ES2710103T3 - Método para medir la dirección del viento en la estela de un rotor de turbina eólica - Google Patents

Método para medir la dirección del viento en la estela de un rotor de turbina eólica Download PDF

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Abstract

Método para medir la dirección (7) del viento, que comprende las etapas de - medir la dirección del viento en la estela de un rotor (4) de turbina eólica, caracterizado por - clasificar la señal de dirección del viento obtenida usando al menos un parámetro de clasificación eliminando señales de dirección del viento específicas dependiendo del al menos un parámetro de clasificación, en el que una señal que indica periodos con flujo de aire perturbado se usa como parámetro de clasificación.

Description

METODO PARA MEDIR LA DIRECCION DEL VIENTO EN LA ESTELA DE UN ROTOR DE TURBINA EOLICA
DESCRIPCION
La presente invencion se refiere a un metodo para medir la direccion del viento y a una turbina eolica.
La veleta que controla o que mide la direccion de guinada de la gondola y el rotor de turbina eolica a barlovento se situa normalmente en la gondola detras del rotor. La perturbacion de flujo debida al rotor tendra un impacto sobre la lectura de la veleta, y proporcionara una medicion sesgada de la direccion del viento dando como resultado un error de guinada. El error de guinada es el fenomeno en el que la turbina no esta apuntando hacia el viento, lo que da como resultado que la direccion del viento no sea perpendicular al plano del rotor.
Para minimizar el problema, la veleta se monta normalmente en la posicion que se considera que solo tiene un flujo de entrada perturbado de forma menor.
Un metodo mas avanzado para medir la direccion del viento es disponer instrumentacion delante del rotor. Al hacerlo asf, la instrumentacion tiene un flujo de entrada libre, y se evita la estela del disco de rotor. Tambien pueden usarse sensores de presion montados en la carcasa del buje (spinner) o una superficie delante de la turbina, para medir la direccion del viento. Sin embargo, ambos tipos tienen la desventaja de que los costes son superiores que usando la veleta situada en la gondola clasica. Por ese motivo, la veleta situada en la gondola es todavfa la solucion mas usada.
La veleta puede ser de tipo o bien mecanico o bien sonico o, por ende, de cualquier otro tipo. Generalmente, se conoce en la tecnica un anemometro de buje que usa sensores de presion montados en la carcasa del buje delante del rotor. Ademas, se conocen veletas y anemometros clasicos montados en una varilla delante de la carcasa del buje.
En los documentos US 2008/0111379 A1, JP 1284763 A, EP 2067989 A2 y US 4.011.752, se describen diferentes metodos que miden la velocidad del viento o la direccion del viento.
Un primer objetivo de la presente invencion es proporcionar un metodo mejorado para medir la direccion del viento en la estela de un rotor de turbina eolica. Un segundo objetivo de la presente invencion es proporcionar una turbina eolica ventajosa.
El primer objetivo se resuelve mediante un metodo para medir la direccion del viento segun la reivindicacion 1. El segundo objetivo se resuelve mediante una turbina eolica segun la reivindicacion 8. Las reivindicaciones dependientes definen desarrollos adicionales de la presente invencion.
El metodo de la invencion para medir la direccion del viento comprende las etapas de medir la direccion del viento en la estela de un rotor de turbina eolica, y clasificar la senal de direccion del viento obtenida usando al menos un parametro de clasificacion. Por ejemplo, la direccion del viento puede medirse mediante un medio que esta ubicado en la estela del rotor. El medio para medir la direccion del viento puede estar ubicado preferiblemente en una gondola de la turbina eolica. Ventajosamente, puede usarse una veleta como medio para medir la direccion del viento.
La presente invencion tiene la ventaja de que puede minimizarse el error de guinada de un rotor de una turbina eolica. Esto puede obtenerse mejorando la senal de direccion del viento medida. La ventaja de usar el error de guinada es que se mejora la produccion electrica, y se minimizan las cargas sobre la construccion. Por consiguiente, aumentan los beneficios economicos y se reducen los costes de componentes.
La direccion del viento puede medirse en funcion de un parametro de clasificacion y la direccion del viento medida puede clasificarse dependiendo del parametro de clasificacion. Por ejemplo, la direccion del viento puede medirse en funcion del angulo azimutal del rotor. La senal de direccion del viento obtenida puede clasificarse entonces dependiendo del angulo azimutal del rotor.
La senal de direccion del viento se clasifica dependiendo de una senal que indica periodos, por ejemplo periodos de tiempo, con flujo de aire perturbado. El flujo de aire en la posicion de medicion puede perturbarse, por ejemplo, por el paso de las palas de rotor de turbina eolica cuando esta en funcionamiento el rotor.
