ES2943569B2 - Sistema y procedimiento de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador - Google Patents

Sistema y procedimiento de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador

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ES2943569B2 ES202131154A ES202131154A ES2943569B2 ES 2943569 B2 ES2943569 B2 ES 2943569B2 ES 202131154 A ES202131154 A ES 202131154A ES 202131154 A ES202131154 A ES 202131154A ES 2943569 B2 ES2943569 B2 ES 2943569B2
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Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y procedimiento de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador
Objeto de la invención
La presente invención tiene por objeto un sistema y un procedimiento de detección de irregularidades y/o deterioro en la superficie de las palas de aerogeneradores o turbinas eólicas.
El objeto del presente sistema y método es detectar y caracterizar el deterioro y/o acumulación de suciedad, polvo, nieve, hielo, etc., en las palas de un aerogenerador. Este tipo de irregularidades en la superficie de las palas de un aerogenerador restan eficiencia en la extracción de energía del viento y, consecuentemente, disminuyen el rendimiento en la generación de energía eléctrica por parte de los aerogeneradores.
El sistema y el método de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador, objetos de la presente invención, tienen aplicación en el ámbito de la industria dedicada al mantenimiento preventivo y predictivo de sistemas de generación de energía eléctrica a partir de energía eólica.
Antecedentes de la invención y problema técnico a resolver
Los aerogeneradores son equipos de elevado costo de fabricación e instalación. La correcta instalación de los elementos que conforman la turbina eólica es un factor clave que determinará su durabilidad y la optimización en la extracción de energía del viento.
Existen determinados factores ambientales que pueden estar asociados con el clima o la contaminación, que pueden deteriorar la continuidad superficial de las palas del aerogenerador, alterando su geometría. Estos factores pueden ser la acumulación de hielo o nieve en las palas del aerogenerador, acumulación de suciedad o barro, o deterioro, mellado o corrosión del borde de ataque de las palas debido a la acción de los factores anteriores y/o a la presencia de agentes corrosivos en el aire o el agua de la lluvia.
Los factores anteriores producen irregularidades superficiales en las palas del aerogenerador que alteran el perfil de flujo del viento alrededor de las palas del aerogenerador, junto con el ángulo de ataque del viento sobre la pala del aerogenerador, alterando también con ello el rendimiento en la extracción de energía del viento por parte de la turbina.
Si se quiere garantizar, no solo una máxima eficiencia en la extracción de energía del viento para su conversión en energía eléctrica, sino también una maximización de la vida útil del aerogenerador, resulta fundamental llevar a cabo labores de mantenimiento a lo largo de toda la vida útil de un aerogenerador.
El tipo de mantenimiento llevado a cabo tradicionalmente en los aerogeneradores es del tipo preventivo periódico en donde un equipo de operarios se desplaza hasta el parque eólico en cuestión para inspeccionar visualmente los aerogeneradores en busca de posibles irregularidades o alteraciones en el perfil aerodinámico de las palas del aerogenerador, irregularidades que pueden afectar a la vida útil del aerogenerador y/o al rendimiento en la extracción de energía del viento. Este tipo de labores de mantenimiento, además de ser costosas desde un punto de vista económico y de esfuerzo humano, resultan poco sistemáticas y depende en última instancia de la pericia de los operarios y de su grado de atención o minuciosidad a la hora de llevar a cabo las tareas de inspección, y obviamente está afectado por la fatiga y las distracciones que puedan experimentar los operarios.
Para evitar estos inconvenientes, es deseable disponer de un sistema y un procedimiento que permitan monitorizar, bien de manera continua a lo largo de toda la vida útil del aerogenerador, o bien durante campañas periódicas de mantenimiento e inspección, el estado de integridad de las palas de un aerogenerador, a fin de detectar posibles irregularidades que puedan afectar al normal funcionamiento del aerogenerador, comprometer su vida útil y/o reducir el rendimiento en la extracción de energía procedente del viento.
Se conocen sistemas que permiten monitorizar el ruido producido por un aerogenerador, con el fin de reducir la velocidad de giro del aerogenerador o incluso pararlo, si el nivel de ruido producido excede un determinado valor umbral. El documento EP 2745006 B1 describe un sistema de este tipo. Este sistema permite también aumentar la velocidad de giro de un aerogenerador, o modificar alguno de sus parámetros de funcionamiento, aun a costa de incrementar el nivel de ruido producido, cuando se tiene constancia de que todavía queda margen para aumentar la intensidad o nivel de ruido producido por el aerogenerador, cumpliendo aun así con la normativa local en cuanto a niveles de ruido permitidos en parques eólicos.
No obstante, no se conocen sistemas que, de una manera no invasiva, sin alterar el perfil aerodinámico de un aerogenerador, permitan extraer información del sonido o ruido producido por el aerogenerador, a fin de detectar irregularidades en su superficie, y además lo hagan de una manera universal, es decir, que puedan ser válidos para extraer esa información concerniente a la existencia de posibles irregularidades en la superficie de las palas del aerogenerador, con independencia del fabricante y/o modelo específico de aerogenerador.
Descripción de la invención
Con objeto de solucionar los inconvenientes anteriormente mencionados, la presente invención se refiere a un sistema y un procedimiento de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador.
El sistema de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador objeto de la presente invención comprende:
- al menos un micrófono configurado para disponerse en proximidad al aerogenerador y sin contacto con el aerogenerador, y para medir un ruido producido por interacción del viento con al menos una pala del aerogenerador; - una unidad principal de procesamiento, configurada para recibir al menos una señal de entrada, donde la al menos una señal de entrada comprende una señal de ruido procedente del al menos un micrófono, y;
- un módulo de detección de irregularidades de la unidad principal, donde el módulo de detección de irregularidades está configurado para establecer una comparación entre un nivel de presión sonora de la señal de ruido y un nivel de presión sonora indicado por un patrón acústico expresado mediante una expresión matemática y construido mediante un modelo de generación de ruido;
donde si la diferencia entre el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico y el nivel de presión sonora de la señal de ruido es igual o superior a un primer umbral predeterminado, el módulo de detección de irregularidades está configurado para determinar que existe al menos una irregularidad en al menos una pala del aerogenerador.
