ES2284882T3 - Control de la carga de una instalacion de energia eolica. - Google Patents

Abstract

Instalación de energía eólica con un dispositivo para el control de la carga de componentes de la instalación de energía eólica o de toda la instalación de energía eólica, en la que el dispositivo está dispuesto en la zona del pie de la torre de la instalación de energía eólica y presenta medios con los que se pueden medir las cargas de la torre en la zona del pie de la torre, caracterizada porque la instalación de energía eólica presenta un dispositivo de control que procesa los datos que se han de medir para la detección de la carga de la torre y controla la instalación de energía eólica de forma que se produce una reducción del número de revoluciones del rotor de la instalación de energía eólica y/o una disminución de la carga de la instalación de energía eólica mediante la regulación de las palas de rotor, cuando los datos medidos sobrepasan una vez, varias veces y/o durante un determinado espacio de tiempo un valor máximo determinado.

Description

Control de la carga de una instalación de energía eólica.

La presente invención se refiere a una instalación de energía eólica con un dispositivo para el control con al menos un sensor para la detección de valores de medición y, además, a un procedimiento para el control de una instalación de energía eólica en el que a) se detecta un valor de medición con al menos un sensor, b) este valor de medición se transforma en una señal que representa el valor de medición y c) la señal se almacena y/o se procesa según un procedimiento especificado.

Este tipo de dispositivos y procedimientos se conocen en el estado de la técnica. En la revista editada por la SunMedia Verlags- und Kongressgesellschaft für Erneuerbare Energien mbH Hannover, "Erneuerbare Energien", número 7/2000, página 38, en un artículo titulado "Knackt der Rotor den Turm", se cita un control de vibraciones por medio de la medición de la aceleración.

En el número 5/2000 de dicha revista se describe en la página 37, segundo párrafo, que los dispositivos de control de vibraciones que hoy en día ofrecen varios fabricantes son medidores de aceleración. Además, en dicho texto se describe un procedimiento en el que, por medio de un sistema electrónico, se amplifican de forma selectiva frecuencias peligrosas.

Este estado de la técnica permite la detección de vibraciones de la cabecera de la torre en determinados intervalos de frecuencia. Estas vibraciones componen una parte de las cargas de la torre. La torre está diseñada para un total específico de cargas durante su vida útil prevista de, por ejemplo, 20 años.

Cada carga contribuye a la fatiga del material. Por ello es fácilmente reproducible que en los emplazamientos con un elevado número de cargas la fatiga avanza con más rapidez que en emplazamientos con pocas cargas y reducidas.

Así resulta que, con una edad cronológica supuestamente igual de las torres, existe una edad "mecánica" distinta. Puede suceder que la torre con menor carga, al alcanzar su edad límite cronológica de 20 años, haya soportado sólo una carga mecánica que en el diseño se preveía ya al cabo de los 15 años, de modo que puede seguir funcionando sin problema. Naturalmente también puede ocurrir el caso contrario, en el que la torre a los 15 años ya ha alcanzado una edad mecánica de 20 años.

Las instalaciones de energía eólica con un dispositivo para el control de las cargas se conoce, por ejemplo, de ``DEWI Magazín, nº 15, agosto 1999,
"DEWI/MADE Load Measurements in Spain'', H. Seifert & F. N. González Vives XP002208517". Este artículo expone una instalación de energía eólica en la que los sensores de carga están dispuestos en las palas de rotor, en el árbol y en la torre. Además se conoce, por ejemplo, por el documento US-4297076, una instalación de energía eólica con palas de rotor regulables, en la que unos sensores de carga están dispuestos en las palas de rotor y miden las cargas que actúan sobre las palas de rotor. En función de estas cargas se regula el paso de las palas de rotor a fin de compensar los momentos de flexión de las palas de rotor.

Los dispositivos actuales aún no permiten determinar de manera suficiente la edad mecánica de una torre, de modo que únicamente se pueden realizar estimaciones vagas de la vida útil de una torre y, por tanto, de uno de los componentes más importantes de una instalación de energía eólica.

El objetivo de la presente invención es indicar un dispositivo y un procedimiento que permita una detección fiable de la carga de la instalación de energía eólica, así como una estimación fiable de componentes importantes de la instalación de energía eólica.

