ES2934743T3 - Funcionamiento de turbina dependiente de la densidad del aire - Google Patents

Abstract

Las realizaciones del presente documento describen un controlador de turbina eólica que incluye un limitador de empuje para controlar el empuje de las palas de la turbina eólica utilizando una estimación de la densidad del aire en la turbina eólica. En una realización, el controlador recibe la carga de aleta de pala que indica la carga actual en una de las palas que varía linealmente con la densidad del aire experimentada por la turbina eólica. En una realización, el controlador determina la media de una pluralidad de valores de carga de aleta de pala medidos durante un período de tiempo predefinido. Mediante una función de transferencia, el controlador convierte la media de las cargas de los flaps de los álabes en una estimación de la densidad del aire en la turbina. Generalmente, una mayor densidad del aire da como resultado mayores cargas en las palas, mientras que una menor densidad del aire da como resultado menores cargas en las palas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Funcionamiento de turbina dependiente de la densidad del aire

Antecedentes

Campo de la invención

Las realizaciones presentadas en esta divulgación se refieren generalmente a controlar el paso de pala en una turbina eólica usando una estimación de la densidad del aire.

Descripción de la técnica relacionada

Las turbinas eólicas se sitúan a menudo en áreas remotas para aprovechar los patrones meteorológicos predominantes en el área. En estas áreas remotas, las turbinas eólicas se exponen a menudo a una turbulencia extrema en donde la velocidad del viento puede variar ampliamente a lo largo de un periodo de tiempo corto (por ejemplo, ráfagas de viento). La turbulencia añade carga sobre las palas, lo que puede provocar un fallo prematuro de componentes en una turbina. Para asegurar que una turbina funciona en su envolvente operativa o vida útil deseada (por ejemplo, veinte años), la turbina puede incluir un limitador de empuje que controla la carga sobre la pala midiendo o estimando la turbulencia en la turbina. Sin embargo, la turbulencia no es el único factor del entorno que puede afectar a la carga sobre las palas. El estado de la técnica se divulga en el documento EP 2910777 A1.

Sumario

Una realización de la presente divulgación es una turbina eólica de acuerdo con la reivindicación 1.

Otra realización de la presente divulgación es un método para hacer funcionar una turbina eólica.

El método se define en la reivindicación 6.

Otra realización de la presente divulgación es un controlador de acuerdo con la reivindicación 11.

Breve descripción de los dibujos

Para que la forma en la que las características mencionadas anteriormente de la presente divulgación se pueda entender con detalle, una descripción más particular de la divulgación, brevemente resumida anteriormente, se puede tener por referencia a realizaciones, algunas de las cuales se ilustran en los dibujos adjuntos. Se ha de hacer notar, sin embargo, que los dibujos adjuntos ilustran solo realizaciones habituales de esta divulgación y, por lo tanto, no se han de considerar limitantes para su alcance, ya que la divulgación puede admitir otras realizaciones igualmente eficaces.

La figura 1 ilustra una vista esquemática de una turbina eólica, de acuerdo con una realización descrita en la presente divulgación.

La figura 2 ilustra una vista esquemática de los componentes internos a la góndola y a la torre de una turbina eólica, de acuerdo con una realización descrita en la presente divulgación.

La figura 3 ilustra un controlador para hacer funcionar una turbina eólica de acuerdo con una realización descrita en la presente divulgación.

La figura 4 es un diagrama de flujo para hacer funcionar una turbina eólica usando una estimación de la densidad del aire de acuerdo con una realización descrita en la presente divulgación.

La figura 5 ilustra unas curvas de potencia para hacer funcionar una turbina eólica con y sin considerar la densidad del aire de acuerdo con una realización descrita en la presente divulgación.

La figura 6 ilustra un controlador para hacer funcionar una turbina eólica usando la densidad del aire, la turbulencia y la velocidad del viento de acuerdo con una realización descrita en la presente divulgación.

La figura 7 ilustra una realización que comprende una unidad de control que, basándose en valores de carga de la pala, determina uno de, o ambos de, un valor de acoplamiento y/o un valor de desacoplamiento.

Para facilitar la comprensión, se han usado números de referencia idénticos, cuando ha sido posible, para designar elementos idénticos que son comunes a las figuras. Se contempla que los elementos divulgados en una realización se puedan utilizar de forma beneficiosa en otras realizaciones sin mención específica.

Descripción de realizaciones de ejemplo

Las realizaciones en el presente documento describen un controlador para una turbina eólica que incluye un limitador de empuje para controlar el empuje de las palas de una turbina eólica usando una estimación de la densidad del aire en la turbina eólica. En una realización, el controlador recibe la carga de aleta de pala que indica la carga actual sobre una de las palas que varía linealmente con respecto a la densidad del aire experimentada por la turbina eólica.

La densidad del aire es la masa por unidad de volumen de la atmósfera que puede cambiar de acuerdo con variaciones en la altitud, la temperatura y la humedad. Además, la densidad del aire afecta a la carga sobre las palas de la turbina. Por ejemplo, una densidad del aire mayor puede aumentar la carga sobre las palas rotatorias en relación con el hecho de hacer funcionar la turbina eólica cuando se disminuye la densidad del aire.

En una realización, el controlador determina la media de una pluralidad de valores de carga de aleta de pala medidos durante un período de tiempo predefinido. Usando una función de transferencia, el controlador convierte la media de las cargas de aleta de pala en una estimación de la densidad del aire en la turbina. En general, una densidad del aire más alta da como resultado unas cargas mayores sobre las palas, mientras que una densidad del aire más baja da como resultado unas cargas más bajas sobre las palas. El controlador puede ajustar a escala el valor de paso de pala usando la estimación de la densidad del aire, lo que puede mejorar la salida de potencia de la turbina eólica, al tiempo que se sigue asegurando que la turbina está dentro de su envolvente operativa.

