los medios de lidar están montados en el cubo (6) de la turbina y tienen al menos una dirección de observación inclinada respecto a su eje (22) de rotación tal que cuando el cubo gira los medios de lidar exploran el área enfrente de la turbina, caracterizada porque los medios de lidar comprenden al menos un aparato de lidar multiplexado (11, 50, 54) que tiene más de una dirección de observación (32a,32b, 32c).

Description

Control de turbina eólica que tiene un aparato de medida de velocidad del viento de tipo lidar.
Esta invención se refiere a un sistema de control para una turbina eólica y a turbinas eólicas que tienen sistemas de lidar para proporcionar control de ángulo de ataque (inclinación) de paletas.
Las turbinas eólicas están aumentando en popularidad como unos medios para generar energía debido a su naturaleza renovable y ausencia de contaminación. Las turbinas eólicas tienen generalmente un rotor con dos o tres paletas conectado a un generador.
El rendimiento con el que una turbina eólica puede extraer potencia del viento dependerá de diversos factores. Es conocido que mantener una relación constante de velocidad de la punta a velocidad del viento puede mejorar el comportamiento funcional de algunas turbinas eólicas. Sin embargo, esto exige conocer la velocidad del viento. El documento US 4.331.881 describe un sistema de control de campo para generadores accionados por el viento en el que la velocidad del viento es determinada por un anemómetro, tal como un anemómetro de cazoletas, y la corriente eléctrica de campo del generador es controlada a fin de cargar la turbina para mantener una relación constante de velocidad de la punta a velocidad del viento.
Sin embargo, los anemómetros de cazoletas y similares padecen la desventaja de que, cuando están montados en la turbina, solo proporcionan una indicación de la velocidad del viento en la turbina. Alterar las características de turbina puede precisar una cantidad finita de tiempo y por tanto, idealmente, es necesaria la velocidad del viento a poca distancia enfrente de la turbina de modo que el ajuste correcto pueda ser implementado. Es conocido colocar anemómetros en mástiles delante de la turbina eólica pero, dado que la turbina gira para enfrentarse al viento, el mástil puede no estar situado siempre correctamente enfrente de la turbina.
Sistemas de radar por láser (Lidar) han sido conocidos durante muchos años para medir la velocidad y la dirección del viento. Típicamente, han empleados sistemas de láser de CO_{2} y han sido empleados satisfactoriamente en un intervalo extenso de aplicaciones. Típicamente, el lidar funciona dispersando radiación procedente de aerosoles naturales (polvo, polen, gotitas de agua, etc.) y midiendo el desplazamiento Doppler entre la radiación saliente y de retorno. Para medir la velocidad y la dirección del viento, es hacer que el lidar explore, usando típicamente una exploración cónica, de modo que el vector eólico puede ser intersecado en un intervalo de ángulos, permitiendo que el vector de velocidad verdadero (3D) sea deducido. Otros modelos de exploración podrían ser usados para determinar el vector verdadero siempre que la dirección de puntería del lidar sea conocida siempre con un grado alto de precisión. Tales lidares han sido usados para medir vórtices de estela, turbulencia y cortante del viento durante muchos años tanto en aplicaciones militares como civiles.
"Medida de velocidad Doppler por láser aplicada a la medición de viento local y global", J.M. Vaughan y P.A. Forrester, Ingeniería Eólica, Volumen 13, Nº 1,1.989, describe como un sistema de lidar puede ser usado para tomar mediciones del viento delante de una turbina eólica para permitir el control del ángulo de ataque de paletas para el funcionamiento más eficiente.
El documento WO98/42980 enseña que un anemómetro de láser puede ser montado en una turbina eólica a fin de seguir el movimiento de la góndola. En otras palabras, el sistema de lidar puede ser dispuesto, mediante montaje en la góndola por ejemplo, para observar siempre en la misma posición con respecto a la góndola. De este modo, el sistema de lidar siempre proporciona una indicación de la velocidad del viento a una cierta distancia a barlovento. Esto permite que un controlador ajuste un ángulo de ataque apropiado de paletas para la velocidad detectada del viento para mantener una relación constante de velocidad de la punta a velocidad del viento.
