ES2609771T3 - Turbina eólica que incluye un sistema sensor óptico - Google Patents

Abstract

Turbina eólica que incluye un sistema sensor óptico que comprende uno o más sensores, comprendiendo cada sensor: una membrana de sensor reflectante; una fuente luminosa para iluminar una superficie de la membrana de sensor con un haz de luz; caracterizada porque cada sensor comprende además: un elemento dispersivo óptico dispuesto para dispersar el haz de luz de la fuente luminosa para producir un haz de luz dispersado; y un detector de luz para recibir una parte del haz de luz tras la reflexión del haz de luz de la superficie de la membrana de sensor y tras la dispersión del haz de luz por el elemento dispersivo óptico, en la que la longitud de onda de la luz recibida en el detector de luz varía en función del desplazamiento de la membrana de sensor y en la que el detector de luz proporciona de manera operativa una salida basándose en cambios en la longitud de onda de la luz recibida, en la que la turbina eólica comprende además un controlador para recibir datos del sistema sensor y, basándose en los datos recibidos, controlar un parámetro de funcionamiento de la turbina eólica.

Description

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DESCRIPCION

Turbina eolica que incluye un sistema sensor optico

La presente invencion se refiere a un sistema sensor optico para una turbina eolica y a una turbina eolica que incorpora un sistema sensor de este tipo. La invencion encuentra aplicacion particular en la deteccion de turbulencia o en la monitorizacion de vibracion de un componente de turbina eolica.

Para optimizar la extraccion de energfa del viento, las turbinas eolicas normalmente estan equipadas con numerosos dispositivos sensores, que pueden proporcionar realimentacion a los sistemas de control de la turbina. Por ejemplo, dispositivos sensores se usan habitualmente para monitorizar condiciones ambientales en la turbina eolica asf como para medir parametros de los componentes de turbina eolica, tales como tension. Usando los datos obtenidos de estos dispositivos sensores, la turbina eolica puede accionarse en consecuencia, tal como controlando el paso de las palas. Tambien puede ajustarse la guinada de la gondola para hacer la turbina eolica lo mas eficiente posible a la hora de generar energfa.

Los dispositivos sensores tambien se usan habitualmente para monitorizar el estado de los componentes de turbina eolica de modo que pueda detectarse el dano al componente o el deterioro en el estado del componente y pueda llevarse a cabo el mantenimiento necesario lo antes posible. Esto ayuda a mejorar la vida util de los componentes y evita el fallo prematuro o completo de la turbina eolica. Ademas, como ciertos tipos de dano pueden afectar de manera adversa al funcionamiento de la turbina eolica, el mantenimiento eficiente de los componentes de turbina eolica garantiza que la turbina eolica puede funcionar de la manera mas eficiente posible. Tales sistemas sensores son particularmente importantes para turbinas eolicas ubicadas en zonas remotas, tales como zonas mantimas, costales o elevadas, en las que el tiempo y el coste asociados con el mantenimiento son relativamente altos.

Debido a la altura de la mayona de turbinas eolicas, el dano por impactos de rayos es un problema operativo recurrente. El uso de pararrayos proporciona un modo de llevar la energfa de un impacto de rayo de manera segura lejos del componente impactado, que como resultado puede sufrir ningun o mmimo dano. Sin embargo, los pararrayos no siempre protegeran de manera adecuada equipos sensores montados sobre o en componentes de turbina eolica. Sistemas sensores que incorporan componentes metalicos tales como cableado y circuitos son particularmente susceptibles al dano por una descarga electrica.

Adicionalmente, el funcionamiento de sistemas sensores en una turbina eolica puede verse afectado de manera adversa por los campos magneticos y electricos asociados con maquinaria electrica y mecanica pesada, por ejemplo en la gondola. Como resultado, los sistemas sensores no pueden trabajar de manera optima.

Por estos motivos, se prefiere generalmente reducir el numero de componentes electronicos usados en sistemas sensores y usar elementos optimos cuando sea posible.

Un tipo de sensor que ha demostrado ser sensible a perturbacion EMC de maquinaria pesada en una turbina eolica, tal como el generador, son microfonos electricos que pueden usarse en sensores acusticos para monitorizar el estado de componentes de turbina eolica basandose en las emisiones de sonido. Por tanto, se ha propuesto anteriormente usar microfonos “opticos” para aplicaciones de sensores en turbinas eolicas. Los microfonos opticos detectan movimientos de aire usando una membrana que transfiere cualquier oscilacion a un haz de luz en lugar de una senal electrica.

Por ejemplo, se ha propuesto anteriormente proporcionar turbinas eolicas con sistemas sensores que incorporan uno o mas microfonos opticos para detectar turbulencia en el flujo de aire en la turbina eolica. En un sistema propuesto, se usan sensores de turbulencia para la deteccion de la acumulacion de materia no deseada, tal como hielo o suciedad, en la superficie de las palas de turbina eolica. En otra aplicacion propuesta, se usan sensores de turbulencia similares como parte de un sistema de control que controla un parametro aerodinamico de una pala de una turbina eolica, tal como angulo de paso, basandose en medidas de turbulencia. El documento GB 2466433 da a conocer un microfono optico de este tipo. Tambien se han propuesto microfonos opticos para el uso en lugar de microfonos electricos para detectar vibraciones como parte de un sistema de monitorizacion de estado para monitorizar el generador u otros equipos dentro de la gondola.

Los microfonos opticos conocidos normalmente no han funcionado tan bien como los microfonos electricos tradicionales, en particular, debido a la sensibilidad del microfono a movimientos de las fibras opticas asociadas, que provoca que se generen senales falsas. Este problema es particularmente serio en estructuras en movimiento o rotacion, tales como turbinas eolicas. El rendimiento de muchos microfonos opticos tambien se ve afectado de manera adversa por el hecho de que el sensor optico debe unirse a la membrana de sensor, por ejemplo en el caso de un sensor de rejilla de Bragg en fibra. La membrana se hace por tanto mas pesada y no es libre para responder de manera precisa a movimientos de aire. Ademas, en disposiciones existentes para microfonos opticos, el aparato de generacion y deteccion de luz requerido es relativamente caro, de modo que no es economicamente factible usar tales sistemas en una escala comercial.

Sena por tanto deseable proporcionar un sistema sensor que incorpora una disposicion de microfono optico novedosa, que tiene un rendimiento mejorado y que soluciona los problemas asociados con microfonos opticos

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existentes. Sena particularmente deseable si un sistema de este tipo pudiera formarse a partir de componentes relativamente robustos y de bajo coste de modo que el sistema es mas economicamente factible para el uso en parques eolicos. Sena adicionalmente deseable si un sistema de este tipo pudiera adaptarse facilmente para una variedad de diferentes aplicaciones de sensor en una turbina eolica.

Segun la presente invencion se proporciona segun las reivindicaciones 1 y 22 una turbina eolica que incluye un sistema sensor optico que comprende uno o mas sensores opticos, comprendiendo cada sensor: una membrana de sensor reflectante; una fuente luminosa para iluminar una superficie de la membrana de sensor; un elemento dispersivo optico dispuesto para dispersar el haz de luz de la fuente luminosa; y un detector de luz para recibir una parte del haz de luz tras la reflexion de la superficie de la membrana de sensor y tras la dispersion del haz de luz por el elemento dispersivo optico. La longitud de onda de la luz recibida en el detector de luz vana en funcion del desplazamiento de la membrana de sensor y el detector de luz proporciona de manera operativa una salida basandose en cambios en la longitud de onda de la luz recibida. La turbina eolica comprende ademas un controlador para recibir datos del sistema sensor y basandose en los datos recibidos controlar un parametro de funcionamiento de la turbina eolica.

La expresion “parametro de funcionamiento” se refiere a cualquier parametro de la turbina eolica que afecta al funcionamiento de la turbina eolica. El parametro que va a controlarse basandose en los datos recibidos del sistema sensor optico dependera de la funcion del sistema sensor y se describiran ejemplos a continuacion. En determinadas realizaciones, el parametro de funcionamiento que va a controlarse puede ser un parametro aerodinamico de la pala de turbina eolica, tal como paso o rpm de rotor. En otras realizaciones, el parametro de funcionamiento que va a controlarse puede ser un parametro del generador, tal como carga, potencia o rpm.

El sensor optico de las turbinas eolicas de la presente invencion proporciona un tipo novedoso de microfono optico, que tiene una variedad de posibles aplicaciones en la monitorizacion de la turbina eolica durante el funcionamiento, tal como se describira en mas detalle a continuacion.

