ES2884424T3 - Sistema y procedimiento para reducir el ruido de una turbina eólica durante condiciones de alta velocidad del viento - Google Patents

Sistema y procedimiento para reducir el ruido de una turbina eólica durante condiciones de alta velocidad del viento Download PDF

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Abstract

Un procedimiento (100) para reducir ruido de una turbina eólica (10), comprendiendo el procedimiento: determinar (102) una velocidad de viento en la turbina eólica (10); determinar (104), por medio de un controlador de turbina (26), una dirección de viento nominal para generar una potencia nominal de la turbina eólica (10); determinar (106) un ángulo de pitch de al menos una pala de rotor (22) de la turbina eólica (10); determinar (108) una desviación de orientación para una góndola (16) de la turbina eólica (10) en base a la velocidad de viento y el ángulo de pitch; y cambiar (112) un ángulo de orientación de la góndola (16) alejándola de la dirección de viento nominal mediante la desviación de orientación cuando al menos uno de la velocidad de viento o el ángulo de pitch supera un umbral predeterminado para reducir ruido de la turbina eólica (10) y para limitar un pitcheo excesivo y evitar un incremento de ruido asociado no deseado.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y procedimiento para reducir el ruido de una turbina eólica durante condiciones de alta velocidad del viento
[0001] La presente divulgación se refiere en general a turbinas eólicas y, más en particular, a sistemas y procedimientos para reducir el ruido de una turbina eólica durante condiciones de alta velocidad del viento por medio de control de la posición de la góndola.
[0002] La energía eólica se considera una de las fuentes de energía más limpias y más respetuosas con el medio ambiente actualmente disponibles, y a este respecto se ha incrementado la atención que atraen las turbinas eólicas. Una turbina eólica moderna típicamente incluye una torre, un generador, una multiplicadora, una góndola y un rotor que incluye una o más palas de rotor. Las palas de rotor captan energía cinética del viento usando principios de superficie de sustentación conocidos y transmiten la energía cinética a través de energía de rotación para hacer girar un eje que acopla las palas de rotor a una multiplicadora o, si no se usa una multiplicadora, directamente al generador. A continuación, el generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica que se puede distribuir por una red de suministro.
[0003] En operación, la dirección del viento que impulsa la turbina eólica puede cambiar. La turbina eólica puede, por tanto, ajustar la góndola a través de, por ejemplo, un ajuste de orientación (“yaw”) alrededor de un eje longitudinal de la torre para mantener la alineación con la dirección del viento. Además, las turbinas eólicas típicamente usan un control de pitch para mantener la potencia nominal con vientos fuertes. A medida que se incrementa la velocidad del viento, las palas se "pitchean hasta la posición de bandera" (es decir, el ángulo de pitch de las palas de rotor se incrementa) para reducir la sustentación y el empuje y mantener el par de torsión y la potencia de la turbina eólica. Cuando las palas de rotor se pitchean en exceso con vientos fuertes, el ruido aerodinámico de las palas también se puede incrementar, como resultado de unas capas límite engrosadas o un flujo separado en las superficies laterales de presión de las palas de rotor.
El documento EP2762721 es un ejemplo de reducción del ruido generado por una turbina eólica orientando la góndola.
[0004] En consecuencia, sería ventajoso limitar el pitcheo excesivo y evitar un incremento de ruido asociado no deseado. Así pues, la presente divulgación está dirigida a sistemas y procedimientos que orientan activamente la góndola de la turbina eólica alejándola de la dirección del viento nominal a altas velocidades del viento. Con la turbina alejada de la dirección del viento, hay menos potencia disponible y las palas no se verán obligadas a pitchear demasiado para mantener la potencia nominal.
[0005] Diversos aspectos y ventajas de la invención se expondrán en parte en la siguiente descripción, o pueden quedar claros a partir de la descripción, o se pueden descubrir mediante la puesta en práctica de la invención.
[0006] En otro aspecto, la presente divulgación está dirigida a un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 para reducir el ruido de una turbina eólica. El procedimiento incluye determinar una velocidad del viento en la turbina eólica, por ejemplo, usando sensores o un estimador en un controlador de turbina. El procedimiento también incluye determinar una dirección del viento nominal para producir la potencia nominal de la turbina eólica por medio del controlador de la turbina. Además, el procedimiento incluye determinar un ángulo de pitch de al menos una pala de rotor de la turbina eólica. Así pues, el procedimiento incluye determinar una desviación de orientación para una góndola de la turbina eólica en base a la velocidad del viento y/o el ángulo de pitch. Por tanto, el procedimiento incluye además cambiar un ángulo de orientación de la góndola mediante la desviación de orientación cuando al menos uno de la velocidad del viento o el ángulo de pitch supera un umbral predeterminado para reducir el ruido de la turbina eólica.
[0007] En un modo de realización, el procedimiento puede incluir cambiar el ángulo de orientación de la góndola mediante la desviación de orientación para incrementar un ángulo de ataque de la pala de rotor. Por tanto, en dichos modos de realización, el incremento del ángulo de ataque reduce el ruido de una superficie de lado de presión de la pala de rotor.