En otras realizaciones, el controlador puede ajustar a escala el valor de paso de pala usando la velocidad del viento en la turbina. Por ejemplo, el controlador puede determinar diferentes niveles de carga y determinar el nivel de carga máximo para la velocidad del viento actual. A unas velocidades del viento más bajas, el controlador puede ajustar a escala la señal de control para el paso de las palas para aumentar el empuje o la carga sobre las palas. A unas velocidades del viento más altas, el controlador puede cambiar el paso de las palas para reducir el empuje de tal modo que la turbina permanece en la envolvente operativa. Además de la densidad del aire y la velocidad del viento, el controlador también puede limitar el empuje de las palas en respuesta a la turbulencia en la turbina.

Realizaciones de ejemplo

La figura 1 ilustra una vista esquemática de un generador de turbina eólica de eje horizontal 100. El generador de turbina eólica 100 comprende habitualmente una torre 102 y una góndola de turbina eólica 104 ubicada en la parte de arriba de la torre 102. Un rotor de turbina eólica 106 se puede conectar con la góndola 104 a través de un eje de velocidad baja que se extiende fuera de la góndola 104. El rotor de turbina eólica 106 comprende tres palas de rotor 108 montadas en un buje común 110 que rotan en un plano del rotor, pero puede comprender cualquier número adecuado de palas, tal como una, dos, cuatro, cinco o más palas. Las palas 108 (o el perfil aerodinámico) tienen habitualmente una forma aerodinámica con un borde de ataque 112 para orientarse hacia el viento, un borde de salida 114 en el extremo opuesto de una cuerda para las palas 108, una punta 116 y una raíz 118 para unirse al buje 110 de cualquier forma adecuada.

Para algunas realizaciones, las palas 108 se pueden conectar al buje 110 usando cojinetes de paso 120 de tal modo que cada pala 108 se puede rotar alrededor de su eje longitudinal para ajustar el paso de la pala. El ángulo de paso de una pala 108 en relación con el plano del rotor puede ser controlado por accionadores lineales, accionadores hidráulicos o motores paso a paso, por ejemplo, conectados entre el buje 110 y las palas 108.

La figura 2 ilustra una vista esquemática de componentes habituales internos a la góndola 104 y a la torre 102 de un generador de turbina eólica 100. Cuando el viento 200 empuja las palas 108, el rotor 106 gira y rota un eje de velocidad baja 202. Los engranajes en una caja de engranajes 204 convierten mecánicamente la velocidad de rotación baja del eje de velocidad baja 202 en una velocidad de rotación relativamente alta de un eje de velocidad alta 208 adecuado para generar electricidad usando un generador 206. También existen turbinas sin engranajes, es decir, las así denominadas turbinas de accionamiento directo, existe. Tales turbinas también pueden ser relevantes para las realizaciones de la presente invención.

Un controlador 210 puede detectar la velocidad de rotación de uno o ambos de los ejes 202, 208. El controlador 210 también puede recibir entradas desde un anemómetro 214 (que proporciona la velocidad del viento) y/o una veleta 216 (que proporciona la dirección del viento). Basándose en información recibida, el controlador 210 puede enviar una señal de control a una o más de las palas 108 en un esfuerzo por ajustar el paso 218 de las palas. Ajustando el paso 218 de las palas con respecto a la dirección del viento, se puede aumentar o disminuir la velocidad de rotación del rotor (y, por lo tanto, la de los ejes 202, 208). Basándose en la dirección del viento, por ejemplo, el controlador 210 puede enviar una señal de control a un conjunto que comprende un motor de guiñada 220 y un accionamiento de guiñada 222 para rotar la góndola 104 con respecto a la torre 102, de tal modo que el rotor 106 se puede situar para orientarse más (o, en ciertas circunstancias, menos) contra el viento. También puede estar presente un sistema de frenado 212, el sistema de frenado se usa normalmente para llevar un rotor que rota lentamente a una parada completa.

La figura 3 ilustra el sistema de control 300 que comprende un controlador 210 para hacer funcionar una turbina eólica de acuerdo con una realización descrita en la presente divulgación. El controlador 210 incluye un procesador 305 y una memoria 310. El procesador 305 puede representar uno o más elementos de procesamiento, cada uno de los cuales puede incluir uno o más núcleos de procesamiento. La memoria 310 puede incluir elementos de memoria volátil, elementos de memoria no volátil y combinaciones de los mismos.

La memoria 310 incluye un limitador de empuje 315 y un controlador de paso 335. En una realización, el limitador de empuje 315 y el controlador de paso 335 son componentes de software cuyas funciones se ejecutan usando el procesador 305. Sin embargo, en otras realizaciones, el limitador de empuje 315 y el controlador de paso 335 se pueden formar completamente a partir de elementos de hardware o a partir de una combinación de elementos de hardware y de software.