El angulo azimutal de rotor y/o la velocidad de rotacion del rotor y/o una senal de un sensor de gravedad (sensor G) y/o una senal de un sensor de carga pueden usarse como parametro de clasificacion. El sensor de gravedad y/o el sensor de carga pueden estar ubicados en una pala de rotor. Dicho de otro modo, el angulo azimutal de rotor y/o la velocidad de rotacion del rotor y/o la senal de un sensor de gravedad, por ejemplo ubicado en una pala de rotor, y/o una senal de un sensor de carga, por ejemplo que esta ubicado en una pala de rotor, puede medirse para clasificar la senal de direccion del viento medida. Ademas, la senal de direccion del viento puede clasificarse por medio de un controlador de guinada.
Generalmente, la senal de direccion del viento puede clasificarse de manera instantanea y/o continua. Esto tiene la ventaja de que puede reducirse un posible retardo temporal entre la medicion y la obtencion de un resultado mejorado.
La senal de direccion del viento se clasifica escogiendo o eliminando senales de direccion del viento especfficas dependiendo del al menos un parametro de clasificacion. Por ejemplo, pueden eliminarse las senales de direccion del viento a grados de azimut de rotor especfficos, que pueden corresponder por ejemplo a una pala de rotor que pasa a traves del flujo de aire hacia la posicion de medicion. Esto tiene la ventaja de que pueden eliminarse las senales perturbadas por las palas de rotor y escogerse solamente las senales correspondientes a un flujo de aire no perturbado.
Ademas, la senal clasificada puede optimizarse mas aun usando al menos un parametro de optimizacion. Esto mejora adicionalmente la senal obtenida y puede reducir el error de guinada.
Por ejemplo, una senal de velocidad del viento y/o una senal de potencia y/o una senal de angulo de paso y/o una senal de una celda de carga pueden usarse como parametro de optimizacion. Una senal de velocidad del viento y/o una senal de potencia y/o una senal de angulo de paso y/o una senal de una celda de carga pueden medirse para optimizar la senal de direccion del viento clasificada.
La senal de veleta clasificada puede optimizarse usando, por ejemplo, una velocidad del viento medida para indicar si debe corregirse la senal de veleta clasificada. Esto podrfa realizarse en el controlador de guinada mediante una tabla de consulta, por ejemplo, para la suma, resta, multiplicacion y/o division de un numero de consultas especffico en relacion con la velocidad del viento (parametro de optimizacion) y la senal de azimut de rotor (parametro de clasificacion) y la senal de veleta. Generalmente, la senal clasificada puede optimizarse usando una tabla de consulta.
La turbina eolica de la invencion comprende un rotor y un medio para medir la direccion del viento. El medio para medir la direccion del viento esta ubicado en la estela del rotor. La turbina eolica comprende ademas al menos un medio para clasificar las senales de direccion del viento medidas. Esto tiene la ventaja de que puede obtenerse una senal de direccion del viento mejorada, que representa unicamente la direccion de flujo de aire no perturbado.
Ademas, la turbina eolica puede comprender al menos un medio para optimizar la senal clasificada. Esto permite una mejora adicional de la senal de direccion del viento obtenida. Especialmente usando uno o mas sensores para medir al menos un parametro de optimizacion de la turbina, es posible eliminar una parte variable de la senal de direccion del viento o senal de veleta, basandose en las condiciones de funcionamiento.
La turbina eolica puede comprender una veleta como medio para medir la direccion del viento. Ademas, la turbina eolica puede comprender un controlador de guinada que comprende el medio para clasificar las senales de direccion de medicion y/o el medio para optimizar la senal clasificada. Por ejemplo, el medio para clasificar la senal de direccion del viento medida puede comprender un sensor de gravedad y/o un sensor de carga. El sensor de gravedad y/o el sensor de carga pueden estar ubicados preferiblemente en una pala de rotor de turbina eolica. Ademas, el medio para optimizar la senal clasificada puede comprender una celda de carga. La celda de carga puede estar ubicada preferiblemente en la pala de rotor de turbina eolica.
Por medio de la presente invencion, puede minimizarse el error de guinada de un rotor de una turbina eolica mejorando una senal de direccion del viento, por ejemplo una senal de veleta, usando una o mas senales de sensor para clasificar la senal de direccion del viento (parametro de clasificacion) y/o en combinacion con una o mas senales de sensor de optimizacion (parametro de optimizacion).
Algunas caracterfsticas, propiedades y ventajas adicionales de la presente invencion resultaran evidentes a partir de la siguiente descripcion de una realizacion junto con los dibujos adjuntos. Las caracterfsticas mencionadas son ventajosas de manera independiente o en cualquier combinacion entre si.
La figura 1 muestra esquematicamente una turbina eolica.
La figura 2 muestra esquematicamente parte de una turbina eolica en una vista en perspectiva.
La figura 3 muestra esquematicamente la direccion del viento medida mediante una veleta en funcion del angulo azimutal de rotor.