Sin embargo, los datos de velocidad del viento recogidos por el aparato descrito en el documento WO98/42980 son limitados y solo es permitido el control básico de la turbina eólica.
Por tanto, un objeto de la invención es proporcionar un sistema mejorado de control de turbina eólica.
Así, según la presente invención, se proporciona una turbina eólica que tienen unos medios de lidar para determinar la velocidad del viento según la reivindicación 1.
Es improbable que la velocidad del viento enfrente de una turbina sea un campo de velocidad uniforme del viento y las variaciones en la velocidad del viento a través del área barrida por las paletas pueden afectar al modo en el que funciona la turbina. Haciendo que los medios de lidar exploren a través del área enfrente de la turbina, o sea el área enfrente de la dirección en la que la góndola está apuntando actualmente, el campo de velocidad del viento puede ser determinado, lo que puede ayudar al control de la turbina eólica. Algunos ejemplos de esquemas de control mejorados serán descritos posteriormente.
Montar los medios de lidar en el cubo permite que la rotación del cubo, cuando es accionado por el viento, proporcione los medios motores de exploración. Esto no solo elimina la necesidad de mecanismos complejos de exploración sino que el montaje en cubo también significa que los medios de lidar no son obstruidos en ningún punto por las paletas de la turbina eólica, a diferencia de los sistemas montados en góndola.
Unos medios de lidar con una sola dirección de observación inclinada fuera del eje necesitará el tiempo requerido para una revolución del cubo para completar una exploración. Con turbinas eólicas grandes, la velocidad de rotación puede ser relativamente pequeña. Para asegurar que los datos de velocidad del viento son adquiridos desde todas las direcciones con frecuencia suficiente, los medios de lidar según la presente invención tienen una pluralidad de direcciones de observación. Por ejemplo, tres direcciones de observación de lidar, todas en el mismo ángulo o dispuestas de otro modo para explorar la misma área, podrían ser provistas separadas igualmente alrededor del cubo. Entonces, una revolución del cubo produciría que la misma área enfrente de la turbina sea explorada tres veces. Más de tres direcciones de observación podrían ser provistas como sea necesario, por ejemplo cuatro o seis direcciones.
Adicional o alternativamente, al menos dos direcciones de observación podrían ser dispuestas a fin de explorar áreas diferentes cuando el cubo es girado. Por ejemplo, dos direcciones de observación inclinadas en ángulos diferentes respecto al cubo explorarían áreas diferentes cuando el cubo es girado. De este modo, puede ser acumulada información más detallada sobre el campo eólico enfrente de la turbina. Por ejemplo, tres direcciones de observación podrían ser provistas en un ángulo respecto al eje de rotación y otras tres direcciones de observación provistas en un ángulo menor, estando cada grupo de tres direcciones de observación separadas equidistantemente alrededor del cubo. Esto produciría que sean trazados dos modelos cónicos de exploración. Una exploración correspondiente al cono exterior sería trazada por las tres direcciones de observación en el ángulo mayor y un cono interior sería trazado por las tres direcciones de observación en el ángulo menor. Ambos conos serían barridos tres veces en cada revolución. Una direc-
ción de observación también podría ser dispuesta para estar situada a lo largo de, o ser paralela a, el eje de rotación.
Según la presente invención, el coste de tener varias direcciones de observación es reducido utilizando un aparato de lidar multiplexado para proporcionar al menos algunas de las direcciones de observación. El aparato de lidar multiplexado tiene una fuente de láser pero dos o más conjuntos de ópticas de transmisión/recepción para permitir que los haces sean enviados en direcciones de observación diferentes. El aparato de lidar multiplexado puede ser la clase conmutada, donde un solo haz es conmutado cíclicamente en ópticas de transmisión/recepción diferentes, o de la clase de división de haz láser es dividido en haces de transmisión diferentes. La clase conmutada de lidar multiplexado necesitaría ser hecho funcionar al triple de la frecuencia de tres lidares separados de haz único para proporcionar el mismo nivel de datos. El tipo de división de haz puede funcionar de la misma frecuencia pero requiere un detector separado para cada canal y, evidentemente, la potencia de haz de salida es reducida.
