WO2019053311A1 - Dispositivo para la corrección instantánea de las medidas del flujo de viento en aerogeneradores - Google Patents

Dispositivo para la corrección instantánea de las medidas del flujo de viento en aerogeneradores Download PDF

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Kate Elsbeth BENETIS
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Benetis Kate Elsbeth
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    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D17/00—Monitoring or testing of wind motors, e.g. diagnostics
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention refers to a device that has been specially designed to be installed in wind turbines, in order to optimize its operation and know its efficiency in real time.
  • the object of the invention is to provide a device that allows to correct in real time the measurement of the wind flow at the height of the hub of a wind turbine of one or more blades in which the measurement of the wind sensors (anemometers and vanes) are disturbed by the passage of air through the blades.
  • wind turbines have wind sensors such as anemometers and vanes when adjusting the position of the nacelle to optimize their performance and / or activate safety braking systems
  • wind sensors such as anemometers and vanes when adjusting the position of the nacelle to optimize their performance and / or activate safety braking systems
  • the reality is that these sensors are located behind the blades of the wind turbine , so that the air that passes through them is disturbed by the configuration of these being the case in many cases that the direction and / or speed of the "free" wind does not correspond faithfully with the measurement by these instruments.
  • the device for the instantaneous correction of the measures of the wind flow in wind turbines that is recommended solves in a fully satisfactory way the problems previously exposed, so that by means of the data acquisition device, instantaneous calculations can be performed according to the data of position of the blades and the wind values and atmospheric conditions of the wind turbine to which matrices of the measured effects are applied during a period of data analysis in inverse manner. In this way, the effect of the passage of the blades and the effect that the entire wind turbine has on the free wind is corrected, returning the corrected free wind flow data.
  • the device of the invention is constituted from a data acquisition circuit to which an anemometer or horizontal wind speed sensor located behind the blades of the wind turbine, which can be accompanied of a second anemometer designed to measure the vertical component of the wind, a wind vane or horizontal wind direction sensor, also located behind the blades of the wind turbine and a sensor for the position of the blades of the wind turbine, through inductive sensors or any another conventional means that allows to know the relative position of the blades instantaneously.
  • the device is also capable of incorporating another series of sensors to further optimize the performance of the wind turbine, such as atmospheric pressure sensors, air temperature sensors, relative humidity sensors as well as the aforementioned sensors. of vertical wind speed.
  • the circuit of the data acquisition system is capable of performing calculations with the data obtained from the sensors in real time for collection and correction of wind data.
  • the device will incorporate free analog and digital inputs to be able to introduce other signals that come from the wind turbine or other sensors that could increase the accuracy of the calculated measurement such as:
  • this data is compared both in statistical and instantaneous values taking as reference the position of the pitch of the blade and the speed ranges, grouping statistically all the series of values depending on the position and pitch of each blade. Analyzing the effects of the position of each blade as a function of atmospheric conditions, a function is extracted that will be applied inversely to the measurements recorded in the wind sensors, such as horizontal anemometers, vertical anemometers and vanes, depending on the position of the blade and of the measurements recorded to return the real value of the free wind flow.
  • the matrix extracted from the whole stack of values can be calculated by linear regression or interpolation, although other methods that better fit the resulting curve can also be used.
  • the novelty of the device of the invention lies in considering the position of the rotation of the blade, which can be measured with inductive sensors that indicate the steps of the pins of the hub to thereby accurately know the position of each of the Pallas.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the previous and optional data collection phase, recommended, to be taken into account when implementing the device of the invention.
  • Figure 2 shows a schematic view of a gondola of a wind turbine in which a device has been implanted for the instantaneous correction of the wind measurements in wind turbines.
  • the device of the invention comprising a data acquisition circuit (5) with the possibility of real-time calculations for collection and Wind data correction and wind turbine data collection, circuit connected to a horizontal wind flow direction sensor or vane (6) located behind the blades (7) of the rotor (8) of the nacelle (9) of the wind turbine.
  • wind turbine (1) also connected to a horizontal wind speed sensor or anemometer (10) and to a vertical wind flow sensor or vertical anemometer (18), located on the nacelle without filters and at a sampling frequency equal to or greater than 5 hertz.
  • Said data acquisition circuit (5) is connected to a sensorization system (11), for example based on inductive sensors to know the exact position of the bolts (12) of the wind turbine slow shaft and thus know the exact position of the wind turbine. the blades (7), although it could be any other type of sensor that gave us the same information.