[0008] En otro modo de realización, la etapa de determinar la desviación de orientación para la góndola de la turbina eólica en base a la velocidad del viento y/o el ángulo de pitch puede incluir seleccionar una desviación de orientación predeterminado de una tabla de consulta cuando la velocidad del viento supera el umbral predeterminado. En modos de realización alternativos, la etapa de determinar la desviación de orientación para la góndola de la turbina eólica en base a la velocidad del viento y/o el ángulo de pitch puede incluir calcular la desviación de orientación en función de la velocidad del viento y el ángulo de pitch cuando la velocidad del viento supera el umbral predeterminado.
[0009] En otros modos de realización, el procedimiento puede incluir orientar por incrementos la góndola alejándola de la dirección del viento nominal en un intervalo de velocidades del viento. En otras palabras, el cambio en el ángulo de orientación se puede producir gradualmente. De forma alternativa, el procedimiento puede incluir orientar la góndola alejándola súbitamente de la dirección del viento nominal, es decir, tan pronto como la velocidad del viento supera el umbral predeterminado.
[0010] En modos de realización adicionales, el procedimiento puede incluir monitorizar la velocidad del viento en la turbina eólica en tiempo real. En dichos modos de realización, el (los) sensor(es) puede(n) incluir un acelerómetro, una veleta, un sensor LIDAR o cualquier otro sensor adecuado para monitorizar la velocidad del viento en la turbina eólica.
[0011] Aún en otro modo de realización, el umbral predeterminado puede incluir velocidades del viento mayores que una velocidad del viento a la que se alcanza la potencia nominal. En diversos modos de realización, la desviación de orientación puede incluir ángulos mayores que aproximadamente dieciséis (16) grados.
[0012] En otro aspecto, la presente divulgación está dirigida a un sistema de acuerdo con la reivindicación 10 para reducir el ruido de una turbina eólica causado por un pitcheo excesivo de al menos una pala de rotor. El sistema incluye al menos un sensor configurado para monitorizar una velocidad del viento en la turbina eólica y un controlador acoplado comunicativamente al al menos un sensor. El controlador incluye al menos un procesador configurado para realizar una o más operaciones, que incluyen pero sin limitarse a determinar una dirección del viento nominal para generar una potencia nominal de la turbina eólica, determinar una desviación de orientación para una góndola de la turbina eólica en base a, al menos, la velocidad del viento, y cambiar un ángulo de orientación de la góndola mediante la desviación de orientación cuando la velocidad del viento supera un umbral predeterminado para incrementar un ángulo de ataque de la pala de rotor, en el que el incremento del ángulo de ataque reduce el ruido de una superficie lateral de presión de la pala de rotor.
[0013] En un modo de realización, la una o más operaciones pueden incluir determinar un ángulo de pitch de al menos una pala de rotor de la turbina eólica, y determinar la desviación de orientación para la góndola de la turbina eólica en base a la velocidad del viento y el ángulo de pitch. Se debe entender además que el sistema puede incluir además cualquiera de las características adicionales como se describe en el presente documento.
[0014] Aún en otro aspecto, la presente divulgación está dirigida a un procedimiento para reducir el ruido de una turbina eólica. El procedimiento incluye monitorizar, por medio de uno o más sensores, una velocidad del viento en la turbina eólica. Otra etapa incluye determinar, por medio de un controlador de turbina, una dirección del viento nominal para generar la potencia nominal de la turbina eólica. El procedimiento incluye además determinar una desviación de orientación para una góndola de la turbina eólica en base, al menos, a la velocidad del viento. Además, el procedimiento incluye cambiar un ángulo de orientación de la góndola mediante la desviación de orientación cuando la velocidad del viento supera un umbral predeterminado para incrementar un ángulo de ataque de la pala de rotor. Por tanto, el incremento del ángulo de ataque reduce el ruido de una superficie lateral de presión de la pala de rotor. También se debe entender que el procedimiento puede incluir además cualquiera de las características y/o etapas adicionales como se describe en el presente documento.
[0015] Diversas características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor con referencia a la siguiente descripción y las reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que están incorporados en, y que forman parte de, la presente memoria descriptiva, ilustran modos de realización de la invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención.
[0016] En los dibujos:
la FIG. 1 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;
la FIG. 2 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una de las palas de rotor de la turbina eólica mostrada en la FIG. 1;
la FIG. 3 ilustra una vista en sección transversal de la pala de rotor mostrada en la FIG. 2 a lo largo de la línea 3-3;
la FIG. 4 ilustra una vista interna en perspectiva de un modo de realización de una góndola de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;
la FIG. 5 ilustra un diagrama esquemático de un modo de realización de unos componentes adecuados que pueden estar incluido dentro de un controlador de turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;
la FIG. 6 ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento para reducir el ruido de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación;
la FIG. 7 ilustra un gráfico de ángulo de pitch/desviación de orientación y potencia acústica (ejes y) frente a la velocidad del viento a la altura del buje (eje x) para el funcionamiento convencional;
la FIG. 8 ilustra un gráfico de un modo de realización de ángulo de pitch/desviación de orientación y potencia acústica (ejes y) frente a la velocidad del viento a la altura del buje (eje x) de acuerdo con la presente divulgación;
la FIG. 9 ilustra un gráfico de otro modo de realización de ángulo de pitch/desviación de orientación y potencia acústica (ejes y) frente a la velocidad del viento a la altura del buje (eje x) de acuerdo con la presente divulgación;
la FIG. 10 ilustra un gráfico de aún otro modo de realización de ángulo de pitch/desviación de orientación y potencia acústica (ejes y) frente a la velocidad del viento a la altura del buje (eje x) de acuerdo con la presente divulgación; y
la FIG. 11 ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento para reducir el ruido de una turbina eólica de acuerdo con la presente divulgación.