En una realización, el limitador de empuje 315 emite una señal de control para afectar al empuje o a la carga sobre las palas de las turbinas. La señal de control proporcionada por el limitador de empuje 315 puede reducir la carga sobre las palas en relación con la carga sobre las palas establecida por un controlador sin el limitador de empuje 315. Por ejemplo, el controlador puede tener un sistema separado que establece el empuje de las palas basándose en una curva de potencia deseada o en un modo operativo. La señal de control emitida por el limitador de empuje 315 puede ajustar a escala el valor de salida del sistema separado. En una realización, la señal de control emitida por el limitador de empuje 315 es una entrada al controlador de paso 335 que emite señales de control de paso para establecer el paso de las palas. Aunque, en algunas situaciones, el limitador de empuje 315 reduce la carga sobre las palas, en otros escenarios, el limitador de empuje 315 puede aumentar la carga sobre las palas. Como se describe a continuación, si la turbulencia, la densidad del aire y la velocidad del viento son bajas, el limitador de empuje 315 puede emitir una señal de control que hace que el controlador de paso aumente el empuje sobre las palas y, por lo tanto, que aumente la potencia generada por la turbina eólica. En una realización, el limitador de empuje 315 aumenta el empuje sobre las palas al nivel en el que la turbina funciona en (o al menos más cerca de) la curva de paso óptimo aerodinámico para la turbina (que se denomina, a veces, paso fino). En una realización, la curva de paso óptimo aerodinámico es una tabla que especifica el ángulo de paso en vista de la velocidad del rotor y de la velocidad del viento con el que funcionar para lograr el funcionamiento de turbina óptimo en la región de carga parcial. El funcionamiento de acuerdo con la curva de paso óptimo aerodinámico da como resultado el coeficiente de potencia (Cp) máximo (debido a que el ángulo de paso proporciona un Ángulo de Ataque óptimo). Durante unas condiciones climáticas desfavorables o adversas, la turbina puede funcionar con un ángulo de paso mayor que el ángulo de paso óptimo para reducir las cargas. En condiciones climáticas benignas (por ejemplo, en donde la turbulencia, la densidad del aire y/o la velocidad del viento son bajas), el limitador de empuje 315 puede aumentar el empuje cambiando el paso hacia el viento de forma correspondiente a un ángulo de paso indicado por (o al menos más cerca de) la curva de paso óptimo aerodinámico.

El limitador de empuje 315 incluye un estimador de turbulencia 320 y un estimador de densidad del aire 325. El estimador de turbulencia 320 estima la turbulencia en la turbina. En general, la turbulencia es una medida de la variación del viento en la turbina. Es decir, una velocidad del viento estable o constante da como resultado muy poca o ninguna turbulencia, mientras que ráfagas de viento frecuentes o cambios grandes en la velocidad del viento dan como resultado más turbulencia. Las condiciones de viento turbulentas hacen que la carga sobre las palas varíe, haciendo de este modo difícil que el controlador 210 asegure que la turbina se mantenga dentro de su envolvente operativa (por ejemplo, una vida útil de veinte años). Por lo tanto, cuando el estimador de turbulencia 320 indica que la turbina está experimentando unas condiciones de viento turbulentas, el limitador de empuje puede reducir el empuje o la carga sobre las palas dando instrucciones al controlador de paso 335 para que aumente el paso de las palas de tal modo que se permita que pase más viento a través del plano del rotor. Durante unas condiciones de viento no turbulentas, el limitador de empuje 315 puede no cambiar el empuje sobre la pala o puede aumentar el empuje sobre las palas. Por ejemplo, el controlador de paso 335 puede emitir un valor de paso de pala que supone una cierta cantidad mínima de turbulencia. Sin embargo, si el estimador de turbulencia 320 indica que la turbulencia es menor que la cantidad mínima, el limitador de empuje 315 puede dar instrucciones al controlador de paso 335 para que aumente el empuje o la carga sobre las palas, lo que puede permitir que la turbina emita una potencia adicional (si la salida de potencia está actualmente por debajo de la potencia de salida nominal (es decir, máxima)).

En una realización, el estimador de turbulencia 320 estima la turbulencia a partir de una carga de aleta de pala 345. Como se muestra en la figura 3, la pala 108 incluye una galga extensométrica 340 que se puede disponer en una base de la pala 108 en o cerca de donde la pala 108 se conecta al buje del rotor. La galga extensométrica 340 emite una carga de aleta de pala 345 a intervalos (por ejemplo, cada 10 milisegundos) que representa la carga sobre la pala 108. En diversos ejemplos, la carga medida por la galga extensométrica 340 puede ser una carga de borde o de aleta de pala o resultar de cargas de buje, de cojinete principal o de torre (o combinaciones de las mismas) que provocan una deflexión de la pala. Por ejemplo, si el viento aumenta (pero el ángulo de paso permanece constante), la carga de aleta de pala 345 emitida por la galga extensométrica 340 aumenta.

En una realización, el estimador de turbulencia 320 mide la turbulencia evaluando la desviación típica de la carga de aleta de pala 345. Por ejemplo, el estimador de turbulencia 320 puede determinar la desviación típica para una pluralidad de valores de carga de aleta de pala medidos a lo largo de un período de tiempo predefinido (por ejemplo, 10 segundos). Una desviación típica más amplia indica que se experimenta un rango más amplio de velocidades del viento en la turbina eólica y, por lo tanto, una cantidad de turbulencia mayor. Sin embargo, una desviación típica más estrecha indica un rango de velocidades del viento más pequeño en la turbina eólica, indicando una cantidad más baja de turbulencia. Como se describe con más detalle a continuación, el limitador de empuje 315 puede usar la turbulencia inferida de la desviación típica de la carga de aleta de pala 345 para ajustar el empuje sobre la aleta 108.

En una realización, el estimador de densidad del aire 325 infiere una estimación de la densidad del aire en la turbina eólica a partir de la carga de aleta de pala 345. Para hacer esto, el estimador de densidad del aire 325 puede calcular la media para una pluralidad de valores de carga de aleta de pala medidos a lo largo de un período de tiempo predefinido (por ejemplo, 10 segundos). En general, un aumento de la densidad del aire en la turbina da como resultado que la media (o el promedio) de los valores de carga de aleta de pala aumente, y viceversa. En algunas turbinas, la media de los valores de carga de aleta de pala varía linealmente con la densidad del aire.