Este objetivo se consigue según la invención con una instalación de energía eólica con la característica según la reivindicación 1. En las reivindicaciones subordinadas se describen variaciones ventajosas.

La invención se basa en el conocimiento de que todas las cargas que se producen en una instalación de energía eólica actúan sobre la torre de la instalación. Cuando la torre ha soportado la mitad del conjunto de cargas, los componentes restantes como palas, soporte de máquina, cabecera de la torre, torre, etc., apenas podrán haber soportado una proporción considerablemente mayor del conjunto de cargas.

Al fin y al cabo, la carga en el pie de la torre no puede corresponder a una situación con una velocidad del viento de, por ejemplo, 4 m/s, mientras que la carga en otros componentes corresponde, por ejemplo, a una velocidad del viento de 8 m/s. Así, una detección de la carga de la torre permite deducir las cargas a las que está expuesta toda la instalación de energía eólica en su emplazamiento.

Puesto que la instalación de energía eólica se puede ver de forma simplificada como una varilla sujeta por un lado, el total de todas las cargas que actúan sobre la instalación de energía eólica se puede detectar en la zona del pie de la torre. La disposición de al menos un sensor en la zona del pie de la torre permite, por tanto, una detección fiable de la carga de la instalación de energía eólica. Al mismo tiempo, se puede acceder al sensor sin otros dispositivos auxiliares ni grandes esfuerzos.

En una forma de realización preferente de la invención, la detección de la carga se realiza mediante un sensor basado en un calibre extensométrico. Este tipo de sensor permite detectar la carga de forma fiable con una precisión suficiente empleando una técnica conocida y de acreditada eficacia.

Los valores de medición detectados por el calibre extensométrico se transforman de forma especialmente preferente en señales analógicas o digitales que representan los valores de medición. Estas señales se pueden transmitir y procesar de forma sencilla.

Tal procesamiento puede ser la comparación con un valor límite para, por ejemplo, poder detectar cargas máximas o el alcance o la superación de límites de carga definibles. Asimismo, los valores de medición se pueden acumular y almacenar para un procesamiento o evaluación posterior.

Naturalmente, el resultado de la acumulación también se puede comparar a su vez con un valor límite definible. De esta manera, la carga de la instalación se puede analizar en relación con las cargas de diseño y realizar así una estimación de la edad mecánica de la instalación.

El procedimiento citado al principio presenta además una variante en la que, a partir de la señal del sensor, se calcula la carga momentánea de la instalación de energía eólica. Puesto que en las exhaustivas mediciones que se realizan en el prototipo de una instalación de energía eólica también se calcula la correlación de las situaciones de carga en diferentes componentes de la instalación de energía eólica, se dispone de datos que permiten deducir, a partir de la carga del pie de la torre, la carga de los componentes restantes. Por medio de la acumulación de todas las cargas determinadas se puede calcular la carga total de la instalación de energía eólica y, por tanto, su edad mecánica.

Por medio de una correlación de la carga momentánea con el viento momentáneo se puede comprobar si la carga momentánea determinada de la instalación de energía eólica corresponde aproximadamente a una magnitud prevista. De esta manera se puede supervisar el perfecto funcionamiento del dispositivo según la invención.

Los datos de carga medidos también se procesan en un dispositivo de control de la instalación de energía eólica de manera que, cuando se produce una sobrecarga, el dispositivo de control toma unas medidas que dan lugar a una reducción de la carga. Esta reducción de la carga se puede realizar, por ejemplo, mediante la regulación de las palas del rotor (fuera del viento), o también mediante una reducción del número de revoluciones del rotor de la instalación de energía eólica. La reducción de la carga también se podría obtener girando todo el rotor de la instalación de energía eólica en un determinado ángulo fuera del viento.

El procedimiento según la invención da lugar a la indicación del total de cargas soportadas hasta el momento por la instalación de energía eólica en relación con las cargas de diseño. Esta relación también se puede almacenar y/o procesar en la instalación como valores de medición individuales y/o como la carga acumulada. Estos datos, asimismo, se pueden transmitir, por ejemplo, a un punto remoto, como una estación de control remota, o ser leídos desde ésta.