El sensor optico usado en las turbinas eolicas de la presente invencion funciona detectando cambios en la longitud de onda de la luz recibida en el detector de luz, que son indicativos del movimiento de la membrana de sensor con respecto al detector de luz y la fuente luminosa. En el haz dispersado producido por el elemento dispersivo optico, las diferentes longitudes de onda de luz se extienden o dividen para producir un haz dispersado en “abanico”. Cada longitud de onda de luz viajara a un angulo ligeramente diferente con respecto a la membrana de sensor, despues de que el haz de luz se haya reflejado desde la superficie de la membrana de sensor. La longitud de onda de luz que se recibe en el detector de luz dependera de la posicion de la membrana de sensor con respecto a las posiciones fijas de la fuente luminosa y el detector de luz.

El desplazamiento de la membrana de sensor puede derivarse directamente de los cambios medidos en la longitud de onda, basandose en metodos trigonometricos sencillos, dado que las posiciones de la fuente luminosa y el detector de luz, asf como la dispersion angular del haz de luz mediante el prisma se conoceran y permaneceran fijas. El patron de desplazamiento de la membrana de sensor proporciona una indicacion del flujo de aire en la superficie de la membrana de sensor, de la misma manera que un microfono electrico convencional.

Ventajosamente, la disposicion de la presente invencion permite que la luz reflejada se detecte sin la necesidad de unir ningun componente de deteccion directamente a la membrana de sensor, lo que permite que la membrana de sensor se mueva libremente en respuesta a movimientos de aire en la superficie. Como resultado, la membrana de sensor puede responder mas rapidamente a los movimientos de aire y proporcionar una indicacion mas precisa de flujo de aire en la superficie. Por tanto, la disposicion de la membrana de sensor se asemeja de manera mas cercana a la de un microfono electrico y puede proporcionar un rendimiento alto similar mientras proporciona el beneficio de usar componentes opticos, en lugar de componentes electricos.

El sensor usado en la presente invencion es altamente sensible e incluso desplazamientos pequenos de la membrana pueden detectarse facilmente a traves de la monitorizacion de la longitud de onda de la luz reflejada recibida en el detector de luz. Puesto que hay pocas partes moviles, el sensor es resistente a cambios extremos en la temperatura y el funcionamiento del sensor no se vera afectado por cambios en las condiciones, tales como temperatura o humedad. Ademas, ya que el sensor usa fibras opticas donde sea posible en lugar de cableado o circuiteria metalica, el rendimiento del sensor no se vera afectado por los campos electricos o magneticos de equipos pesados en la proximidad del sensor y se reduce el riesgo de dano debido a impactos de rayos.

La fuente luminosa y el detector de luz del sensor usado en la presente invencion pueden proporcionarse ventajosamente mediante componentes relativamente economicos y robustos que son relativamente faciles de instalar y hacer funcionar. Por tanto, la presente invencion proporciona un sensor economico que es adecuado para su uso en turbinas eolicas en una escala comercial.

La fuente luminosa del sensor optico usado en la presente invencion emite un unico haz de luz, que se divide en diferentes longitudes de onda mediante el elemento dispersivo optico para producir un haz dispersado con cada longitud de onda o color diferente refractado a un angulo diferente. La fuente luminosa puede comprender cualquier dispositivo optoelectronico adecuado, incluyendo por ejemplo un diodo emisor de luz, un fotodiodo o un laser.

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Preferiblemente, la fuente luminosa comprende ademas una fibra optica y la salida de luz del dispositivo optoelectronico se introduce en la fibra optica, que transmite la luz y dirige la luz a la superficie de la membrana de sensor. Dependiendo de la posicion requerida del sensor en la turbina eolica, los componentes optoelectronicos pueden ubicarse de manera remota de manera que esten protegidos de impactos de rayos.

La “luz” emitida por la fuente luminosa puede ser luz visible o puede ser alternativamente un tipo no visible de radiacion electromagnetica, tal como infrarroja. En una primera realizacion preferida, la fuente luminosa emite luz a una longitud de onda promedio de aproximadamente 1500 nm. En una segunda realizacion preferida, la fuente luminosa emite luz a una longitud de onda promedio de aproximadamente 800 nm.

El intervalo de longitud de onda del haz de luz emitido desde la fuente luminosa es de manera preferible relativamente estrecho. Por ejemplo, el intervalo de longitud de onda del haz de luz es preferiblemente menor de 10 nm, mas preferiblemente de aproximadamente 5 nm. En una realizacion particularmente preferida, la fuente luminosa emite un haz con un intervalo de longitud de onda de 1500 nm a 1505 nm.

El elemento dispersivo optico divide el haz de luz de la fuente luminosa en sus longitudes de onda constituyentes, en el que cada longitud de onda se refracta mediante un angulo diferente para dispersar el haz de luz a una forma de abanico o de cono. Por ejemplo, en el caso de un haz de luz visible blanca, el elemento dispersivo optico descompone la luz en sus colores de espectro constituyentes para producir un haz arco iris dispersado. El elemento dispersivo optico puede adoptar la forma de uno o mas prismas, rejillas de difraccion o cualquier otro componente optico de division de haz.

El elemento dispersivo optico puede montarse en diversas posiciones a lo largo de la trayectoria del haz de luz entre la fuente luminosa y el detector de luz, de manera que la dispersion del haz de luz se produce en un momento diferente con respecto a la reflexion del haz. Sin embargo, en todos los casos pueden usarse los mismos principios de medicion para monitorizar cambios en la longitud de onda de la luz recibida en el detector de luz y a partir de esto determinar cualquier movimiento de la membrana de sensor.

En una primera realizacion de la invencion, el elemento dispersivo optico esta montado delante de la fuente luminosa, entre la fuente luminosa y la membrana de sensor, de modo que la superficie de la membrana de sensor se ilumina con el haz dispersado. El haz de luz dispersado se envfa de manera extendida desde la fuente luminosa e impactara con la superficie de la membrana de sensor en un patron distribuido. Por tanto, cada longitud de onda de luz se reflejara tambien de vuelta desde la membrana de sensor a un angulo ligeramente diferente, de modo que la luz reflejada tambien esta en forma de un haz de “abanico” dispersado. Cualquier movimiento de la membrana de sensor como resultado de un flujo de aire o vibracion provocara un movimiento del haz dispersado de modo que una parte diferente del haz se dirige al detector de luz y se recibe una longitud de onda de luz diferente. En la primera realizacion de la invencion, el elemento dispersivo optico es preferiblemente un prisma optico.

En una segunda realizacion de la invencion, el elemento dispersivo optico se proporciona en la superficie de la membrana de sensor reflectante de manera que el haz de luz de la fuente luminosa incide sobre el elemento dispersivo optico. El haz de luz de la fuente luminosa se divide de ese modo por la longitud de onda y se dispersa a medida que se refleja desde la superficie de la membrana de sensor. El haz dispersado resultante adoptara la misma forma que se describio anteriormente en relacion con la primera realizacion de la invencion. Cualquier movimiento de la membrana de sensor provocara un movimiento correspondiente del elemento dispersivo optico y por tanto tambien un movimiento del haz dispersado de modo que se recibe una parte diferente del haz y por tanto una longitud de onda diferente en el detector de luz.

En la segunda realizacion, el elemento dispersivo optico puede adoptar cualquier forma adecuada que puede hacer variar el angulo al que se refleja el haz de luz incidente, basandose en la longitud de onda. El experto en la tecnica conocera elementos dispersivos opticos adecuados para su aplicacion sobre la membrana de sensor e incluyen, por ejemplo, una rejilla de difraccion tal como una rejilla reglada o una rejilla holografica, o un tipo de filtro optico.

En un ejemplo preferido, el elemento dispersivo optico esta en forma de un filtro que tiene dependencia angular, lo que quiere decir que el espectro de longitud de onda del haz dispersado reflejado de vuelta desde el filtro variara dependiendo del angulo de incidencia del haz de luz en el filtro. A medida que la membrana de sensor se mueve con respecto a la fuente luminosa, el angulo de incidencia del haz de luz en el filtro variara, provocando que el espectro de longitud de onda del haz dispersado reflejado vane. Monitorizando el cambio en la longitud de onda recibida en el detector de luz, es posible entonces monitorizar el cambio en el angulo de incidencia del haz de luz y por tanto el movimiento de la membrana de sensor. Hay filtros de pelfcula delgada adecuados que tienen dependencia angular disponibles de Semrock, Inc.