  • the device can include a series of sensors that can be added to the device to improve the reliability thereof and recommended to achieve the highest accuracy, such as a gondola positioning sensor (13) to know the orientation difference with respect to the vane (6) on the nacelle (9), an atmospheric pressure sensor (14), a temperature sensor (15), a relative humidity sensor (16) and a precipitation sensor (17), to know these values at gondola level (9).
  • the device would have free analog and digital inputs to be able to introduce other signals coming from the wind turbine or other sensors not included in the lists for the device and that could increase the accuracy of the calculated measurement, such as pitch position, power measurement generated, total and consumption, gondola azimuth, wind turbine availability signal according to the standard "IEC 61400 12-1 edition 2", air density (possibility of calculating this value if temperature and air pressure are known), etc.
  • this data is compared both in statistical and instantaneous values taking as reference the position of the pitch of the blade and the speed ranges, grouping statistically all the series of values depending on the position and pitch of each blade.
  • a function can be calculated by linear regression or interpolation, although other methods that provide a better fit can also be used.
  • each blade step can be considered as if it were the same and group all the data collected from the steps of shovel in one.
  • the 360 degrees of a complete rotation are grouped in 120 degrees that simulate the passage of a single blade that is repeated. The 360 degrees would be 180 in the case that the wind turbine had two blades and in 360 if the wind turbine had only one blade.
  • a data acquisition device that can perform instantaneous calculations, so that the position data of the blades and the values of wind and atmospheric conditions and the wind turbine are collected and the matrices of the effects measured during the period of data analysis in reverse. In this way, the effect of the passage of the blades and the effect that the entire wind turbine has on the free wind is corrected, returning the data of the corrected free wind flow.
  • This correction procedure can be cloned for wind turbines of similar characteristics, thus avoiding the need to repeat the data collection and analysis process, and being able to calculate the speed and free direction just by loading the correction matrix in a data acquisition device. with capacity to perform instantaneous calculations that have access to anemometers and vane and inductive sensors (or others) that indicate the instantaneous position of the blades or any other measure.

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Abstract

El dispositivo está constituido a partir de un circuito de adquisición de datos (5), circuito conectado a un sensor de velocidad horizontal de viento o anemómetro (10) situado tras las palas (7) del rotor (8) de la góndola (9) del aerogenerador (1),así como a un sistema de sensorización (11) de la posición exacta de las palas (7) del aerogenerador (1). Por medio de este dispositivo de adquisición de datos se puede realizar cálculos instantáneos, de manera que se recogen los datos de posición de las palas y los valores de viento y condiciones atmosféricas y del aerogenerador y se aplican las matrices de los efectos medidos durante el periodo de análisis de datos de manera inversa. De esta manera se corrige el efecto del paso de las palas y el efecto que el aerogenerador al completo tiene sobre el viento libre, devolviendo el dato de medida de flujo de viento libre corregidos.

Description

DISPOSITIVO PARA LA CORRECCIÓN INSTANTÁNEA DE LAS MEDIDAS DEL FLUJO DE VIENTO EN AEROGENERADORES
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invención se refiere a un dispositivo que ha sido especialmente concebido para ser instalado en aerogeneradores, en orden a optimizar su funcionamiento y conocer su eficiencia en tiempo real.
El objeto de la invención es proporcionar un dispositivo que permita corregir en tiempo real la medida del flujo de viento a la altura del buje de un aerogenerador de una o más palas en los que la medida de los sensores de viento (anemómetros y veletas) estén perturbados tras el paso del aire por las palas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Aunque los aerogeneradores disponen de sensores de viento tales como anemómetros y veletas a la hora de ajustar la posición de la góndola para optimizar su rendimiento y/o activar sistemas de frenado de seguridad, la realidad es que estos sensores se sitúan tras las palas del aerogenerador, de manera que el aire que atraviesa las mismas se ve perturbado por la configuración de éstas dándose el caso en muchas ocasiones que la dirección y/o velocidad del viento "libre" no se corresponde fielmente con la medida por estos instrumentos.
Esto provoca que el aerogenerador no trabaje de forma óptima, viéndose mermado su rendimiento, con la consecuente pérdida económica que ello supone.