Mediante el novedoso sistema de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador descrito anteriormente, se permite que, de una manera no invasiva, sin contacto con el aerogenerador (y por tanto evitando distorsiones en el sonido captado y o en la interacción del viento con el aerogenerador), se pueda medir el ruido producido por la interacción del viento con una o más palas del aerogenerador y determinar la existencia de una o más irregularidades en las palas del aerogenerador si, tras comparar el nivel de presión sonora de la señal de ruido con el nivel de presión sonora del patrón acústico se observa que la diferencia entre el nivel de presión sonora de la señal de ruido y el nivel de presión sonora del patrón acústico es igual o superior al primer umbral predeterminado.
De manera preferente, el sistema de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador comprende al menos una estación meteorológica configurada para disponerse en proximidad al aerogenerador y para medir una o más variables ambientales en un entorno del aerogenerador (por ejemplo, dirección y velocidad del viento, temperatura, presión atmosférica, humedad del aire, etc.). De esta forma, la al menos una señal de entrada a la unidad principal comprende una señal de mediciones ambientales procedente de la al menos una estación meteorológica. Esta al menos una señal de mediciones ambientales comprende al menos una variable ambiental medida por la al menos una estación meteorológica.
Mediante la característica anterior, se permite tener en cuenta una o más variables ambientales a la hora de valorar de qué manera interactúa el viento con el aerogenerador, o de qué manera se propaga el sonido desde el aerogenerador hasta el al menos un micrófono.
También de manera preferente, la unidad principal de procesamiento comprende un módulo de identificación de parámetros. Este módulo de identificación de parámetros está configurado para establecer una comparación entre un nivel de presión sonora de la señal de ruido de un aerogenerador sin irregularidades (o de un aerogenerador con una o más irregularidades previamente identificadas) y un nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico. Si la diferencia entre el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico y el nivel de presión sonora de la señal de ruido generada por el aerogenerador sin irregularidades (o con una o más irregularidades previamente identificadas) es igual o superior a un segundo umbral predeterminado, el módulo de detección de parámetros está configurado para modificar al menos un parámetro del patrón acústico hasta que la diferencia entre el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico y el nivel de presión sonora de la señal de ruido sea inferior al segundo umbral predeterminado.
Mediante la característica anterior, se permite adaptar el sistema a cualquier aerogenerador, con independencia del fabricante o modelo del aerogenerador. Se permite adaptar el patrón acústico a cada aerogenerador en donde se pretenda aplicar el presente sistema, de tal forma que cuando se establezca la comparación por parte del módulo de identificación de irregularidades entre la señal de ruido y el patrón acústico, se parta de un patrón acústico que está específicamente adaptado al ruido que genera la interacción del viento con el aerogenerador específico sobre el que se aplica el sistema de detección de irregularidades (y donde dicho patrón acústico está específicamente diseñado para emular el ruido producido por interacción del viento con dicho aerogenerador específico y con un estado específico de presencia o ausencia de irregularidades). Esto permite evitar que se identifique erróneamente una señal de ruido como indicativa de defectos (o como indicativa de nuevos defectos), por una falta de adecuación del patrón acústico al aerogenerador en cuestión.
Opcionalmente, el módulo de identificación de parámetros puede estar configurado para modificar el al menos un parámetro del patrón acústico en base a un algoritmo que tiene en cuenta al menos una variable ambiental comprendida en la señal de mediciones ambientales (por ejemplo, el algoritmo puede tener en cuenta la velocidad y/o dirección del viento incidente sobre el aerogenerador).
Según un posible aspecto de la invención, el módulo de identificación de parámetros está configurado para modificar el al menos un parámetro del patrón acústico mediante un algoritmo recursivo de tipo filtro de Kalman.
De manera preferente, el sistema de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador comprende un módulo de control configurado para recibir una señal de salida de la unidad principal, donde la señal de salida es indicativa de una o más irregularidades en al menos una pala del aerogenerador. Este módulo de control está configurado para, en base a la señal de salida de la unidad principal, calcular una relación (Cp (P, A)) actualizada entre un coeficiente de eficiencia (Cp), un ángulo de pitch (P) y una velocidad (A) de punta de pala, y enviar instrucciones a una unidad de control del aerogenerador o un controlador lógico programable (PLC) conectado a la unidad de control del aerogenerador, indicando dicha relación (Cp (P, A)) actualizada.
Esta característica permite generar una estrategia de control de la potencia entregada en cada momento por el aerogenerador, estrategia que tenga en cuenta la manera en que las irregularidades presentes en el aerogenerador hacen variar su curva o relación característica (Cp (P, A)). Esta estrategia de control permite que un PLC y/o la unidad de control del aerogenerador controlen la potencia entregada por el aerogenerador teniendo en cuenta la curva o relación actualizada (Cp (P, A)).
El módulo de detección de irregularidades puede comprender un submódulo de inteligencia artificial configurado para cotejar o comparar la señal de ruido con una base de datos de firmas acústicas previamente almacenadas correspondientes a aerogeneradores que presentan irregularidades previamente clasificadas en una o más de sus palas. Este submódulo de inteligencia artificial está configurado para determinar un tipo y/o ubicación y/o magnitud y/o gravedad de una irregularidad en el aerogenerador en base a determinar un máximo grado de coincidencia entre la señal de ruido y una o más de las firmas acústicas previamente almacenadas.
De manera preferente, el sistema de detección de irregularidades en un aerogenerador comprende una memoria de almacenamiento (o unidad de memoria) configurada para almacenar la señal de ruido captada por el al menos un micrófono y/o una señal de salida de la unidad principal de procesamiento indicativa de la existencia de al menos una irregularidad en al menos una pala del aerogenerador.
Como ya se ha mencionado, la presente invención se refiere también a un procedimiento de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador.