En la segunda realizacion, el elemento dispersivo optico puede incorporarse en la superficie de la membrana de sensor de varias maneras, que tambien conocera el experto en la tecnica. Preferiblemente, el elemento dispersivo optico esta en forma de un recubrimiento o pelfcula delgada que se aplica a una zona de la superficie de la membrana de sensor, por ejemplo, usando tecnicas tales como fotodeposicion o deposicion en fase de vapor. Alternativamente, el elemento dispersivo optico puede integrarse en la membrana de sensor.

En realizaciones segun el segundo aspecto de la invencion, el elemento dispersivo optico cubre preferiblemente una

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zona definida de la superficie de la membrana de sensor, que coincide con la zona iluminada por el haz de luz de la fuente luminosa. La zona definida puede ser relativamente pequena en comparacion con el area global de la superficie de membrana de sensor, por ejemplo, el elemento dispersivo optico puede cubrir un area de menos de 5 mm2, o menos de 3 mm2 o en algunos casos menos de 1 mm2.

En una tercera realizacion de la invencion, el elemento dispersivo optico se proporciona entre la membrana de sensor y el detector de luz, de manera que el haz de luz no se dispersa hasta despues de que se haya reflejado desde la superficie de la membrana de sensor. Cualquier movimiento de la membrana de sensor como resultado de un flujo de aire o vibracion provocara un movimiento del haz reflejado de modo que el haz impacta con el elemento dispersivo optico a un angulo ligeramente diferente y la posicion del haz dispersado producido por el elemento dispersivo optico cambiara ligeramente. Como con las otras dos realizaciones descritas anteriormente, una parte diferente del haz dispersado se dirigira entonces al detector de luz. En la tercera realizacion de la invencion, el elemento dispersivo optico es preferiblemente un prisma optico.

El uso de elementos dispersivos opticos para dispersar un haz de luz desde una fuente luminosa se conoce bien y el experto en la tecnica estara familiarizado con los tipos disponibles de elementos dispersivos opticos y la manera en la que afectan a un haz de luz. Puede encontrarse algo de informacion de antecedentes con respecto a elementos dispersivos opticos, por ejemplo, en “Application of surface-relief diffractive optics to helmet-mounted displays” de C. Cotton, D. Faklis, J. Bowen y G. Morris, Storming Media (1991); “RITMOS: a micromirror-based multi-object spectrometer” de R. Meyer, K. Kearney, Z. Ninkov, C. Cotton, P. Hammond y B. Statt, Proc. SPIE, 5492 (2004); y “Interference filters and special filters” publicado por Schott AG.

El detector de luz del sensor usado en la presente invencion esta dispuesto para recibir una parte del haz de luz que se refleja desde la superficie de la membrana de sensor y que se ha dispersado a una determinada posicion mediante el elemento de dispersion optico. El intervalo de longitudes de onda o angulo de luz dispersada recibida por el detector de luz tiene que ser necesariamente menor que el intervalo de longitud de onda o angulo del haz reflejado total, para permitir que se detecten cambios en la longitud de onda de la luz recibida. El detector de luz esta colocado de modo que la parte del haz que se recibe variara segun la posicion de la membrana de sensor con respecto al detector de luz. El experto en la tecnica conocera tipos de detectores de luz adecuados. Preferiblemente, el detector de luz comprende una o mas fibras opticas y una parte de la luz reflejada se recibe en el extremo de una fibra optica dirigida a la superficie de la membrana de sensor.

En una realizacion particularmente preferida, el detector de luz comprende un sistema WDM (multiplexado por division de longitud de onda) en el que una parte del haz dispersado se recibe en una unica fibra optica y se dirige como una unica entrada a un demultiplexor, que divide el haz de nuevo en dos o mas salidas independientes de longitudes de onda diferentes. Cada salida se envfa a un diodo PIN y los dos o mas diodos PIN se conectan a un amplificador diferencial.

A medida que la membrana de sensor se mueve con respecto al detector de luz, la longitud de onda de luz recibida en el detector de luz variara de manera continua y la amplitud de una de las longitudes de onda de salida aumentara mientras que la(s) otra(s) disminuira(n). Comparando las amplitudes de las diferentes senales de salida, es posible por tanto analizar los cambios en la longitud de onda de la luz recibida y calcular el movimiento correspondiente de la membrana de sensor.

Este tipo de disposicion de detector de luz es particularmente ventajoso ya que, al contrario que con muchos tipos de microfonos opticos convencionales, la salida es relativamente insensible al movimiento en las fibras opticas, por ejemplo, como resultado de un movimiento de los componentes de turbina eolica. Esto se debe a que cualquier movimiento afectara a cada una de las salidas de longitud de onda de la misma manera de modo que los cambios comunes se anularan mediante el amplificador diferencial y no provocaran grandes imprecisiones.

El detector de luz de sensores usado en la presente invencion proporciona de manera operativa una salida basandose en cambios en la longitud de onda de la luz recibida. La salida se recibe preferiblemente en un procesador, que procesa los datos de longitud de onda medidos para determinar el patron de desplazamiento de la membrana de sensor. Basandose en la informacion acerca del desplazamiento de la membrana de sensor, el procesador puede determinar uno o mas parametros del flujo de aire, o vibracion que provocan el desplazamiento de la membrana de sensor. El procesamiento de datos llevado a cabo por el procesador dependera del funcionamiento del sensor. En determinadas realizaciones, los sensores incorporaran un procesador, por ejemplo, como parte del detector de luz. En otras realizaciones, el procesador no formara parte del propio sensor sino que se conectara al detector de luz en un sistema sensor.

La salida del detector de luz o el procesador se recibe en un controlador de la turbina eolica, que controla un parametro de funcionamiento basandose en la salida detectada. Esto puede ser el control de un parametro de un componente de turbina eolica, con el fin de maximizar la eficiencia de la turbina eolica. Alternativamente, en determinadas circunstancias, por ejemplo tras la deteccion de hielo o dano a un componente, el controlador puede provocar que la turbina eolica se apague y deje de funcionar temporalmente de modo que pueda resolverse el problema.

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La membrana de sensor de los sensores usados en la invencion esta dispuesta de modo que es sensible a cambios en el flujo de aire que tienen que detectarse por el sensor. Normalmente la membrana sera relativamente delgada, preferiblemente de entre 0,5 mm y 2,0 mm, y se tensiona de modo que el flujo de aire probable en la superficie de la membrana de sensor solo dara como resultado un pequeno movimiento de la superficie de membrana. En la practica, se ha encontrado que un intervalo de movimiento de la membrana del orden de varios micrometros es ventajoso, aunque el intervalo de movimiento necesario dependera de la aplicacion.

La eleccion de material de la membrana tambien dependera de la aplicacion del sensor requerida pero es cntica a la hora de garantizar que la membrana es adecuada para la medicion. Un material que es demasiado ligero y flexible sera en muchos casos demasiado sensible al flujo de aire y no sera adecuado para distinguir entre condiciones de flujo de aire normales y anomalas. Preferiblemente, el material es por tanto suficientemente fuerte y ngido para garantizar que solo se detecten vibraciones relativamente fuertes (en el intervalo de 10 a 100 Hz). Adicionalmente, la membrana de sensor debe estar formada por un material que tiene una superficie reflectante suficientemente lisa para permitir que el haz de luz se refleje eficazmente de manera que pueda detectarse facilmente mediante el detector de luz. Preferiblemente, la membrana de sensor esta formada por un material polimerico reflectante.

En determinadas realizaciones, puede ser posible usar una superficie de un componente de turbina eolica como membrana de sensor para el sensor de la presente invencion. Por ejemplo, la superficie exterior de una pala de turbina eolica puede proporcionar una membrana de sensor adecuada para determinadas aplicaciones en las que se desea medir el flujo de aire en la superficie de la pala.

En determinadas realizaciones de la presente invencion, la fuente luminosa y el detector de luz del sistema sensor optico se proporcionan de manera operativa en una cavidad de sensor dentro de un componente de pala de turbina eolica, tal como una pala de turbina eolica, y la membrana de sensor cubre al menos parte de la cavidad. La cavidad de sensor puede estar sellada. Esto permite que el entorno de la cavidad se mantenga en niveles de humedad y temperatura que garanticen un buen funcionamiento de la membrana de sensor. Sellar la cavidad tambien actua para mantener la superficie interna de la membrana limpia de modo que la reflexion de la luz desde la superficie se mantiene consistente. Ademas, con la cavidad sellada, puede considerarse que el movimiento de la membrana de sensor es completamente atribuible a variaciones en el flujo de aire en la superficie exterior de la membrana de modo que el sensor puede monitorizar las condiciones de manera precisa. En determinados casos, la cavidad puede llenarse con un gas distinto de aire, tal como un gas inerte, por ejemplo nitrogeno.