En una realización, el estimador de densidad del aire 325 usa una función de transferencia predefinida para convertir la media de los valores de carga de aleta de pala en una estimación correspondiente de la densidad del aire. La función de transferencia se puede generar usando un simulador de turbina en donde una turbina eólica simulada se hace funcionar en un rango de densidades del aire en donde se barre la velocidad del viento a lo largo de un rango de velocidades del viento para cada una de las diferentes densidades del aire. Evaluando el efecto de las diferentes densidades del aire sobre la media de la carga de aleta de pala, el simulador de turbina puede generar la función de transferencia que el estimador de densidad del aire 325 usa entonces para convertir las cargas de aleta de pala 345 medidas por la galga extensométrica 340 en estimaciones de la densidad del aire. Como con la turbulencia, el limitador de empuje 315 ajusta el empuje sobre las palas en respuesta a cambios en la densidad del aire estimada.

Aunque no se muestra, el limitador de empuje 315 también puede usar la velocidad del viento para controlar el empuje sobre la pala 108. A unas velocidades del viento más bajas, el limitador de empuje 315 puede permitir que el controlador de paso 335 aumente la carga o el empuje sobre la pala 108 para alcanzar el ángulo de paso óptimo de funcionamiento de acuerdo con, por ejemplo, la curva de paso óptimo aerodinámico, pero limitar la carga sobre la pala 108 a media que aumenta la velocidad del viento.

La figura 4 es un diagrama de flujo de un método 400 para hacer funcionar una turbina eólica usando una estimación de la densidad del aire de acuerdo con una realización descrita en la presente divulgación. En el bloque 405, el limitador de empuje recibe la carga de aleta de pala sobre al menos una pala de la turbina eólica. En una realización, la carga de aleta de pala se genera a partir de una galga extensométrica dispuesta sobre una pala o en el punto de conexión entre la pala y el buje del rotor, como se describe en la figura 3.

Como alternativa, en lugar de medir directamente la carga de aleta de pala, el controlador puede estimar la carga de aleta de pala usando un modelo de momento de elemento de pala (BEM). En una realización, el controlador usa el ángulo de paso actual para determinar el Ángulo de Ataque (AdA) de las palas. Usando el AdA, la velocidad del rotor y la velocidad del viento en la turbina, el modelo de BEM puede generar una estimación de la carga de aleta de pala. Por lo tanto, en esta realización, se puede omitir una galga extensométrica.

En una realización, el controlador usa la carga de aleta de pala estimada emitida por el modelo de BEM para respaldar o comprobar la carga de aleta de pala proporcionada por la galga extensométrica. Por ejemplo, si la galga extensométrica se rompe y deja de emitir la carga de aleta de pala, el controlador puede calcular la carga de aleta de pala a partir del modelo de BEM usando el AdA de las palas y la velocidad del viento. De esta forma, se puede usar el modelo de BEM como respaldo a la galga extensométrica.

En otro ejemplo, el controlador puede comparar la carga de aleta de pala medida usando la galga extensométrica con la carga de aleta de pala estimada emitida por el modelo de BEM. Es decir, el modelo de BEM puede generar la carga de aleta de pala estimada en paralelo con la captación, por la galga extensométrica, de mediciones de carga de aleta de pala. El controlador puede comparar las cargas de aleta de pala medidas y estimadas para asegurar que la galga extensométrica no ha funcionado mal. Por ejemplo, si la carga de aleta de pala medida supera en más de un umbral predefinido (por ejemplo, más del 10 %) a la carga de aleta de pala estimada, entonces el controlador puede determinar que la galga extensométrica ha funcionado mal y conmutar el funcionamiento de la turbina a un modo seguro. Es decir, debido a que los valores de carga de aleta de pala pueden ser inexactos, el controlador puede cambiar el modo de funcionamiento de la turbina para minimizar el riesgo de que la turbina funcione fuera de su envolvente operativa y provoque demasiado empuje sobre las palas. De esta forma, el modelo de BEM puede proporcionar un valor de comprobación para asegurar que la carga de aleta de pala es fiable.

Independientemente de si la carga de aleta de pala se mide usando una galga extensométrica o se estima usando el modelo de BEM, en el bloque 410, el controlador calcula un valor medio a partir de una pluralidad de valores de carga de aleta de pala. En una realización, el controlador determina la media o el promedio para los valores de carga de aleta de pala recibidos a lo largo de una cantidad de tiempo predeterminada (por ejemplo, cada 10 segundos). En otra realización, el controlador determina la media cuando se recibe un número predefinido de valores de carga de aleta de pala (por ejemplo, cada vez que el controlador recibe mil valores de carga). Como se ha mencionado anteriormente, la media de los valores de aleta de pala está correlacionada con la densidad del aire en la turbina eólica y es independiente de la turbulencia. Expresado de forma diferente, la turbulencia está relacionada con la desviación típica de los valores de carga de aleta de pala, que es independiente de la media de esos valores. Por lo tanto, incluso cuando la media de los valores de carga de aleta de pala cambia (por ejemplo, aumenta o disminuye), la turbulencia puede permanecer igual. Expuesto de forma diferente, la cantidad de variación en los valores de aleta de pala puede cambiar sin que cambie la media de esos valores. Por lo tanto, la turbulencia del aire puede cambiar si la densidad del aire permanece constante, y viceversa.

En el bloque 415, el limitador de empuje usa una función de transferencia predefinida para convertir el valor medio de la carga de aleta de pala en una estimación de la densidad del aire. Como se ha mencionado anteriormente, factores del entorno tales como la humedad y la temperatura afectan a la densidad del aire, que, a su vez, afecta a la carga sobre las palas rotatorias. En una realización, la función de transferencia proporciona una relación entre los cambios en la media de una pluralidad de valores de carga de aleta de pala y los cambios en la densidad del aire en la turbina eólica.

La función de transferencia puede ajustar a escala la media de la pluralidad de cargas de aleta de pala para inferir la estimación de densidad del aire. Por ejemplo, la función de transferencia puede incluir un valor constante en donde los cambios en la media de la pluralidad de cargas de aleta de pala dan como resultado cambios lineales en la estimación de densidad del aire. En otra realización, la función de transferencia puede realizar una conversión no lineal entre los cambios en la media de la pluralidad de cargas de aleta de pala y la estimación de densidad del aire.