El procedimiento de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador objeto de la presente invención comprende:
- disponer al menos un micrófono en proximidad al aerogenerador y sin contacto con el aerogenerador (preferentemente en el suelo);
- captar una señal de ruido generado por una interacción del viento con al menos una pala del aerogenerador mediante el al menos un micrófono y enviar dicha señal de ruido a una unidad principal de procesamiento;
- comparar, mediante un módulo de detección de irregularidades de la unidad principal, un nivel de presión sonora de la señal de ruido y un nivel de presión sonora indicado por un patrón acústico expresado mediante una expresión matemática y construido mediante un modelo de generación de ruido, y;
- determinar que existe al menos una irregularidad en al menos una pala del aerogenerador si la diferencia entre el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico y el nivel de presión sonora de la señal de ruido es igual o superior a un primer umbral predeterminado.
El procedimiento puede también comprender disponer al menos una estación meteorológica en proximidad al aerogenerador; medir variables ambientales en un entorno del aerogenerador mediante la al menos una estación meteorológica, y; enviar una señal de mediciones ambientales a la unidad principal, donde la señal de mediciones ambientales comprende al menos una variable ambiental medida por la al menos una estación meteorológica.
De manera preferente, el procedimiento de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador puede también comprender:
- captar, mediante el al menos un micrófono, una señal de ruido generado por una interacción del viento con al menos una pala de un aerogenerador sin irregularidades (por ejemplo, un aerogenerador recién instalado en su emplazamiento en un parque eólico), o de un aerogenerador con una o más irregularidades previamente identificadas, y enviar dicha señal de ruido a una unidad principal de procesamiento;
- comparar, mediante un módulo de identificación de parámetros, un nivel de presión sonora de la señal de ruido generada por la interacción del viento con al menos una pala del aerogenerador sin irregularidades (o con una o más irregularidades previamente identificadas) con un nivel de presión sonora del patrón acústico y, si la diferencia entre el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico y el nivel de presión sonora de la señal de ruido generada por la interacción del viento con al menos una pala del aerogenerador sin irregularidades (o con una o más irregularidades previamente identificadas) es igual o superior a un segundo umbral predeterminado;
- modificar, mediante el módulo de identificación de parámetros, al menos un parámetro del patrón acústico hasta que la diferencia entre el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico y el nivel de presión sonora de la señal de ruido generada por la interacción del viento con al menos una pala del aerogenerador sin irregularidades (o con una o más irregularidades previamente identificadas) sea inferior al segundo umbral predeterminado.
Según un posible aspecto del procedimiento de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador, para la modificación del al menos un parámetro del patrón acústico se emplea un algoritmo que tiene en cuenta al menos una variable ambiental comprendida en la señal de mediciones ambientales (por ejemplo, la dirección y/o velocidad del viento incidente en el aerogenerador).
Para la modificación del al menos un parámetro del patrón acústico se puede emplear un algoritmo recursivo de tipo filtro de Kalman.
De manera preferente, el procedimiento de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador comprende, en base a una señal de salida de la unidad principal de procesamiento, indicativa de una o más irregularidades en al menos una pala del aerogenerador, calcular, mediante un módulo de control, una relación (Cp (P, A)) actualizada entre un coeficiente de eficiencia (Cp), un ángulo de pitch (P) y una velocidad (A) de punta de pala, y enviar instrucciones desde el módulo de control a una unidad de control del aerogenerador o un controlador lógico programable conectado a la unidad de control del aerogenerador, indicando dicha relación (Cp (P, A)) actualizada.
El procedimiento de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador puede comprender cotejar, mediante un submódulo de inteligencia artificial del módulo de detección de irregularidades, la señal de ruido generada por la interacción del viento con el aerogenerador con una base de datos de firmas acústicas previamente almacenadas correspondientes a aerogeneradores que presentan irregularidades previamente clasificadas en sus palas, y determinar un tipo y/o ubicación y/o magnitud y/o gravedad de una irregularidad en el aerogenerador en base a determinar un máximo grado de coincidencia entre la señal de ruido y una o más de las firmas acústicas previamente almacenadas.
Breve descripción de las figuras
Como parte de la explicación de al menos una forma de realización de la invención se han incluido las siguientes figuras.
Figura 1: Muestra una vista esquemática de una posible configuración de una posible forma de realización del sistema de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador, donde se observan algunos de los componentes del sistema de detección y su posición en relación con un aerogenerador.
Figura 2: Muestra un diagrama de bloques en donde se observa un bucle de control del aerogenerador, según una posible forma de realización del sistema de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador.
Figura 3: Muestra un diagrama de bloques en donde se observa de manera esquemática los bloques internos de la unidad principal del sistema de detección de irregularidades en las palas de un aerogenerador.
Figura 4: Muestra un diagrama de bloques en donde se observa una posible forma de realización del módulo de identificación de parámetros propios del aerogenerador.
Figura 5: Muestra un diagrama de bloques en donde se observa la estructura general del módulo de generación de ruido.
Figura 6: Muestra un diagrama de bloques en donde se observa de manera esquemática una posible forma de validar el modelo de generación de ruido.
Descripción detallada
La presente invención se refiere, tal y como se ha mencionado anteriormente, a un sistema (200) y a un procedimiento de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100).
En la Figura 1 se muestran de manera esquemática distintos elementos que forman parte del sistema (200) de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100).
El sistema (200) de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100) comprende al menos un micrófono (204) configurado para disponerse preferentemente en el suelo en una posición próxima a un aerogenerador (100).
El sistema (200) de detección de irregularidades en un aerogenerador (100) comprende también una estación meteorológica (205) situada en proximidad al aerogenerador (100) y configurada para medir variables ambientales que pueden afectar al comportamiento del aerogenerador (100) o a la captación de ruido por parte de los micrófonos (204), variables tales como humedad relativa, temperatura ambiente, velocidad y dirección del viento en el entorno del aerogenerador (100), presión atmosférica, etc.