Si es necesario, los medios de lidar podrían ser provistos de unos medios de exploración. En uso, los medios de exploración podrían explorar al menos una dirección de observación con respecto al cubo. Podrían ser usados unos medios de exploración relativamente simples, tales como un prisma o espejo rotatorio que, junto con la rotación del cubo, podrían proporcionar modelos de exploración complejos. Sin embargo, unos medios de exploración precisarían generalmente un sistema óptico móvil situado dentro del cubo, lo que añade complejidad.
Preferiblemente, al menos una dirección de observación está inclinada en el intervalo de 5º-20º respecto al eje de rotación y más preferiblemente dentro del intervalo de 10º-20º respecto al eje de rotación. Un ángulo fuera del eje en este intervalo, supóngase inclinada 15º sustancialmente respecto al eje de rotación, proporciona una buena exploración del campo eólico enfrente de la turbina. Esto permite que sea determinada la velocidad del viento en un campo de visión suficientemente extenso. Los cambios de viento pueden no proceder directamente de enfrente de la turbina eólica y monitorizar el campo de viento a través de un campo extenso de visión puede detectar los cambios de viento procedentes de fuera del eje.
La medición de campo eólico desde los medios de lidar es introducida preferiblemente en unos medios de control para controlar la turbina eólica. Un control útil es controlar el ángulo de ataque de las paletas del rotor.
Un uso para la presente invención es el control de ráfagas. Los cambios bruscos en la velocidad del viento en la turbina pueden ejercer carga indebida sobre una o más paletas y producir tensión incrementada. A su vez, esto puede causar fatiga, lo que produce un tiempo de vida útil más corto y mantenimiento más frecuente de la turbina. Usando un lidar, las ráfagas pueden ser detectadas bastante antes de que el cambio de viento llegue a la torre de turbina. Dado aviso suficiente (unos pocos segundos típicamente), las paletas podrían ser puestas en bandera (usando el control de ángulo de ataque común en las turbinas más grandes), reduciendo de tal modo la carga en exceso que causaría una ráfaga. De este modo, el desgaste podría ser reducido y la vida en funcionamiento ser extendida. En casos extremos, un mecanismo tal podría evitar que se produzcan daños.
Por su propia naturaleza, las ráfagas pueden no proceder directamente de enfrente de la turbina. Por tanto, el sistema de detección de ráfagas descrito en esto permite que los cambios de viento fuera de eje sean detectados también.
En una realización preferida, los medios de control están adaptados para alterar independientemente el ángulo de ataque de cada paleta cuando gira. Como la velocidad del viento aumenta normalmente con la altura, es muy habitual que la presión del viento en la paleta superior sea mucho mayor que en las paletas más bajas. Esto puede producir un desequilibrio en la carga sobre el tren de engranajes de transmisión. Sin embargo, las variaciones en la velocidad del viento sobre el disco podrían ser compensadas variando dinámicamente las paletas individuales durante cada rotación, o sea equilibrio de carga. Esto mejoraría el equilibrio en el tren de engranajes de accionamiento, reduciría el desgaste y aumentaría el tiempo de vida útil. Idealmente, un haz de lidar por paleta mediría la velocidad del viento enfrente del rotor en un punto inmediatamente enfrente de la posición que una paleta dada alcanzará en el momento que el viento llega a esa posición.