[0017] Se hace referencia en detalle ahora a unos modos de realización de la invención, uno o más ejemplos de los cuales se ilustran en los dibujos. Cada ejemplo se proporciona a modo de explicación de la invención, y no de limitación de la invención. De hecho, será evidente para los expertos en la técnica que se pueden hacer diversas modificaciones y variaciones en la presente invención sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, las características ilustradas o descritas como parte de un modo de realización se pueden usar con otro modo de realización para proporcionar aún otro modo de realización. Por tanto, se pretende que la presente invención cubra dichas modificaciones y variaciones tal como aparecen dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
[0018] En referencia ahora a los dibujos, la FIG. 1 ilustra una vista en perspectiva de un modo de realización de una turbina eólica 10 de acuerdo con la presente divulgación. Como se muestra, la turbina eólica 10 incluye una torre 12 que se extiende desde una superficie de apoyo 14, una góndola 16 montada sobre la torre 12 y un rotor 18 acoplado a la góndola 16. El rotor 18 incluye un buje rotativo 20 y al menos una pala de rotor 22 acoplada a, y extendiéndose hacia el exterior desde, el buje 20. Por ejemplo, en el modo de realización ilustrado, el rotor 18 incluye tres palas de rotor 22. Sin embargo, en un modo de realización alternativo, el rotor 18 puede incluir más o menos de tres palas de rotor 22. Cada pala de rotor 22 puede estar separada alrededor del buje 20 para facilitar la rotación del rotor 18 y permitir que se transfiera energía cinética del viento como energía mecánica usable y, posteriormente, energía eléctrica. Por ejemplo, el buje 20 puede estar acoplado rotativamente a un generador eléctrico 24 (FIG. 4) situado dentro de la góndola 16 para permitir que se genere energía eléctrica.
[0019] En referencia ahora a las FIGS. 2 y 3, se ilustra una vista en perspectiva y una vista en sección transversal de una de las palas de rotor 22 mostradas en la FIG. 1. Como se muestra, la pala de rotor 22 incluye en general una raíz de pala 24 configurada para montar la pala de rotor 22 en el buje 20 de la turbina eólica 10 (FIG. 1) y una punta de pala 23 dispuesta opuesta a la raíz de pala 25. Un cuerpo 27 de la pala de rotor 22 puede estar configurado en general para extenderse entre la raíz de pala 23 y la punta de pala 25 y puede servir como la carcasa/el revestimiento exterior de la pala 22. En diversos modos de realización, como se muestra en particular en la FIG. 3, el cuerpo 27 puede definir un perfil sustancialmente aerodinámico, por ejemplo definiendo una sección transversal con forma de perfil aerodinámico simétrico o combado. Por tanto, el cuerpo 27 puede incluir un lado de presión 31 y un lado de succión 33 que se extienden entre un borde de ataque 35 y un borde de salida 37.
[0020] En referencia ahora a la FIG. 4, se ilustra una vista interna simplificada de un modo de realización de la góndola 16 de la turbina eólica 10. Como se muestra, un generador 24 puede estar dispuesto dentro de la góndola 16. En general, el generador 24 puede estar acoplado al rotor 18 de la turbina eólica 10 para generar energía eléctrica a partir de la energía de rotación generada por el rotor 18. Por ejemplo, el rotor 18 puede incluir un eje principal 40 acoplado al buje 20 para su rotación con el mismo. El generador 24 se puede acoplar entonces al eje principal 40 de modo que la rotación del eje principal 40 acciona el generador 24. Por ejemplo, en el modo de realización ilustrado, el generador 24 incluye un eje de generador 42 acoplado rotativamente al eje principal 40 a través de una multiplicadora 44. Sin embargo, en otros modos de realización, se debe apreciar que el eje de generador 42 puede estar acoplado rotativa y directamente al eje principal 40. De forma alternativa, el generador 24 puede estar acoplado rotativa y directamente al eje principal 40.
[0021] Se debe apreciar que el eje principal 40 se puede sostener en general dentro de la góndola 16 mediante un bastidor de soporte o una bancada 46 situada encima de la torre de turbina eólica 12. Por ejemplo, el eje principal 40 se puede sostener mediante la bancada 46 por medio de un par de chumaceras 48, 50 montadas en la bancada 46.
[0022] Como se muestra en las FIGS. 1 y 4, la turbina eólica 10 también puede incluir un sistema de control de turbina o un controlador de turbina 26 dentro de la góndola 16. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 2, el controlador de turbina 26 está dispuesto dentro de una caja de control 52 montada en una parte de la góndola 16. Sin embargo, se debe apreciar que el controlador de turbina 26 puede estar dispuesto en cualquier ubicación sobre o dentro de la turbina eólica 10, en cualquier ubicación de la superficie de apoyo 14 o en general en cualquier otra ubicación. El controlador de turbina 26 en general puede estar configurado para controlar los diversos modos de funcionamiento (por ejemplo, secuencias de arranque o de parada) y/o los componentes de la turbina eólica 10.
