ES2327696B2 - Sistema de supresion y anulacion de ruido en aerogeneradores. - Google Patents
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Abstract
Sistema de supresión y anulación de ruido en
aerogeneradores formado por micrófonos dispuestos por toda la
envergadura de las palas y de las torres que captan el ruido y
transmiten la señal generada a un módulo de análisis que controla
fuentes de alimentación eléctrica que generan señales eléctricas de
sonido de la misma frecuencia y amplitud pero de fase opuesta, ambos
dispuestos en la nacelle. Las fuentes de alimentación eléctrica
transmiten dichas señales a unos altavoces también situados en las
palas y en las torres, de forma que se produce la cancelación del
ruido generado por el rotor y su interacción con la torre.
Description
Sistema de supresión y anulación de ruido en
aerogeneradores.
La presente invención se refiere al campo de
actividad de los aerogeneradores y específicamente a la mitigación
de los efectos del ruido emitido por los mismos.
Con el incremento en la utilización de
emplazamientos destinados a la instalación de aerogeneradores se ha
vuelto muy común tener éstos relativamente cerca de áreas
habitadas.
En este momento, el estado actual de la
tecnología obliga a recurrir a la limitación de la velocidad a la
que las diferentes secciones de la pala atraviesan el aire,
limitando o bien el diámetro del rotor o bien la velocidad de
rotación del aerogenerador. Esto tiene como resultado la limitación
de la potencia del aerogenerador.
El principal objetivo de la invención a
continuación expuesta es la eliminación parcial o total del ruido
producido por el aerogenerador en su punto de origen, esto es, sus
propias palas. A tal fin, se proporcionan medios para emitir sonido
que bien. parcial o totalmente anule los componentes de la
frecuencia principal del sonido emitido por el aerogenerador en un
campo de acción grande. También es un objetivo de esta invención
mitigar el ruido del aerogenerador en determinados puntos de
recepción en el campo de acción.
Cuando dos fuentes de sonido están emitiendo a
la misma amplitud y frecuencia pero con fases opuestas, los
patrones de interferencia generados resultarán en una amplificación
en algunos puntos y en una anulación en algunos otros. Si las dos
fuentes de sonido están situadas muy próximas entre si, y la
amplitud de onda del sonido que emiten es grande comparada a la
distancia que separa ambas fuentes en el espacio, entonces esta
situación conducirá a una supresión del sonido en casi todo el
campo de acción. Si una de las fuentes es el generador de ruido,
como por ejemplo una sección de la pala de un aerogenerador, y la
otra es el altavoz
anti-ruido-altavoz de anulación de
sonido-, entonces el ruido generado por esa sección de la pala será
anulado en esa frecuencia en casi todo el campo de acción, si las
condiciones arriba mencionadas se cumplen.
Análogamente, las ondas de presión producidas
por sonidos de baja frecuencia generadas en la torre por su
interacción con las palas al pasar frente a ella serán anuladas
prácticamente en todo el campo de acción. Esto es debido a que los
sonidos de baja frecuencia tienen una longitud de onda muy grande y
a la relativamente corta distancia entre la onda anuladora del
altavoz y el punto de origen de la onda, que puede ser la torre o
la pala.
Se estima que con la tecnología de altavoces
actual, especialmente con los altavoces planos, este sistema de
anulación de sonido podría ser usado para frecuencias del orden de
varios miles de hercios. Frecuencias más altas requerirían
micrófonos y altavoces más pequeños.
Se estima así mismo que la energía consumida por
todo el ruido emitido por un aerogenerador es insignificante
comparada con la energía generada por éste y por lo tanto la
electricidad consumida por el sistema de anulación de ruido, que es
del mismo orden, debería tener un efecto despreciable en la
electricidad útil generada por el aerogenerador.
Aerocustics Engineering Limited describe en su
página web un proyecto dónde se utilizan técnicas de cancelación
activa del ruido siendo las principales diferencias el hecho de que
los micrófonos y altavoces no estén situados en los álabes del
rotor del ventilador, sino que se posicionan en forma fija en sus
alrededores, a diferencia de la presente memoria en que micrófonos y
altavoces están montados en el aerogenerador con distribución
especifica y combinación especifica entre grupos de micrófonos y
altavoces. Como se explica más adelante esto es necesario por
razones del efecto de cancelación de ruido en "punto de
origen".
La patente FR 2707415 divulga un dispositivo de
disminución de ruido aplicado en un helicóptero. El dispositivo
comprende medios para la medida de las vibraciones acústicas y una
fuente sonora en antifase constituida por varios altavoces. Aunque
el documento considera la posibilidad de que los altavoces giren
con el rotor del helicóptero no establece su posicionamiento en las
palas, como en el caso de la presente memoria.