De acuerdo con regímenes de control diferentes, podría ser posible extraer más energía de un viento variable poniendo en bandera dinámicamente las paletas en el ángulo óptimo. Este tipo de control podría, por ejemplo, ser usado en conjunción con el equilibrio de carga. Cuando los vientos son relativamente débiles (y las cargas pequeñas), puede ser preferente variar el ángulo de ataque de cada paleta cuando gira alrededor a fin de extraer la cantidad máxima de energía del viento. Por supuesto, esto sería contrario a los principios del equilibrio de cargas pero con velocidades moderadas del viento esto puede no ser tan importante. Sin embargo, cuando la velocidad del viento aumenta, especialmente por encima de la necesaria para potencia máxima de salida, entonces el régimen de control podría conmutar en cambio a equilibrio de carga. De este modo, el mismo sensor de lidar podría ser usado para hacer máxima la producción de energía en la mayoría de las condiciones mientras proporciona mayor protección en vientos fuertes y extremos.
Aunque la realización según la invención usa unos medios de lidar montados en el cubo, sería posible montar los medios de lidar en otra parte. Por ejemplo, un sistema de lidar que no es el tema de la presente solicitud podría ser montado en la góndola y la dirección de observación ser dirigida hacia un espejo situado en el cubo sobre el eje de rotación. Entonces, la rotación del cubo exploraría el espejo y proporcionaría exploración fuera del eje. Esto podría ser conseguido dirigiendo un haz de lidar a través de un eje principal hueco. Algunas turbinas tienen cajas de engranajes desplazadas y tienen ejes principales huecos. Alternativamente, un sistema óptico de exploración podría ser montado en la góndola. Direcciones múltiples de observación de lidar pueden ser empleadas alrededor de la góndola y exploradas en direcciones diferentes para explorar el campo eólico enfrente de la góndola. Por tanto, según un segundo aspecto de la invención, se proporciona una turbina eólica que tiene unos medios de lidar dispuestos para explorar el área enfrente de la turbina en una pluralidad de direcciones de observación. Preferiblemente, los medios de lidar son un aparato de lidar multiplexado, o sea un aparato de lidar que tiene un solo láser acoplado a dos o más conjuntos de ópticas de transmisión/recepción.
Por tanto, la presente invención observa a barlovento y explora el campo eólico delante de la turbina eólica a fin de permitir su control. Sin embargo, también es beneficioso montar un sistema de lidar que observa a sotavento de la turbina eólica, o sea que observa hacia atrás. Este sistema de lidar no es el tema de la presente solicitud. Montando un lidar orientado hacia atrás, puede recogerse información sobre el campo eólico después de que ha pasado la turbina, o sea la estela de la turbina. Esta información incluiría información sobre la turbulencia causada por la turbina eólica. El conocimiento del flujo en la estela de la turbina puede ayudar a modelar el comportamiento funcional de la turbina que podría ser usado en un sistema de control para optimizar el comportamiento funcional. Preferiblemente, el lidar que observa hacia atrás puede ser un lidar de exploración para explorar la región que interesa.
Un refinamiento adicional sería usar los medios de lidar de exploración para cuantificar la entrada de energía a la turbina eólica. Esto podría proporcionar una medición del campo eólico más exacta que las técnicas actuales de anemómetros montados en mástiles y sería independientemente de la orientación acimutal de la turbina. Asimismo, proporcionaría una medida de la energía de viento de entrada más exacta que un solo haz de observación fija como se describe en el documento WO98/42980. Tal información podría ser usada para proporcionar una determinación exacta de la curva de potencia de la turbina (una medida importante del comportamiento funcional de la turbina). La curva de potencia podría ser monitorizada continuamente por un sistema de lidar incrustado diseñado para el equilibrio de cargas o la protección contra ráfagas como se describió antes. Alternativamente, la curva de potencia podría ser medida usando unos medios de lidar separados diseñados para ser montados temporalmente en un turbina específicamente para este fin y después ser movidos de turbina a turbina efectuando mediciones como sea necesario.
La invención será descrita ahora, a modo de ejemplo solamente, con respecto a los dibujos siguientes, de los que:
la Figura 1 muestra un esquema de un lidar montado fuera del eje en el cubo de una turbina eólica,
la Figura 2 muestra la vista frontal del cubo y las paletas de una turbina eólica provista de tres direcciones de observación de lidar,
la Figura 3 muestra un esquema de un aparato de lidar montado en el cubo de una turbina eólica, y
la Figura 4 muestra el esquema de un aparato de lidar multiplexado que tiene una pluralidad de direcciones de observación.