Se describira a continuacion una realizacion de la presente invencion con referencia a las figuras 1 a 3.
La figura 1 muestra esquematicamente una turbina 1 eolica. La turbina 1 eolica comprende una torre 2, una gondola 3 y un rotor o buje 4. La gondola 3 esta ubicada encima de la torre 2. El buje 4 comprende varias palas 5 de turbina eolica. El rotor o buje 4 se monta en la gondola 3. Ademas, el rotor 4 se monta de manera pivotante de tal modo que puede rotar alrededor de un eje 9 de rotacion. Un generador 6 esta ubicado en el interior de la gondola 3. La turbina 1 eolica puede ser una turbina eolica de accionamiento directo.
La gondola 3 comprende un lado 19 cercano enfrentado al rotor 4 y un lado 20 lejano opuesto al rotor 4. Una veleta 10 esta ubicada encima de la gondola, preferiblemente cerca del lado 20 lejano.
La figura 2 muestra esquematicamente parte de una turbina 1 eolica en una vista en perspectiva. La direccion del viento se indica mediante una flecha 7. El sentido de rotacion del rotor 4 se indica mediante una flecha 8. La veleta 10 que se usa para medir la direccion del viento, por ejemplo para controlar o calcular el angulo de guinada, esta ubicada en la estela del rotor 4. Esto significa que el flujo de aire pasa en primer lugar por el rotor 4 antes de que alcance la veleta 10. El flujo de aire que llega a la veleta 10 se perturba normalmente por la influencia de las palas 5 de rotor.
La figura 3 muestra esquematicamente la direccion del viento medida mediante la veleta 10 en funcion del angulo azimutal del rotor 4. En la figura 3, el eje x indica el angulo azimutal de rotor. El eje y indica la direccion del viento medida. Las senales de direccion del viento medidas se indican mediante el numero de referencia 11. La curva 11 medida muestra partes 12, en las que la direccion del viento medida es casi constante al menos para una revolucion del rotor. Estas partes 12 representan un flujo de aire no perturbado. Esto significa que la direccion del viento que se mide en partes de angulo azimutal de rotor especfficas representa la direccion del viento que tambien esta presente en el entorno de la turbina 1 eolica. Esta direccion del viento no se ve influida por las palas 5 de rotor.
En la presente realizacion, el rotor 4 de tres palas provoca una perturbacion por cada paso de pala cada 120 grados de rotacion. En la figura 3 en los angulos azimutales de rotor de 120°, 240 °, 360° y asf sucesivamente, una pala 5 de rotor pasa por la veleta 10 y perturba el flujo de aire hacia la veleta 10. La direccion del viento medida en la region de angulo azimutal de rotor alrededor de estos angulos que corresponde a una pala que pasa 14 muestra una senal rapidamente cambiante. Estas senales no corresponden a la direccion del viento real en el entorno de la turbina eolica y no pueden usarse para el control de guinada o calculos de angulo de guinada adicionales.
Se eliminan las senales 14 de medicion perturbadas y se escogen las senales 13 de medicion no perturbadas para calculos adicionales. Puesto que el flujo de viento medido mediante la veleta 10 se perturba con cada paso de pala, puede usarse la senal de azimut de rotor (angulo de rotor) para clasificar la senal de veleta de historial/tiempo almacenado de manera instantanea y continua. La senal de veleta puede clasificarse de manera instantanea y continua eligiendo o eliminando senales de veleta especfficas a grados de azimut de rotor especfficos, tal como se muestra por ejemplo en la figura 3. Esto puede realizarse directamente mediante un programa en un controlador de guinada que controla el angulo de guinada del rotor 4 y la gondola 3 de la turbina 1 eolica. La senal de veleta clasificada puede optimizarse adicionalmente usando, por ejemplo, una velocidad del viento medida para indicar si debe corregirse la senal de veleta clasificada. Esto podrfa realizarse en el controlador de guinada mediante una tabla de consulta, por ejemplo, para la suma, resta, multiplicacion y/o division de un numero de consulta especffico en relacion con la velocidad del viento (parametro de optimizacion) y la senal de azimut de rotor (parametro de clasificacion) y la senal de veleta.
Puede obtenerse la eliminacion de una parte de la senal de guinada o la senal de direccion del viento de diversos modos. La siguiente tabla muestra diferentes opciones:
Figure imgf000004_0001
La direccion del viento como parametro medido principal puede clasificarse mediante un parametro de clasificacion. Generalmente, cada senal que puede usarse directa o indirectamente para eliminar periodos con flujo de aire perturbado puede usarse como parametro de clasificacion. Por ejemplo, el angulo azimutal de rotor, la rotacion del rotor por minuto y un analisis de senal adicional, una senal de un sensor de gravedad en el rotor 4 o la senal de un sensor de carga en la pala 5 pueden usarse como parametro de clasificacion.