La presente invencion tambien proporciona una turbina eolica que comprende un sistema sensor optico que comprende: una pluralidad de sensores opticos, tal como se describio anteriormente, y un procesador para recibir la salida de los detectores de luz del uno o mas sensores opticos y determinar a partir de la salida el desplazamiento de la membrana de sensor, tal como tambien se describio anteriormente. Los sistemas usados en la presente invencion pueden incluir un unico sensor optico, pero mas preferiblemente incluyen una pluralidad de sensores opticos. Esto permite monitorizar el flujo de aire o vibraciones en varias ubicaciones diferentes en un componente de turbina eolica, proporcionando informacion para su uso en un sistema sensor mas sofisticado.

Preferiblemente, los sistemas sensores usados en la presente invencion comprenden ademas una memoria para registrar las salidas de los detectores de luz del uno o mas sensores a lo largo de un periodo de tiempo predeterminado, en el que el procesador analiza las salidas registradas con el fin de determinar un estado de la turbina eolica a lo largo del periodo de tiempo. El “estado” puede ser un estado del propio componente, tal como acumulacion de hielo o suciedad, o puede ser un estado de las condiciones medioambientales en el componente, tal como el flujo de aire. A continuacion se describen ejemplos espedficos de los posibles usos de la memoria en relacion con los diferentes aspectos de la invencion.

Los sistemas sensores usados en la presente invencion pueden comprender ademas un alojamiento aislado electricamente que contiene al menos la fuente luminosa y el detector de luz. Esto permite que se protejan los componentes del sistema sensor que son vulnerables a descargas electricas, por ejemplo de rayos o corrientes de fuga en la maquinaria electrica. Los elementos opticos, no metalicos y mecanicos del sistema sensor pueden instalarse entonces en ubicaciones de la turbina eolica que son sensibles a descargas electricas, tales como en el exterior de la turbina eolica, en particular en las palas de turbina eolica, o en la gondola cerca de los componentes electricos tales como el generador.

El sistema sensor descrito tiene varias aplicaciones posibles en turbinas eolicas segun la invencion. En un primer aspecto de la invencion, el sistema sensor esta adaptado para su uso en la monitorizacion del flujo de aire en una superficie de un componente de turbina eolica, en el que la membrana de sensor esta montada de manera operativa en una superficie de un componente de turbina eolica para monitorizar el flujo de aire a lo largo de la superficie y en el que el procesador determina, a partir de la salida del detector de luz, el tipo de flujo de aire a lo largo de la membrana de sensor. En particular, los sistemas sensores de turbinas eolicas segun el primer aspecto de la invencion pueden adaptarse para detectar de manera operativa un flujo de aire turbulento en la superficie de un componente de turbina eolica, en los que el procesador analiza variaciones en la longitud de onda de la luz recibida en el detector de luz a lo largo de un periodo de tiempo predeterminado para determinar si el flujo de aire a lo largo de la membrana de sensor es turbulento.

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Los sistemas sensores de turbinas eolicas segun el primer aspecto de la invencion encuentran aplicacion particular en la monitorizacion de las condiciones de flujo de aire en la superficie de una pala de turbina eolica y en la deteccion de un flujo de aire turbulento a lo largo de la superficie de pala.

En determinadas realizaciones, puede monitorizarse el flujo de aire en la superficie de pala con el fin de monitorizar indirectamente el estado de superficie de la pala. Los cambios en el estado de la pala, tales como el deterioro de la superficie de pala, por ejemplo debido a la erosion o corrosion, o acumulacion de materia tal como suciedad o hielo, afectaran enormemente al flujo de aire a lo largo de la superficie de pala. La acumulacion de suciedad, por ejemplo, puede manifestarse como un aumento gradual en la turbulencia detectada en la superficie. La acumulacion de hielo puede tener el mismo efecto en cuanto a aumentar la turbulencia pero el efecto se observara mas rapidamente a lo largo de varias horas. Por tanto, la naturaleza de la materia que se acumula en la pala tambien puede deducirse a partir de la salida de los sensores. Preferiblemente, tales sistemas para monitorizar el estado de la superficie de pala incluyen una pluralidad de sensores opticos en el lado de barlovento y sotavento de la pala, de modo que se obtiene una vista de sensor completa.

Preferiblemente se incorporan sistemas sensores similares en cada una de las palas de una turbina eolica. Si se desea, los diferentes sistemas de las palas pueden conectarse a un procesador comun. Esto permite que el procesador compare la salida de los diferentes sensores opticos de una pala con los de otra. El procesador puede proporcionar entonces una indicacion de si las palas estan montadas y funcionan correctamente, y puede comparar el estado de las diferentes palas.

Preferiblemente, en sistemas sensores de turbinas eolicas segun el primer aspecto de la invencion para monitorizar el estado de la superficie de pala, los sensores opticos se proporcionan cada uno en un alojamiento de sensor que tiene paredes que definen una cavidad, en la que estan contenidos la fuente luminosa y el detector de luz. El sensor se monta entonces en la pala de manera que la membrana de sensor separa la cavidad del aire exterior, y de manera que la membrana esta en contacto con el flujo de aire a lo largo de la superficie de la pala.

Preferiblemente, la membrana de sensor y la superficie de pala estan dispuestas de modo que forman una superficie de pala uniformemente continua. Esto garantiza que la presencia de la membrana de sensor no tiene un impacto sobre las propiedades aerodinamicas de la pala y tambien evita la introduccion de obstrucciones en la superficie de pala que pueden afectar a los patrones de flujo de aire. Si se desea, la membrana puede pintarse del mismo color que la superficie de componente circundante para garantizar que el aspecto visual de la turbina eolica no se ve perjudicado.

En algunos estados de funcionamiento, el flujo de aire a lo largo de la superficie de la pala sera laminar, dando como resultado poca o ninguna perturbacion de la membrana de sensor. El flujo de aire turbulento provocado, por ejemplo, por el bloqueo o la acumulacion de materia en la superficie de pala, dara como resultado un movimiento de la membrana repentino e impredecible y cambios asociados en la longitud de onda de la luz reflejada de vuelta al detector de luz.

El procesador puede tomar lecturas continuas o periodicas de cada uno de la pluralidad de sensores opticos que pueden registrarse en la memoria para desarrollar un registro de tiempos de cambios en el flujo de aire a lo largo de la pala. El procesador puede determinar un estado de la superficie de pala basandose en un cambio en las salidas de sensor en comparacion con salidas pasadas. Esto permite que las salidas pasadas actuen como referencia para la comparacion con las lecturas actuales o instantaneas que estan tomandose. Esta informacion comparativa puede usarse para determinar cambios a gran escala en el flujo de aire que son indicativos de problemas con el componente. Alternativamente o ademas, la informacion de los sensores opticos puede usarse para monitorizar el rendimiento de una pala de turbina eolica para permitir la mejora y el desarrollo continuos de propiedades aerodinamicas de palas de turbina eolica, tales como la forma de pala.

En un segundo aspecto de la invencion, el sistema sensor esta adaptado para su uso en un sistema de control de pala. El sistema de control de pala comprende un sistema sensor tal como se describio anteriormente en relacion con el primer aspecto de la invencion para detectar turbulencia en la superficie de la pala, y un controlador para recibir datos del procesador del sistema sensor y, basandose en la deteccion del estado del flujo de aire, controlar un parametro aerodinamico de la pala de rotor.

Los sistemas de turbinas eolicas segun el segundo aspecto de la invencion permiten que la interaccion aerodinamica de la pala con el flujo de aire se monitorice en tiempo real, y que la pala se ajuste segun se desee basandose en una medida de turbulencia.

En determinadas realizaciones preferidas de turbinas eolicas segun el segundo aspecto de la invencion, el parametro aerodinamico para el control es el angulo de paso de la pala de turbina eolica. El controlador controla preferiblemente el paso de las palas para minimizar la turbulencia en la superficie de pala y maximizar la potencia de salida de la turbina eolica. Esto ofrece un mecanismo de control de paso de pala de rotor sensible y ajustado finamente basandose en las condiciones aerodinamicas inmediatas de la pala de turbina eolica.

