ES2553980T3 - Un sensor óptico de viento de turbina eólica - Google Patents

Abstract

Sensor óptico de viento de turbina eólica (10), que comprende: una pluralidad de fuentes de luz (12) separadas angularmente montadas en el rotor de una turbina eólica, de tal manera que, en uso, las fuentes de luz (12) giran alrededor del eje de rotación del rotor; en el que cada fuente de luz (12) está colocada para emitir un haz sensor que tiene al menos una primera componente de haz direccional ortogonal al eje de rotación del rotor, y en el que cada haz sensor está constituido por al menos dos componentes de haces sensores paralelos, y en el que los haces sensores se proyectan frente a las palas del rotor, con un ángulo de entre 10 y 80 grados con respecto al plano del rotor; una pluralidad de dispositivos receptores de luz (14) montados en el rotor, de tal manera que, en uso, las fuentes de luz giran alrededor del eje de rotación del rotor, y en el que la pluralidad de dispositivos receptores de luz (14) están colocados de tal manera que cada haz sensor está asociado con al menos un primer dispositivo receptor de luz respectivo (14) adaptado para detectar destellos de luz procedentes de material particulado en el viento que pasa a través de los al menos dos componentes de haces sensores; un controlador (184), acoplado a la pluralidad de dispositivos receptores de luz (14), para procesar los destellos de luz detectados y determinar tiempos de tránsito para material particulado que pasa a través de los al menos dos componentes de haces sensores respectivos, y basándose en los tiempos de tránsito detectados y una comparación de los mismos, proporcionar una indicación de la velocidad y dirección de movimiento del material particulado en el viento, a lo largo de la dirección axial y en una dirección en el plano de rotación del rotor.

Description

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DESCRIPCION

Un sensor optico de viento de turbina eolica

La presente invencion se refiere a una instalacion electrica de energfa eolica, y en particular a un sensor optico de viento de turbina eolica.

La figura 1 ilustra una instalacion electrica de energfa eolica tal como una turbina eolica 1. La turbina eolica 1 comprende una torre de turbina eolica 2 en la que esta montada una gondola de turbina eolica 3. Un rotor de turbina eolica 4 que comprende al menos una pala de turbina eolica 5 esta montado en un buje 6. El buje 6 esta conectado a la gondola 3 a traves de un arbol de baja velocidad (no mostrado) que se extiende desde la parte frontal de la gondola. La turbina eolica ilustrada en la figura 1 puede ser un modelo pequeno previsto para uso domestico o de distribucion electrica de pequena escala, o puede ser un modelo grande, tal como los que son adecuados para su uso en la generacion de electricidad a gran escala en un parque eolico por ejemplo. En este ultimo caso, el diametro del rotor puede ser de hasta 100 metros o mas.

Con el fin de extraer energfa del viento de manera segura y eficiente, muchas turbinas eolicas incluyen anemometros o sensores de viento que proporcionan informacion sobre la velocidad y direccion del viento incidente. Tal informacion es util para monitorizar la cantidad de viento disponible en el sitio para fines de generacion de energfa, asf como para el control. Conocer la direccion del viento permite ajustar la guinada de la gondola de turbina eolica de modo que las palas del rotor se enfrentan completamente al viento incidente durante momentos de produccion de energfa. Ademas, conocer la velocidad del viento permite ajustar el paso de las palas del rotor de modo que la cantidad de energfa extrafda del viento incidente puede controlarse cuidadosamente para cumplir con las demandas y satisfacer otros parametros operacionales. Con frecuencia es necesario, por ejemplo, inclinar el plano de las palas del rotor de turbina eolica fuera del viento, o ajustar el paso de las palas del rotor para reducir la presion del viento, para evitar problemas estructurales o sobrecargas electricas asociadas con velocidades de viento que son demasiado altas.

Por tanto, la informacion precisa referente a la velocidad y direccion del viento es una entrada crucial en los sistemas de control y monitorizacion de turbinas eolicas, tales como el sistema SCADA.

El entorno operacional en el que se despliegan sensores de viento de turbina eolica puede ser intenso y con frecuencia puede ser la causa principal de muchas dificultades operacionales del sensor. Los anemometros mecanicos, por ejemplo, son propensos a fallos mediante la acumulacion de suciedad y hielo sobre sus partes moviles. Mientras que los sensores de viento electricos o basados en laser, tales como los basados en un aparato de tipo LIDAR (deteccion de luz y alcance) pueden resistir mas la suciedad y el hielo, son mas sensibles a danos por impactos de rayos que con frecuencia causan problemas a las turbinas eolicas debido a su altura y ubicacion. Los sistemas basados en LIDAR tambien son relativamente caros de instalar.

El uso de conductores rayos proporciona una manera de extraer la energfa de un rayo alejandola del equipo sensible. Sin embargo, los conductores de rayos no siempre protegeran de manera adecuada el equipo sensor, que debido a que incluye componentes metalicos tales como cableado y circuitos, es igual de sensible a danos por un rayo y a corrientes inducidas.

Adicionalmente, muchas turbinas eolicas funcionan con la suposicion de que el viento que impacta contra las palas del rotor de turbina eolica se aproxima al rotor de frente, y en una direccion normal con respecto al plano de rotacion de las palas del rotor (el plano del rotor). Sin embargo, en la practica, el viento puede tener con frecuencia una componente significativa en la direccion vertical debido a rafagas de viento. Estas pueden surgir espontaneamente debido a cambios en las condiciones atmosfericas y la direccion del viento, y algunas veces pueden ser exageradas debido a la forma del terreno en el que esta situada la turbina eolica. Muchas turbinas eolicas tienen anemometros ubicados en la gondola que dirigen la velocidad y direccion del viento incidente, o sistemas basados en LIDAR en el buje del rotor que monitorizan las rafagas de viento que se aproximan a la turbina. Sin embargo, tales sistemas no estan disenados para detectar rafagas de viento que se aproximan a la turbina con una fuerte componente vertical. Tales rafagas de viento pueden danar gravemente las palas del rotor de turbina eolica si no se detectan por adelantado, y si no se regula el paso de las palas en consecuencia para evitar el choque del viento.

El documento WO 2010/086631 A2 describe un sistema y metodo de control para una turbina eolica.

El documento WO 2006/063463 A1 describe un velodmetro de tiempo de transito optico.

Por tanto, se ha apreciado que existe una necesidad de una instalacion electrica de energfa eolica que tenga un sensor que pueda proporcionar con precision informacion sobre el viento incidente con fines de control y monitorizacion, y que pueda funcionar de manera fiable a pesar de los desaffos mencionados anteriormente.

Sumario de la invencion

La invencion se define en las reivindicaciones independientes a las que ahora debe hacerse referencia. En las reivindicaciones dependientes se exponen caractensticas ventajosas.

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Segun un primer aspecto de la invencion se proporciona un sensor optico de viento de turbina eolica, que comprende: una pluralidad de fuentes de luz montadas en el rotor de una turbina eolica, de tal manera que, en uso, las fuentes de luz giran alrededor del eje de rotacion del rotor; en el que cada fuente de luz esta colocada para emitir un haz sensor que tiene al menos una primera componente de haz direccional ortogonal al eje de rotacion del rotor, y en el que cada haz sensor esta constituido por al menos dos componentes de haces sensores paralelos y en el que los haces sensores se proyectan frente a palas del rotor, con un angulo de entre 10 y 80 grados con respecto al plano del rotor; una pluralidad de dispositivos receptores de luz montados en el rotor, de tal manera que, en uso, las fuentes de luz giran alrededor del eje de rotacion del rotor, y en el que la pluralidad de dispositivos receptores de luz estan colocados de tal manera que cada haz sensor esta asociado con al menos un primer dispositivo receptor de luz respectivo para detectar destellos de luz procedentes de material particulado en el viento que pasa a traves de los al menos dos componentes de haces sensores; un controlador, acoplado a la pluralidad de dispositivos receptores de luz para procesar los destellos de luz detectados y determinar tiempos de transito para material particulado que pasa a traves de los al menos dos componentes de haces sensores respectivos, y basandose en los tiempos de transito detectados proporcionar una indicacion de la velocidad y direccion de movimiento del material particulado en el viento.