Ademas, el metodo principal y la senal o el parametro clasificado pueden optimizarse adicionalmente por medio de un parametro de optimizacion. Generalmente, cada senal que puede optimizar directa o indirectamente el parametro de clasificacion puede usarse como parametro de optimizacion. Por ejemplo, la velocidad del viento, la potencia, por ejemplo la potencia del rotor o la potencia de un generador, el angulo de paso o una senal de una celda de carga, por ejemplo ubicada en una pala 5, pueden usarse como parametro de optimizacion. El parametro de optimizacion puede obtenerse, por ejemplo, por medio de uno o mas sensores de la turbina. Usando un parametro de optimizacion, por ejemplo de un sensor adicional, se vuelve posible tener una parte variable de la senal de veleta medida principal o de la senal de veleta clasificada eliminada, por ejemplo basandose en las condiciones de funcionamiento.
Generalmente, pueden usarse uno o varios de los parametros de clasificacion mencionados anteriormente para clasificar la direccion del viento medida principal. Ademas, pueden usarse uno o varios de los parametros de optimizacion mencionados anteriormente para optimizar adicionalmente la senal clasificada.
La presente invencion usa la configuracion clasica con la veleta en la gondola detras del rotor, sin embargo mejoro usando otros sensores. Basandose en la informacion de otros sensores, puede eliminarse parte de la senal de la veleta, y al hacerlo asf, puede mejorarse la lectura de la direccion del viento y, por consiguiente, puede minimizarse el error de guinada. Esta senal mejorada procedente de la veleta puede usarse como senal para el sistema de control de guinada.
Usando el metodo de la invencion y/o la turbina eolica de la invencion se vuelve posible obtener una senal de direccion del viento clasificada y optimizada, que corresponde a la direccion del viento real y no perturbada en el entorno de la turbina eolica. Puede usarse esta senal mejorada para calculos de angulo de guinada y permite reducir el error de guinada. Un error de guinada reducido mejora la produccion electrica, minimiza las cargas sobre la construccion y aumenta los beneficios economicos y reduce los componentes.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Metodo para medir la direccion (7) del viento, que comprende las etapas de
- medir la direccion del viento en la estela de un rotor (4) de turbina eolica, caracterizado por
- clasificar la senal de direccion del viento obtenida usando al menos un parametro de clasificacion eliminando senales de direccion del viento especfficas dependiendo del al menos un parametro de clasificacion, en el que una senal que indica periodos con flujo de aire perturbado se usa como parametro de clasificacion.
2. Metodo segun la reivindicacion 1, caracterizado por usar el angulo azimutal de rotor y/o la velocidad de rotacion del rotor y/o una senal de un sensor de gravedad y/o una senal de un sensor de carga como parametro de clasificacion.
3. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado por clasificar de manera instantanea y/o continua la senal de direccion del viento.
4. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por medir la direccion (7) del viento en funcion del angulo azimutal del rotor (4) y clasificar las senales de direccion del viento medidas dependiendo del angulo azimutal del rotor.
5. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por optimizar la senal clasificada usando al menos un parametro de optimizacion.
6. Metodo segun la reivindicacion 5, caracterizado por usar una senal de velocidad del viento y/o una senal de potencia y/o una senal de angulo de paso y/o una senal de una celda de carga como parametro de optimizacion.
7. Metodo segun la reivindicacion 5 o la reivindicacion 6, caracterizado por optimizar la senal clasificada usando una tabla de consulta.
8. Turbina (1) eolica que comprende un rotor (4) y un medio para medir la direccion del viento que esta ubicado en la estela del rotor, caracterizado por que la turbina (1) eolica comprende al menos un medio configurado para clasificar las senales de direccion del viento medidas usando al menos un parametro de clasificacion eliminando senales de direccion del viento especfficas dependiendo del al menos un parametro de clasificacion, en la que una senal que indica periodos con flujo de aire perturbado se usa como parametro de clasificacion.
9. Turbina (1) eolica segun la reivindicacion 8, caracterizada por que la turbina (1) eolica comprende al menos un medio para optimizar la senal clasificada.
10. Turbina (1) eolica segun la reivindicacion 8 o la reivindicacion 9, caracterizada por que la turbina (1) eolica comprende una veleta (10) como medio para medir la direccion (7) del viento.
11. Turbina (1) eolica segun cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, caracterizada por que la turbina (1) eolica comprende un controlador de guinada que comprende el medio para clasificar las senales de direccion del viento medidas y/o el medio para optimizar la senal clasificada.
12. Turbina (1) eolica segun cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, caracterizada por que el medio para clasificar las senales de direccion del viento medidas comprende un sensor de gravedad y/o un sensor de carga.
13. Turbina (1) eolica segun cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, caracterizada por que el medio para optimizar la senal clasificada comprende una celda de carga.
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