[0023] Además, el controlador de turbina 26 también puede estar acoplado comunicativamente a diversos componentes de la turbina eólica 10 para controlar en general la turbina eólica 10 y/o dichos componentes. Por ejemplo, el controlador de turbina 26 puede estar acoplado comunicativamente al (a los) mecanismo(s) de accionamiento de orientación 38 de la turbina eólica 10 para controlar y/o alterar la dirección de orientación de la góndola 16 en relación con la dirección 28 (FIG. 1) del viento. Además, a medida que la dirección del viento 28 cambia, el controlador de turbina 26 puede estar configurado para controlar un ángulo de orientación de la góndola 16 alrededor de un eje de orientación 36 para situar las palas de rotor 22 con respecto a la dirección del viento 28, controlando de este modo las cargas que actúan sobre la turbina eólica 10. Por ejemplo, el controlador de turbina 26 puede estar configurado para transmitir señales/consignas de control a un mecanismo de accionamiento de orientación 38 (FIG. 2) de la turbina eólica 10, por medio de un controlador de orientación o una transmisión directa, de modo que se puede hacer girar la góndola 16 alrededor del eje de orientación 36 por medio de un rodamiento de orientación 56.
[0024] De forma similar, el controlador de turbina 26 también puede estar acoplado comunicativamente a cada mecanismo de ajuste de pitch 32 de la turbina eólica 10 (uno de los cuales se muestra) a través del controlador de pitch 30 para controlar y/o alterar el ángulo de pitch de las palas de rotor 22 (es decir, un ángulo que determina una perspectiva de las palas de rotor 22 con respecto a la dirección del viento 28). Por ejemplo, el controlador de turbina 26 y/o el controlador de pitch 30 pueden estar configurados para transmitir una señal/consigna de control a cada mecanismo de ajuste de pitch 32 de modo que uno o más accionadores (no mostrados) del mecanismo de ajuste de pitch 32 se puede utilizar para ajustar el ángulo de pitch de las palas de rotor 22 haciendo girar las palas 22 a lo largo de sus ejes de pitch 34 por medio de un rodamiento de pitch 54. El controlador de turbina 26 puede controlar el ángulo de pitch de las palas de rotor 22, ya sea individualmente o simultáneamente, transmitiendo señales/consignas de control adecuadas a un controlador de pitch de la turbina eólica 10, que puede estar configurado para controlar el funcionamiento de una pluralidad de accionamientos de pitch o mecanismos de ajuste de pitch 32 (FIG. 2) de la turbina eólica, o controlando directamente el funcionamiento de la pluralidad de accionamientos de pitch o mecanismos de ajuste de pitch.
[0025] Además, como se muestra en las FIGS. 4 y 5, se pueden proporcionar uno o más sensores 57, 58 en la turbina eólica 10 para monitorizar una o más condiciones de la misma. Más específicamente, como se muestra, el (los) sensor(es) 57, 58 puede(n) estar montado(s) en cualquier ubicación adecuada para monitorizar, por ejemplo, una condición del viento en, o cerca de, la turbina eólica 10. Por ejemplo, la turbina eólica 10 ilustrada incluye un sensor 57 montado en una o más de las palas de rotor 22 y un sensor de viento 58 montado en la góndola 16 de la turbina eólica 10. Así pues, el sensor de viento 58, que puede ser, por ejemplo, una veleta, un anemómetro, un sensor LIDAR y/u otro sensor adecuado, puede medir la velocidad y/o la dirección del viento. Además, dicho(s) sensor(es) 57, 58 puede(n) estar configurado(s) para monitorizar las condiciones del viento en tiempo real. Además, los sensores 57, 58 pueden estar en comunicación con el controlador 26 y pueden proporcionar información relacionada al controlador 26. Por ejemplo, la orientación de la turbina eólica 10 se puede producir debido a la detección de cambios en la velocidad del viento y/o la dirección del viento 28.
[0026] Se debe apreciar también que, como se usa en el presente documento, el término "monitorizar" y variantes del mismo indican que los diversos sensores de la turbina eólica 10 pueden estar configurados para proporcionar una medición directa de los parámetros que se están monitorizando o una medición indirecta de dichos parámetros. Por tanto, los sensores descritos en el presente documento se pueden usar, por ejemplo, para generar señales que se refieren al parámetro que se está monitorizando, que a continuación el controlador 26 puede utilizar para determinar la condición. Además, el controlador 26 puede estar configurado para determinar una velocidad media del viento en base a un determinado período de tiempo definido, por ejemplo, 5 segundos, 10 segundos, 30 segundos o cualquier otro período de tiempo adecuado. Además, el controlador 26 puede determinar de forma similar un ángulo de pitch medio en base a un determinado período de tiempo. Dichos valores también se pueden filtrar antes de determinar el promedio.