Tanto la señal de ruido (304) medida por los micrófonos (204) como la señal de mediciones ambientales (305) medidas por la estación meteorológica (205) son introducidas en un módulo de recogida de datos (203) el cual genera a su salida una señal de entrada (301) a una unidad principal (201) de procesamiento del sistema (200) de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100).
Alternativamente, puede existir más de un módulo de recogida de datos (203), de manera que la señal de ruido (304) que proviene de los micrófonos (204) es introducida en un módulo de recogida de datos (203) y la señal de mediciones ambientales (305) medidas por la estación meteorológica (205) es introducida en otro módulo de recogida de datos (203). Desde cada módulo de recogida de datos (203) se genera una señal de entrada (301) a la unidad principal (201) del sistema (200).
En la Figura 1 se representa mediante una línea discontinua la señal de entrada (301) que va desde un módulo de recogida de datos (203) a la unidad principal (201) del sistema (200). Cada señal de entrada (301) puede ser transmitida desde el correspondiente módulo de recogida de datos (203) a la unidad principal (201) bien por cable, o bien de manera inalámbrica mediante red GPRS, 3G, 4G, 5G, WiFi, Bluetooth®, etc.
Mediante la información contenida en la señal de entrada (301) acerca del ruido generado por el aerogenerador (100) y acerca de las variables ambientales, la unidad principal (201) del sistema (200) puede generar una señal de salida (302) indicativa de la existencia de una o más irregularidades en la superficie de una pala (101) del aerogenerador (100), como puede ser presencia de hielo, nieve, suciedad o corrosión (picaduras o mellas, especialmente en sus bordes de ataque).
Esta señal de salida (302) puede ser almacenada en una unidad de memoria (211).
Aunque no está representado en las Figuras, también la señal de entrada (301) (o las señales de entrada (301)) puede ser almacenada en la unidad de memoria (211).
Con la información acerca de la existencia de dicha/s irregularidad/es en las palas (101) del aerogenerador (100), se puede llevar a cabo un mantenimiento preventivo y predictivo óptimo del aerogenerador (100), instando al personal de mantenimiento para que lleve a cabo labores de reparación si fuese necesario.
Asimismo (ver Figura 2), la señal de salida (302) puede ser alimentada a un módulo de control (202) que genera una señal de control (303) que puede comandar a un computador lógico programable (PLC) (no representado) y/o a una unidad de control (no representada) del aerogenerador (100) para, por ejemplo, girar las palas (101) del aerogenerador (100) en función del ángulo de ataque actual de las palas (101) (que puede haberse visto alterado por la presencia de irregularidades en su borde de ataque).
En la Figura 3 se muestran de manera esquemática, mediante un diagrama de bloques, la señal de entrada (301) y la señal de salida (302) de la unidad principal (201) del sistema (200) de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100), y el módulo de identificación de parámetros (206) así como el módulo de identificación de irregularidades (207) de la unidad principal (201) del sistema (200).
El módulo de identificación de irregularidades (207) es el encargado de comparar la señal de ruido (304) captada por el al menos un micrófono (204) con un patrón acústico (306) o firma acústica parametrizada del aerogenerador (100). Cuando el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico (306) difiere del nivel de presión sonora indicado por la señal de ruido (304) en un valor igual o superior a un primer umbral predeterminado, el módulo de identificación de irregularidades (207) determina que existe una o más irregularidades en al menos una pala (101) del aerogenerador (100).
Por su parte, el módulo de identificación de parámetros (206) es el encargado de generar el patrón acústico (306) del aerogenerador (100), a partir de un modelo de generación de ruido (208b).
El módulo de identificación de parámetros (206) genera un patrón acústico (306) “personalizado” para el aerogenerador (100) en cuestión, con independencia del fabricante o modelo del aerogenerador (100).
El módulo de identificación de parámetros (206) está implementado mediante un algoritmo recursivo que permite ir ajustando parámetros del patrón acústico (306) hasta lograr una convergencia entre dicho patrón acústico (306) y la señal de ruido (304) captada por el al menos un micrófono (204), teniendo en cuenta que las variables ambientales medidas y contenidas en la señal de mediciones ambientales (305) tomadas por la estación meteorológica (205) afectan al modelo matemático del patrón acústico (306).
Se considera que se ha llegado a dicha convergencia entre el patrón acústico (306) y la señal de ruido (304) cuando, tras haber ajustado los parámetros del patrón acústico (306), el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico (306) difiere del nivel de presión sonora indicado por la señal de ruido (304) en un valor inferior a un segundo umbral predeterminado.
El patrón acústico (306) es una estimación del ruido que podría producirse debido a la interacción del viento con las palas (101) del aerogenerador (100). El patrón acústico (306) es generado en un módulo de generación de ruido (208) (ver Figura 5). Para la generación del patrón acústico (306), se emplea a su vez un modelo de generación de ruido (208b) que es validado según el esquema mostrado en la Figura 6.
El algoritmo recursivo del módulo de identificación de parámetros (206) está implementado, propiamente, en el módulo de generación de ruido (208) del módulo de identificación de parámetros (206). Más propiamente, el algoritmo recursivo está implementado en un submódulo de cálculo de parámetros (208d) del módulo de generación de ruido (208).
De manera preferente, el algoritmo recursivo del módulo de generación de ruido (208) está basado en un filtro de Kalman.
El filtro de Kalman permite estimar los estados intermedios de un sistema a partir de sus entradas y salidas, a partir de variables observables que pueden contener algún error de medición, además de que permite identificar parámetros desconocidos del sistema. En el caso de la presente invención, se cuenta como señal de entrada la velocidad del viento (medida por la estación meteorológica (205)) sobre la pala (101) del aerogenerador (100), y como salida se cuenta con la señal de ruido (304) medida por el al menos un micrófono (204).
Así pues, según se muestra en la Figura 4, el módulo de identificación de parámetros (206) comprende a su entrada un separador de señales (209) que divide la señal de entrada (301) nuevamente en la señal de ruido (304) y la señal de mediciones ambientales (305).