En una realización, la función de transferencia se infiere usando un simulador de turbina en donde se hace funcionar una turbina simulada en diferentes densidades del aire para determinar el efecto de la densidad del aire sobre la carga de aleta de pala o, más específicamente, cómo se correlaciona la media de la carga de aleta de pala con la densidad del aire. Esta correlación se puede usar como la función de transferencia para convertir la carga de aleta de pala recibida en el bloque 405 en una estimación correspondiente de la densidad del aire.

En otra realización, la función de transferencia se infiere midiendo la densidad del aire en el emplazamiento y correlacionando cambios en la densidad del aire con la carga de aleta de pala sobre las palas. Por ejemplo, un técnico puede colocar temporalmente un sensor o unos sensores en la turbina que miden la densidad del aire mientras la turbina está funcionando. Comparando la densidad del aire con la media de una pluralidad de valores de carga de aleta de pala, el controlador puede determinar la función de transferencia que define la correlación entre estos valores. Después de identificar la función de transferencia, el limitador de empuje puede usar la función de transferencia para convertir las cargas de aleta de pala en estimaciones de la densidad del aire. Por lo tanto, los sensores para medir la densidad del aire se pueden mover a una turbina diferente en donde se identifica la función de transferencia para esa turbina. De esta forma, las turbinas no necesitan sensores permanentes para medir la densidad del aire, sino que, en su lugar, pueden usar la función de transferencia inferida para estimar la densidad del aire a partir de valores de carga de aleta de pala actualizados. De este modo, el controlador puede generar una función de transferencia personalizada para cada turbina eólica usando mediciones del mundo real de la densidad del aire en la turbina y el efecto de la densidad del aire sobre la carga de pala.

En el bloque 420, el limitador de empuje ajusta los pasos respectivos de las palas usando la estimación de densidad del aire. A medida que aumenta la densidad del aire, el limitador de empuje puede reducir el empuje o la carga sobre las palas aumentando el paso de las palas. En contraposición, a medida que la densidad del aire disminuye, el limitador de empuje puede aumentar el empuje de las palas reduciendo el paso de las palas (por ejemplo, extrayendo más energía mecánica del viento). El controlador también puede aumentar la potencia emitida por la turbina eólica. Por ejemplo, si la potencia de salida de la turbina eólica está por debajo de la potencia de salida nominal (por ejemplo, la salida de potencia máxima de la turbina establecida por el fabricante), el controlador puede aumentar la potencia de salida de la turbina a medida que se reduce el paso de las palas (como se determina mediante una curva de coeficiente de potencia (Cp) para la velocidad del viento actual). Por lo tanto, ajustar del paso de las palas en respuesta a cambios en la densidad del aire puede aumentar la eficiencia energética de la pala (debido a que la potencia de salida se puede aumentar cuando la densidad del aire es baja, siendo igual todo lo demás) y mantener la turbina en su envolvente operativa para satisfacer una vida útil deseada de la turbina (aumentando el paso de las palas para reducir el desgaste por uso de las palas cuando la densidad del aire es alta).

En una realización, el controlador de turbina eólica estima un empuje sobre las palas usando la carga medida por el limitador de empuje. El controlador puede usar esta estimación de empuje para otras operaciones de control tales como reducir el ruido generado por la turbina o controlar la estela o turbulencia generada por la turbina eólica que afecta a las turbinas de aguas abajo. Las operaciones de carga, de ruido y de estela pueden incluir restricciones o umbrales específicos correspondientes al empuje estimado por el limitador de empuje.

La figura 5 ilustra un gráfico 500 que incluye unas curvas de potencia 505 (la curva 1) y 510 (la curva 2) para hacer funcionar una turbina eólica con y sin considerar la densidad del aire de acuerdo con una realización descrita en la presente divulgación. La curva de potencia 505 ilustra el hecho de hacer funcionar la turbina eólica usando la densidad del aire para controlar la potencia de salida de la curva controlando, por ejemplo, la salida del generador o el paso de las palas. En contraposición, la curva de potencia 510 ilustra el hecho de hacer funcionar la turbina eólica sin usar la densidad del aire para controlar la potencia de salida o la carga sobre las palas.

Como se muestra en el gráfico 500, el funcionamiento en conjunto de la turbina eólica es más eficiente - por ejemplo, genera más potencia - cuando se usa la densidad del aire para hacer funcionar la turbina eólica que cuando no usa la densidad del aire. Como se ha descrito anteriormente, cuando está por debajo de la velocidad del viento nominal, cuando la densidad del aire es baja, la turbina se puede hacer funcionar para generar más potencia de salida de la que generaría de otro modo. En este sentido, la producción de energía anual (AEP) de la turbina eólica se puede aumentar cuando se usa la densidad del aire para determinar la potencia de salida de la turbina eólica.

La figura 6 ilustra un controlador 210 para hacer funcionar una turbina eólica usando la densidad del aire, la turbulencia y la velocidad del viento de acuerdo con una realización descrita en la presente divulgación. El controlador 210 incluye el limitador de empuje 315 y el controlador de paso 335 que emite unas señales de control de paso de pala 635. En esta realización, el limitador de empuje 315 recibe la desviación típica de la carga de aleta de pala 605 y la media de la carga de aleta de pala 610 que se introducen en el estimador de turbulencia 320 y en el estimador de densidad del aire 325, respectivamente. Aunque, en la figura 6, la desviación típica de la carga de aleta de pala 605 y la media de la carga de aleta de pala 610 se calculan fuera del limitador de empuje 315 (por ejemplo, por otro componente en el controlador de turbina 210 o por un sistema externo a la turbina eólica), en otra realización, el limitador de empuje 315 recibe los valores de carga de aleta de pala emitidos por una galga extensométrica o estimaciones para estas cargas a partir de un modelo de BEM. El limitador de empuje 315 puede calcular la desviación típica y la media de estos valores que se introducen entonces en el estimador de turbulencia 320 y en el estimador de densidad del aire 325.