[0027] En referencia ahora a la FIG. 5, se ilustra un diagrama de bloques de un modo de realización de componentes adecuados que pueden estar incluidos dentro del controlador 26 de acuerdo con la presente divulgación. Como se muestra, el controlador 26 puede incluir uno o más procesadores 60 y dispositivos de memoria asociados 62 configurados para realizar una variedad de funciones implementadas por ordenador (por ejemplo, realizar los procedimientos, las etapas, los cálculos y similares y almacenar datos pertinentes como se divulga en el presente documento). Adicionalmente, el controlador 26 también puede incluir un módulo de comunicaciones 64 para facilitar las comunicaciones entre el controlador 26 y los diversos componentes de la turbina eólica 10. Además, el módulo de comunicaciones 64 puede incluir una interfaz de sensor 66 (por ejemplo, uno o más convertidores analógico-digital) para permitir que las señales transmitidas desde el (los) sensor(es) 57, 58 se conviertan en señales que los procesadores 60 puedan entender y procesar. Se debe apreciar que el (los) sensor(es) 57, 58 se puede(n) acoplar comunicativamente al módulo de comunicaciones 64 usando cualquier medio adecuado. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 5, el (los) sensores 57, 58 está(n) acoplado(s) a la interfaz de sensor 66 por medio de una conexión alámbrica. Sin embargo, en otros modos de realización, el (los) sensor(es) 57, 58 se puede(n) acoplar a la interfaz de sensor 66 por medio de una conexión inalámbrica, por ejemplo, usando cualquier protocolo de comunicaciones inalámbricas adecuado conocido en la técnica.
[0028] Como se usa en el presente documento, el término "procesador" no solo se refiere a circuitos integrados que en la técnica aparecen incluidos en un ordenador, sino que también se refiere a un controlador, un microcontrolador, un microordenador, un controlador lógico programable (PLC), un circuito integrado específico de la aplicación y otros circuitos programables. Adicionalmente, el (los) dispositivo(s) de memoria 62 en general puede(n) comprender elemento(s) de memoria que incluye(n), pero sin limitarse a, un medio legible por ordenador (por ejemplo, memoria de acceso aleatorio (RAM)), un medio no volátil legible por ordenador (por ejemplo, una memoria flash), un disquete, una memoria de solo lectura de disco compacto (CD-ROM), un disco magnetoóptico (MOD), un disco versátil digital (DVD) y/u otros elementos de memoria adecuados. Dicho(s) dispositivo(s) de memoria 62 puede(n) estar configurado(s) en general para almacenar instrucciones legibles por ordenador adecuadas que, cuando son implementadas por el (los) procesador(es) 60, configuran el controlador 26 para realizar diversas funciones que incluyen, pero sin limitarse a, la transmisión de señales de control adecuadas para implementar una(s) acción(es) de corrección como respuesta a una señal de distancia que supera un umbral predeterminado como se describe en el presente documento, así como otras diversas funciones adecuadas implementadas por ordenador.
[0029] Como se analiza anteriormente, una turbina eólica 10, tal como la góndola de la misma 16, puede girar alrededor del eje de orientación 36 según se requiera. En particular, la rotación alrededor del eje de orientación 36 se puede producir debido a cambios en la velocidad del viento y/o la dirección del viento 28, de modo que el rotor 18 está alineado con la dirección del viento nominal 28 (es decir, la dirección del viento 28 que permite que la turbina eólica 10 funcione a potencia nominal). En algunos casos, sin embargo, se puede orientar activamente la turbina eólica 10 alejándola de la dirección nominal del viento 28 para disminuir el pitch, reduciéndose de este modo el ruido asociado con un pitcheo de palas excesivo, por ejemplo, durante vientos fuertes. Más específicamente, en determinados modos de realización, se puede orientar activamente la góndola 16 en una dirección opuesta al pitch. Por ejemplo, en un modo de realización, si las palas de rotor 22 giran en sentido antihorario, vistas desde una posición a barlovento, entonces la góndola 16 se gira en sentido antihorario, vista desde arriba, y si las palas de rotor 22 giran en sentido horario, vistas desde una posición a barlovento, entonces la góndola 16 se gira en sentido horario, vista desde arriba. Por tanto, en dichas situaciones, el controlador de turbina 26 está configurado para implementar una estrategia de control cuando la velocidad del viento y/o el ángulo de pitch se incrementan por encima de un umbral predeterminado para reducir el ruido de la turbina eólica 10.