Dado que el sensor esta ubicado en el rotor de turbina eolica, puede usarse para detectar variaciones instantaneas en la velocidad y direccion del viento en la pala del rotor, y permitir que el controlador actue inmediatamente para garantizar el funcionamiento seguro de las palas.

En una realizacion, los al menos dos haces sensores tienen segundas componentes de haz direccionales que son paralelas al eje de rotacion del rotor; y en el que el controlador esta configurado para: determinar, a partir de destellos respectivos de los componentes de haces sensores, un tiempo de transito para material particulado que pasa a traves de cada uno de los al menos dos haces sensores; comparar los tiempos de transito respectivos para cada haz sensor; y determinar una indicacion de la componente de velocidad vertical para la direccion del viento.

De esta manera, el controlador puede detectar rafagas de viento en la direccion vertical que pueden danar las palas.

Ventajosamente, el controlador esta configurado para determine si la indicacion de la componente de velocidad vertical del viento esta por encima de un nivel umbral, y emitir una senal de alarma.

El controlador tambien puede estar configurado para determinar si la indicacion de la componente de velocidad vertical del viento esta por encima de un nivel umbral, y si lo esta, regular el paso de las palas de turbina eolica para reducir la presion del viento.

En una realizacion, el sensor comprende un sensor de orientacion para determinar la orientacion del buje, o de una o mas de las palas, y en el que el controlador registra para cada tiempo de transito detectado la orientacion de los haces sensores en los que se detectaron los destellos. Esto le permite al sensor funcionar con mas fiabilidad.

En una realizacion, las fuentes de luz estan montadas en las palas del rotor, de tal manera que el haz sensor se proyecta tanto en la direccion longitudinal de la pala como frente a la pala; y en la que los detectores de luz estan ubicados en las palas del rotor, adyacentes a fuentes de luz respectivas y colocados para detectar destellos de luz procedentes de material particulado en el viento que pasa a traves de los al menos dos componentes de haces sensores.

De esta manera, los sensores estan ubicados donde los datos que proporcionan son los mas indicativos de la situacion operacional en la pala del rotor.

Los haces sensores se proyectan frente a las palas del rotor, con un angulo de entre 10 y 80 grados con respecto al eje horizontal. Mas preferiblemente, los haces sensores se proyectan frente a las palas del rotor, con un angulo de entre 30 y 60 grados con respecto al eje horizontal. Esto garantiza una buena relacion senal-ruido en los destellos de luz detectados.

Una pluralidad de fuentes de luz y detectores de luz pueden estar ubicados en cada pala del rotor. Montando los sensores en las palas, el sensor puede usarse para detectar componentes verticales de la velocidad del viento a lo largo de todo el radio de la pala del rotor.

En una realizacion adicional, las fuentes de luz y los dispositivos receptores de luz estan montados en el buje del rotor. Esto tiene la ventaja de una facilidad de instalacion y mantenimiento, y significa que el funcionamiento del sensor es independiente de movimientos de regulacion de paso de las palas.

Una o mas de las fuentes de luz y los detectores de luz pueden montarse en una barra que sobresale del buje del rotor. Esto permite que el sistema sensor quede alojado de manera apropiada, independientemente de las dimensiones del buje. La barra puede sobresalir frente al buje del rotor, y montarse para su rotacion coaxial con el eje de rotacion del buje del rotor.

En esta disposicion, los al menos dos haces sensores estan dispuestos en una secuencia, por ejemplo separados 180 grados alrededor del eje de rotacion, ya que esto maximiza el efecto de deteccion.

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En una realizacion, se recopilan datos que indican la componente de velocidad vertical para la direccion del viento a lo largo de un periodo de tiempo prolongado por parte del controlador y se transmiten a un operario de parque eolico. Esto permite que operarios del parque eolico o la empresa de servicios determinen si la ubicacion de la turbina eolica tiene propension a rafagas de viento en la direccion vertical.

En una disposicion solo para referencia, las fuentes de luz pueden disponerse en el buje del rotor, de tal manera que se proyectan los haces sensores en paralelo al plano del rotor; y los dispositivos receptores de luz estan ubicados en las palas del rotor. Esto proporciona un anemometro ventajoso, que puede medir la velocidad del viento mas cerca de la velocidad del viento libre.

Ventajosamente, los al menos dos componentes de haces sensores paralelos tienen diferentes longitudes de onda de luz uno en comparacion con el otro, y por tanto las reflexiones son de diferentes longitudes de onda. Esto proporciona una mejor deteccion de tiempos de transito, y detectar que haz se interrumpe en primer lugar da una indicacion de la direccion del viento.

Alternativamente, los al menos dos componentes de haces sensores paralelos tienen la misma longitud de onda, pero estan dispuestos para emitir destellos con diferentes frecuencias.

Cada fuente de luz puede comprender una fibra optica conectada a una fuente de luz optoelectronica, en la que la fuente de luz optoelectronica esta alojada en una parte electricamente protegida de la turbina eolica. Esto garantiza que el sensor es resistente a impactos de rayos.

Ademas, el dispositivo receptor de luz puede estar conectado a un detector fotoelectrico alojado en una parte electricamente protegida de la turbina eolica, y el dispositivo receptor de luz y su acoplamiento con el detector fotoelectrico no son electricamente sensibles. Esto garantiza que el sensor es resistente a impactos de rayos.

La fibra optica de cada fuente de luz puede unirse al mismo emisor de luz optoelectronico, proporcionando un ahorro de construccion.

Tambien se proporcionan un metodo y programa informatico correspondientes para controlar el sensor optico de turbina eolica.

Breve descripcion de los dibujos

Ahora se describiran realizaciones preferidas de la invencion con mas detalle, a modo de ejemplo, y con referencia a los dibujos en los que:

la figura 1 es una vista exterior esquematica de una turbina eolica;

la figura 2 es una vista en alzado lateral esquematica de un sensor optico de turbina eolica segun una primera realizacion de ejemplo de la invencion;

la figura 3 es una vista esquematica detallada del sensor optico de turbina eolica;

la figura 4 es una ilustracion esquematica de un conjunto optoelectronico usada en el sensor de viento de las figuras 2 y 3;

la figura 5 es un diagrama simplificado de un primer ejemplo de la fuente de luz mostrada en la figura 3 en un primer ejemplo;

la figura 6 es un primer diagrama que ilustra un principio de deteccion; la figura 7 es un segundo diagrama que ilustra un principio de deteccion;

la figura 8 es un diagrama simplificado del aparato de fuente de luz mostrado en la figura 4 en un segundo ejemplo;

la figura 9 es un diagrama simplificado que ilustra la direccion de los haces cuando se observan desde enfrente del plano del rotor;

las figuras 10A y 10B ilustran la disposicion de los haces sensores en una realizacion de ejemplo de la invencion;

las figuras 11A, 11B y 11C ilustran esquematicamente los datos recopilados a partir del sensor en una primera y una segunda realizacion;

la figura 12 ilustra una segunda realizacion de ejemplo de la invencion; y la figura 13 ilustra una segunda realizacion de ejemplo de la invencion;

Descripcion detallada de las realizaciones preferidas

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En terminos generales, una realizacion de ejemplo de la invencion comprende una turbina eolica que tiene un sensor optico de viento. El sensor esta alojado dentro de la pala de turbina eolica y esta dispuesto para detectar el flujo de aire directamente frente a la pala. En una realizacion de ejemplo alternativa, el sensor puede alojarse en una barra de montaje ubicada en el buje del rotor, o en el propio buje del rotor. Los datos recibidos del sensor pueden usarse en procedimientos de control para el funcionamiento de la turbina eolica, tal como para determinar el angulo de guinada o paso, asf como para regular temporalmente el paso de las palas del rotor en condiciones de viento adversas, particularmente aquellas en las que se detecta una rafaga de viento vertical. Al contrario que los sistemas que implican sistemas de deteccion de tipo LIDAR, el sistema propuesto es relativamente economico de implementar.