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La Figura 1 ilustra una turbina eólica que tiene un sistema de lidar montado en el cubo y que tiene una dirección de observación inclinada respecto a su eje de rotación. La turbina consta de una torre 2 que soporta una góndola 4. La góndola 4 está conectada a un cubo rotatorio 6 que soporta las paletas 8. Tres paletas son corrientes en las turbinas eólicas modernas.
La góndola 4 es capaz de girar al menos parcialmente en un plano ortogonal a la torre 2 de modo que la turbina siempre se enfrenta al viento para extracción de potencia máxima. El ángulo de ataque de las paletas 8 es controlable por un actuador situado en el cubo a fin de variar la fuerza experimentada por las paletas. Típicamente, el ángulo de ataque de las paletas es variado para hacer máxima la extracción eficiente de potencia pero en vientos fuertes las paletas pueden ser puestas en bandera para proteger la turbina.
El documento WO98/42980 describe como un anemómetro de láser puede ser montado en la góndola 4 a fin de determinar la velocidad del viento a una cierta distancia enfrente de la turbina, lo que avisa por adelantado de las condiciones del viento y prevé la acción apropiada a ser emprendida.
Sin embargo, el campo eólico enfrente de una turbina no es habitualmente uniforme. Esto puede producir condiciones diferentes que se aplican a través del disco barrido por las paletas 8, especialmente con las turbinas grandes que son construidas actualmente. Por ejemplo, es habitual que la velocidad del viento aumente cuando se avanza hacia arriba desde el suelo. Por tanto, la carga de la(s) paleta(s) en la parte superior de la turbina puede ser mayor que la de la paleta o paletas más bajas. Esto puede crear un desequilibrio de cargas. En vientos fuertes, este desequilibrio de carga puede ser significativo y puede producir desgaste excesivo en la transmisión de turbina. En vientos menos fuertes, el desequilibrio de cargas puede no ser grande pero el ángulo de ataque determinado para la velocidad del viento en medio del disco barrido por las paletas puede no ser la más eficiente.
Asimismo, las ráfagas pueden no proceder directamente de enfrente de la turbina y, por tanto, las ráfagas procedentes de fuera del eje pueden llegar a la turbina y causar daños.
Por tanto, en una realización de la presente invención, un lidar está situado en el cubo 6 y está inclinado con su dirección de observación fuera del eje. Esto es mostrado con más detalle en la Figura 3.
La cabeza y electrónica 10 de lidar, o sea la fuente y el detector de láser, están situadas en una unidad sellada sobre el eje de rotación para minimizar la vibración. Las conexiones, 12 y 14 respectivamente, con una fuente de alimentación y la unidad de control en la góndola (no mostrada) son por vía de anillos de rozamiento entre el cubo y la góndola. Alternativamente, la salida del lidar podría ser comunicada por un enlace de fibra óptica o por comunicación inalámbrica. La unidad de control puede estar situada en el cubo con la unidad de lidar, aunque todavía puede desearse comunicar al exterior los datos de velocidad del viento, por ejemplo a una unidad central de control con fines de monitorización.
Una fibra óptica 16 enlaza la cabeza de lidar con la óptica de transmisión y recepción (el telescopio 18). El telescopio 18 está situado dentro de un tubo 20 y ubicado formando un ángulo con el eje 22 de cubo. El tubo reduce la cantidad de polvo y precipitación que llega a la ventana óptica frontal 24 a través de la abertura 26 en el cubo. Agujeros 28 de drenaje en el tubo 20 mantienen seco el tubo. En la práctica, esto podría no ser suficiente y para mantener una superficie frontal limpia en la óptica, podría ser mejor impulsar aire seco limpio de salida a través del tubo. Probablemente, sería suficiente un compresor pasivo sencillo que use el viento incidente pasado a través de un filtro y secador. De otro modo, un ventilador activo podría ser empleado. También puede ser prudente, particularmente en regiones costeras done se producen depósitos de sal, incorporar una capacidad sencilla de lavado-barrido tal como es usada frecuentemente para limpiar los faros de muchos automóviles.