La patente US 5448645 divulga un dispositivo de
cancelación aplicado a un ventilador. El dispositivo comprende un
micrófono fijo que se posiciona próximo a la parte exterior de los
álabes y un conjunto de altavoces que no gira con el rotor, di
tribuidos simétricamente.
La presente invención implica, para el sistema
de anulación de sonido, el uso de micrófonos u otros medios para
detectar el ruido generado por los diferentes componentes del
aerogenerador y el uso de medios para analizar características de
ese ruido tales como los componentes de la frecuencia, su amplitud
y sus fases respecto de las señales de tiempo establecidas como
marco de referencia: Adicionalmente, incluye uno o varios
amplificadores de potencia que accionan a uno o varios altavoces
potentes, preferentemente de tipo piano. Dichos amplificadores de
potencia están controlados por los medios de análisis que generan
señales de sonido de la misma frecuencia y amplitud que los
componentes de la frecuencia principal del ruido generado,
determinados por la transformada de Fourier de dicha señal de
ruido.
Teniendo de referencia una señal de tiempo
tomada como el origen cero, se obtienen, analizan y almacenan
periódicamente en un periodo de "T" segundos los datos del
ruido, siendo este periodo tan corto como sea posible. Los medios
de análisis del ruido del aerogenerador se configuran de tal modo
que la señal acústica emitida por los altavoces en un periodo
"Ti" son restados de la señal del ruido detectada por los
micrófonos en el siguiente periodo "Ti+1". Después de esta
sustracción, se analiza la resultante diferencia entre la señal y
la señal de sonido supresora con la misma amplitud y frecuencia y en
oposición de fase respecto de los componentes de la frecuencia
principal del sonido, determinados por la transformada de Fourier
de dicha señal resultante, trasmitiéndolo al amplificador de
potencia en el periodo "Ti+1". De este modo el efecto del
sonido emitido por dichos altavoces supresores de ruido se elimina
del ruido detectado por los micrófonos, y la señal acústica que
verdaderamente emite el aerogenerador puede ser analizada por los
mencionados métodos de análisis. Esto puede ser llevado a cabo por
los actuales Analizadores de Fourier Rápidos a muy altas
velocidades de toma de datos, que resultan en periodos "T"
pequeños de tal modo que es virtualmente continuo el restar una
señal acústica a partir de otra.
Del mismo modo que se genera el ruido
aerodinámico, las diferentes secciones de la pala pueden a su vez
generar ruido de diversas características dependiendo de la
posición de dicha sección a lo largo de ella. Esta variación en el
ruido generado existe también para los diferentes puntos a lo largo
de la cuerda de cada sección de pala. Se ha demostrado mediante
trabajo de investigación que las principales áreas de generación de
ruido en una pala son el borde de salida y la punta. Y por tanto el
número de micrófonos y altavoces será mayor en estas zonas.
Es un objeto de la presente invención que una
serie de micrófonos planos sean montados en la parte externa de la
carcasa de la pala, a lo largo de ésta, y que una serie de
altavoces sean montados dentro de la pala orientados hacia fuera de
tal modo que el sonido emitido sea transmitido a través de la
carcasa de la pala. El espesor de dicho, armazón puede ser reducido
(comparado con el diseño típico) en los emplazamientos de los
altavoces, utilizando entonces un aro de refuerzo alrededor de
dicho emplazamiento para compensar la pérdida de resistencia en
ese
punto.
punto.
Es otro objeto de la invención que los
micrófonos montados dentro de la pala estén orientados hacia fuera
para que la ondas acústicas sean recibidas a través del espesor de
la carcasa, o a través de una sección de espesor reducido, con un
emplazamiento de similar construcción al descrito arriba para los
altavoces.
Para fijarse, los altavoces y micrófonos pueden
estar pegados, sujetos mediante dispositivos de interbloqueo,
amarrados o encajados en el material de la carcasa, que en caso de
tratarse de Fibra de Plástico Reforzada FRP, podrían ser
recubiertos completamente.