A continuación se describe una forma de realización ejemplar de la invención. Se muestran:

la fig. 1 es una representación simplificada de una instalación de energía eólica;

la fig. 2 es una disposición de los sensores; y

la fig. 3 es un diagrama de flujo del procedimiento según la invención.

La figura 1 muestra una torre 10 de una instalación de energía eólica que está unida a una cimentación 12. En la cabecera de la torre 10 hay dispuesta una góndola 14 que presenta un rotor con palas 16 de rotor. La flecha indica en esta figura la dirección del viento.

El viento, por un lado, pone en rotación el rotor y, con éste, la parte de la instalación de energía eólica acoplada a éste de forma mecánica, para generar energía eléctrica. Sin embargo, simultáneamente, la presión del viento solicita por un lado la torre 10 y, por otro, hace que la góndola 14 con el rotor se adapte a la dirección del viento. De esta manera se produce en la torre 10 sujeta por un lado un momento de flexión en la cimentación 12 a través del brazo de fuerza de la longitud de la torre.

Debido al efecto de fuerza en la cabecera de la torre se produce una trayectoria de fuerza a lo largo de toda la longitud de la torre, de modo que las cargas alternantes o vibraciones dan lugar a la fatiga de material correspondiente.

En la figura 2 se muestra una disposición de dos sensores 20 en la zona del pie de la torre. Estos sensores 20 pueden trabajar, por ejemplo, sobre la base de calibres extensométricos y detectar la solicitación en el pie de la torre. Esta solicitación permite deducir de forma bastante precisa la solicitación total de la instalación de energía eólica. En lugar de la disposición de sólo dos sensores, en determinadas circunstancias también podría ser oportuno disponer un gran número de sensores distribuidos por el contorno del pie de la torre, para que así las múltiples direcciones del viento dispongan de sensores de manera que éstos puedan determinar las cargas de tracción/presión máximas que se producen en el pie de la torre en cada momento.

Además, las señales/datos determinados con los sensores pueden procesarse en un dispositivo de control de la instalación de energía eólica (no representado), de forma que, en caso de que se produzca una superación única, múltiple o temporal de unos valores máximos especificados, se reduzca toda la carga de la instalación de energía eólica, por ejemplo, reduciendo el control el número de revoluciones del rotor de la instalación de energía eólica y/o girando las diversas palas de rotor en un ángulo predeterminado fuera del viento, de forma que la carga que actúa a través del rotor o de la detección del viento de éste se reduzca.

Este segundo dispositivo 40 puede detectar las señales eléctricas y evaluarlas o procesarlas. Los valores de medición se pueden comparar, por ejemplo, con un primer valor límite, que marca un límite de carga especificado. Si el valor de medición alcanza o sobrepasa este primer valor límite, se puede emitir una señal que indique esta condición precisamente.

Si este alcance o superación del valor límite, es decir, en el presente ejemplo de un límite de carga, se produce de forma repetida, será posible deducir una desviación sistemática de supuestos de carga previamente calculados. Entonces se podrá delimitar la causa de la desviación como, por ejemplo, un control erróneo de la instalación de energía eólica o una situación extrema dependiente del emplazamiento, de forma que dicha situación se pueda solucionar.

Un registro acumulativo continuado y la comparación continua con las cargas de diseño permiten supervisar el envejecimiento mecánico de la torre de manera constante.

El almacenamiento de los datos de carga también tiene la ventaja de que, en caso de que se produzcan desperfectos en la torre de la instalación de energía eólica, se puede determinar más fácilmente si se han producido determinadas etapas de sobrecarga y si se cumplieron las cargas máximas que se producen.

Finalmente también constituye una ventaja que los datos de carga de una instalación de energía eólica se detecten de forma centralizada y, para el caso de que los datos de carga medidos superen con frecuencia o de manera constante un valor máximo determinado, la empresa explotadora pueda acometer medidas a tiempo que impidan el envejecimiento mecánico prematuro de la torre. Esta medida también puede consistir, por ejemplo, en que se refuercen determinados elementos de la instalación de energía eólica, por ejemplo, también la torre.