Por el mismo motivo resulta imposible conocer con estos instrumentos de medida en góndola la eficiencia real de los aerogeneradores. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El dispositivo para la corrección instantánea de las medidas del flujo de viento en aerogeneradores que se preconiza resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, de manera que por medio del dispositivo de adquisición de datos se pueden realizar cálculos instantáneos en función de los datos de posición de las palas y los valores de viento y condiciones atmosféricas del aerogenerador a los que se aplican matrices de los efectos medidos durante un periodo de análisis de datos de manera inversa. De esta manera se corrige el efecto del paso de las palas y el efecto que el aerogenerador al completo tiene sobre el viento libre, devolviendo el dato de flujo de viento libre corregido.
Para ello, y de forma más concreta, el dispositivo de la invención se constituye a partir de un circuito de adquisición de datos al que se conectan un anemómetro o sensor de velocidad horizontal del viento situado detrás de las palas del aerogenerador, que puede ir acompañado de un segundo anemómetro destinado a medir la componente vertical del viento, una veleta o sensor de dirección del viento horizontal, situada igualmente detrás de las palas del aerogenerador y un sensor de la posición de las palas del aerogenerador, a través de sensores inductivos o cualquier otro medio convencional que permita conocer la posición relativa de las palas de manera instantánea.
Para que la corrección sea lo más aproximada posible a la velocidad o dirección libre del viento es aconsejable, aunque no imprescindible, que se haga una medida previa con un aerogenerador de las mismas características con un mástil de referencia portando instrumentación meteorológica.
En esta primera medida, con la que se recogerán valores comparativos entre los sensores de mástil y los del dispositivo colocado en el aerogenerador se aconseja recoger las siguientes señales del mástil:
• Velocidad horizontal de viento a altura de rotor Velocidad horizontal de viento a altura de punta de pala
Dirección horizontal de viento a altura de rotor
Temperatura y humedad relativa a <10m de altura de rotor
Presión atmosférica a <10m de altura de rotor
Velocidad vertical del viento a <10m altura de rotor
Además de los sensores ya descritos, el dispositivo es susceptible de incorporar adicionalmente otra serie de sensores para optimizar aún más el rendimiento del aerogenerador, tales como sensores de presión atmosférica, sensores de temperatura del aire, sensores de humedad relativa así como los ya referidos sensores de velocidad del viento vertical.
El circuito de sistema de adquisición de datos es capaz de realizar cálculos con los datos obtenidos de los sensores en tiempo real para recogida y corrección de los datos de viento.
De igual manera, el dispositivo incorporará entradas analógicas y digitales libres para poder introducir otras señales que vinieran del aerogenerador u otros sensores que pudieran aumentar la exactitud de la medida calculada tales como:
• Posición de pitch
• Medida de potencia generada, total y consumos
• Azimut de góndola
• Señal de disponibilidad del aerogenerador según norma "IEC 61400 12-1 edición 2"
• Densidad del aire (posibilidad de calcular este valor si temperatura y presión del aire son conocidas)
Una vez que el dispositivo ha recogido las señales de los sensores que incluye y otras de sensores externos, estos datos se comparan tanto en valores estadísticos como en instantáneos tomando como referencia la posición del paso de la pala y los rangos de velocidad, agrupando estadísticamente toda la serie de valores en función de la posición y el paso de cada pala. Analizando los efectos de la posición de cada pala en función de las condiciones atmosféricas se extrae una función que será la que luego se aplique inversamente a las medidas registradas en los sensores de viento, como anemómetros horizontales, anemómetros verticales y veletas, dependiendo de la posición de la pala y de las medidas registradas para devolver el valor real del flujo del viento libre.
La matriz extraída de toda la pila de valores puede ser calculada por regresión lineal o interpolación aunque también se pueden utilizar otros métodos que ajusten mejor a la curva resultante.
Consecuentemente, la novedad del dispositivo de la invención radica en considerar la posición del giro de la pala, que puede ser medida con sensores inductivos que indiquen los pasos de los pernos del buje para de esta manera saber con exactitud la posición de cada una de las palas.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de planos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra una representación esquemática de la fase previa y opcional de recogida de datos, recomendada, para ser tenida en cuenta a la hora de implantar el dispositivo de la invención. La figura 2.- Muestra una vista esquemática de una góndola de un aerogenerador en la que se ha implantado un dispositivo para la corrección instantánea de las medidas de viento en aerogeneradores. REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
A la vista de las figuras reseñadas, y en especial de la figura 1, puede observarse cómo resulta recomendable, aunque no imprescindible, llevar a cabo un proceso de recogida de datos previos, con un aerogenerador (1) de las mismas características que las del aerogenerador en el que se va a implantar el dispositivo, de manera que se instale un mástil de referencia (2) portando instrumentación meteorológica como la recogida en la norma "IEC 61400 12-1 edición 2" para la validez de la medida y los sectores de viento, así como los factores de calibración aplicados a la medida recogida por los sensores del mástil, en el que participa al menos un anemómetro de referencia (3) y una veleta de referencia (4).