Tanto la señal de mediciones ambientales (305) como la señal de ruido (304) son inyectadas al módulo de generación de ruido (208) el cual genera a su salida el patrón acústico (306). El patrón acústico (306) generado por el módulo de generación de ruido (208) es comparado, mediante un módulo comparador (210) con la señal de ruido (304) que proviene de los micrófonos (204). Como resultado de la comparación entre la señal de ruido (304) y el patrón acústico (306) llevada a cabo en el módulo comparador (210) se tiene una señal de residuo (307).
Si la señal de residuo (307) indica que la diferencia entre la señal de ruido (304) y el patrón acústico (306) generado por el módulo de generación de ruido (208) es igual o superior al segundo umbral predeterminado, la señal de residuo (307) es realimentada al módulo de generación de ruido (208) para que el módulo de generación de ruido (208) recalcule los parámetros del patrón acústico (306).
Si la señal de residuo (307) indica que la diferencia entre la señal de ruido (304) y el patrón acústico (306) generado por el módulo de generación de ruido (208) es inferior al segundo umbral predeterminado, entonces el módulo comparador (210) entrega, como salida del módulo de identificación de parámetros (206), el patrón acústico (306) generado por el módulo de generación de ruido (208) en la última iteración del algoritmo recursivo.
De esta forma, mediante el módulo de identificación de parámetros (206), se tiene un patrón acústico (306) que consiste en una firma acústica parametrizada del aerogenerador (100) en cuestión.
Mediante el módulo de identificación de parámetros (206) del sistema (200) de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100), se permite que dicho sistema (200) sea adaptable y/o personalizable a cualquier aerogenerador (100), con independencia de su fabricante o modelo, ya que el propio sistema (200), mediante un algoritmo recursivo, obtiene un patrón acústico (306) o firma acústica parametrizada del ruido producido por el viento al interactuar con las palas (101) del aerogenerador (100) en cuestión.
Esta obtención del patrón acústico (306) del ruido generado por la interacción del viento con el aerogenerador (100) se puede llevar a cabo bien de manera continua a lo largo de toda la vida útil del aerogenerador (100), o bien durante determinadas campañas periódicas. De manera preferente, la obtención del patrón acústico (306) se lleva a cabo al menos en el momento inmediatamente posterior a la instalación del aerogenerador (100) en su emplazamiento definitivo, para tener así un patrón acústico (306) o firma acústica parametrizada correspondiente al aerogenerador (100) en estado correcto de funcionamiento, cuando todavía no se han producido irregularidades en la superficie de las palas (101).
Adicionalmente, el patrón acústico (306) se puede obtener con respecto a un aerogenerador (100) que comprende ya irregularidades confirmadas (por ejemplo mediante inspección visual previa) en al menos una de sus palas (101). De esta forma, mediante el algoritmo recursivo mencionado, se puede acabar obteniendo un patrón acústico (306) correspondiente a un aerogenerador (100) con al menos una irregularidad en al menos una de sus palas (101).
En la Figura 5 se muestra una estructura general del módulo de generación de ruido (208).
La señal de mediciones ambientales (305) se puede subdividir en una primera señal de datos (305’) y una segunda señal de datos (305’’). La primera señal de datos (305’) comprende información relativa a una característica del viento (305a) (por ejemplo, velocidad y dirección del viento aguas arriba del aerogenerador (100)). La segunda señal de datos (305’’) comprende información relativa a una característica intrínseca atmosférica y/o del aire (305b) (por ejemplo, la presión atmosférica, la humedad relativa y la temperatura del aire en el entorno del aerogenerador (100)).
La primera señal de datos (305’) es alimentada a un modelo de flujo (208a) del módulo de generación de ruido (208). El modelo de flujo (208a) genera un patrón de comportamiento del aire en el entorno del aerogenerador (100). El modelo de flujo (208a) permite modelar la forma en que interactúa el flujo de viento con las palas (101) del aerogenerador (100). Este patrón de comportamiento del aire se introduce como entrada en el modelo de generación de ruido (208b), al cual se le introducen también como entrada unos parámetros intrínsecos del aerogenerador (100) obtenidos mediante el submódulo de cálculo de parámetros (208d). El modelo de generación de ruido (208b) genera un patrón de ruido en el entorno del aerogenerador (100).
El patrón de ruido producido por el modelo de generación de ruido (208b) se introduce como entrada en un modelo de propagación de ruido (208c), al cual se le introduce también como entrada la segunda señal de datos (305’’). El modelo de propagación de ruido (208c) permite modelar la forma en que las ondas acústicas se propagan desde las palas (101) del aerogenerador (100) hasta los micrófonos (204). Finalmente, el modelo de propagación de ruido (208c) genera el patrón acústico (306) a la salida del módulo de generación de ruido (208).
En cuanto al submódulo de cálculo de parámetros (208d) intrínsecos del aerogenerador (100), este submódulo inicialmente introduce en el modelo de generación de ruido (208b) unos parámetros iniciales por defecto y/o introducidos manualmente por un operario. Posteriormente, el submódulo de cálculo de parámetros (208d), al cual se le introduce como entrada la señal de residuo (307) procedente del módulo comparador (210), calcula nuevos parámetros intrínsecos del aerogenerador (100), hasta que la diferencia entre la señal de ruido (304) y el patrón acústico (306) generado por el módulo de generación de ruido (208) es inferior al segundo umbral predeterminado.
Como ya se ha comentado, en este submódulo de cálculo de parámetros (208d) se implementa el algoritmo recursivo, por ejemplo basado en un filtro de Kalman, para calcular los parámetros propios del aerogenerador (100) en base a la señal de residuo (307), hasta que se logra la convergencia entre el patrón acústico (306) generado por el módulo de generación de ruido (208) y la señal de ruido (304) captada por el al menos un micrófono (204).
Uno de los parámetros más importantes que se pretende determinar mediante el módulo de identificación de parámetros (206) es el ángulo de ataque de la pala (101) del aerogenerador (100).