Adicionalmente, el sensor optico de viento usa uno o mas haces sensores que comprenden al menos dos componentes de haces individuales de luz que apuntan a lo largo del mismo eje de sensor. Los al menos dos componentes de haces sensores paralelos pueden tener diferentes longitudes de onda de luz, permitiendo que el sistema sensor detecte cual de los haces de luz se activa en primer lugar cuando material en el viento pasa a traves del haz y refleja luz de vuelta a un dispositivo de recoleccion de luz.

PRIMERA REALIZACION

Ahora debe hacerse referencia a las figuras 2, 3 y 4 que ilustran una primera realizacion de ejemplo de la invencion.

La figura 2 es una vista en alzado lateral de un sensor optico de viento de turbina eolica en el que el aparato de deteccion esta alojado principalmente en la pala. La figura 2 muestra el buje del rotor 6 y una unica pala 5 conectada al buje del rotor 6 en una parte de rafz de pala 5'. En esta ilustracion, la pala 5 se extiende verticalmente en una posicion ascendente, mientras que las otras palas colocadas en el buje 6 se han omitido del dibujo por motivos de claridad.

La pala del rotor 5 comprende un primer sensor optico de viento 10 alojado en el interior de la pala 5, y que comprende una fuente de luz 12 y un dispositivo receptor de luz o detector 14. Estos estan ubicados en el borde de ataque de la pala, o alternativamente en el lado de presion o de succion de la pala cerca del borde de ataque, de modo que la luz procedente de la fuente de luz puede proyectarse frente a la pala al interior del viento entrante. En otras realizaciones, los sensores pueden construirse como aletas y disponerse a lo largo de la superficie de la pala en la direccion de la cuerda, o dirigiendose a barlovento, dispuestos en un recipiente unido o incorporado en la superficie de la pala. Las aletas pueden ser solidarias con la superficie de la pala o estar unidas a la misma. Tal como se apreciara, los sensores tambien pueden proporcionarse en recipientes de cualquier forma adecuada montados en la pala de turbina eolica.

Un segundo sensor optico de viento 10' que tiene una fuente de luz 12' correspondiente y un dispositivo receptor de luz 14' tambien se muestra colocado mas adelantado hacia el interior de la pala 5 desde su union en el buje 6. Pueden alojarse sensores opticos de viento 10”, 10'” (no mostrados) adicionales en la pala 5 y colocarse a lo largo de su eje longitudinal desde la rafz de la pala hasta la punta de la pala, segun se desee. Tambien se instalan sensores 10 en las otras palas del rotor 5 que no se muestran en la figura 2.

Los sensores opticos de viento primero 10 y segundo 10' estan conectados a un conjunto de equipos optoelectronicos 18, que se muestran en este caso alojados en el buje del rotor 6, mediante fibras opticas 16 y 16'. Esto permite que un unico conjunto de equipos 18 recopile los datos de sensores opticos de viento 10 respectivos alojados en las diversas palas del rotor 5. Alternativamente, el conjunto de equipos optoelectronicos 18 puede alojarse en la gondola 3, o en una realizacion distribuida, alojarse en las palas del rotor 5 con un procesador central ubicado en una ubicacion tal como el buje 6 o la gondola 3 para facilidad de acceso.

Cada pala 5 tambien comprende preferiblemente un sensor de orientacion 19 conectado al controlador 18. El sensor de orientacion 19 proporciona una indicacion de la direccion en la que apunta el eje longitudinal de la pala, o la punta de la pala, en otras palabras, el angulo entre un eje de referencia fijo, tal como la horizontal o la vertical, y una lmea trazada desde la rafz hasta la punta de la pala. En algunas realizaciones, conocer la posicion angular de la pala 5 resulta ventajoso, aunque no esencial, para que el controlador 18 use los datos recibidos de los sensores opticos de viento 10 y 10' tal como se describira a continuacion.

Dado que en la tecnica se conocen varios sensores de orientacion diferentes, el funcionamiento del sensor 19 no se describira en detalle en este caso.

Ahora se describira el sensor optico de viento 10 con mas detalle con referencia a las figuras 3 y 4.

Las fibras opticas 16 conectadas al primer sensor 10 comprenden fibras separadas 161 y 162. Un extremo de fibra optica 161 se conecta a una fuente de luz optoelectronica 180 alojada en el conjunto de equipos optoelectronicos 18 (vease la figura 4), mientras que el otro extremo termina cerca de la superficie de la pala con el fin de formar la parte de emision de luz de la fuente de luz 12. La fuente de luz optoelectronica 180 puede incluir uno o mas LED, laseres, fuentes de halogeno o halogenuro metalico conectados a la fibra optica 161.

La fibra optica 161 se mantiene en su sitio en la fuente de luz 12 mediante un soporte 120 conectado al interior del

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cuerpo de la pala. La fuente de luz 12 tambien comprende un elemento optico 122 dispuesto frente al extremo de la fibra optica 161 para recibir luz emitida desde la fibra optica 161. El elemento optico 122 puede comprender uno o mas de una lente o prisma optico, tal como se comentara con mas detalle en relacion con los siguientes ejemplos. Por tanto, la fuente de luz optoelectronica 180 alojada en el buje 6 emite luz al interior de un extremo de la fibra optica 161, que despues emerge en la fuente de luz 12. La luz emitida desde el extremo de la fibra optica 161 se separa en dos haces mediante el elemento optico 122, y emerge a traves de un orificio o abertura 124 en la superficie de la pala. La disposicion de la fibra optica 161 en el soporte 120, el prisma optico y la abertura 124 provocan que la luz emitida se proyecte frente al borde de ataque de la pala con un angulo con respecto a la superficie de la pala. En la practica, se ha encontrado que un angulo de 30 a 60 grados funciona bien, aunque el angulo tambien puede estar en el intervalo de 10 grados a 80 grados. Tal como se apreciara a partir de la siguiente valoracion, los sensores dispuestos a angulos menores daran generalmente como resultado menos variacion de los tiempos de transito de datos que pueden atribuirse al angulo del viento incidente, y los datos necesitaran mas procesamiento para extraer la senal de direccion del viento.

El dispositivo receptor de luz 14 comprende preferiblemente una lente colectora 142 y fibra optica asociada 162. La lente colectora 142 tiene una gran abertura para captar luz, y en el ejemplo descrito en el presente documento, puede tener un tamano en el intervalo de 1 a 5 cm. En otras implementaciones, el tamano de la lente puede ajustarse a escala de manera apropiada.

La fibra optica 162 se fija dentro de la pala 5 mediante un soporte 144, colocando la fibra optica 162 de modo que puede recibir luz captada por la lente 142. Puede proporcionarse una lente de enfoque 146 adicional entre la lente colectora 142 y el extremo de la fibra optica 162 para aumentar la proporcion de la luz captada por la fibra optica 162. La fibra optica 162 se acopla a un detector de luz 182 en el conjunto optoelectronico 18.