Tal como se describio anteriormente en relacion con el primer aspecto de la invencion, en condiciones de funcionamiento normal de la turbina eolica, el flujo de aire a lo largo de la superficie de pala sera laminar, dando

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como resultado poca o ninguna perturbacion de la membrana de sensor. El flujo de aire turbulento provocado por el paso de la pala que induce estados de tipo bloqueo dara como resultado un movimiento de la membrana repentino e impredecible y cambios asociados en la longitud de onda de la luz detectada.

Para detectar estados de tipo bloqueo, en las que el angulo de paso de la pala es demasiado grande, los sensores opticos estan ubicados preferiblemente en mayores numeros en la superficie de succion de la pala y mas preferiblemente en mayores numeros hacia el borde de salida del lado de succion de la pala, que en otras zonas.

En realizaciones alternativas, el parametro aerodinamico para el control es la forma de pala, o el flujo de aire mas alla de la pala. La provision de mecanismos adecuados para cambiar dinamicamente la forma de pala o ajustar el flujo de aire mas alla de la pala puede hacerse funcionar entonces basandose en las condiciones detectadas para garantizar que las condiciones de funcionamiento se mantienen segun valores o intervalos deseados preestablecidos, cuando sea posible. Las tecnicas conocidas para ajustar dinamicamente la forma de la pala incluyen, por ejemplo, aletas articuladas, microaletas, aletas con ranuras o ranuras de superficie, resaltos superficiales concavos o convexos, y cavidades o huecos llenos de fluido en el interior de la pala.

En un tercer aspecto de la invencion, el sistema sensor esta adaptado para funcionar como un sistema sensor de vibracion para monitorizar el nivel de vibracion de componentes de turbina eolica con el fin de detectar estados de funcionamiento anomalo. Por ejemplo, en determinadas realizaciones preferidas, el sistema sensor puede estar adaptado para sustituir a los acelerometros usados actualmente para monitorizar la salud de los componentes dentro de la gondola, tales como el generador, monitorizando las vibraciones en la superficie de los componentes. En el caso de un generador, cuando se esta desarrollando o se ha desarrollado un fallo, se ha encontrado que el generador tiene una frecuencia de vibracion diferente de la frecuencia durante el funcionamiento normal. Detectando y analizando la vibracion en la superficie del generador pueden identificarse problemas que perjudicaran al funcionamiento antes de producirse una avena.

El sistema sensor es particularmente adecuado para su aplicacion en un sistema de monitorizacion de estado para componentes de la turbina eolica dentro de la gondola, tales como el generador o la caja de engranajes, ya que el sistema esta formado en su mayona por elementos opticos que no se ven afectados por los campos electricos o magneticos producidos por la maquinaria pesada dentro de la gondola.

En otras realizaciones, un sistema sensor de vibracion tal como se usa en turbinas eolicas segun el tercer aspecto de la presente invencion puede usarse para monitorizar los niveles de vibracion en un componente de turbina eolica, tal como una pala o torre de turbina eolica, debido a la carga de viento durante el funcionamiento. Niveles de vibracion excesivos pueden reducir la vida util de los componentes de turbina eolica y, en algunos casos, provocar dano a los componentes. Por tanto, es importante monitorizar los niveles de vibracion de modo que los parametros de funcionamiento de la turbina eolica puedan controlarse en respuesta a la deteccion de niveles de vibracion por encima de un valor umbral. Por ejemplo, el angulo de paso de las palas de turbina eolica puede controlarse con el fin de reducir la vibracion, o la turbina eolica puede apagarse temporalmente. Ademas, el sistema sensor de vibracion puede usarse para detectar cambios en la frecuencia resonante de la pala de turbina eolica, lo que proporcionara una indicacion de que la pala se ha danado, o esta cubierta con hielo u otra materia.

En un cuarto aspecto de la invencion, relacionado con el tercer aspecto descrito anteriormente, el sistema sensor se usa como un microfono para monitorizar el sonido emitido desde componentes de turbina eolica con el fin de detectar estados de funcionamiento anomalo. Por ejemplo, en determinadas realizaciones preferidas, el sistema sensor puede estar adaptado para sustituir a los microfonos utilizados actualmente para monitorizar la salud de componentes dentro de la gondola, tales como el generador, monitorizando el sonido u ondas acusticas emitidos desde los componentes. En el caso de un generador, cuando se esta desarrollando o se ha desarrollado un fallo, se ha encontrado que el generador emite un sonido diferente del sonido emitido durante el funcionamiento normal. En un caso sencillo, un sonido particular puede indicar que un cojinete esta danado. Detectando y analizando el espectro de sonido del generador, pueden identificarse problemas que perjudicaran al funcionamiento antes de producirse una avena.

De manera similar, el sistema sensor puede usarse como un microfono para monitorizar ruido o sonido de otros componentes de turbina eolica, incluyendo por ejemplo la caja de engranajes, un cojinete tal como un cojinete principal o un cojinete de pala, un engranaje tal como un engranaje de guinada, o una pala. El sistema sensor puede adaptarse segun la frecuencia del sonido que debe monitorizarse, por ejemplo, mediante la seleccion del tipo de material usado para formar la membrana de sensor, la tension de la membrana de sensor y/o el tipo de elemento dispersivo optico.

La frecuencia y/o amplitud del sonido generado por el componente de turbina eolica puede monitorizarse directamente mediante la monitorizacion de la frecuencia y amplitud del movimiento de la membrana de sensor en el sistema sensor. Para cualquier componente particular, se conocera la frecuencia o amplitud asociada con un determinado tipo de dano o fallo y cualquier cambio de la frecuencia o amplitud del sonido generado por el componente desde los niveles normales hacia los niveles indicativos de dano puede identificarse inmediatamente. Entonces puede tomarse la accion necesaria para evitar o reducir un dano adicional o para sustituir o reparar el componente.

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En el tercer y cuarto aspectos de la invencion, el uso de un sistema sensor que comprende un tipo de microfono optico, sin componentes electronicos, es particularmente ventajoso dado que el sistema sensor no es sensible a perturbacion EMC. Ademas, dado que el sistema sensor no requiere el uso de componentes electricamente conductores, puede instalarse de manera segura en una pala de turbina eolica sin aumentar el riesgo de dano a la pala por impactos de rayos.

Las turbinas eolicas segun la invencion pueden comprender uno o mas sistemas sensores, tal como se describio anteriormente. Pueden usarse diferentes sistemas sensores para monitorizar diferentes componentes de turbina eolica y/o diferentes estados.

En una realizacion preferida de una turbina eolica segun la invencion, un sistema sensor esta montado de manera operativa en cada pala de turbina eolica de manera que la membrana de sensor es solidaria con la superficie de la pala. Un sistema de este tipo puede estar adaptado para monitorizar turbulencias o vibraciones, tal como se describio anteriormente.

La presente invencion proporciona ademas un sistema sensor optico que comprende uno o mas sensores, comprendiendo cada sensor: una membrana de sensor reflectante; una fuente luminosa para iluminar una superficie de la membrana de sensor; un elemento dispersivo optico dispuesto para dispersar el haz de luz desde la fuente luminosa para producir un haz de luz dispersado; y un detector de luz para recibir una parte del haz de luz tras la reflexion del haz de luz de la superficie de la membrana de sensor y tras la dispersion del haz de luz por el elemento dispersivo optico, en el que la longitud de onda de la luz recibida en el detector de luz vana en funcion del desplazamiento de la membrana de sensor y en el que el detector de luz proporciona de manera operativa una salida basandose en cambios en la longitud de onda de la luz recibida. Tal como se describio anteriormente, el elemento dispersivo optico puede colocarse entre la fuente luminosa y la membrana de sensor, en la propia membrana de sensor, o entre la membrana de sensor y el detector de luz.

Ahora se describira adicionalmente la invencion unicamente a modo y con referencia a las figuras adjuntas en las que:

la figura 1 ilustra una turbina eolica;

la figura 2 es un alzado longitudinal de una pala de turbina eolica de la turbina de la figura 1, que muestra una disposicion de ejemplo de sensores opticos en un sistema sensor de turbulencia;

la figura 3 ilustra un ejemplo de un sistema sensor optico de una turbina eolica segun la primera realizacion descrita anteriormente;

la figura 4 proporciona una ilustracion esquematica del funcionamiento del sensor optico de la figura 3 para detectar el movimiento de la membrana de sensor;

la figura 5 ilustra un ejemplo de un sensor optico de una turbina eolica segun la segunda realizacion descrita anteriormente;

la figura 6 ilustra un ejemplo de un sensor optico de una turbina eolica segun la tercera realizacion descrita anteriormente; y

la figura 7 ilustra el uso del sistema sensor optico segun la invencion durante la monitorizacion de un generador de turbina eolica.