Para la identificación de parámetros, se muestrea la señal de ruido (304) en bandas de frecuencia de tercio de octava.
Para cada parámetro a identificar, se escoge una o varias bandas de frecuencia de tercio de octava en donde dicho parámetro tiene una mayor preponderancia o un mayor peso o importancia en la presión sonora (en dB) captada por los micrófonos (204). De esta forma, la convergencia entre el patrón acústico (306) y la señal de ruido (304) al aplicar el filtro de Kalman variando en sucesivas iteraciones el parámetro en cuestión será más rápida que si se escoge una banda de frecuencia en donde el parámetro en cuestión tiene un menor peso en el nivel de presión sonora captado por los micrófonos (204).
Por ejemplo, para el caso en que el parámetro que se quiera determinar sea el ángulo de ataque de la pala (101) del aerogenerador (100), se prefieren frecuencias medias (por ejemplo, la banda de 1000 Hz), ya que a estas frecuencias el ángulo de ataque de la pala (101) ejerce una gran influencia en el nivel de presión sonora captada por los micrófonos (204).
En la Figura 6 se observa de manera esquemática, mediante un diagrama de bloques, un esquema de validación del modelo de generación de ruido (208b) del módulo de generación de ruido (208). Este esquema de validación mostrado en la Figura 6 puede formar parte de un módulo o submódulo específico de validación del modelo de generación de ruido (208b).
A partir de unas entradas simuladas (601) (datos de velocidad y dirección del viento, cortadura del viento, velocidad de rotación de las palas (101), temperatura, humedad, etc.) se alimenta un modelo preliminar (602) de generación de ruido, el cual genera mediante un bloque de salida (603) una primera señal de sonido estimado (604). Esta primera señal de sonido estimado (604) es alimentada a un bloque generador de un modelo de ruido (605).
Este modelo preliminar (602) puede tratarse de un modelo conocido de generación de ruido, como puede ser el modelo BPM (desarrollado por Brooks-Pope Marcolini) del ruido del borde de salida de la capa límite turbulenta, el modelo de Amiet o el modelo de Lowson, o puede basarse en una combinación de modelos conocidos de generación de ruido.
Adicionalmente, las entradas simuladas (601) sirven también para alimentar el bloque generador de un modelo de ruido (605).
El bloque generador de un modelo de ruido (605) genera a su salida una segunda señal de sonido estimado (606) que se compara con la primera señal de sonido estimado en un bloque comparador (607).
Como resultado de la comparación llevada a cabo en el bloque comparador (607) se tiene un valor de residuo.
Si el valor de residuo indica que la diferencia entre la primera señal de sonido estimado (604) y la segunda señal de sonido estimado (606) generado por el bloque generador de un modelo de ruido (605) es igual o superior a un tercer umbral predeterminado, el valor de residuo es realimentado al bloque generador de un modelo de ruido (605) para que el bloque generador de un modelo de ruido (605) recalcule los parámetros del modelo de generación de ruido (208b), para producir una nueva segunda señal de sonido estimado (606).
Si el valor de residuo indica que la diferencia entre la primera señal de sonido estimado (604) y la segunda señal de sonido estimado (606) generado por el bloque generador de un modelo de ruido (605) es inferior al tercer umbral predeterminado, entonces el bloque comparador (607) entrega, como salida, la segunda señal de sonido estimado (606) generado por el bloque generador de un modelo de ruido (605) y/o el propio modelo de generación de ruido (208b).
Como resultado de este proceso de validación, se obtiene un modelo de generación de ruido (208b) validado. Tener un modelo de generación de ruido (208b) validado significa que dicho modelo de generación de ruido (208b) produce un resultado (en términos de respuesta de respuesta sonora frente a señal de entrada (viento, condiciones atmosféricas, ...)) equivalente al que produce el modelo preliminar (602).
Este modelo de generación de ruido (208b) es posteriormente entrenado para ajustar sus parámetros, produciendo el patrón acústico (306) según se ha descrito anteriormente, obteniendo así un patrón acústico (306) adaptado a cada aerogenerador (100).
Como ya se ha comentado, tal y como se muestra en la Figura 3, el módulo de identificación de parámetros (206) genera a su salida el patrón acústico (306) que es alimentado al módulo de identificación de irregularidades (207).
Así pues, el módulo de identificación de irregularidades (207) tiene como señales de entrada el patrón acústico (306) o firma acústica parametrizada del aerogenerador (100) (preferentemente en estado correcto de funcionamiento, aunque puede ser un patrón acústico (306) correspondiente a un aerogenerador (100) con al menos un defecto o irregularidad concreta en una o varias de sus palas (101)) y la señal de ruido (304) medida por el al menos un micrófono (204).
El módulo de detección de irregularidades (207) está configurado para establecer una comparación entre el nivel de presión sonora de la señal de ruido (304) y un nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico (306). Si la diferencia entre el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico (306) y el nivel de presión sonora de la señal de ruido (304) es igual o superior al primer umbral predeterminado, el módulo de detección de irregularidades (207) está configurado para determinar que existe al menos una irregularidad en la pala (101) del aerogenerador (100).
El módulo de detección de irregularidades (207) puede incorporar un submódulo de inteligencia artificial (212) configurado para cotejar la señal de ruido (304) con al menos una base de datos de firmas acústicas previamente almacenadas correspondientes a aerogeneradores (100) que presentan irregularidades en alguno/s de sus elementos.