Ahora se describira el conjunto optoelectronico 18 con mas detalle con referencia a la figura 4. El conjunto de equipos optoelectronicos 18 comprende uno o mas dispositivos de emision de luz optoelectronicos 180, y uno o mas dispositivos de deteccion de luz 182. El numero de fuentes 180 y detectores 182 respectivos puede ajustarse a medida para adaptarse al numero de sensores opticos 10 montado en las palas 5. Puede usarse un unico emisor y detector para todos los sensores 10, para cada pala respectiva, o para cada sensor individual. Tal como resultara evidente a partir de la siguiente valoracion, en algunas realizaciones la fuente de luz optoelectronica 180 esta configurada para emitir luz a al menos dos longitudes de onda por el interior de la fibra optica 161 para su emision en la superficie de la pala.

Un controlador 184 se conecta al dispositivo de emision de luz 180, al dispositivo de deteccion de luz 182, y al sensor de orientacion de la pala 19, e incluye una memoria y un procesador en el que se almacena software de control para controlar la pluralidad de sensores opticos de viento 10, y analizar los resultados.

Ahora se describira el funcionamiento del primer sensor de viento con mas detalle con referencia a las figuras 5 a 13. En esta realizacion, cada uno de los sensores funciona de la misma manera.

En el ejemplo mostrado en las figuras 2 y 3, cada fuente de luz 12 emite luz a dos longitudes de onda diferenciadas. Esto se ilustra esquematicamente en la figura 5 mediante las dos fibras opticas 161 a y 161 b, que estan sustancialmente alineadas entre sf, y que emiten un haz de luz sustancialmente en la misma direccion. Evidentemente, no es necesario hacer que cada haz de luz se produzca mediante una fibra optica separada, y a continuacion se describira un ejemplo usando solo una unica fibra por fuente de luz 161 (tal como se ilustro anteriormente).

Los dos haces de luz, que tienen longitudes de onda X1 y X2 respectivas, se dirigen sobre el elemento optico 122, en este caso una lente 122a, que enfoca cada haz en una region focal 20, a cierta distancia frente a la lente colectora de luz 142 del detector de luz 14. Una distancia tfpica es de 10 a 30 cm. En este ejemplo, el diametro del punto focal 20 de los haces esta en el intervalo de 5 mm a 20 mm.

Dentro de la region focal 20, cada haz tiene un punto focal 22 y 24 separado. Se hace que los puntos focales 22 y 24 se encuentren a lo largo del eje de sensor 26, con una separacion recomendada entre cada punto focal. La separacion puede estar por ejemplo en el intervalo de 0,1 mm a 10 mm.

A pesar del hecho de que los dos componentes de haces de luz estan enfocados, en una region focal 20, se denominaran haces paralelos para los fines de esta valoracion. Se pretende que esto enfatice el hecho de que los dos haces son componentes individuales de un unico haz sensor compuesto, y por tanto apuntan sustancialmente en la misma direccion y actuan juntos para detectar el transito de material particulado. Se apreciara, por ejemplo, que el efecto de enfocar los haces es unicamente ayudar a la deteccion en el dispositivo receptor de luz 14, y que el aparato de enfoque 122a puede omitirse si esto no es perjudicial para el funcionamiento. En este caso, los componentes de haces no enfocados pueden ser realmente paralelos, aunque entonces la deteccion en el dispositivo receptor de luz no sera facil de llevar a cabo. En realizaciones descritas posteriormente, no es necesario enfocar los haces y los haces pueden ser paralelos en un sentido mas estricto.

El sensor de viento funciona detectando destellos de luz procedentes de cada haz sensor, a medida que partfculas de material transportadas en el viento pasan a traves de la region focal 20 y reflejan la luz procedente de cada haz

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hacia la lente 142. El aire de calidad normal comprende normalmente una cantidad suficiente de tal material como para que pueda detectarse el transito de partfculas, con la condicion de que se elija una longitud de onda adecuada de la luz. De este modo pueden detectarse facilmente partfculas de vapor de agua, polvo o polen.

La figura 6 ilustra el principio con mas detalle. El lado izquierdo de la figura 6 ilustra el destello de luz (indicado mediante una X) en el punto focal 22 y 24 de cada haz, que se produce a medida que una partfcula en el aire se desplaza a lo largo del eje de sensor 26, en este caso en el sentido ascendente. Suponiendo que la separacion entre los dos puntos focales de haz 22 y 24 es de unos pocos mm, entonces el destello en el punto focal 22 se producira ligeramente antes que el destello en el punto focal 24. Suponiendo que la velocidad del viento es de unas pocas decenas de metros por segundo, el tiempo entre destellos puede ser muy pequeno, por ejemplo de partes de segundo. En ultima instancia se necesita medir este tiempo de transito si tiene que entenderse la velocidad de la partfcula, y el viento en el que se transporta.

El tiempo de transito puede medirse con dos haces que tienen la misma longitud de onda. Sin embargo, resulta ventajoso si los haces tienen diferentes longitudes de onda ya que esto facilita la deteccion, y proporciona informacion sobre la direccion del transito de la partfcula. Ahora se comentara esto con mas detalle.

Si la luz de cada haz tiene la misma frecuencia o longitud de onda, entonces, en terminos practicos, la unica informacion disponible a partir de los destellos de luz sera el tiempo de transito. Puede ser posible intentar detectar que haz se activa en primer lugar, y por tanto deducir la direccion en la que esta moviendose la partfcula, pero esto requiere procesamiento y equipos de alta resolucion, conduciendo en ultima instancia a un mayor coste.

Estas dificultades se mitigan en el presente ejemplo de la invencion mediante el uso de haces de diferentes longitudes de onda. Las diferentes longitudes de onda permiten que el equipo de procesamiento determine que haz se activa en primer lugar, no mediante un analisis visual de la posicion espacial en la que se origino el destello, sino basandose en la longitud de onda del destello, y el orden en el que se producen los destellos. Para una partfcula que se mueve de arriba abajo como en el ejemplo de la figura 6, el sensor vera por tanto dos destellos de longitudes de onda X1 y X2 y puede deducir la direccion de desplazamiento a partir del orden X2, X1.

En la figura 7 se muestra una ligera modificacion del ejemplo, en la que tambien se usan haces tercero y cuarto para la deteccion. En este ejemplo, los haces adicionales tienen la misma longitud de onda que los haces primero y segundo, y por tanto pueden generarse mediante uno o mas divisores de haces incorporados en los elementos opticos 122 acoplados a las fibras opticas 161.

La ventaja de usar cuatro haces es que el transito de una partfcula viene entonces indicado por cuatro destellos de diferentes longitudes de onda que se producen a intervalos de tiempo separados por igual. Esto hace que la senal para el transito de una partfcula sea mas fuerte que en el caso de tan solo dos destellos, y por tanto mas facil de distinguir del ruido de fondo. Por ejemplo, si uno de los destellos de luz reflejada en el cuarto no es tan intenso como los demas, la presencia de los destellos o bien antes o bien despues (siempre que se produzcan en el momento correcto), permite detectar el transito de partfculas con cierta certeza a pesar del destello individual que falta o esta debilitado. Con solo dos destellos, la ausencia de una senal fuerte incluso para tan solo uno de los destellos puede introducir una gran cantidad de incertidumbre en la deteccion.