Los altavoces y micrófonos pueden estar
dispuestos en grupos de uno a uno o, por ejemplo, un micrófono
puede estar unido a varios altavoces, o un altavoz a varios
micrófonos. El número de grupos de
micrófonos-altavoces por unidad de superficie de la
pala sigue una distribución que viene determinada por la variación
de ruido emitido por las diferentes secciones de pala y por el
grado de supresión de ruido deseado. Adicionalmente un grupo de
grandes altavoces estacionarios emplazados en el exterior,
alrededor de la torre, se accionan mediante una fuente de
alimentación para generar una onda de presión de la misma
frecuencia y amplitud y en oposición de fase respecto de los
sonidos de baja frecuencia generados al pasar las palas frente a la
torre. Estos altavoces pueden ser encendidos y apagados
selectivamente alrededor de la torre para emitir dicha onda de
presión en la dirección deseada.
En aquellos casos en los que la calidad de
anulación de sonido necesite estar monitorizada en un punto de
recepción en particular dentro del campo de acción, se pueden
colocar uno o varios micrófonos en dichos puntos. También se pueden
facilitar medios independientes para el análisis de la señal de
ruido captada por dichos micrófonos, y también medios
independientes de comunicación con los amplificadores de potencia.
Esto permitirla un mejor ajuste en el mencionado punto de recepción
de la frecuencia, amplitud y fase de los sonidos anuladores del
ruido emitidos por los altavoces del aerogenerador para una
optimización de la supresión del ruido en ese punto.
La figura 1 es una perspectiva general de un
aerogenerador mostrando los principales componentes de la presente
invención.
La figura 2 es una vista parcial en perspectiva
del ensamblaje del rotor, nacelle y torre mostrando un
emplazamiento alternativo de los componentes del mencionado sistema
anulador de ruido.
La figura 3 es una vista parcial en perspectiva
mostrando los componentes de dicho sistema de anulación de ruido en
la que la transmisión de las señales del ruido detectado y las
señales del sonido anulador del ruido son llevadas a cabo mediante
comunicación inalámbrica.
La figura 4 es una vista parcial del corte
transversal de una pala mostrando un método de montaje de los
altavoces y micrófonos.
La figura 5 es otra vista parcial del corte
transversal de una pala mostrando otro método de montaje de los
altavoces y micrófonos.
La figura 6 es una ilustración que muestra un
micrófono en un emplazamiento remoto y los medios de comunicación
con los elementos de control del sistema supresor de ruido situados
en el aerogenerador.
Haciendo referencia a la figura 1, se representa
una instalación eólica mostrando los principales componentes de la
presente invención. Unas series de altavoces 19 son distribuidos en
filas a lo largo de ambas caras de la superficie de la pala as(
como en los bordes de la misma. También se muestran los
correspondientes micrófonos 13, cada uno junto a un altavoz o un
grupo de ellos. Dicho altavoz está conectado a un amplificador de
potencia 16 a través de un haz de cables 2345 y cada micrófono está
conectado a un módulo de análisis 1 y a una fuente de alimentación
a través de un haz de cables 2339. Ambos módulos (16, 1) están
emplazados preferiblemente en la nacelle o en la base de la
torre.
En una primera caracterización de dicha
invención se consigue la conexión eléctrica de los mencionados
haces de cables, los correspondientes módulos (16, 1) y una fuente
de alimentación por medio de aros colectores 12 situados en la
transmisión entre el rotor principal y el generador. Se podría
colocar un convertidor analógico-digital 4 entre la
regleta del haz de cables 2339 del mencionado micrófono y los aros
colectores, siendo multiplexada la salida de la señal digital del
convertidor 4.
Se monta una serie de micrófonos 13 y altavoces
20 uniformemente distribuidos alrededor de la torre, en forma de
anillo, y a lo largo de ella. Sus correspondientes haces de cables
conectan dichos micrófonos y altavoces al módulo de análisis 1 y al
amplificador de potencia 16 respectivamente.
Tal y como se muestra en la figura 2, en una
segunda caracterización de esta invención, el módulo 1 y el módulo
de amplificación de potencia 16 se emplazan en el ensamblaje del
rotor principal, y preferentemente en el buje. La alimentación
eléctrica de dichos módulos se lleva a cabo a través de los aros
colectores 12, y también se implementa una unidad de almacenamiento
de reserva 2.
En una tercera caracterización de esta
invención, representada en la figura 3, la comunicación inalámbrica
sustituye a la comunicación vía cable entre los micrófonos 13 y las
señales del módulo de análisis 1, y entre el amplificador de
potencia 16 del altavoz y el módulo de análisis 1. La señal de
ruido detectada por dichos micrófonos es transmitida a través del
haz de cables 2339 al módulo transmisor-receptor 5.