En caso de que se haya realizado una calibración de emplazamiento previa, nos remitiremos como simple referencia a los requerimientos de la norma anteriormente mencionada y los anexos A, B y C de la misma.
Por su parte, en el aerogenerador (1), y tal y como muestra la figura 2, se implantará el dispositivo de la invención, que comprende un circuito de adquisición de datos (5) con posibilidad de realizar cálculos en tiempo real para recogida y corrección de los datos de viento y recogida de los datos del aerogenerador, circuito conectado a un sensor de dirección de flujo horizontal de viento o veleta (6) situada tras las palas (7) del rotor (8) de la góndola (9) del aerogenerador (1), igualmente conectado a un sensor de velocidad horizontal de viento o anemómetro (10) y a un sensor de flujo de viento vertical o anemómetro vertical (18), situados sobre la góndola sin filtros y a una frecuencia de muestreo igual o mayor a 5 hercios.
Dicho circuito de adquisición de datos (5) se conecta a un sistema de sensorización (11), por ejemplo a base de sensores inductivos para conocer la posición exacta de los pernos (12) del eje lento del aerogenerador y conocer así la posición exacta de las palas (7), si bien podría ser cualquier otro tipo de sensor que nos diera la misma información. Opcionalmente, el dispositivo puede incluir una serie de sensores que se pueden añadir al dispositivo para mejorar la fiabilidad del mismo y recomendados para conseguir la mayor exactitud, tales como un sensor de posicionamiento de góndola (13) para conocer la diferencia de orientación respecto a la veleta (6) sobre la góndola (9), un sensor de presión atmosférica (14), un sensor de Temperatura (15), un sensor de humedad relativa (16) y un sensor de precipitación (17), para conocer estos valores a nivel de la góndola (9).
El dispositivo tendría entradas analógicas y digitales libres para poder introducir otras señales que vinieran del aerogenerador u otros sensores no incluidos en los listados para el dispositivo y que pudieran aumentar la exactitud de la medida calculada, tales como posición de pitch, medida de potencia generada, total y consumos, azimut de góndola, señal de disponibilidad del aerogenerador según norma "IEC 61400 12-1 edición 2", densidad del aire (posibilidad de calcular este valor si temperatura y presión del aire son conocidas), etc.
Una vez que el dispositivo ha recogido las señales de los sensores que incluye y otras de sensores externos, estos datos se comparan tanto en valores estadísticos como en instantáneos tomando como referencia la posición del paso de la pala y los rangos de velocidad, agrupando estadísticamente toda la serie de valores en función de la posición y el paso de cada pala.
Analizando los efectos de la posición de cada pala (7) en función de las condiciones atmosféricas se extrae una función, que podría ser de tipo matricial, que será la que luego se aplique inversamente a las medidas recogidas por los sensores de flujo del viento, anemómetros (10-18) y veleta (6), dependiendo de la posición de la pala (7) y de las medidas registradas, para devolver el valor real de flujo del viento.
En base a la matriz resultante de los valores de las medidas recogidas puede ser calculada una función por regresión lineal o interpolación, aunque también se pueden utilizar otros métodos que proporcionen un mejor ajuste.
Siguiendo el procedimiento descrito, existe la posibilidad de corregir cualquiera de las medidas de anemómetros (10-18) y veleta (6), corrigiendo así la medida del flujo de viento en las tres dimensiones x,y,z en base al paso de la pala (7).
Con el fin de simplificar el proceso de cálculo, se puede considerar que el efecto de cualquiera de las palas (7) de un mismo aerogenerador es idéntico, por lo que se puede considerar cada paso de pala como si fuera el mismo y agrupar todos los datos recogidos de los pasos de pala en uno solo. Por ejemplo, para un aerogenerador de tres palas, los 360 grados de una rotación completa se agrupan en 120 grados que simulan el paso de una única pala que se repite. Los 360 grados quedarían en 180 en el caso de que el aerogenerador tuviera dos palas y en 360 si el aerogenerador tuviera una sola pala.