Ademas, el uso de cuatro haces aumenta la distancia que tiene que desplazarse la partfcula, aumentando su tiempo de transito, y por tanto mejorando la precision en la medicion de la velocidad de partfcula. El orden en el que se disponen los haces no es relevante, siempre que la disposicion no sea simetrica y puede por tanto usarse para determinar la direccion. Habiendo dicho esto, se prefiere agrupar los haces entre sf por longitud de onda, tal como X1, X1, X2, X2, tal como se muestra en la figura, ya que esto hace que la parte direccional de la senal resultante sea mas fuerte. Evidentemente, puede usarse cualquier numero de haces en el sensor, segun se desee.

Las longitudes de onda de los haces tambien proporcionan una mejor relacion senal-ruido para las senales del sensor, ya que pueden distinguirse mas facilmente transitos de partfculas separados unos de otros. Esto se debe a que cada acontecimiento de transito estara representado como dos destellos de luz de diferentes longitudes de onda proximos en el tiempo. Por tanto, el par de destellos marca una apertura y un cierre para cada acontecimiento de transito. Sin esta distincion, lo unico que se detectana sena un par de destellos de luz en medio de un fondo de otros destellos. Entonces los pares de destellos que representan un acontecimiento de transito deben distinguirse unos de otros basandose simplemente en el tiempo (es decir, el tiempo entre dos destellos en un par es mas corto que el tiempo entre dos destellos en pares adyacentes).

La figura 8 ilustra un segundo ejemplo de aparato de fuente de luz, que es ventajoso cuando tienen que usarse varios haces de luz con diferentes longitudes de onda en el sensor. La fuente de luz comprende una unica fibra optica 161 conectada a la fuente de luz optoelectronica 180 como antes. Se introduce una pluralidad de diferente haces de luz, cada uno con una longitud de onda diferente, en la fibra optica y se transmiten a lo largo de su longitud como un haz compuesto. Al emerger de la fibra optica 161, el haz compuesto se dirige a un prisma optico 122b, incluido en el elemento optico 122, que divide el haz en un haz separado para cada una de sus longitudes de onda componentes respectivas. El prisma optico 122b dirige los haces individuales sobre la lente optica 122a como antes. Usando esta disposicion, puede usarse facilmente cualquier numero de haces de diferente longitud de onda en el

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sensor.

Ahora se describira el procesamiento de las senales procedentes de los sensores 10 mediante el controlador 184 con mas detalle.

El controlador 184 consulta periodicamente a los sensores opticos de viento 10 en cada pala y el sensor de orientacion 19 y de ese modo asocia cada lectura de tiempo de transito de una partfcula que atraviesa los haces sensores con una pala particular 5, y con un valor que indica la orientacion de la pala en el momento en el que se tomo la lectura. De esta manera, a medida que cada pala 5 gira alrededor del buje del rotor 6 se recopilaran continuamente lecturas de diferentes sensores y se almacenaran para cada angulo de rotacion. Aunque este procedimiento se produce para los sensores en cada una de las tres palas 5 al mismo tiempo, el procedimiento de consulta puede ser en paralelo, transmitiendo los sensores 10 de vuelta al controlador 184 simultaneamente, o en serie, consultando el controlador 184 a cada sensor por turnos.

Por motivos de simplicidad, ahora se considerara un caso en el que el viento se aproxima al rotor de turbina eolica 6 en una direccion de frente (de izquierda a derecha en el plano de la pagina de la figura 2), y ademas que las tres palas de turbina eolica estan estacionarias. Aunque los haces sensores procedentes de las fuentes de luz 12 estan inclinados con respecto al borde de ataque de la pala, se apreciara que cuando se observan las palas 5 desde la direccion de frente (desde enfrente del buje del rotor 6), los haces sensores pareceran ser paralelos a la direccion en la que se extienden las palas desde el buje 6 (y en el ejemplo de la figura 2) apuntando ligeramente hacia fuera desde el buje (aunque pueden igualmente apuntar hacia dentro). Por tanto, en el plano del rotor los haces sensores producidos por los sensores 10, 10', etc., en una pala 5 estan inclinados 120 grados con respecto a los haces sensores de un segundo sensor en una segunda pala del rotor (suponiendo tres palas separadas por igual).

En el plano del rotor, la situacion sera por tanto tal como se ilustra en la figura 9, tres direcciones de haces sensores correspondientes a una separacion angular de 120 grados. Los haces saldran en realidad de la pagina (debido al angulo con el que estan instaladas las fibras opticas en las palas) formando un cono poco profundo frente a la pala del rotor. El proposito principal del cono es ubicar el punto focal 20 para detectar la partfcula ligeramente frente a las palas 5, de modo que la luz dispersada pueda detectarse por el dispositivo receptor de luz 14 instalado en la pala.

Tal como se muestra en la figura 10, el hecho de que los haces sensores esten inclinados con respecto al plano del rotor, permite que el sistema sensor detecte si el viento se aproxima a la pala del rotor de manera perpendicular al angulo del plano del rotor, o con un angulo. La figura 10A muestra el caso en el que el viento se aproxima de manera perpendicular a la pala del rotor, y atraviesa los haces sensores de al menos dos de las palas del rotor 5 (los haces sensores procedentes de las dos palas se muestran en las mitades superior e inferior omitiendose el buje del rotor). En este caso, se supone que el angulo de los haces sensores con respecto a la vertical, o con respecto al plano del rotor, es de 45 grados.

La distancia recorrida por el material particulado en el viento a traves de cada uno de los haces de pala es la misma cuando el viento sopla horizontalmente debido a la simetna de rotacion de la orientacion de la pala. Esto sera cierto independientemente de la orientacion de las palas 5 individuales, y de los haces. Por tanto, el tiempo de acontecimientos de transito de partfculas respectivos, indicado por el tiempo que transcurre entre los destellos de luz de diferente longitud de onda detectados en el sensor 10, sera en gran medida el mismo para cada pala independientemente de la orientacion de la pala.

Sin embargo, en la figura 10B se ilustra una situacion en la que la direccion del viento no es perpendicular al plano del rotor, sino a un angulo. En esta situacion, la distancia recorrida por material particulado en los haces sensores es muy diferente. La trayectoria de transmision a traves del haz sensor superior sera corta (ya que el transito es perpendicular a la direccion del haz), mientras que el tiempo de transito para el haz inferior sera mucho mas largo, si es siquiera detectable como acontecimiento de transito (no sera detectable cuando el material particulado pase a traves de los ejes de punto focal 26a de manera perpendicular y los haces sensores paralelos no se activen debidamente en secuencia).

El tiempo de acontecimientos de transito de partfculas respectivos, indicado mediante el tiempo que transcurre entre los destellos de luz de diferente longitud de onda que se detectan en el sensor 10, sera por tanto en gran medida diferente para cada una de las palas 5, dependiendo de la orientacion de la pala con respecto al buje. Esta diferencia en el tiempo de transito indica que el viento esta aproximandose a la pala de turbina eolica con un angulo que no es perpendicular al plano del rotor, sino con un angulo con respecto al mismo.

Como resultado, se usa una comparacion de tiempos de transito para material particulado que atraviesa los haces sensores de diferentes palas para dar una indicacion de la componente vertical de la velocidad del viento, concretamente la componente que es paralela al plano de rotacion de las palas del rotor u ortogonal al eje de rotacion del rotor. Valores similares de tiempos de transito indican que no hay ninguna componente vertical significativa, mientras que tiempos diferentes indican una componente vertical significativa, y posible peligro para el rotor.

El controlador 184 monitoriza por tanto las senales de tiempo de transmision que se reciben de los sensores instalados en las diferentes palas del rotor 5, y determina una indicacion de la componente de viento vertical a partir

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de la distribucion de tiempos de transito. Las figuras 11A, By C ilustran las diferentes distribuciones para las situaciones descritas anteriormente. En la figura 11A, los tiempos de transito se recopilan a partir de cada sensor 10 y a partir de cada pala 5 y pueden representarse graficamente en un grafico frente a la orientacion de la pala tal como se muestra. Con fines de ilustracion, se supone que una orientacion de cero grados corresponde al caso en el que la pala de turbina eolica 5 esta apuntando directamente hacia arriba.