[0030] Más específicamente, como se muestra en la FIG. 6, se ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento 100 para reducir el ruido de la turbina eólica 10. Como se muestra en 102, el procedimiento 100 incluye monitorizar una velocidad del viento en la turbina eólica 10. Por ejemplo, en determinados modos de realización, la velocidad del viento se puede monitorizar por medio de uno o más de los sensores 57, 58. Como se muestra en 104, el controlador 26 está configurado además para determinar una dirección del viento nominal para generar la potencia nominal de la turbina eólica 10. A medida que la velocidad del viento aumenta por encima de la velocidad de conexión (“cut-in”), el nivel de energía eléctrica de salida aumenta rápidamente. Sin embargo, típicamente entre 12 y 17 metros por segundo, la potencia de salida alcanza el límite que el generador eléctrico puede alcanzar. Este límite a la salida del generador es la salida de potencia nominal. La velocidad del viento a la que se alcanza la potencia nominal es la velocidad nominal del viento. De forma similar, la dirección del viento en la que se alcanza la potencia nominal es la dirección del viento nominal. A velocidades del viento más altas, el diseño de la turbina eólica 10 está configurado para limitar la potencia a la potencia nominal. En referencia todavía a la FIG. 6, como se muestra en 106, el procedimiento 100 incluye determinar un ángulo de pitch de al menos una pala de rotor 22 de la turbina eólica 10. Como se muestra en 108, el procedimiento 100 incluye determinar una desviación de orientación para la góndola 16 de la turbina eólica 10 en base a la velocidad del viento y/o el ángulo de pitch. Como se usa en el presente documento, la desviación de orientación en general se refiere a la diferencia angular entre la orientación de la góndola y la dirección del viento 28. Como se muestra en 110, el procedimiento 100 está configurado para determinar si la velocidad del viento supera un umbral predeterminado. Si la velocidad del viento supera el umbral predeterminado, como se muestra en 112, el procedimiento 100 incluye cambiar un ángulo de orientación de la góndola 16 mediante la desviación de orientación para reducir el ruido de la turbina eólica 10. Así pues, el controlador de turbina 26 está configurado para orientar activamente la góndola 16 de la turbina eólica 10 alejándola de la dirección del viento nominal a altas velocidades del viento para reducir el ruido creado de este modo.
[0031] En un modo de realización, el cambio del ángulo de orientación de la góndola 16 mediante la desviación de orientación está configurado para incrementar un ángulo de ataque 49 (FIG. 3) de la pala de rotor 22. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 3, se ilustra un ejemplo no limitativo de una visión global de una sección transversal de la pala de rotor 22 que gira en un plano de rotor 39 en presencia de viento 43, que es útil para comprender algunas características técnicas de los modos de realización divulgados de la invención. Además, como se muestra, la vista es a lo largo de la longitud de la pala 22 y en sentido radial desde el cubo 20 hacia fuera. En otras palabras, es útil considerar la perspectiva de un espectador en el centro del buje 20 que mira radialmente hacia fuera, estando los pies del espectador dirigidos hacia la fuente del viento 43; en otras palabras, el espectador está orientado a lo largo de la dirección del viento 43 representada en la FIG. 3, estando la cabeza del espectador en la punta de la flecha que representa el viento 43 e indica su dirección. Mientras el espectador permanece fijo, mirando hacia fuera en cualquier dirección, cada pala pasa por el campo de visión del espectador de derecha a izquierda.
[0032] Debido a la rotación de la pala de rotor 22 en el plano de rotor 39, hay un segundo componente 45 de flujo de aire presente (es decir, en dirección opuesta al movimiento de la sección de la pala de rotor 22), de modo que el viento aparente 47 es la suma vectorial del viento 43 y el segundo componente 45 del flujo de aire. La dirección del viento aparente 47 con respecto a la línea de cuerda 41 de la pala 22 determina el ángulo de ataque 49. Así pues, se desprende que para una geometría de línea de cuerda 41 dada (por ejemplo, para un pitch dado) y una velocidad de rotación constante (y una magnitud constante del segundo componente 45 del flujo de aire), cuanto mayor es la velocidad del viento 43, mayor es el ángulo de ataque 49. Esto se puede entender tomando en consideración lo que sucede con el vector de viento aparente 47 representado en la FIG.
3 a medida que se incrementa la velocidad del viento 43: el vector del viento 43 se alarga verticalmente en la FIG. 3, de modo que cuando se añade al segundo componente 45 del flujo de aire, el ángulo de ataque 49 se incrementa.
[0033] Además, el umbral predeterminado puede incluir velocidades del viento mayores que una velocidad del viento a la que se obtiene la potencia nominal. En otras palabras, el umbral predeterminado puede ser cualquier velocidad del viento adecuada que permite que la turbina eólica 10 funcione a la potencia nominal. Además, si se usa el pitch de pala para definir un umbral predeterminado, entonces este umbral puede ser cualquier ángulo de pitch adecuado por encima del ajuste de pitch mínimo de la turbina eólica 10.
[0034] En referencia ahora a las FIGS. 7 y 8, se proporcionan diversos gráficos 120, 130 para ilustrar varios beneficios de la presente divulgación. La FIG. 7 ilustra un gráfico 120 de ángulo de pitch/ desviación de orientación y potencia acústica (ejes y) frente a la velocidad del viento a la altura del buje (eje x) para el funcionamiento convencional, mientras que la FIG. 8 ilustra un gráfico 130 de ángulo de pitch/ desviación de orientación y potencia acústica (ejes y) frente a la velocidad del viento a la altura del buje (eje x) para la presente divulgación. Como se muestra en la FIG. 7, la desviación de orientación 126 es cero, ya que el rotor 18 de la góndola 16 apunta directamente al viento durante el funcionamiento convencional. Además, como se muestra, la potencia acústica 122 se incrementa inicialmente con la velocidad del rotor y a continuación se estabiliza o disminuye como se muestra entre 125 y 127. Sin embargo, cuando las velocidades del viento o los ángulos de pitch 124 superan un umbral determinado (por ejemplo, como se muestra en 127), la capa límite de lado de presión de la pala de rotor 22 se engrosa y/o se puede producir una separación del flujo, lo que causa otro incremento en la potencia acústica 122.