Por tanto, la rotación del cubo debida al viento hará que el lidar explore alrededor del área enfrente de la turbina. Refiriéndose nuevamente a la Figura 1, puede verse que un modelo 30 de exploración cónica es obtenido por un solo lidar inclinado en un ángulo con respecto al eje.
La elección de ángulo de desviación (respecto al eje del cubo) dependerá del grado en el que se espera que las ráfagas de viento lleguen en ángulos anormales. También dependerá de la elección de posición de muestreo enfrente de las paletas de turbina. Estos parámetros variarán de un diseño de turbina a otro y también pueden variar con el emplazamiento exacto de la turbina. Un mecanismo de enfoque sencillo en el telescopio permitirá que la posición de sonda de lidar sea ajustada fácilmente, durante la instalación o dinámicamente durante el funcionamiento de la turbina. Un ángulo de \pm 15º aproximadamente con respecto al eje proporcionaría buena cobertura.
La persona experta comprenderá que podría ser usado cualquier sistema de lidar capaz de determinar la velocidad del viento. Sin embargo, un sistema de lidar particularmente útil es descrito en el documento WO01/35117, especialmente la realización descrita en la página 5, línea 25, a la página 7, línea 16.
Con turbinas eólicas grandes, la velocidad de rotación del cubo puede alcanzar valores tan pequeños como 10 revoluciones por minuto y las turbinas más grandes pueden tener velocidades de rotación aún más pequeñas. Por tanto, un solo lidar con una sola dirección de observación necesitaría 6 segundos aproximadamente para completar una exploración. Esto bien puede ser demasiado lento para proporcionar datos útiles del campo eólico para control de la turbina.
Por tanto, según la presente invención, se propone proporcionar un sistema de lidar con direcciones de observación múltiples. La Figura 2 ilustra una vista frontal de un cubo provisto de tres direcciones de observación de lidar. En este ejemplo, las tres direcciones de observación están todas dispuestas de modo que el área explorada por cada dirección de observación es la misma y las direcciones de observación están separadas equidistantemente. Refiriéndose nuevamente a la Figura 1, tal disposición exploraría el área de exploración cónica tres veces en cada revolución o, en otras palabras, cada parte de la exploración sería repetida cada 2 segundos, lo que proporcionaría información suficien-
te.
Por supuesto, más direcciones de observación podrían ser usadas si se desea, seis direcciones de observación que repiten la misma exploración proporcionarían una actualización cada segundo. Las direcciones de observación también podrían ser dispuestas para explorar partes diferentes del campo eólico para proporcionar información más completa. Una dirección de observación podría ser dispuesta incluso en, o paralela a, el eje del cubo.
Obtener un número de direcciones de observación podría ser conseguido fácilmente disponiendo un número de sistemas de lidar como se describió antes, teniendo cada uno una disposición de telescopio, como se describió con referencia a la Figura 3, que apunta en una dirección diferente.
Sin embargo, en algunas circunstancias puede desearse usar un aparato de lidar multiplexado. Un aparato de lidar multiplexado es uno que tiene una sola fuente de láser conectada a dos o más conjuntos de ópticas de transmisión/recepción. Por ejemplo, la cabeza 10 de lidar en la Figura 3 podría estar enlazada, supongamos, con tres telescopios dispuestos de modo diferente.
La Figura 4 muestra un esquema de un aparato adecuado de lidar multiplexado.
Una fuente 11 de láser emite un haz láser que es acoplado al interior de un cable 42 de fibra óptica. Un divisor 44 de haz está dispuesto y dirige una fracción pequeña de la potencia de láser como una señal de oscilador local al cable 46 de fibra óptica, y la potencia óptica restante es dirigida al cable 48 de fibra óptica. Una persona experta en la técnica reconocería que la potencia óptica de la señal de oscilador local sería ajustada convenientemente para proporcionar dominación optimizada de ruido de granalla en el detector.