Una distribucion plana indicada en la figura 11A indica que la direccion del viento es en gran medida perpendicular al plano del rotor, o paralela al eje de rotacion. Por otro lado, la figura 11B ilustra la situacion en la que el viento esta inclinado con respecto al plano del rotor, y sopla en un sentido ascendente (como en la figura 10B), es decir que el viento no impacta en el rotor de turbina eolica de frente, sino que llega desde debajo del buje. En esta situacion, los tiempos de transito indicados por los sensores 10 en la pala 5 cuando esta en la posicion verticalmente ascendente son pequenos (menores que para la figura 11A) ya que la direccion del viento sigue o se aproxima a una lmea perpendicular a la direccion del haz sensor, cortando de ese modo el haz sensor con la trayectoria mas corta. Sin embargo, los tiempos de transito para los sensores en las palas 5 en otras orientaciones son mas largos, ya que el haz sensor se aleja de un angulo perpendicular a la direccion del viento y se acerca a una direccion paralela a la direccion del viento. Cuando la pala esta apuntando verticalmente hacia abajo (con una orientacion de mas o menos 180 grados) el tiempo de transito es esencialmente infinito, o en la practica indetectable.

Si el viento llegara desde el sentido opuesto al mostrado en la figura 10B, es decir desde encima del buje de turbina eolica e inclinado hacia abajo, entonces la distribucion de tiempos de transito tendna el aspecto mostrado en la figura 11C.

Tal como se comento anteriormente, el controlador 184 usa la informacion de tiempo de transito para determinar la direccion del viento con respecto al eje vertical. Las rafagas de viento en esta direccion pueden ser problematicas ya que pueden danar la turbina eolica y la palas de turbina eolica. Al detectar cuando el viento esta soplando apartandose del eje horizontal (figura 10A), que tiene una componente significativa en la direccion vertical, el controlador puede emitir una senal de alarma, y hacer que la turbina eolica tome medidas para protegerse a sf misma, tales como ajustar el paso de la pala para reducir la presion del viento, u otra manera de reducir la salida de produccion y por tanto, por ejemplo, las cargas sobre la turbina.

Los cambios en la direccion del viento pueden producirse muy rapidamente, a lo largo de un periodo de tiempo que oscila entre menos de un segundo y unos pocos segundos. La velocidad de rotacion de la palas de turbina eolica es mucho mas lenta que estas variaciones, aproximadamente de 5 a 20 veces por minuto. Aunque una pala tardana al menos tres segundos en realizar una revolucion completa, tres palas solo tardan 1 segundo (a altas velocidades de rotacion) en barrer completamente los 360 grados del rotor. Por este motivo, en la practica resulta ventajoso si el controlador 184 basa su analisis en los tiempos de transito que se recopilan de manera continua a partir de las palas 5.

Ademas de esta tecnica de deteccion, el controlador 184 puede recopilar y analizar los datos de tiempo de transito, recopilados a lo largo de un periodo de tiempo mas largo para obtener datos promedio de direccion del viento. Esto no detectara rafagas de viento que podnan provocar que se dane la turbina eolica, pero indicaran para cualquier turbina eolica dada si hay una tendencia a que el viento impacte en el rotor desde direcciones que se encuentran alejadas del eje horizontal, y por tanto indicara si es probable que la turbina eolica se someta a una tension significativa que pueda reducir su vida util. Tal informacion del controlador 184 puede transmitirse entonces al operario del parque eolico o la empresa de servicios para su analisis y registro.

El funcionamiento del controlador 184 para detectar direcciones de viento alejadas del eje horizontal eje puede implementarse con tan solo un unico sensor 10 por pala de turbina eolica 5, tal como se comenta a continuacion en las realizaciones alternativas, o con una pluralidad de sensores 10 por pala. Sin embargo, tener una pluralidad de sensores dispuestos a lo largo del eje longitudinal de la pala permite que el controlador 184 detecte la componente de viento vertical a diferentes radios medidos desde el buje a lo largo de todo el barrido del rotor. Esto permite que la indicacion de alarma del controlador, cuando se detectan fuertes direcciones de viento orientadas verticalmente, sea mas sensible. Por ejemplo, es menos probable que componentes verticales fuertes del viento detectadas cerca de la rafz de la pala y el buje 6 sean problematicas que componentes verticales fuertes del viento cerca de la punta de la pala, en la que la pala tiene una forma aerodinamica y es mas flexible, y puede golpear la torre si se deforma demasiado.

Ademas, aunque en el ejemplo anterior los acontecimientos de tiempo de transito de material particulado que interrumpen los haces se registran mediante el controlador con la orientacion respectiva de los haces sensores (o bien en la pala o bien posteriormente en el buje tal como se describira con referencia a la segunda realizacion), la deteccion de orientacion no es necesaria y en realizaciones alternativas puede omitirse. Incluso sin la informacion del sensor de orientacion, resultara evidente que los graficos ilustrados en la figura 11 pueden generarse como una serie a lo largo del tiempo de datos recibidos de cada sensor, y generalmente mostraran una periodicidad a medida que giran los haces sensores. Por tanto, el controlador todavfa puede usar esta informacion en su comparacion de los datos de haz sensor y detectar un error de guinada que esta presente. Sin embargo, normalmente se prefiere el uso del sensor de orientacion 19 ya que permite el funcionamiento relativamente instantaneo del sensor sin que sea necesario acumular datos a lo largo de un periodo de tiempo prolongado.

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Ahora se describiran ejemplo realizaciones adicionales de la invencion con referencia a las figuras 12 y 13. SEGUNDA REALIZACION

La figura 12 ilustra un ejemplo de la invencion en el que los emisores de luz 12 y detectores de luz 14 estan montados en una barra 7 conectada al buje 6. La barra esta montada en la parte frontal del buje de modo que, a medida que el buje 6 gira, la barra 7 gira coaxialmente y alrededor de su eje longitudinal, y el eje de rotacion del rotor 4. La pluralidad de emisores de luz 12 estan ubicados en la barra y emiten pares respectivos de componentes de haces sensores alejandolos de la barra y con un angulo con respecto a su eje longitudinal formando un cono. El cono puede extenderse hacia, o alejandose de, las palas del rotor 5. Los emisores de luz 12 estan ubicados alrededor de la circunferencia de la barra y por tanto emiten los haces sensores con diferentes angulos en el plano del rotor. Tal como se mostro anteriormente para la figura 9, puede haber tres emisores de luz ubicados alrededor de la circunferencia de la barra, en cuyo caso los haces sensores estan dispuestos a 120 grados unos de otros. En este ejemplo, dado que la ubicacion de los emisores de luz 12 y los dispositivos receptores de luz 14 no esta limitada por el numero de palas del rotor 5, sin embargo, puede proporcionarse cualquier numero de haces sensores, tal como cuatro haces sensores con un angulo de 90 grados entre ellos.

Una pluralidad de dispositivos receptores de luz 14 tambien estan ubicados en la barra 7 para detectar luz dispersada procedente de material particulado que pasa a traves de los haces sensores, mientras que un sensor de orientacion 19 ubicado en la barra tambien indica para cada emisor de luz 12 y dispositivo receptor de luz 14, la orientacion del par emisor-receptor. Se apreciara que cualquiera de los emisores de luz 12, receptor de luz 14 y sensor de orientacion 19 tambien puede proporcionarse en el buje del rotor 6, en vez de en la barra 7.