[0035] En consecuencia, la FIG. 8 ilustra un ejemplo de funcionamiento de la turbina eólica 10 de acuerdo con la presente divulgación. Como se muestra, la desviación de orientación 136 se cambia en función de la velocidad del viento, de modo que el ángulo de pitch 134 y la potencia acústica 132 permanecen constantes. En otras palabras, si la velocidad del viento está por encima del umbral predeterminado y se incrementa, entonces se incrementa la desviación de orientación. De forma similar, si la velocidad del viento está por encima del umbral predeterminado y disminuye, entonces la desviación de orientación disminuye. Más específicamente, como se muestra en 135, cuando la velocidad del viento supera el umbral predeterminado, el controlador 26 de la presente divulgación incrementa (o disminuye) la desviación de orientación 136 para reducir o mantener (es decir, no incrementar) la potencia acústica 132 de la turbina eólica 10. En diversos modos de realización, la desviación de orientación 136 puede incluir cualquier ángulo adecuado, tal como, por ejemplo, 5 grados, 10 grados, 15 grados o 30 grados. Por ejemplo, en un modo de realización, la desviación de orientación 136 puede incluir ángulos mayores de aproximadamente dieciséis (16) grados. De forma alternativa, la desviación de orientación 136 puede incluir ángulos menores de 16 grados. Además, se debe entender que el término desplazamiento en general se refiere a un valor absoluto de un ángulo y, por lo tanto, puede incluir direcciones tanto positivas como negativas.
[0036] En referencia ahora a las FIGS. 9 y 10, se proporcionan otros gráficos 140, 150 de modos de realización adicionales de la presente divulgación para ilustrar otros beneficios de los mismos. Más específicamente, como se muestra en la FIG. 9, en determinados casos, es posible que la desviación de orientación 136 no se pueda cambiar suficientemente para mantener un pitch de pala constante. En este caso, el controlador 26 está configurado para pitchear las palas de rotor 22 por encima de una determinada velocidad del viento, pero a una velocidad reducida en relación con el funcionamiento convencional. Por tanto, como se muestra, dicho funcionamiento proporciona una reducción de la potencia acústica 132 en comparación con el funcionamiento convencional (FIG. 7). Además, como se muestra en la FIG. 10, el controlador 26 puede incrementar la desviación de orientación 136 (o disminuirla de forma similar) a una velocidad del viento 137 particular, de modo que el ángulo de pitch 136 y la potencia acústica 132 se reduzcan.
[0037] Se debe entender que el cambio en la desviación de orientación 136 se puede definir de un número cualquiera de formas, tales como lineal, polinomial o compuesta por una serie de etapas. Por ejemplo, en un modo de realización, la desviación de orientación 136 puede ser una desviación de orientación predeterminada seleccionada de una tabla de consulta cuando la velocidad del viento supera el umbral predeterminado. En unos modos de realización alternativos, el controlador de turbina 26 puede estar configurado para calcular la desviación de orientación 136 en función de la velocidad del viento y/o el ángulo de pitch cuando la velocidad del viento supera el umbral predeterminado.
[0038] En otros modos de realización, el controlador de turbina 26 puede estar configurado para orientar la góndola 16 por incrementos alejándola de la dirección del viento nominal 28 en un intervalo de velocidades del viento. En otras palabras, el cambio en el ángulo de orientación se puede producir gradualmente. De forma alternativa, el controlador de turbina 26 puede estar configurado para orientar la góndola 16 alejándola de la dirección del viento nominal 28 de forma súbita, es decir, como respuesta a la superación por la velocidad del viento del umbral predeterminado.
[0039] En referencia ahora a la FIG. 11, se ilustra un diagrama de flujo de un modo de realización de un procedimiento 200 para reducir el ruido de una turbina eólica, por ejemplo, la turbina eólica 10 de la FIG. 1. Como se muestra en 202, el procedimiento 200 incluye monitorizar una velocidad del viento en, o cerca de, la turbina eólica 10, por ejemplo, por medio de uno o más sensores 57, 58. Como se muestra en 204, el procedimiento 200 incluye determinar una dirección del viento nominal para generar la potencia nominal de la turbina eólica 10. Como se muestra en 206, el procedimiento 200 incluye determinar una desviación de orientación para una góndola de la turbina eólica 10 en base a, al menos, la velocidad del viento. Como se muestra en 208, el procedimiento 200 incluye determinar si la velocidad del viento supera un umbral predeterminado. Si la velocidad del viento supera un umbral predeterminado, como se muestra en 210, el procedimiento 200 incluye cambiar un ángulo de orientación de la góndola 16 mediante la desviación de orientación para incrementar un ángulo de ataque de la pala de rotor 22. Por tanto, el incremento del ángulo de ataque reduce el ruido de una superficie de lado de presión de la pala de rotor 22.
[0040] En dichos modos de realización, el procedimiento 200 puede incluir además determinar un ángulo de pitch de al menos una pala de rotor 22 de la turbina eólica 10 y determinar la desviación de orientación para la góndola 16 de la turbina eólica 10 en base a la velocidad del viento y/o el ángulo de pitch.