A partir de esta estructuración, se obtiene un dispositivo de adquisición de datos que pueda realizar cálculos instantáneos, de manera que se recogen los datos de posición de las palas y los valores de viento y condiciones atmosféricas y del aerogenerador y se aplican las matrices de los efectos medidos durante el periodo de análisis de datos de manera inversa. De esta manera se corrige el efecto del paso de las palas y el efecto que el aerogenerador al completo tiene sobre el viento libre, devolviendo el dato del flujo de viento libre corregido.
Este procedimiento de corrección se puede clonar para aerogeneradores de características similares, evitando así la necesidad de repetir el proceso de recogida y análisis de datos, y pudiendo calcular la velocidad y dirección libre tan solo cargando la matriz de corrección en un dispositivo de adquisición de datos con capacidad para realizar cálculos instantáneos que tenga acceso a anemómetros y veleta y a los sensores inductivos (u otros) que indiquen la posición instantánea de las palas o cualquier otra medida.

Claims

R E I V I N D I C A C I O N E S
Ia.- Dispositivo para la corrección instantánea de las medidas del flujo de viento en góndola en aerogeneradores, caracterizado por que está constituido a partir de un circuito de adquisición de datos (5), circuito conectado a un sensor de velocidad horizontal de viento o anemómetro (10) situado tras las palas (7) del rotor (8) de la góndola (9) del aerogenerador (1), igualmente conectado a un sistema de sensorización (11) de la posición exacta de las palas (7) del aerogenerador (1), habiéndose previsto que dicho circuito de adquisición de datos (5) incluya medios para la comparación de las señales obtenidas tanto en valores estadísticos como en instantáneos tomando como referencia la posición del paso de la pala (7) y los rangos de velocidad, agrupando estadísticamente toda la serie de valores en función de la posición y el paso de cada pala, así como de generación de una función aplicable de forma inversa a la señal del anemómetro (10) de góndola, dependiendo de la posición de la pala (7) y de las medidas registradas para devolver el valor de la velocidad real del viento.
2a.- Dispositivo para la corrección instantánea de las medidas del flujo de viento en góndola en aerogeneradores, según reivindicación Ia, caracterizado por que el circuito de adquisición de datos (5) está asociado a un sensor de dirección de flujo horizontal de viento o veleta (6).
3a.- Dispositivo para la corrección instantánea de las medidas del flujo de viento en góndola en aerogeneradores, según reivindicación Ia, caracterizado por que el circuito de adquisición de datos (5) está asociado a un sensor de flujo de viento vertical o anemómetro vertical (18) a nivel de la góndola.
4a.- Dispositivo para la corrección instantánea de las medidas del flujo de viento en góndola en aerogeneradores, según reivindicación Ia, caracterizado por que el circuito de adquisición de datos (5) está asociado a un sensor de temperatura (15) a nivel de la góndola.
5a.- Dispositivo para la corrección instantánea de las medidas del flujo de viento en góndola en aerogeneradores, según reivindicación Ia, caracterizado por que el circuito de adquisición de datos (5) está asociado a un sensor de humedad relativa (16) a nivel de la góndola. 6a.- Dispositivo para la corrección instantánea de las medidas del flujo de viento en góndola en aerogeneradores, según reivindicación Ia, caracterizado por que el circuito de adquisición de datos (5) está asociado a un sensor de precipitación (17) a nivel de la góndola. 7a.- Dispositivo para la corrección instantánea de las medidas del flujo de viento en góndola en aerogeneradores, según reivindicación Ia, caracterizado por que el dispositivo incluye entradas analógicas y digitales libres para poder introducir otras señales externas al aerogenerador, tales como las señales provenientes de un mástil (2) de referencia con instrumentación meteorológica.
8a.- Dispositivo para la corrección instantánea de las medidas del flujo de viento en góndola en aerogeneradores, según reivindicación Ia, caracterizado por que el sistema de sensorización (11), es susceptible de estar obtenido a base de sensores inductivos para conocer la posición exacta de los pernos (12) del eje lento del aerogenerador y consecuentemente la posición exacta de las palas (7).
9a.- Dispositivo para la corrección instantánea de las medidas del flujo de viento en góndola en aerogeneradores, según reivindicación Ia, caracterizado por que el circuito de adquisición de datos (5) está asociado a un sensor de posicionamiento de góndola (13).
10a.- Dispositivo para la corrección instantánea de las medidas del flujo de viento en góndola en aerogeneradores, según reivindicación Ia, caracterizado por que el circuito de adquisición de datos (5) está asociado a un sensor de presión atmosférica (14) a nivel de la góndola.
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