Con el fin de garantizar el funcionamiento en todas las condiciones, puede proporcionarse un elemento de calentamiento (no mostrado) en el buje del rotor 6 o en la barra 7 para fundir cualquier hielo que se haya acumulado. Ademas, tambien puede proporcionarse una funda o cubierta hueca, de extremo abierto, que recubre los emisores de luz 12 y detectores 14 con el fin de impedir la acumulacion de suciedad u otro material. Preferiblemente el elemento de calentamiento no es electricamente conductor y esta fabricado de un material duradero.

La barra 7 puede construirse a partir de un material tal como plastico con refuerzos de fibra de fibra de vidrio o carbono. Tambien pueden usarse otros materiales no conductores, resistentes a la intemperie. De manera similar, la cubierta puede construirse a partir de los mismos materiales, o a partir de materiales deformables mas ligeros tales como un polfmero, por ejemplo caucho, caucho natural, polipropileno, polietileno, nailon, elastomeros, kevlar, o similares.

En esta realizacion, el funcionamiento del sistema sensor optico es identico al descrito anteriormente para la primera realizacion, excepto porque la ubicacion ffsica de las fuentes de luz 12 y los dispositivos receptores de luz 14 esta en el buje del rotor 6 en vez de en las palas. En una realizacion alternativa, los sensores 10 pueden incorporarse en una aleta colocada en el buje, y disponerse para dirigirse hacia dentro a lo largo de la superficie de la pala.

El sistema sensor de esta realizacion no es sensible a movimientos de las palas, ni a cambios en el paso de la pala. Sin embargo, al contrario que la primera realizacion, no puede dar una indicacion de la componente vertical a lo largo del radio completo del rotor 4. Esta realizacion puede usarse junto con la primera realizacion o por separado.

Una disposicion solo para referencia

La figura 13 ilustra una disposicion solo para referencia, en la que los emisores de luz 12 estan ubicados en el buje del rotor 6, y los dispositivos receptores de luz 14 estan ubicados en la palas de turbina eolica 5. Las fuentes de luz 12 estan dispuestas de modo que emiten los dos haces sensores en una direccion paralela al plano del rotor y frente a la pala del rotor 5. Los emisores de luz 12 en esta implementacion de ejemplo son mas potentes, y pueden comprender un dispositivo laser, que en los ejemplos descritos anteriormente ya que los haces que emiten deben desplazarse a lo largo de la longitud de la pala del rotor 5 a lo largo de la cual estan situados los detectores de luz 14. Por este motivo, los componentes de haces individuales no se enfocan sino que se disponen para ser paralelos entre sf a lo largo de la longitud de la pala. Evidentemente, los haces pueden enfocarse si solo hay un unico dispositivo receptor de luz 14 ubicado en las palas 5, y los haces tienen que actuar conjuntamente con los dispositivos 14.

Dado que en esta disposicion los haces no estan inclinados con respecto a la pala y no es posible determinar si el viento esta aproximandose al rotor de turbina eolica desde abajo o desde arriba de la manera descrita anteriormente para la figura 11. Sin embargo, la disposicion sf proporciona una disposicion de anemometro ventajosa, en la que el tiempo de transito de material particulado que pasa por los haces se usa para proporcionar una indicacion de la velocidad del viento en el rotor (suponiendo que la direccion del viento es en gran medida horizontal con respecto al plano del rotor). Dado que la velocidad del viento se detecta frente a las palas del rotor, esto da una lectura que es mas proxima a la velocidad del viento en corriente libre que cuando el anemometro esta ubicado encima de la gondola de turbina eolica. Por tanto, para que el anemometro funcione correctamente es necesario garantizar que el rotor de turbina eolica esta dirigido hacia al viento.

En la tecnica se conocen bien metodos y aparatos para lograr esto, y por tanto no se describiran aqrn.

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Con el fin de compensar los cambios en el paso de las palas del rotor 5 durante el funcionamiento, el emisor de luz y el detector pueden necesitar tener una caractenstica ancha/plana, de tipo ovalado, que tiene un alcance focal con el fin de que el detector pueda detectar la luz incluso cuando se regula el paso de la pala, al menos algunos grados.

Esta disposicion puede usarse junto con cualquiera o ambas de las realizaciones primera y segunda, o por separado.

En las realizaciones primera y segunda y la disposicion, se entendera que los haces sensores tienen una componente de haz ortogonal al eje de rotacion del rotor, y paralela al plano del rotor.

En los ejemplos de la invencion descritos anteriormente, la longitud de onda optica o frecuencia de la luz se usa para distinguir un haz sensor individual de otro y posteriormente proporcionar informacion referente a la direccion de transito del viento. En una realizacion alternativa adicional, la longitud de onda de los haces individuales puede ser constante, pero puede hacerse que los haces parpadeen y posteriormente se distingan unos de otros por su frecuencia de parpadeo.

Con el fin de garantizar que las partfculas en el viento pueden detectarse, es decir que no pasan a traves del haz mientras el haz esta apagado, la frecuencia de parpadeo debe fijarse lo suficientemente alta. Dado que la velocidad del viento de interes puede ser del orden de decenas de metros por segundo, y la anchura del haz es del orden de milfmetros, el tiempo que pueden pasar las partfculas en el viento en el haz puede ser inferior a 50 microsegundos. Por tanto, se necesitara que la frecuencia de parpadeo de la luz sea del orden de 1 MHz o mayor para garantizar que puede obtenerse una imagen de la transmision de partfculas. En la practica, frecuencias superiores a 100 MHz pueden ser utiles.

En el detector, que en este caso puede ser un unico diodo PIN, por ejemplo, la luz recibida de los haces individuales respectivos se anadira dependiendo de cual de los haces esta cortando la partfcula y cuando. Sin embargo, la senal del sensor de cada haz individual tendra su propia firma dependiendo de su frecuencia de parpadeo individual, permitiendo aislar la senal procedente de un haz particular de las demas usando filtrado. Tal filtrado puede lograrse usando filtros de paso de banda tradicionales o electronica optica digital mas complicada. Cuando se eligen las frecuencias de los haces individuales debe tenerse cuidado de evitar armonicos que pueden alterar la deteccion, tal como cuando un haz tiene una frecuencia que es un multiplo de otra. A modo de ejemplo, frecuencias adecuadas en el intervalo por encima de 100 MHz pueden ser de 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 210, 230, 250, 270, 290 MHZ, etcetera. Esto permite que todos los haces funcionen de manera continua, pero todavfa permite detectar haces individuales.

El sensor optico de viento descrito anteriormente puede usarse en sistemas que controlan el funcionamiento de la turbina eolica, tales como sistemas de control del paso y la guinada, asf como para proporcionar datos usados en el calculo de la curva de potencia para la turbina.

Ademas, el sensor de viento puede usarse para detectar una componente vertical de la direccion del viento. Por componente quiere decirse que la direccion del viento esta vectorizada y que tiene tres componentes, siendo una paralela al eje de rotacion del rotor y siendo dos perpendiculares a dicha componente, una componente de este tipo puede ser una componente esencialmente vertical, y la velocidad del viento supera un umbral predeterminado, el funcionamiento de la turbina se degrada o se detiene. Una situacion de este tipo puede corresponder por ejemplo a cuando esta presente un error de guinada grave, pero en vez de estar un lado del rotor (de izquierda a derecha o de derecha a izquierda, cuando se observa en una vista frontal de la turbina) mas hacia el viento que el otro, sera un lado inferior o un lado superior del rotor el que este mas hacia el viento. Normalmente, la componente vertical, tal como en sitios de montana, puede estar alejada hacia arriba del terreno y puede aumentar la carga en el lado inferior del rotor en comparacion con el lado superior. Por tanto, puede estar presente una situacion de carga desviada no deseada, mediante lo cual, dependiendo de las cuestiones reales espedficas del sitio y la turbina, puede fijarse un umbral para degradar (reducir la salida de potencia, pero mantener la turbina operativa) o puede preferirse detener la turbina.