[0041] En esta descripción escrita se usan ejemplos para divulgar la invención, incluyendo el modo preferente, y asimismo para permitir que cualquier experto en la técnica lleve a la práctica la invención, lo cual incluye fabricar y usar cualquier dispositivo o sistema y realizar cualquier procedimiento incorporado. El alcance patentable de la invención está definido por las reivindicaciones.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento (100) para reducir ruido de una turbina eólica (10), comprendiendo el procedimiento:
determinar (102) una velocidad de viento en la turbina eólica (10);
determinar (104), por medio de un controlador de turbina (26), una dirección de viento nominal para generar una potencia nominal de la turbina eólica (10);
determinar (106) un ángulo de pitch de al menos una pala de rotor (22) de la turbina eólica (10); determinar (108) una desviación de orientación para una góndola (16) de la turbina eólica (10) en base a la velocidad de viento y el ángulo de pitch; y
cambiar (112) un ángulo de orientación de la góndola (16) alejándola de la dirección de viento nominal mediante la desviación de orientación cuando al menos uno de la velocidad de viento o el ángulo de pitch supera un umbral predeterminado para reducir ruido de la turbina eólica (10) y para limitar un pitcheo excesivo y evitar un incremento de ruido asociado no deseado.
2. El procedimiento (100) de la reivindicación 1, que comprende además cambiar el ángulo de orientación de la góndola (16) mediante la desviación de orientación para incrementar un ángulo de ataque de la pala de rotor, en el que el incremento del ángulo de ataque reduce ruido de una superficie de lado de presión de la pala de rotor.
3. El procedimiento (100) de cualquier reivindicación precedente, en el que determinar la desviación de orientación para la góndola (16) de la turbina eólica en base a la velocidad de viento y el ángulo de pitch comprende además seleccionar una desviación de orientación predeterminada de una tabla de consulta cuando la velocidad de viento supera el umbral predeterminado.
4. El procedimiento (100) de cualquier reivindicación precedente, en el que determinar la desviación de orientación para la góndola (16) de la turbina eólica en base a la velocidad de viento y el ángulo de pitch comprende además calcular la desviación de orientación en función de la velocidad de viento y el ángulo de pitch cuando la velocidad de viento supera el umbral predeterminado.
5. El procedimiento (100) de cualquier reivindicación precedente, que comprende además orientar por incrementos la góndola (16) alejándola de la dirección de viento nominal en un intervalo de velocidades de viento.
6. El procedimiento (100) de cualquier reivindicación precedente, que comprende además monitorizar la velocidad de viento en la turbina eólica (10) en tiempo real.
7. El procedimiento (100) de cualquier reivindicación precedente, en el que el uno o más sensores (57, 58) comprenden al menos uno de un acelerómetro, una veleta, un anemómetro, o un sensor LIDAR.
8. El procedimiento (100) de cualquier reivindicación precedente, en el que el umbral predeterminado comprende al menos uno de velocidades de viento mayores que una velocidad de viento a la que se alcanza la potencia nominal o ángulos de pitch mayores que un ajuste de pitch mínimo de la turbina eólica.
9. El procedimiento (100) de cualquier reivindicación precedente, en el que la desviación de orientación comprende ángulos mayores que aproximadamente dieciséis (16) grados.
10. Un sistema para reducir ruido de una turbina eólica (10) causado por un pitcheo excesivo de al menos una pala de rotor (22), comprendiendo el sistema:
al menos un sensor (57, 58) configurado para monitorizar una velocidad de viento en la turbina eólica (10);
un controlador (26) acoplado comunicativamente al al menos un sensor, comprendiendo el controlador al menos un procesador configurado para realizar una o más operaciones, comprendiendo la una o más operaciones:
determinar (104) una dirección de viento nominal para generar una potencia nominal de la turbina eólica;
determinar (106) un ángulo de pitch de al menos una pala de rotor (22) de la turbina eólica; determinar (108) una desviación de orientación para una góndola (16) de la turbina eólica (10) en base a, al menos, la velocidad de viento y el ángulo de pitch; y
cambiar (112) un ángulo de orientación de la góndola (16) alejándola de la dirección de viento nominal mediante la desviación de orientación cuando la velocidad de viento supera un umbral predeterminado para limitar un pitcheo excesivo y evitar un incremento de ruido asociado no deseado, y para incrementar un ángulo de ataque de la pala de rotor, en el que el incremento del ángulo de ataque reduce ruido de una superficie de lado de presión de la pala de rotor.
11. El sistema de la reivindicación 10, en el que determinar la desviación de orientación para la góndola (16) de la turbina eólica (10) en base a la velocidad de viento y el ángulo de pitch comprende además seleccionar una desviación de orientación predeterminada de una tabla de consulta cuando la velocidad de viento supera el umbral predeterminado.
12. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 11, en el que determinar la desviación de orientación para la góndola (16) de la turbina eólica (10) en base a la velocidad de viento y el ángulo de pitch comprende además calcular la desviación de orientación en función de la velocidad de viento y el ángulo de pitch cuando la velocidad de viento supera el umbral predeterminado.
13. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, que comprende además orientar por incrementos la góndola (16) alejándola de la dirección de viento nominal en un intervalo de velocidades de viento.
14. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, que comprende además monitorizar la velocidad de viento en la turbina eólica (10) en tiempo real.
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