La figura 1 ilustra una turbina eolica 1 segun la invencion que comprende una torre de turbina eolica 2 en la que esta montada una gondola de turbina eolica 3. Un rotor de turbina eolica 4 que comprende tres palas de turbina eolica 5 esta montado en un buje 6. El buje 6 esta conectado a la gondola 3 mediante un arbol de baja velocidad (no mostrado) que se extiende desde la parte frontal de la gondola. La turbina eolica de la figura 1 puede ser un modelo pequeno previsto para el uso de servicio de luz o domestico, o puede ser un modelo grande tal como aquellos que son adecuados para su uso en la generacion de electricidad a gran escala en un parque eolico. En este ultimo caso, el diametro del rotor puede ser de hasta 100 metros o mas.

Cada pala de turbina eolica 5 incorpora un sistema sensor 10 que comprende una pluralidad de sensores de turbulencia 12 separados a lo largo de la pala, tal como se ilustra en la figura 2 que muestra una vista del lado de sotavento de la pala 5. Los sensores de turbulencia 12, tal como se describe en mas detalle a continuacion, estan dispuestos a lo largo de la superficie de la pala 5 en una pluralidad de ubicaciones. Aunque es posible en algunas realizaciones que los sensores se proporcionen en ubicaciones separadas uniformemente a lo largo de la superficie de pala, en la practica es suficiente si estan dispuestos para proporcionar al menos algo de cobertura en las direcciones longitudinal y lateral de la pala. En el ejemplo mostrado en la figura 2, los sensores estan previstos en una serie lineal dispuesta a lo largo de la longitud de la pala y en varias series lineales laterales separadas a lo largo de la longitud de la pala y que se extienden a lo largo de la pala de manera que se proporcionan sensores tanto en el lado de barlovento como en el de sotavento.

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En la figura 2 los sensores se muestran como que estan separados generalmente de manera uniforme, ya que esto permitira recopilar datos acerca del flujo de aire alrededor de toda la superficie de pala. Sin embargo, se apreciara que para detectar estados de tipo bloqueo, la zona de mayor interes es el lado de salida de sotavento de la pala y por tanto pueden montarse mas sensores en esta region.

La figura 3 ilustra uno de los sensores 12 que constituyen el sistema sensor 10 mostrado en la figura 2, en la que el sensor se muestra in situ integrado en una de las palas 5 de la turbina eolica 1. Cada sensor 12 comprende un alojamiento de sensor 14 que define una cavidad 16 que contiene el aparato sensor. Una superficie del alojamiento de sensor esta dotada de una membrana de sensor 18 que esta montada en la superficie de pala de modo que la membrana 18 separa la cavidad 16 del aire exterior y de modo que la membrana 18 esta en contacto con el flujo de aire en la superficie de la pala 5. La cavidad esta aislada completamente del entorno exterior por las paredes del alojamiento de sensor 14 y la membrana de sensor 18. La cavidad 16 puede llenarse con un gas inerte si se desea.

La membrana de sensor 18 esta dispuesta de modo que forma una superficie uniformemente continua con la superficie exterior de la pala 5. La membrana 18 tambien esta dispuesta de manera que es sensible a cambios en el flujo de aire en la superficie de la pala de turbina eolica. El grosor de la membrana de sensor 18 esta entre 0,5 y 2 mm y la membrana esta tensionada de modo que un flujo de aire turbulento en la superficie de pala solo dara como resultado pequenos movimientos de la membrana de sensor 18.

El sensor 12 comprende ademas una fuente luminosa 20 orientada a la membrana 18 de modo que la luz incide en la superficie interior de la membrana de sensor a un angulo agudo con respecto a la superficie, por ejemplo, a un angulo de aproximadamente 45 grados. La fuente luminosa 20 comprende un diodo emisor de luz 22 proporcionado en el exterior del alojamiento de sensor 14, conectado a una fibra optica 24 que esta montada dentro del alojamiento de sensor 14 de modo que la luz emitida desde el extremo expuesto de la fibra optica 24 se dirige hacia la membrana de sensor 18. El diodo emisor de luz 22 emite un unico haz de luz 28a que tiene un intervalo de longitudes de onda de entre aproximadamente 1500 nm y 1505 nm.

Un elemento prismatico 26 esta montado delante del extremo de la fibra optica 24 de manera que el haz de luz 28a de la fibra optica 24 pasa a traves del elemento prismatico 26 y se divide por el elemento prismatico 26 para formar un haz dispersado 28b con un angulo de dispersion a en el que longitudes de onda diferentes del haz de luz 28a se refractan por angulos ligeramente diferentes. Como resultado, cada longitud de onda diferente de luz incide en una posicion ligeramente diferente en la superficie interna de la membrana de sensor 18. Una lmea discontinua indica la parte del haz dispersado, que impacta en el detector de luz con la mayor intensidad y la longitud de onda en esta situacion es indicativa del estado nulo o no desplazado de la membrana.

Se apreciara que la ilustracion en la figura 3 es esquematica y no esta dibujada a escala. En realidad, el elemento prismatico 26 puede alcanzar una dispersion optica de entre 50 y 100 nm por grado de angulo de modo que el angulo de dispersion a del haz dispersado 28b sera significativamente mas pequeno que el ilustrado esquematicamente en la figura 3.

El sensor 12 comprende ademas un detector de luz 30 que esta colocado dentro del alojamiento de sensor 14 para recibir luz que se refleja de vuelta desde la membrana de sensor 18. El detector de luz 30 comprende una fibra optica 32 montada de manera que una parte del haz reflejado se dirige al extremo expuesto de la fibra 32. El extremo opuesto de la fibra optica 32 esta conectado a un procesador (no mostrado) alejado del alojamiento de sensor 14. La luz recibida se transmite por la fibra optica 32 al procesador, en el que la luz recibida se divide en senales de longitud de onda diferente mediante un sistema WDM y los haces de longitud de onda diferente se envfan cada uno a un diodo PIN que detecta la intensidad o amplitud del haz y emite una senal a un amplificador diferencial. El procesador analiza las amplitudes usando una tecnica de procesamiento matematico adecuado y detecta cambios en la amplitud de los haces de longitud de onda diferente que son indicativos de un cambio en la posicion de la membrana de sensor. El procesador incluye una memoria que se usa para almacenar los patrones registrados de variacion de amplitud o de intensidad.

Tal como se muestra en la figura 3 y tal como se describio anteriormente, la luz que incide sobre la superficie de membrana de sensor esta en forma de un haz de luz dispersado 28b de modo que cada longitud de onda de luz incide en la superficie a un angulo ligeramente diferente. Por tanto, cada longitud de onda de luz tambien se refleja alejandose de la superficie de membrana de sensor a un angulo ligeramente diferente y el haz reflejado 28c tambien se dispersara. La fibra optica 32 del detector de luz esta montada de manera que solo recibe una parte del haz de luz reflejado, dispersado, correspondiente a un subintervalo del intervalo total de longitudes de onda dentro del haz dispersado 28c. En la posicion en reposo de la membrana de sensor 18, la luz recibida esta a una longitud de onda promedio X-i.

Tal como puede determinarse facilmente a partir de la figura 3, tras el movimiento de la membrana como resultado de flujo de aire en la superficie de pala o vibracion, la superficie interna de la membrana de sensor 18 se mueve acercandose o alejandose del detector de luz 30 lo que a su vez provoca un ligero cambio en la posicion del haz reflejado 28c con respecto al detector de luz. En particular, se desvfa el angulo entre la superficie de membrana de sensor de zona sobre la que incide el haz de luz 28b y el detector de luz 30. En la figura 4 se ilustra un ejemplo simplificado en el que la membrana de sensor se mueve hacia arriba con respecto a la superficie de pala una

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distancia d (la posicion de la membrana de sensor desplazada se muestra en lmeas discontinuas).

Puede observarse que, como resultado del desplazamiento de la membrana de sensor, una parte diferente del haz reflejado, dispersado 28c incide sobre el extremo de la fibra optica 32 del detector de luz 30. A medida que la membrana de sensor se mueve desde su posicion original hasta la posicion desplazada mostrada, la intensidad de la luz recibida a una primera longitud de onda X1 correspondiente a la posicion en reposo de la membrana de sensor disminuira en consecuencia, mientras que la intensidad de la luz recibida a una segunda longitud de onda X2 aumentara.