Esta base de datos puede comprender firmas acústicas almacenadas correspondientes a señales de ruido (304) de aerogeneradores (100) que comprenden irregularidades previamente verificadas (por ejemplo, por inspección visual directa en el aerogenerador (100)). En este caso, cada firma acústica correspondiente a una señal de ruido (304) está asociada a un tipo concreto de irregularidad, pudiendo contener una indicación acerca del tipo de irregularidad, ubicación dentro de la pala (101) (o dentro de otro elemento) del aerogenerador (100), magnitud o tamaño de la irregularidad, y, eventualmente, la gravedad de dicha irregularidad. Se pueden establecer, por ejemplo, tres tipos de clasificación en atención al grado de gravedad de una irregularidad: irregularidades que no requieren reparación; irregularidades que requieren una reparación no urgente, e; irregularidades que requieren una reparación urgente. Por medio del cotejo de la señal de ruido (304) con la base de datos, cuando el submódulo de inteligencia artificial (212) determina un grado de coincidencia máximo entre la señal de ruido (304) y alguna de las firmas acústicas previamente almacenadas, el submódulo de inteligencia artificial (212) puede determinar el tipo concreto de irregularidad, su ubicación, magnitud y gravedad. Este grado de coincidencia máximo entre la señal de ruido (304) y alguna de las firmas acústicas previamente almacenadas puede determinarse en base a criterios de forma de la señal, picos de intensidad de la presión sonora a determinadas frecuencias, etc.
A la salida del módulo de identificación de irregularidades (207) y, por ende, a la salida de la unidad principal (201) de procesamiento del sistema (200), se tiene como señal de salida (302) una señal indicativa de la posible existencia de una o más irregularidades presentes en al menos una pala (101) del aerogenerador (100). Esta indicación puede comprender una identificación de las irregularidades que pueden estar presentes en las palas (101) del aerogenerador (100), identificando la existencia de una o más irregularidades y, eventualmente, la naturaleza (corrosión/mellado/mordeduras/picaduras, suciedad acumulada, hielo/nieve, etc.) y la ubicación y la magnitud o tamaño de las mismas.
Esta señal de salida (302) puede ser almacenada en la memoria de almacenamiento (211).
Asimismo, como ya se ha mencionado y como se muestra en la Figura 2, la señal de salida (302) de la unidad principal (201) puede ser alimentada a un módulo de control (202) del sistema (200).
Este módulo de control (202) puede estar configurado, mediante un algoritmo de inteligencia artificial, para generar una curva de control o de eficiencia (Cp (A, P)) del aerogenerador (100) distinta de la curva teórica, basándose en la señal de salida (302) de la unidad principal (201).
Esto es así porque, al variar las condiciones aerodinámicas de las palas (101) del aerogenerador (100) debido a la presencia de irregularidades, la curva teórica de eficiencia (Cp (A, P)) (que expresa el coeficiente de eficiencia (Cp) en función de la velocidad (A) de punta de pala (101) y del ángulo de pitch (P)) del aerogenerador (100) deja de ser válida, siendo por tanto necesario encontrar una nueva curva adaptada al caso real de existencia de irregularidades.
Así pues, el módulo de control (202) genera una nueva curva de eficiencia (Cp (A, P)) en función de la señal de salida (302) de la unidad principal (201) del sistema (200). El módulo de control (202) puede alimentar a un computador lógico programable (PLC) y/o a una unidad de control (no representada) del aerogenerador (100) con la nueva curva de eficiencia aerodinámica calculada, para que el PLC y/o la unidad de control del aerogenerador (100) lleve al aerogenerador (100) a trabajar en el punto de máxima potencia generada, de acuerdo con la nueva curva de eficiencia.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Sistema (200) de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100)caracterizadopor que comprende:
- al menos un micrófono (204) configurado para disponerse en proximidad al aerogenerador (100) y sin contacto con el aerogenerador (100), y para medir un ruido producido por interacción del viento con al menos una pala (101) del aerogenerador (100);
- una unidad principal (201) de procesamiento, configurada para recibir al menos una señal de entrada (301), donde la al menos una señal de entrada (301) comprende una señal de ruido (304) procedente del al menos un micrófono (204), y;
- un módulo de detección de irregularidades (207) de la unidad principal (201), donde el módulo de detección de irregularidades (207) está configurado para establecer una comparación entre un nivel de presión sonora de la señal de ruido (304) y un nivel de presión sonora indicado por un patrón acústico (306) expresado mediante una expresión matemática y construido mediante un modelo de generación de ruido (208b);
donde si la diferencia entre el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico (306) y el nivel de presión sonora de la señal de ruido (304) es igual o superior a un primer umbral predeterminado, el módulo de detección de irregularidades (207) está configurado para determinar que existe al menos una irregularidad en al menos una pala (101) del aerogenerador (100);
donde la unidad principal (201) comprende un módulo de identificación de parámetros (206) configurado para establecer una comparación entre un nivel de presión sonora de la señal de ruido (304) del aerogenerador (100) sin irregularidades y un nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico (306), donde si la diferencia entre el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico (306) y el nivel de presión sonora de la señal de ruido (304) es igual o superior a un segundo umbral predeterminado, el módulo de detección de parámetros (206) está configurado para modificar al menos un parámetro del patrón acústico (306) hasta que la diferencia entre el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico (306) y el nivel de presión sonora de la señal de ruido (304) es inferior al segundo umbral predeterminado.
2. Sistema (200) de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100) según la reivindicación 1,caracterizadopor que comprende al menos una estación meteorológica (205) configurada para disponerse en proximidad al aerogenerador (100) y para medir una o más variables ambientales en un entorno del aerogenerador (100), donde la al menos una señal de entrada (301) a la unidad principal (201) comprende una señal de mediciones ambientales (305) procedente de la al menos una estación meteorológica (205), donde la al menos una señal de mediciones ambientales (305) comprende al menos una variable ambiental medida por la al menos una estación meteorológica (205).
3. Sistema (200) de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100) según la reivindicación 2,caracterizadopor que el módulo de identificación de parámetros (206) está configurado para modificar el al menos un parámetro del patrón acústico (306) en base a un algoritmo que tiene en cuenta al menos una variable ambiental comprendida en la señal de mediciones ambientales (305).
4. Sistema (200) de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100) según la reivindicación 3,caracterizadopor que el módulo de identificación de parámetros (206) está configurado para modificar el al menos un parámetro del patrón acústico (306) mediante un algoritmo recursivo de tipo filtro de Kalman.