Para la detección de cargas, en lugar de un calibre extensométrico, también se puede emplear cualquier otro dispositivo que permita detectar fuerzas de tracción y/o fuerzas de presión y/o fuerzas de torsión y/o vibraciones o las amplitudes de éstas en la torre, en particular, en la aguja de la torre de una instalación de energía eólica.

La figura 3 muestra un diagrama de flujo de un procedimiento según la invención. El proceso comienza con la etapa 50 y en la etapa 51 se detecta el valor de medición. En la etapa 52, el valor de medición detectado se compara con un primer valor límite. Si el valor de medición sobrepasa este primer valor límite, dicha situación se indicará en la etapa 53. Si el valor de medición no supera el primer valor límite se salta la etapa 53.

En la etapa 54 se acumulan los valores de medición de modo que se calcula la carga total soportada por la instalación de energía eólica hasta el momento. Esta carga total se compara en la etapa 55 con las cargas de diseño. Dicha comparación permite obtener la edad mecánica, es decir, la relación entre el conjunto de cargas ya soportadas por la instalación de energía eólica y el conjunto de cargas de diseño. Esta relación se representa en la etapa 56, antes de que el proceso finalice en la etapa 57.

La representación puede tener lugar, por ejemplo, después de una transmisión de datos a una central de control remoto o a la empresa explotadora de la instalación de energía eólica y ser en forma de gráfico de barras, de queso o cualquier otra forma de representación.

Claims (11)

1. Instalación de energía eólica con un dispositivo para el control de la carga de componentes de la instalación de energía eólica o de toda la instalación de energía eólica, en la que el dispositivo está dispuesto en la zona del pie de la torre de la instalación de energía eólica y presenta medios con los que se pueden medir las cargas de la torre en la zona del pie de la torre, caracterizada porque la instalación de energía eólica presenta un dispositivo de control que procesa los datos que se han de medir para la detección de la carga de la torre y controla la instalación de energía eólica de forma que se produce una reducción del número de revoluciones del rotor de la instalación de energía eólica y/o una disminución de la carga de la instalación de energía eólica mediante la regulación de las palas de rotor, cuando los datos medidos sobrepasan una vez, varias veces y/o durante un determinado espacio de tiempo un valor máximo determinado.

2. Instalación de energía eólica según la reivindicación 1, caracterizada porque el dispositivo para la detección de la carga de la torre en la zona del pie de la torre es un sensor basado en un calibre extensométrico.

3. Instalación de energía eólica según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada por un primer dispositivo (30) para transformar los valores de medición detectados (por el sensor (20)) en señales eléctricas analógicas o digitales, que representan valores de medición.

4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizada por un segundo dispositivo (40) para detectar las señales eléctricas y comparar el valor de medición representado por la señal con al menos un primer valor límite definible y para indicar cuándo se alcanza o se sobrepasa el valor límite; y/o para almacenar y/o acumular los valores de medición representados por la señal eléctrica.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por un dispositivo para la transmisión de señales que representan valores de medición diversos y/o los valores de medición acumulados y/o una relación entre los valores de medición acumulados y un segundo valor límite definible.

6. Procedimiento para el control de una instalación de energía eólica en el que, por medio de un registrador de datos de valores de medición, se detectan datos de la carga sobre la instalación de energía eólica, se almacenan los datos de los valores de medición y se calcula la carga momentánea de toda la instalación de energía eólica a partir de los datos de los valores de medición, caracterizado porque la instalación de energía eólica, por medio de un dispositivo de control, procesa los datos que se han de medir para detectar la carga de la torre y controla la instalación de energía eólica de manera que se produce una reducción del número de revoluciones del rotor de la instalación de energía eólica y/o una disminución de la carga de la instalación de energía eólica por medio de la regulación de las palas de rotor, cuando los datos medidos sobrepasan una vez, varias veces y/o durante un determinado espacio de tiempo un valor máximo determinado.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque las cargas momentáneas calculadas se acumulan.

8. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque la carga momentánea calculada se correlaciona con el viento momentáneo medido.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque el valor de medición se compara con un primer valor límite definible y se indica el alcance o superación del valor límite.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizado porque los valores de medición acumulados se comparan con un segundo valor límite definible.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque se representa la relación entre los valores de medición acumulados y el segundo valor límite.