Un divisor 50 de haz de tres vías divide igualmente la potencia láser incidente desde el cable 48 de fibra óptica entre los cables 52a, 52b y 52c de fibra óptica que, a su vez, están acoplados a los transceptores 54a, 54b y 54c. Cada uno de los transceptores 54 transmite la radiación láser, y también extrae cualquier radiación recibida (o sea, la radiación reflejada de vuelta a él desde un objeto) a su cable 56 de fibra óptica respectivo.
Los mezcladores ópticos 58 mezclan coherentemente la radiación recibida de cada uno de los cables 56 de fibra óptica con la señal de oscilador local provista por el divisor 44 de haz. Las señales mezcladas coherentemente resultantes son extraídas, a lo largo de los cables 59 de fibra óptica, a cada uno de los medios 27 de detección respectivos. Un ordenador personal (o procesador dedicado) 60 procesa los datos provisto por cada uno de los medios 27 de detección que generan datos de distancia o velocidad como sea necesario. Así, el dispositivo proporciona tres mediciones simultáneas de distancia y/o velocidad para los tres transceptores; sin embargo, esto es a costa de que cada transceptor precisa sus propios medios 27 de detección.
Alternativamente, en lugar del divisor 50 de haz, un conmutador óptico podría ser provisto para recibir radiación desde el cable 48 de fibra óptica, y dirigir esa radiación a uno cualquiera de los transceptores 54a, 54b y 54c por vía de los cables 52a, 52b o 52c de fibra óptica respectivos. Cada transceptor 54 también acopla cualquier radiación recibida (o sea, cualquier radiación devuelta) de vuelta al interior de los cables 52 de fibra óptica pertinentes, y el conmutador óptico dirigiría entonces esta radiación desde el cable 52 de fibra óptica seleccionado a un cable de fibra óptica para mezcla con la señal de oscilador local y transmisión a un solo detector. La información de distancia y velocidad, como sea necesario, puede ser calculada entonces por el ordenador personal 60 para el transceptor seleccionado particular.
Así, el conmutador óptico tendría el efecto de encaminar potencia óptica a un transceptor y encaminar la señal de retorno recibida por ese transceptor a los medios 27 de detección, proporcionando de tal modo información de distancia o velocidad. Conmutando el conmutador óptico, los transceptores pueden ser activados secuencialmente, permitiendo que sean realizadas mediciones casi simultáneas.
El conmutador óptico podría ser cualquier dispositivo que sea capaz de encaminar señales ópticas sin ninguna pérdida significativa de la información de coherencia. Tales conmutadores son usados corrientemente en el campo de las telecomunicaciones.
El resultado de la medición de campo eólico podría ser usado entonces para proporcionar control mejorado de la turbina eólica. Como se mencionó, las ráfagas procedentes de fuera del eje pueden ser detectadas y la paletas de la turbina ser puestas en bandera para impedir daños.
Sin embargo, la medición de las velocidades de viento diferentes a través del disco barrido por las paletas permitiría que el ángulo de ataque de cada paleta individual sea alterado cuando gira. Como se mencionó, las turbinas más grandes tienen velocidades de rotación más bajas y es posible ajustar el ángulo de ataque de la paleta cuando gira.
El ángulo de ataque de las paletas podría ser movido entonces para controlar la carga a través de las paletas y conseguir el equilibro de cargas. Esto sería útil en vientos fuertes como se mencionó para impedir el desgaste excesivo de la transmisión. En vientos menos fuertes, cuando el equilibrio de cargas no es un problema y rendimiento máximo es necesario, el ángulo de ataque de cada paleta podría ser alterado para asegurar que está funcionando con rendimiento máximo durante toda la revolución.