5. Sistema (200) de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizadopor que comprende un módulo de control (202) configurado para recibir una señal de salida (302) de la unidad principal (201), donde la señal de salida (302) es indicativa de una o más irregularidades en al menos una pala (101) del aerogenerador (100), donde el módulo de control (202) está configurado para, en base a la señal de salida (302) de la unidad principal (201), calcular una relación (Cp (P, A)) actualizada entre un coeficiente de eficiencia (Cp), un ángulo de pitch (P) y una velocidad (A) de punta de pala (101), y enviar instrucciones a una unidad de control del aerogenerador (100) o un controlador lógico programable conectado a la unidad de control del aerogenerador (100), indicando dicha relación (Cp (P, A)) actualizada.
6. Sistema (200) de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizadopor que el módulo de detección de irregularidades (207) comprende un submódulo de inteligencia artificial (212) configurado para cotejar la señal de ruido (304) con una base de datos de firmas acústicas previamente almacenadas correspondientes a aerogeneradores (100) que presentan irregularidades previamente clasificadas en alguno de sus elementos, donde el submódulo de inteligencia artificial (212) está configurado para determinar un tipo y/o ubicación y/o magnitud y/o gravedad de una irregularidad en el aerogenerador (100) en base a determinar un máximo grado de coincidencia entre la señal de ruido (304) y una o más de las firmas acústicas previamente almacenadas.
7. Sistema (200) de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,caracterizadopor que comprende una memoria de almacenamiento (211) configurada para almacenar la señal de ruido (304) captada por el al menos un micrófono (204) y/o una señal de salida (302) de la unidad principal (201) indicativa de la existencia de al menos una irregularidad en al menos una pala (101) del aerogenerador (100).
8. Procedimiento de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100)caracterizadopor que comprende:
- disponer al menos un micrófono (204) en proximidad al aerogenerador (100) y sin contacto con el aerogenerador (100);
- captar una señal de ruido (304) generado por una interacción del viento con al menos una pala (101) del aerogenerador (100) mediante el al menos un micrófono (204) y enviar dicha señal de ruido (304) a una unidad principal (201) de procesamiento;
- comparar, mediante un módulo de detección de irregularidades (207) de la unidad principal (201), un nivel de presión sonora de la señal de ruido (304) y un nivel de presión sonora indicado por un patrón acústico (306) expresado mediante una expresión matemática y construido mediante un modelo de generación de ruido (208b);
- determinar que existe al menos una irregularidad en el al menos un elemento del aerogenerador (100) si la diferencia entre el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico (306) y el nivel de presión sonora de la señal de ruido (304) es igual o superior a un primer umbral predeterminado;
donde el procedimiento de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100) adicionalmente comprende:
- captar, mediante el al menos un micrófono (204), una señal de ruido (304) generado por una interacción del viento con al menos una pala (101) de un aerogenerador (100) sin irregularidades, y enviar dicha señal de ruido (304) a una unidad principal (201) de procesamiento;
- comparar, mediante un módulo de identificación de parámetros (206), un nivel de presión sonora de la señal de ruido (304) generada por la interacción del viento con la al menos una pala (101) del aerogenerador (100) sin irregularidades con un nivel de presión sonora del patrón acústico (306) y si la diferencia entre el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico (306) y el nivel de presión sonora de la señal de ruido (304) generada por la interacción del viento con la al menos una pala (101) del aerogenerador (100) sin irregularidades es igual o superior a un segundo umbral predeterminado, y;
- modificar, mediante el módulo de identificación de parámetros (206), al menos un parámetro del patrón acústico (306) hasta que la diferencia entre el nivel de presión sonora indicado por el patrón acústico (306) y el nivel de presión sonora de la señal de ruido (304) generada por la interacción del viento con la al menos una pala (101) del aerogenerador (100) sin irregularidades sea inferior al segundo umbral predeterminado.
9. Procedimiento de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100) según la reivindicación 8,caracterizadopor que comprende disponer al menos una estación meteorológica (205) en proximidad al aerogenerador (100), medir variables ambientales en un entorno del aerogenerador (100) mediante la al menos una estación meteorológica (205) y enviar una señal de mediciones ambientales (305) a la unidad principal (201), donde la señal de mediciones ambientales (305) comprende al menos una variable ambiental medida por la al menos una estación meteorológica (205).
10. Procedimiento de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100) según la reivindicación 9,caracterizadopor que para la modificación del al menos un parámetro del patrón acústico (306) se emplea un algoritmo que tiene en cuenta al menos una variable ambiental comprendida en la señal de mediciones ambientales (305).
11. Procedimiento de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100) según la reivindicación 10,caracterizadopor que para la modificación del al menos un parámetro del patrón acústico (306) se emplea un algoritmo recursivo de tipo filtro de Kalman.
12. Procedimiento de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100) según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11,caracterizadopor que comprende, en base a una señal de salida (302) de la unidad principal (201) indicativa de una o más irregularidades en la al menos una pala (101) del aerogenerador (100), calcular, mediante un módulo de control (202), una relación (Cp (P, A)) actualizada entre un coeficiente de eficiencia (Cp), un ángulo de pitch (P) y una velocidad (A) de punta de pala (101), y enviar instrucciones desde el módulo de control (202) a una unidad de control del aerogenerador (100) o un controlador lógico programable conectado a la unidad de control del aerogenerador (100), indicando dicha relación (Cp (P, A)) actualizada.
13. Procedimiento de detección de irregularidades en las palas (101) de un aerogenerador (100) según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12,caracterizadopor que comprende cotejar, mediante un submódulo de inteligencia artificial (212) del módulo de detección de irregularidades (207), la señal de ruido (304) con una base de datos de firmas acústicas previamente almacenadas correspondientes a aerogeneradores (100) que presentan irregularidades previamente clasificadas en alguno de sus elementos, y determinar un tipo y/o ubicación y/o magnitud y/o gravedad de una irregularidad en el aerogenerador (100) en base a determinar un máximo grado de coincidencia entre la señal de ruido (304) y una o más de las firmas acústicas previamente almacenadas.
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