El estimador de turbulencia 320 usa la desviación típica de la carga de aleta de pala 605 para emitir una señal de control que afecta a las señales de control de paso de pala 635. En otra realización, el estimador de turbulencia 320 usa la desviación típica de la estimación de velocidad o de potencia del rotor para medir la turbulencia. Como se ha mencionado anteriormente, unas desviaciones típicas más amplias pueden indicar unas cantidades mayores de turbulencia en la turbina eólica. Es decir, las velocidades del viento fluctúan ampliamente, lo que da como resultado una mayor amplitud en las fluctuaciones (es decir, en la desviación típica) de las cargas de aleta de pala. En una realización, el estimador de turbulencia 320 emite una señal de control que indica que se debería aumentar el paso de las palas para reducir la carga a medida que aumenta la turbulencia, pero indica que se debería reducir el paso de las palas para aumentar la carga a medida que la turbulencia disminuye.

El estimador de densidad del aire 325 usa la media de la carga de aleta de pala para emitir una señal que afecta a las señales de control de paso de pala 635 como se describe en el método 400. En una realización, la media de la carga de aleta de pala se determina usando un intervalo de tiempo predefinido - por ejemplo, cada 10 segundos o cada minuto. La media se puede calcular sumando los valores de carga de aleta de pala medidos durante el intervalo de tiempo predefinido y dividiendo esta suma por el número total de valores medidos. Como se ha analizado anteriormente, los valores medios se pueden correlacionar con la densidad del aire en la turbina eólica. Usando una función de transferencia, el estimador de densidad del aire 325 convierte la media de la carga de aleta de pala 610 en una estimación de la densidad del aire. En una realización, a medida que aumenta la estimación de densidad del aire, la señal de salida del estimador de densidad del aire 325 reduce la carga sobre las palas afectando a las señales de control de paso de pala 635. Sin embargo, a medida que disminuye la estimación de densidad del aire, la señal de salida del estimador de densidad del aire 325 aumenta la carga sobre las palas afectando a las señales de control de paso de pala 635.

El limitador de empuje 315 también incluye un módulo de velocidad del viento 640 que emite una señal que varía de acuerdo con la velocidad del viento en la turbina eólica. En una realización, el módulo de velocidad del viento 640 recibe una velocidad del viento actual en la turbina eólica que se mide usando un sensor (por ejemplo, un anemómetro) o que se estima usando una aplicación de modelización de turbinas. En una realización, a medida que aumenta la velocidad del viento, el módulo de velocidad del viento 640 emite una señal que disminuye la carga sobre las palas afectando a las señales de control de paso de pala 635. Sin embargo, a medida que disminuye la velocidad del viento, el módulo de velocidad del viento 640 emite una señal que puede aumentar la carga sobre las palas.

Las salidas respectivas del estimador de turbulencia 320, el estimador de densidad del aire 325 y el módulo de velocidad del viento 640 se transmiten a la lógica de combinación 615 que emite una señal de control de empuje 620 al controlador de paso 335. Es decir, la lógica de combinación 615 usa las salidas del estimador de turbulencia 320, el estimador de densidad del aire 325 y el módulo de velocidad del viento 640 como entradas para proporcionar la señal 620 que afecta a las señales de control de paso de pala 635. La lógica de combinación 615 puede combinar las salidas del estimador de turbulencia 320, el estimador de densidad del aire 325 y el módulo de velocidad del viento 640 en cualquier número de formas diferentes. Por ejemplo, la lógica de combinación 615 puede proporcionar un peso o prioridad a cada una de las salidas que determina cómo afecta cada una de las salidas a la señal de control de empuje 620. Por ejemplo, una de las salidas se puede ponderar con un peso más alto que el de las otras salidas. En otro ejemplo, la lógica de combinación 615 puede comparar las tres salidas con unos umbrales respectivos para identificar un valor de la señal de control de empuje 620. Por ejemplo, la lógica de combinación 615 puede emitir diferentes valores de la señal de control de empuje 620 para valores de salida dados del estimador de turbulencia 320 y del estimador de densidad del aire 325, dependiendo de si la velocidad del viento actual está por encima o por debajo de un umbral.

El controlador de paso 335 usa un combinador 625 para combinar la señal de control de empuje 620 proporcionada por el limitador de empuje 315 con otras señales de control de paso 630 (de haber alguna). Por ejemplo, las otras señales de control de paso 630 pueden ser generadas por otro componente del controlador 210 - por ejemplo, un controlador de potencia. El controlador de potencia puede establecer las señales de control de paso 630 basándose en una potencia de salida deseada y en la velocidad del viento actual. En otro ejemplo, el controlador 210 puede establecer las señales de control de paso 630 dependiendo del modo de la turbina - por ejemplo, si la turbina está funcionando en un modo de arranque, un modo seguro, un modo normal, un modo de parada, etc. El combinador 625 combina la señal de control de empuje 620 desde el limitador de empuje con las señales de control de paso 630 para emitir las señales de control de paso de pala 635 que, en una realización, se usan para controlar unos accionadores en el buje que establecen el paso en las palas.