También es importante determinar si los frentes de ráfagas mantienen su coherencia durante los pocos centenares de metros enfrente de la turbina eólica. El lidar de la presente invención permite la identificación del frente de ráfaga a cierta distancia seguida por explorar más cerca de la turbina para esperar su llegada. La propagación de ráfagas puede ser monitorizada correlacionando las velocidades del viento a las diferentes distancias. Los ajustes de puerta telemétrica pueden ser variados para examinar la correlación en distancias diferentes y medir el retardo en el tiempo de llegada que permite el control apropiado de la turbina. Los datos recogidos por la turbina también pueden ser descargados para análisis a plazo más largo que produce mejoras en el diseño de turbina.
El flujo de aire detrás del plano de rotor también es interesante para los fabricantes de turbinas y los constructores de emplazamientos de granjas eólicas. Una característica detallada de este flujo en la estela ayudaría a modelar el comportamiento funcional de la turbina y podría ser usada en un sistema de control para controlar los ajustes de turbina para funcionamiento óptimo. Además, al emplazar turbinas individuales dentro de una granja eólica, debe apreciarse el denominado efecto de sombreado de una turbina eólica, o sea el efecto sobre el flujo eólico que una turbina tiene que puede afectar a otras turbinas situadas a sotavento. Realmente, en granjas eólicas existentes, la medición de la estela desde una turbina podría ser usada para controlar esa turbina u otras turbinas a fin de hacer máximo el rendimiento de la granja eólica como un todo. Así, un sistema de lidar puede ser montado en la turbina eólica a fin de medir el flujo de aire a sotavento de la turbina eólica, o sea un lidar que observa hacia atrás puede ser montado en, o dentro de, la góndola de una turbina eólica. Preferiblemente, el lidar es un lidar de exploración para explorar la región que interesa detrás de la turbina, por ejemplo para sondear la región que es afectada probablemente por el sombreado. Alternativamente, sistemas de lidar múltiples, o un lidar con direcciones de observación múltiples, pueden ser usados para observar puntos fijos en el espacio con respecto a la góndola, en la región a sotavento.
La información recogida por un sistema de Lidar que apunta a sotavento sería útil como se ha mencionado para análisis del comportamiento funcional de turbinas eólicas que podrían ser usadas para diseñar turbinas mejores en el futuro. Comprender la estela desde turbinas eólicas también sería beneficioso para comprender el emplazamiento de granjas eólicas y los efectos que tienen sobre el medio ambiente así como mejorar el emplazamiento de turbinas individuales dentro de una granja eólica.

Claims (6)

1. Una turbina eólica que tiene unos medios de lidar (10, 16, 18) para determinar la velocidad del viento, en la que los medios de lidar están montados en el cubo (6) de la turbina y tienen al menos una dirección de observación inclinada respecto a su eje (22) de rotación tal que cuando el cubo gira los medios de lidar exploran el área enfrente de la turbina, caracterizada porque los medios de lidar comprenden al menos un aparato de lidar multiplexado (11, 50, 54) que tiene más de una dirección de observación (32a,32b, 32c).
2. Una turbina eólica según la reivindicación 1, en la que al menos una dirección de observación está inclinada en un ángulo dentro del intervalo de 5º a 20º con respecto a eje (22) de rotación.
3. Una turbina eólica según la reivindicación 2, en la que al menos una dirección de observación está inclinada en un ángulo dentro del intervalo de 10º a 20º con respecto al eje (22) de rotación.
4. Una turbina eólica según cualquier reivindicación precedente, comprendiendo además unos medios de control, sensibles a la salida de los medios de lidar, para controlar el ángulo de ataque de las paletas (8) de rotor.
5. Una turbina eólica según la reivindicación 4, en la que los medios de control están adaptados para poner en bandera las paletas (8) de rotor cuando se detectan ráfagas de viento entrantes.
6. Una turbina eólica según la reivindicación 4 o la reivindicación 5, en la que los medios de control están adaptados para alterar independientemente el ángulo de ataque de cada paleta (8) cuando gira.
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