Dicha señal inalámbrica es transmitida por el módulo 5 emplazado
remotamente hacia el módulo de análisis 1. Se utiliza una conexión
por cable entre el amplificador de potencia 16 del altavoz y el
módulo 5. El amplificador 16 y el módulo transmisor 5 se ubican en
la nacelle o en el buje. La conexión entre amplificador 16 y módulo
5 puede ser multiplexada o no. El módulo
receptor-transmisor 18 puede estar ubicado en la
nacelle, en la base de la torre o remotamente ubicado fuera del
aerogenerador. Dicho módulo 18 está conectado por cable al módulo
de análisis 1, o a ambos 18 y 1, y puede combinarse para formar un
módulo que tendrá capacidad para generar señales acústicas que
serán transmitidas al módulo amplificador de potencia 18 del
altavoz mediante la mencionada conexión inalámbrica a través del
transmisor 5. El amplificador de potencia del altavoz 18 está
equipado con la capacidad de distribuir dichas señales inalámbricas
de sonido al altavoz apropiado para anular el sonido recibido por
el correspondiente micrófono al que está emparejado.
En una ampliación de la mencionada tercera
caracterización, cada micrófono 13 puede estar equipado con un
módulo de transmisión individual. También, cada altavoz 19 puede
estar equipado con un receptor individual y un módulo de
alimentación. Los micrófonos y los altavoces pueden estar
interconectados mediante comunicación inalámbrica a un módulo
receptor-transmisor principal 18 y a un módulo de
análisis 1, ambos con ubicación remota. La alimentación de los
micrófonos, amplificador de potencia de los altavoces y módulos de
recepción o transmisión puede llevarse a cabo mediante aros
colectores a la transmisión -mecánica- y los haces de cables en las
palas, o bien puede llevarse a cabo por baterías emplazadas en el
ensamblado del rotor, preferentemente en el buje. Esto no está
mostrado en las figuras para simplificar las mismas.
La figura 4 es una vista de corte transversal de
una pala que muestra el emplazamiento y métodos de fijación de los
micrófonos 13A y 13B y altavoces 19 en la carcasa de la pala. La
parte de arriba de la sección muestra un altavoz plano montado en
la superficie con los bordes integrados en la forma aerodinámica de
la pala. Para efectuar la integración se co-cura
material adicional 6 como la resina termoestable. El micrófono
puede estar fijado a la superficie de la pala mediante pegado o
anclado o una combinación de ambos. La parte de debajo de la
sección muestra otro método en el que se crea un nicho en la cara
exterior de la carcasa de la pala para emplazar el micrófono 13B,
con una profundidad "d" igual al grosor del micrófono. El
cableado 23 de los micrófonos se introduce dentro de la pala a
través unos agujeros 8 convenientemente situados en la carcasa de
la pala.
La figura 5 muestra una vista del corte
transversal de una pala mostrando otro método de montaje del
altavoz 19 en el que está montado en una hendidura localizada del
espesor de la carcasa de la pala. Se puede dejar una cámara de aire
27 entre el altavoz y la carcasa de la pala. El espesor de la
carcasa de la pala se refuerza alrededor de dicho altavoz con un
incremento del espesor 17 para que la resistencia resultante de la
carcasa en ese área sea igual al de las secciones de la pala con
espesor uniforme. Un medio alternativo de fijación para el
micrófono 13 se muestra en la parte de debajo, incrustado en el
material de la carcasa de la pala, en la que una cámara de aire 27
se deja con los cables de dicho micrófono 23 colocados a través del
material de la carcasa. En caso de carcasas de Fibra Plástica
Reforzada FPR dicho micrófono estará colocado en la carcasa y
posteriormente se aplicarán las capas de fibra por encima.
En una cuarta caracterización de esta invención,
representada en la figura 6, se muestra un aerogenerador como el
descrito en la tercera caracterización, añadiéndole un micrófono
remoto y medios de comunicación. El micrófono 13 esta ubicado en
un determinado punto de recepción en el campo en el cual existe la
particular necesidad de una meticulosa supresión de ruido o
atenuación de éste. Se proporciona un medio de comunicación entre el
micrófono y una cantidad determinada de aerogeneradores, y a al
menos a uno de ellos con conexión por cable 23 o inalámbrica 2312.
En esta caracterización, los medios de análisis cuentan con mejoras
para alterarla amplitud, frecuencia y ángulo de fase de los
componentes de la principal frecuencia de la mencionada señal
acústica anuladora de ruido transmitida a los altavoces 13, de tal
manera que la supresión de ruido en el punto de emisión determinado
sea maximizada.
Debe entenderse que esta descripción es
meramente ilustrativa de las caracterizaciones preferidas de esta
invención y que no se pretende limitar el tipo de componentes, el
diseño del sistema, geometría, tamaño y proporciones.