Aunque la figura 6 ilustra que el controlador de paso 335 incluye el combinador 625, esto no implica necesariamente que la señal de control de empuje 620 y las otras señales de control de paso 630 se sumen siempre entre sí. En algunos casos, cuando se combina la señal de control de empuje 620 con las otras señales de control de paso 630, la señal de control de empuje 620 puede reducir la carga sobre las palas (por ejemplo, reducir el empuje de las palas) que si solo se usan las señales de control de paso 630 para generar las señales de control de paso de pala 635. Sin embargo, en otros casos, la señal de control de empuje 620 puede aumentar la carga sobre las palas (por ejemplo, aumentar el empuje de las palas) que si solo se usan las señales de control de paso 630 para generar las señales de control de paso de pala 635. Por ejemplo, haciendo referencia al gráfico 500 en la figura 5, la señal de control de empuje 620 (que se ve afectada por la densidad del aire) puede aumentar la carga sobre las palas a las velocidades del viento de 9 a 14 m/s para emitir más potencia de la que se emitiría de otro modo si la densidad del aire (y la señal de control de empuje 620) no afectara a las señales de control de paso de pala 635.

La figura 7 ilustra una realización que comprende una unidad de control 700 que, basándose en valores de carga de la pala, determina uno de, o ambos de, un valor de acoplamiento 701 y/o un valor de desacoplamiento 702. En la realización ilustrada, los valores se determinan basándose en la media de la carga de aleta de pala 610, para determinar la densidad del aire mediante el uso del estimador de densidad del aire 325. En una realización, también se puede usar la desviación típica de la carga de aleta de pala 605 para determinar un valor de turbulencia mediante el uso del estimador de turbulencia 320.

La densidad del aire estimada y, opcionalmente, la turbulencia determinada se introducen en una unidad de acoplamiento/desacoplamiento 715, que puede determinar un valor de acoplamiento y/o de desacoplamiento ajustado para su uso por el controlador de la turbina para cambiar dinámicamente la velocidad del viento de acoplamiento o de desacoplamiento.

Por ejemplo, si la unidad de acoplamiento/desacoplamiento 715 está estimando una densidad del aire y turbulencias muy bajas, la unidad 715 ordena al controlador de turbina que cambie la presente velocidad del viento de desacoplamiento a una velocidad del viento de desacoplamiento más alta debido a condiciones climáticas benignas. Esto posibilita que la turbina funcione a una velocidad del viento de desacoplamiento más alta. Del mismo modo, si la densidad del aire es alta, la velocidad del viento de acoplamiento se puede reducir y esto posibilita tener la turbina en funcionamiento a una velocidad del viento más baja que la presente velocidad del viento de acoplamiento.

La determinación de valores de acoplamiento y de desacoplamiento ajustados por la unidad de acoplamiento/desacoplamiento 715 se puede incluir a partir de una tabla de consulta predeterminada basándose en las salidas de estimador de turbulencia y de densidad del aire. La unidad de acoplamiento/desacoplamiento 715 puede incluir una lógica de combinación que proporciona un peso o prioridad a cada una de las salidas.

Los valores exactos dependen del modelo de turbina dado. En la curva de potencia de ejemplo mostrada en la figura 5, el valor de acoplamiento es de 3 m/s. En algunas realizaciones, el valor de acoplamiento se puede bajar en 1-2 m/s para situaciones de densidad del aire alta. En la curva de potencia de ejemplo mostrada en la figura 5, el valor de desacoplamiento es de 25 m/s. En algunas realizaciones, el valor de desacoplamiento se puede aumentar en 1-10 m/s para situaciones de densidad del aire baja en vista del nivel de turbulencia.

En lo anterior, se hace referencia a realizaciones presentadas en esta divulgación. Sin embargo, el alcance de la presente divulgación no se limita a las realizaciones específicas descritas.

Además, aunque las realizaciones divulgadas en el presente documento pueden lograr ventajas sobre otras soluciones posibles o sobre la técnica anterior, si una ventaja particular es lograda, o no, por una realización dada no es limitante para el alcance de la presente divulgación. Por lo tanto, los aspectos, características, realizaciones y ventajas descritos en el presente documento son meramente ilustrativos y no se consideran elementos o limitaciones de las reivindicaciones adjuntas, excepto cuando se mencionen explícitamente en una(s) reivindicación(es).

Como será apreciado por un experto en la materia, las realizaciones divulgadas en el presente documento se pueden materializar como un sistema, método o producto de programa informático. En consecuencia, algunos aspectos pueden adoptar la forma de una realización completamente de hardware, una realización completamente de software (incluyendo firmware, software residente, microcódigo, etc.) o una realización que combine aspectos de software y de hardware, todos los cuales se pueden denominar, en general en el presente documento, "circuito", "módulo" o "sistema". Además, algunos aspectos pueden adoptar la forma de un producto de programa informático incorporado en uno o más medio(s) legible(s) por ordenador que tiene(n) un código de programa legible por ordenador incorporado en los mismos.

La presente invención puede ser un sistema, un método y/o un producto de programa informático. El producto de programa de ordenador puede incluir un medio (o medios) de almacenamiento legible(s) por ordenador (por ejemplo, un disquete informático portátil, un disco duro, una memoria de acceso aleatorio (RAM), una memoria de solo lectura (ROM), una memoria de solo lectura programable y borrable (EPROM o memoria flash), una fibra óptica, un disco compacto-memoria de solo lectura portátil (CD-ROM), un dispositivo de almacenamiento óptico, un dispositivo de almacenamiento magnético, o cualquier combinación adecuada de lo anterior) que tenga instrucciones de programa legibles por ordenador en el mismo para hacer que un procesador lleve a cabo aspectos de la presente invención.