El procesador detecta cambios en la intensidad de la longitud de onda de la luz recibida y a partir de esto puede calcular la distancia d que se ha movido la membrana de sensor, en funcion del tiempo t. Al grabar el patron del desplazamiento de la membrana de sensor, es posible detectar, por ejemplo, cuando el flujo de aire en la superficie de pala cambia de un flujo laminar a un flujo turbulento. El procesador envfa una senal a un controlador que puede controlar uno o mas parametros de funcionamiento de la turbina eolica, tales como el paso de la palas de turbina eolica, basandose en la turbulencia detectada. En determinados casos en los que la turbulencia indica una acumulacion de suciedad o hielo en la pala, el controlador puede apagar temporalmente la turbina para permitir reparar o reacondicionar las palas, o para impedir un dano adicional a las palas. A continuacion, con referencia a la figura 4, se expone un ejemplo sencillo de como el desplazamiento d de la membrana de sensor esta relacionado con el cambio en la longitud de onda de la luz recibida.

En la figura 4 solo se muestran los haces de luz de longitudes de onda X1 y X2 que se reciben en el detector de luz, por motivos de simplicidad. Para el haz de luz de longitud de onda Xi, mostrado en una lmea discontinua, recibido en el detector de luz cuando la membrana de sensor esta en una posicion en reposo, la distancia vertical y desde el elemento prismatico 26 hasta la membrana 18 es igual a la distancia horizontal x entre el elemento prismatico 26 y el punto en la membrana 18 en el que el haz impacta con la superficie. Esto significa que la luz de longitud de onda Xi impacta con la superficie de la membrana de sensor 18 a un angulo p de 45 grados.

Cuando la membrana de sensor se mueve hacia arriba una distancia d con respecto a la posicion en reposo, la distancia vertical desde el elemento prismatico 26 hasta la membrana 18 aumentara hasta (y+d). El haz de luz de longitud de onda X2 que se recibe con alta intensidad en el detector de luz tras este movimiento impacta con la superficie de la membrana de sensor a un angulo p' en donde:

y + d

tan p' = y

Una vez determinado el angulo p', el cambio en la longitud de onda de la luz puede calcularse basandose en el cambio en el angulo (p' - p) multiplicado por la dispersion optica por angulo del haz. Por ejemplo, cuando la membrana se mueve hacia arriba d = 1 micrometro e y = 1 mm, puede calcularse que el cambio en el angulo (p' - p) es de 0,029 grados. Para una dispersion optica de 100 nm por grado de angulo, esto corresponde a un cambio en la longitud de onda (X2-X1) de 2,9 nm. La relacion entre el movimiento de la membrana y el cambio en la longitud de onda detectada para la disposicion particular es por tanto de 2,9 nm por micrometro de movimiento. Por tanto, un cambio en la longitud de onda detectada de 1 pm (picometro) representa un movimiento de 345 pm.

Por analogfa, pueden llevarse a cabo facilmente calculos similares para otras disposiciones del detector de luz y la fuente luminosa.

O simplemente, en cuanto X1 cambia a una longitud de onda diferente, se detecta desplazamiento de la membrana. La necesidad de cuantificar el desplazamiento puede servir para determinar la gravedad de la turbulencia o el dano a la pala, o distinguir entre diferentes estados de influencia externa sobre la membrana, o simplemente para determinar si se ha alcanzado un determinado umbral. La figura 5 muestra un sensor 112 que tiene una disposicion similar a la mostrada en la figura 3 y descrita anteriormente, excepto porque en lugar del elemento prismatico 26 en la figura 3, se proporciona una rejilla de difraccion 126 en una zona definida en la superficie de la membrana de sensor 118. El haz de luz 128a de la fuente luminosa 20 incide sobre la rejilla de difraccion 126 en la superficie de la membrana de sensor 118. Dado que el haz de luz impacta con la rejilla de difraccion 126, se reflejara de vuelta desde la rejilla mientras que al mismo tiempo se dividira para formar un haz dispersado 128b con un angulo de dispersion a en el que longitudes de onda diferentes del haz de luz se refractan mediante angulos ligeramente diferentes. Como resultado, cada longitud de onda diferente de luz se refleja desde la membrana de sensor 118 en una direccion ligeramente diferente hacia el detector de luz 30.

A medida que la membrana de sensor se mueve acercandose o alejandose del detector de luz 30, la posicion a la que impacta el haz de luz 128a con la rejilla de difraccion 126 cambiara ligeramente y habra un cambio correspondiente en la posicion del haz dispersado reflejado 128b con respecto al detector de luz 30. Dado que la posicion del detector de luz 30 es fija, la longitud de onda de la luz que alcanza el detector de luz 30 dependera de la posicion de la membrana de sensor 118.

En la figura 5 se ilustra un ejemplo simplificado en el que la membrana de sensor 118 se mueve hacia arriba con

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respecto a la superficie de pala una distancia d (la posicion de la membrana de sensor desplazada se muestra en lmeas discontinuas).

Puede observarse que, como resultado del desplazamiento de la membrana de sensor, una parte diferente del haz reflejado, dispersado 128b incide sobre el extremo de la fibra optica 32 del detector de luz 30. A medida que la membrana de sensor 118 se mueve desde su posicion original hasta la posicion desplazada mostrada, la intensidad de la luz recibida a una primera longitud de onda Xi (lmea continua) correspondiente a la posicion en reposo de la membrana de sensor disminuira en consecuencia mientras que la intensidad de la luz recibida a una segunda longitud de onda X2 (lmea discontinua) aumentara. Tal como se describio anteriormente en relacion con la figura 4, este cambio en la longitud de onda de la luz detectada puede usarse para calcular el movimiento de la membrana.

La figura 6 muestra un sensor 212 que tiene una disposicion similar a la mostrada en la figura 3 y descrita anteriormente, excepto porque en lugar del elemento prismatico 26 en la figura 3, se proporciona un elemento prismatico 226 entre la membrana de sensor 218 y el detector de luz 30. El haz de luz no dispersado 228a de la fuente luminosa 20 incide sobre la superficie de la membrana de sensor 218 y se refleja por la membrana de sensor 218 en un haz reflejado no dispersado 228b. Entonces el haz de luz reflejado 228b pasa a traves del elemento prismatico 226 y se divide por el elemento prismatico 226 para formar un haz dispersado 228c con un angulo de dispersion a en el que longitudes de onda diferentes del haz de luz 28a se refractan mediante angulos ligeramente diferentes. Una lmea discontinua indica la parte del haz dispersado que impacta con la mayor intensidad con el detector de luz y la longitud de onda en esa situacion es indicativa del estado nulo o no desplazado de la membrana.

A medida que la membrana de sensor 218 se mueve acercandose o alejandose de la fuente luminosa 20, la posicion y/o el angulo al que impacta el haz de luz reflejado 228b con el elemento prismatico 226 cambiara ligeramente y habra un cambio correspondiente en el angulo y la posicion del haz dispersado 228c con respecto al detector de luz 30. Dado que la posicion del detector de luz 30 es fija, la longitud de onda de la luz que alcanza el detector de luz 30 dependera de la posicion de la membrana de sensor 218. Por ejemplo, a medida que la membrana de sensor 228 se mueve alejandose de la fuente luminosa 20, la intensidad de la luz recibida a una primera longitud de onda aumentara mientras que la intensidad de la luz recibida a una segunda longitud de onda X2 disminuira. Se producira lo contrario a medida que la membrana de sensor 228 se mueve acercandose a la fuente luminosa 20. Tal como se describio anteriormente en relacion con la figura 4, este cambio en la longitud de onda de la luz detectada puede usarse para calcular el movimiento de la membrana usando metodos trigonometricos sencillos.

La figura 7 ilustra esquematicamente el uso de un sensor tal como se describio anteriormente en la monitorizacion del sonido generado por una caja de engranajes de turbina eolica. Esta disposicion es segun el cuarto aspecto de la presente invencion, tal como se describio anteriormente. La figura 7 muestra esquematicamente los componentes dentro de la gondola de turbina eolica, incluyendo un arbol principal 310, que esta acoplado a un generador 312 a traves de una caja de engranajes 314. Un microfono optico 316 que comprende un sensor tal como se describio anteriormente esta montado en una parte de la cubierta interna de la gondola, a una distancia alejada de la superficie de la caja de engranajes 314. El microfono optico 316 esta montado de manera que la membrana de sensor del sensor recibe ondas acusticas generadas por la caja de engranajes 314 durante el funcionamiento de la turbina. Tal como se muestra, el microfono optico 316 esta conectado a una disposicion de fibras opticas 318 que proporcionan la fuente luminosa y el detector de luz del sensor.