Claims (8)
1. Sistema de supresión y anulación de ruido en
aerogeneradores compuestos por una torre, encima de la cual se
encuentra una nacelle y su correspondiente ensamblaje del rotor con
palas, con el fin de que la conversión de la energía eólica en
energía mecánica sea utilizable para impulsar una carga, como por
ejemplo un generador eléctrico, y equipado con un sistema de
anulación del ruido en su punto de origen, caracterizado porque
comprende:
uno o varios micrófonos dispuestos en la
superficie de la torre en forma longitudinal y formando anillos y en
el interior de la carcasa de las palas rotativas, cada uno de los
cuales detecta el ruido producido por las diferentes secciones de
dicho aerogenerador y cada uno genera su correspondiente señal de
ruido;
uno o varios altavoces dispuestos en la
superficie de la torre y en el interior de la carcasa de las palas
rotativas, cada uno de los cuales está emparejado con al menos uno
de los mencionados micrófonos y muy próximos a él;
uno o varios analizadores destinados al análisis
de dichas señales de ruido detectadas por cada uno de los
mencionados micrófonos en lo que se refiere a los componentes de sus
principales frecuencias, sus amplitudes y el ángulo de fase respecto
a una señal que sirva de marco de referencia temporal;
uno o varios generadores de señales de sonidos
supresores para generar las señales de sonido para la anulación del
ruido en las cuales los componentes de la frecuencia principal están
en oposición de fase a dicha frecuencia principal de las mencionadas
señales de sonido detectadas por el grupo de micrófonos y de la
misma frecuencia y amplitud;
y medios para amplificar las mencionadas señales
de sonido supresoras de ruido y medios de transmisión de dichas
señales a cada uno de los correspondientes altavoces
emparejados.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Sistema de supresión y anulación de ruido en
aerogeneradores tal como se expresa en la reivindicación 1ª,
caracterizado porque los altavoces están montados en el
interior de la carcasa de la pala y los mencionados micrófonos
están montados bien internamente o en el exterior de la superficie
de la carcasa de la pala, así como los altavoces y micrófonos de la
torre están dispuestos en la superficie en forma longitudinal y
formando anillos.
3. Sistema de supresión y anulación de ruido en
aerogeneradores tal como se expresa en las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque los medios de análisis del
micrófono que detectan las señales de ruido y generan dichas
señales de sonido supresor de ruido, están equipados con la
capacidad de restar continuamente dichas señales de sonido supresor
de ruido de las señales de ruido detectadas por el micrófono,
siendo esta señal resultante transmitida a dichos medios de
análisis.
4. Sistema de supresión y anulación de ruido en
aerogeneradores tal como se expresa en las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque la transmisión de dichas
señales de ruido detectadas por el micrófono, y dichas señales de
sonido supresor generadas por los mencionados medios de generación
de señales de sonido supresor de ruido, son transmitidas
inalámbricamente.
5. Sistema de supresión y anulación de ruido en
aerogeneradores tal como se expresa en las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque los medios para el análisis
de dichas señales de ruido detectadas por los micrófonos y por los
medios de generación y amplificación de dicha señal de sonido
supresor de ruido están ubicados fuera de la mencionada instalación
eólica, siendo transmitida dicha señal de ruido y dicha señal de
sonido supresor de ruido por medio de comunicación inalámbrica.
6. Sistema de supresión y anulación de ruido en
aerogeneradores tal como se expresa en las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque uno o varios micrófonos
adicionales están situados en un emplazamiento remoto, alejado de
la instalación eólica, en un punto de recepción determinado dentro
del campo de acción, contando con medios para la transmisión, por
cable o inalámbricamente, de la señal de ruido detectada por dichos
micrófonos, a los medios de análisis de la instalación eólica;
7. Sistema de supresión y anulación de ruido en
aerogeneradores tal como se expresa en las reivindicaciones
anteriores, caracterizado por tener medios mejorados para el
análisis y control de tal modo que la señal de sonido supresor
generada por sus elementos de control -situados en el aerogenerador
sean capaces de alterar la frecuencia, amplitud y fase de los
componentes de la frecuencia principal de dicha serial de sonido
supresor de ruido, con el propósito de maximizar el efecto anulador
del ruido en ese punto receptor determinado.
8. Sistema de supresión y anulación de ruido en
aerogeneradores tal como se expresa en las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque los módulos de análisis y
de amplificación dispuestos en el interior de la nacelle están
alimentados por un sistema de aros colectores o bien una unidad de
almacenamiento.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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