Algunos aspectos de la presente divulgación se describen a continuación con referencia a ilustraciones de diagramas de flujo y/o diagramas de bloques de métodos, aparatos (sistemas) y productos de programa informático de acuerdo con realizaciones presentadas en esta divulgación. Se entenderá que cada bloque de las ilustraciones de diagramas de flujo y/o diagramas de bloques, y las combinaciones de bloques en las ilustraciones de diagramas de flujo y/o diagramas de bloque, pueden implementarse mediante instrucciones de programa informático. Estas instrucciones de programa informático se pueden proporcionar a un procesador de un ordenador de propósito general, un ordenador de propósito especial u otros aparatos de procesamiento de datos programables para producir una máquina, de modo que las instrucciones, que se ejecutan a través del procesador del ordenador u otro aparato de procesamiento de datos programable, crean medios para implementar las funciones/acciones especificadas en el bloque o bloques de diagrama de flujo y/o de diagrama de bloques.

Los diagramas de flujo y diagramas de bloques en las figuras ilustran la arquitectura, la funcionalidad y el funcionamiento de implementaciones posibles de sistemas, métodos y productos de programa informático de acuerdo con diversas realizaciones. A este respecto, cada bloque en los diagramas de flujo o los diagramas de bloques puede representar un módulo, segmento o porción de código, que comprende una o más instrucciones ejecutables para implementar la(s) función(es) lógica(s) especificada(s). También se ha de hacer notar que, en algunas implementaciones alternativas, las funciones indicadas en el bloque pueden tener lugar fuera del orden indicado en las figuras. Por ejemplo, dos bloques mostrados en sucesión pueden ejecutarse, de hecho, sustancialmente al mismo tiempo, o los bloques pueden ejecutarse a veces en el orden inverso, dependiendo de la funcionalidad implicada. También se hará notar que cada bloque de los diagramas de bloques y/o la ilustración de diagrama de flujo, y las combinaciones de bloques en los diagramas de bloques y/o ilustración de diagrama de flujo, pueden implementarse mediante sistemas basados en hardware de fin especial que realizan las funciones o acciones especificadas, o combinaciones de hardware de propósito especial e instrucciones informáticas.

En vista de lo anterior, el alcance de la presente divulgación está determinado por las reivindicaciones que siguen.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Una turbina eólica (100) que comprende:

- un rotor (106);

- una pala (108) acoplada al rotor; y

- un controlador (210) configurado para:

- recibir un valor de carga que representa una carga sobre la pala, en donde el valor de carga es uno de una pluralidad de valores de carga recibidos en el controlador,

- determinar una media de la pluralidad de valores de carga,

- estimar la densidad del aire en la turbina eólica usando una función de transferencia predefinida, en donde la función de transferencia convierte la media de la pluralidad de valores de carga en la densidad del aire estimada, y

- ajustar un paso (218) de la pala (108) para cambiar el empuje sobre la pala basándose en la densidad del aire estimada.

2. La turbina eólica según la reivindicación 1, en donde el valor de carga es una carga de aleta de pala (345) de la pala (108).

3. La turbina eólica según las reivindicaciones 1-2, en donde el controlador (210) está configurado para:

- generar el valor de carga usando un modelo de momento de elemento de pala (BEM), en donde el paso (218) de la pala (108), una velocidad del rotor y una velocidad del viento son entradas al modelo de BEM.

4. La turbina eólica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el controlador (210) está configurado además para ajustar un valor de acoplamiento o un valor de desacoplamiento basándose en la densidad del aire estimada.

5. La turbina eólica según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el controlador (210) está configurado para:

- recibir una velocidad del viento actual en la turbina; y

- estimar la turbulencia en la turbina eólica,

en donde el controlador está configurado para controlar el empuje sobre la pala determinando un promedio ponderado de la velocidad del viento actual, la turbulencia estimada y la densidad del aire estimada.

6. Un método para hacer funcionar una turbina eólica, comprendiendo el método:

- recibir un valor de carga que representa una carga sobre una pala (108) en donde el valor de carga es uno de una pluralidad de valores de carga recibidos en el controlador, y en donde la pala se acopla a un rotor (106) de la turbina eólica; y

- determinar una media de la pluralidad de valores de carga,

- estimar la densidad del aire en la turbina eólica usando una función de transferencia predefinida, en donde la función de transferencia convierte la media de la pluralidad de valores de carga en la densidad del aire estimada, - ajustar un paso (218) de la pala (108) para cambiar el empuje sobre la pala basándose en la densidad del aire estimada.

7. El método de la reivindicación 6, que comprende además:

- medir el valor de carga usando una galga extensométrica (340) dispuesta sobre la pala (108).

8. El método de la reivindicación 6, que comprende además:

- generar el valor de carga usando un modelo de momento de elemento de pala (BEM), en donde el paso de la pala, una velocidad del rotor y una velocidad del viento son entradas al modelo de BEM.

9. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 6-8, que comprende además:

- recibir una velocidad del viento actual en la turbina;

- estimar la turbulencia en la turbina eólica; y

- controlar el empuje sobre la pala determinando un promedio ponderado de la velocidad del viento actual, la turbulencia estimada y la densidad del aire estimada.

10. El método de una cualquiera de las reivindicaciones 6-9, que comprende además ajustar un valor de acoplamiento o un valor de desacoplamiento basándose en la densidad del aire estimada.

11. Un controlador (210) para una turbina eólica (100), que comprende:

- un procesador (305); y

- una memoria (310) configurada para almacenar un programa, que, cuando es ejecutado por el procesador, realiza una operación, comprendiendo la operación:

- recibir un valor de carga que representa una carga sobre una pala (108), en donde el valor de carga es uno de una pluralidad de valores de carga recibidos en el controlador, y en donde la pala se acopla a un rotor (106) de la turbina eólica,

- determinar una media de la pluralidad de valores de carga,

- estimar la densidad del aire en la turbina eólica usando una función de transferencia predefinida, en donde la función de transferencia convierte la media de la pluralidad de valores de carga en la densidad del aire estimada, y

- ajustar un paso (218) de la pala (108) para cambiar el empuje sobre la pala basándose en la densidad del aire estimada.