Las ondas acusticas generadas por la caja de engranajes 314 durante el funcionamiento provocan la vibracion de la membrana de sensor del sensor en el microfono optico. Al monitorizar el movimiento de la membrana de sensor a lo largo del tiempo, usando las tecnicas de longitud de onda descritas anteriormente, es posible determinar la frecuencia y amplitud del sonido detectado. La frecuencia y amplitud del sonido se monitorizan a lo largo del tiempo de modo que puede identificarse inmediatamente cualquier cambio en el perfil de sonido que pueda ser indicativo de dano o fallo de la caja de engranajes 314 o un componente de la misma. En el caso de que se identifique tal dano o fallo, la turbina eolica puede apagarse para permitir llevar a cabo el mantenimiento necesario en la caja de engranajes 314.

Claims (18)

1. 5

   10

   15
2. 2.
3. 3.

   20
4. 4.
5. 5. 25
6. 6. 7.

   30
7. 8.
8. 9.

   35 10.
9. 11.
10. 12.

    40
11. 13.

    45
12. 14.

    REIVINDICACIONES

    Turbina eolica que incluye un sistema sensor optico que comprende uno o mas sensores, comprendiendo cada sensor:

    una membrana de sensor reflectante;

    una fuente luminosa para iluminar una superficie de la membrana de sensor con un haz de luz; caracterizada porque cada sensor comprende ademas:

    un elemento dispersivo optico dispuesto para dispersar el haz de luz de la fuente luminosa para producir un haz de luz dispersado; y

    un detector de luz para recibir una parte del haz de luz tras la reflexion del haz de luz de la superficie de la membrana de sensor y tras la dispersion del haz de luz por el elemento dispersivo optico, en la que la longitud de onda de la luz recibida en el detector de luz vana en funcion del desplazamiento de la membrana de sensor y en la que el detector de luz proporciona de manera operativa una salida basandose en cambios en la longitud de onda de la luz recibida,

    en la que la turbina eolica comprende ademas un controlador para recibir datos del sistema sensor y, basandose en los datos recibidos, controlar un parametro de funcionamiento de la turbina eolica.

    Turbina eolica segun la reivindicacion 1, en la que el elemento dispersivo optico se proporciona entre la fuente luminosa y la membrana de sensor de tal manera que la superficie de la membrana de sensor se ilumina con el haz de luz dispersado.

    Turbina eolica segun la reivindicacion 1, en la que el elemento dispersivo optico se proporciona en la superficie de la membrana de sensor de manera que un haz de luz dispersado se refleja desde la superficie.

    Turbina eolica segun la reivindicacion 1, en la que el elemento dispersivo optico se proporciona entre la membrana de sensor y el detector de luz de manera que se dispersa el haz de luz reflejado.

    Turbina eolica segun cualquier reivindicacion anterior, en la que la fuente luminosa emite un haz de luz con un intervalo de longitud de onda de menos de 10 nm.

    Turbina eolica segun la reivindicacion 5, en la que la fuente luminosa emite un haz de luz con un intervalo de longitud de onda de 1500 nm a 1505 nm.

    Turbina eolica segun cualquier reivindicacion anterior, en la que el elemento dispersivo optico del sensor es un prisma o una rejilla de difraccion para separar las longitudes de onda de la luz en el haz de luz para proporcionar el haz de luz dispersado.

    Turbina eolica segun cualquier reivindicacion anterior, en la que el elemento dispersivo optico del sensor es una rejilla de difraccion, rejilla holografica o filtro dependiente de angulo.

    Turbina eolica segun cualquier reivindicacion anterior, en la que la fuente luminosa del sensor es un diodo emisor de luz.

    Turbina eolica segun cualquier reivindicacion anterior, en la que el detector de luz del sensor comprende una o mas fibras opticas.

    Turbina eolica segun la reivindicacion 10, en la que el detector de luz comprende un sistema de WDM (multiplexado por division de longitud de onda) para dividir la luz recibida segun la longitud de onda.

    Turbina eolica segun cualquier reivindicacion anterior, en la que la fuente luminosa y el detector de luz del sistema sensor optico se proporcionan de manera operativa en una cavidad de sensor dentro de un componente de pala de turbina eolica y en la que la membrana de sensor cubre al menos parte de la cavidad.

    Turbina eolica segun cualquier reivindicacion anterior, en la que el sistema sensor optico comprende una pluralidad de sensores opticos; y un procesador para recibir la salida de los detectores de luz de la pluralidad de sensores opticos y determinar a partir de la salida el desplazamiento de la membrana de sensor dependiente de la intensidad y longitud de onda de luz recibida en un detector de luz.

    Turbina eolica segun la reivindicacion 13, en la que el sistema sensor optico comprende ademas una memoria para registrar las salidas de los detectores de luz de la pluralidad de sensores opticos durante un periodo de tiempo predeterminado en la que el procesador analiza las salidas registradas con el fin de determinar un estado de la turbina eolica a lo largo del periodo de tiempo.
13. 15.
14. 16.

    5
15. 17.

    10
16. 18.

    15
17. 19.

    20 20.

    25 21.
18. 22.

    30

    35

    40 23.

    Turbina eolica segun la reivindicacion 13 6 14, que comprende ademas un controlador para recibir datos del procesador y, basandose en los datos recibidos, controlar un parametro aerodinamico de la turbina eolica.

    Turbina eolica segun la reivindicacion 13, 14 6 15, en la que el sistema sensor optico esta adaptado para monitorizar de manera operativa el flujo de aire en una superficie de un componente de turbina eolica, en la que la membrana de sensor esta montada de manera operativa en una superficie de un componente de turbina eolica para monitorizar flujo de aire a lo largo de la superficie, en la que el procesador determina a partir de la salida de los detectores de luz el tipo de flujo de aire a lo largo de la membrana de sensor.

    Turbina eolica segun la reivindicacion 16, en la que el sistema sensor optico esta adaptado para detectar de manera operativa un flujo de aire turbulento en la superficie del componente de turbina eolica, en la que el procesador analiza variaciones en la longitud de onda de la luz recibida en los detectores de luz a lo largo de un periodo de tiempo predeterminado para determinar si el flujo de aire sobre la membrana de sensor es turbulento.

    Turbina eolica segun la reivindicacion 17, en la que el sistema sensor optico forma parte de un sistema de control de pala y en la que el controlador recibe de manera operativa datos del procesador del sistema sensor y, basandose en la deteccion de un flujo de aire turbulento, controla un parametro aerodinamico de la pala.

    Turbina eolica segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en la que el sistema sensor optico esta montado en la superficie de un componente de turbina eolica y esta adaptado para detectar de manera operativa la vibracion del componente de turbina eolica.

    Turbina eolica segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en la que el sistema sensor optico esta adaptado para proporcionar un microfono optico para monitorizar de manera operativa el sonido generado por un componente de turbina eolica de manera que el microfono optico se ajusta para detectar ondas acusticas dentro de un intervalo de frecuencia definido, en la que el intervalo de frecuencia definido vana segun el tipo de componente de turbina eolica que va a monitorizarse.

    Turbina eolica segun cualquier reivindicacion anterior, en la que el sistema sensor optico esta montado de manera operativa sobre una pala de turbina eolica de manera que la membrana de sensor es solidaria con la superficie de la pala.

    Sistema sensor optico para una turbina eolica, teniendo el sistema sensor uno o mas sensores opticos, comprendiendo cada sensor:

    una membrana de sensor reflectante;

    una fuente luminosa para iluminar una superficie de la membrana de sensor; caracterizado por que cada sensor comprende ademas:

    un elemento dispersivo optico dispuesto para dispersar el haz de luz de la fuente luminosa para producir un haz de luz dispersado; y

    un detector de luz para recibir una parte del haz de luz tras la reflexion del haz de luz de la superficie de la membrana de sensor y tras la dispersion del haz de luz por el elemento dispersivo optico, en el que la longitud de onda de la luz recibida en el detector de luz vana en funcion del desplazamiento de la membrana de sensor y en el que el detector de luz proporciona de manera operativa una salida basandose en cambios en la longitud de onda de la luz recibida.

    Uso de un sistema sensor optico segun la reivindicacion 21 en una turbina eolica para controlar un parametro de funcionamiento de la turbina eolica basandose en datos recibidos en un controlador de turbina eolica a partir del sistema sensor optico.