La lente y los elementos opticos descritos en las realizaciones de ejemplo anteriores pueden ser dispositivos opticos convencionales, u optica holografica o multidireccional si se prefiere.

Con fines de ilustracion, la invencion se ha descrito con referencia a varios ejemplos. La invencion no debe limitarse a los mismos, y resultaran evidentes variaciones para el experto dentro de la definicion proporcionada por las reivindicaciones. Por ejemplo, aunque solo se han descrito tres palas de turbina eolica, otros numeros de palas son posibles. Las realizaciones de la invencion tambien pueden adaptarse a turbinas eolicas de eje vertical cuando sea apropiado.

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REIVINDICACIONES

Sensor optico de viento de turbina eolica (10), que comprende:

una pluralidad de fuentes de luz (12) separadas angularmente montadas en el rotor de una turbina eolica, de tal manera que, en uso, las fuentes de luz (12) giran alrededor del eje de rotacion del rotor;

en el que cada fuente de luz (12) esta colocada para emitir un haz sensor que tiene al menos una primera componente de haz direccional ortogonal al eje de rotacion del rotor, y en el que cada haz sensor esta constituido por al menos dos componentes de haces sensores paralelos, y en el que los haces sensores se proyectan frente a las palas del rotor, con un angulo de entre 10 y 80 grados con respecto al plano del rotor;

una pluralidad de dispositivos receptores de luz (14) montados en el rotor, de tal manera que, en uso, las fuentes de luz giran alrededor del eje de rotacion del rotor, y en el que la pluralidad de dispositivos receptores de luz (14) estan colocados de tal manera que cada haz sensor esta asociado con al menos un primer dispositivo receptor de luz respectivo (14) adaptado para detectar destellos de luz procedentes de material particulado en el viento que pasa a traves de los al menos dos componentes de haces sensores;

un controlador (184), acoplado a la pluralidad de dispositivos receptores de luz (14), para procesar los destellos de luz detectados y determinar tiempos de transito para material particulado que pasa a traves de los al menos dos componentes de haces sensores respectivos, y basandose en los tiempos de transito detectados y una comparacion de los mismos, proporcionar una indicacion de la velocidad y direccion de movimiento del material particulado en el viento, a lo largo de la direccion axial y en una direccion en el plano de rotacion del rotor.

Sensor (10) segun la reivindicacion 1, en el que al menos dos de los haces sensores tienen segundas componentes de haz direccionales que son paralelas al eje de rotacion del rotor; y en el que el controlador (184) esta configurado para:

determinar, a partir de destellos respectivos de los componentes de haces sensores, un tiempo de transito para material particulado que pasa a traves de cada uno de los al menos dos haces sensores;

comparar los tiempos de transito respectivos para cada haz sensor; y

determinar una indicacion de la componente de velocidad vertical para la direccion del viento.

Sensor (10) segun la reivindicacion 2, en el que el controlador (184) esta configurado para:

determinar si la indicacion de la componente de velocidad vertical del viento esta por encima de un nivel umbral, y si es asf, emitir una senal de alarma.

Sensor segun la reivindicacion 2 o 3, en el que el controlador (184) esta configurado para:

determinar si la indicacion de la componente de velocidad vertical del viento esta por encima de un nivel umbral, y si es asf, regular el paso de las palas de turbina eolica para reducir la presion del viento.

Sensor (10) segun cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el que el controlador (184) esta configurado para hacer funcionar un sensor de orientacion (19) para determinar la orientacion del buje, o de una o mas de las palas, y en el que el controlador (184) registra para cada tiempo de transito detectado la orientacion de los haces sensores en la que se detectaron los destellos.

Sensor (10) segun cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en el que las fuentes de luz (12) estan montadas en las palas del rotor, de tal manera que el haz sensor se proyecta tanto en la direccion longitudinal de la pala como frente a la pala; y

en el que los detectores de luz (14) estan ubicados en las palas del rotor, adyacentes a fuentes de luz (12) respectivas y colocados para detectar destellos de luz procedentes de material particulado en el viento que pasa a traves de los al menos dos componentes de haces sensores.

Sensor segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que los haces sensores se proyectan frente a las palas del rotor, con un angulo de entre 30 y 60 grados con respecto al plano del rotor.

Sensor segun cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, en el que una pluralidad de fuentes de luz (12) y detectores de luz (14) estan ubicados en cada pala del rotor.

Sensor (10) segun cualquier reivindicacion anterior, en el que las fuentes de luz (12) estan montadas en el buje del rotor o cerca o en el extremo de punta de la pala de una o mas palas.

Sensor (10) segun la reivindicacion 9, en el que una o mas de las fuentes de luz (12) y los detectores de luz (14) estan montados en una barra (7) que sobresale del buje del rotor (6).

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11. Sensor (10) segun la reivindicacion 10, en el que la barra (7) sobresale frente al buje del rotor (6), y esta montada para la rotacion coaxial con el eje de rotacion del buje del rotor (6).

12. Sensor (10) segun cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en el que los al menos dos haces sensores estan dispuestos en una secuencia alrededor del eje de rotacion.

13. Sensor (10) segun cualquier reivindicacion anterior, en el que se recopilan datos que indican la componente de velocidad vertical para la direccion del viento a lo largo de un periodo de tiempo por parte del controlador y se transmiten a un operario de parque eolico.

14. Sensor (10) segun cualquier reivindicacion anterior, en el que los al menos dos componentes de haces sensores paralelos tienen diferentes longitudes de onda de luz uno en comparacion con el otro.

15. Sensor (10) segun la reivindicacion 14, en el que las diferentes longitudes de onda son invisibles al ojo humano.

16. Sensor (10) segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que los al menos dos componentes de haces sensores paralelos tienen la misma longitud de onda, pero estan dispuestos para emitir destellos con diferentes frecuencias.

17. Sensor (10) segun cualquier reivindicacion anterior, en el que cada fuente de luz (12) comprende una fibra optica (161) conectada a una fuente de luz optoelectronica (180), en el que la fuente de luz optoelectronica (180) esta alojada en una parte electricamente protegida de la turbina eolica.

18. Sensor (10) segun cualquier reivindicacion anterior, en el que el sensor de dispositivo receptor de luz (14) esta conectado (162) a un detector fotoelectrico (182) alojado en una parte electricamente protegida de la turbina eolica, y el dispositivo receptor de luz (14) y su acoplamiento (162) con el detector fotoelectrico (182) no son electricamente sensibles.

19. Sensor segun la reivindicacion 17, en el que la fibra optica (161) de cada fuente de luz (12) esta unida al mismo emisor de luz optoelectronico (180).

20. Turbina eolica que comprende un sensor segun cualquier reivindicacion anterior.

21. Metodo para hacer funcionar un sensor optico de viento de turbina eolica (10) para determinar la velocidad y direccion del viento que llega a un rotor de turbina eolica, en el que el sensor optico de viento comprende una pluralidad de fuentes de luz (12) y dispositivos receptores de luz (14) montados en el rotor de turbina eolica, de tal manera que, en uso, las fuentes de luz (12) y los dispositivos receptores de luz (14) giran alrededor del eje de rotacion del rotor; comprendiendo el metodo:

emitir, desde cada fuente de luz (12), un haz sensor que tiene al menos una primera componente de haz direccional ortogonal al eje de rotacion del rotor, en el que cada haz sensor esta constituido por al menos dos componentes de haces sensores paralelos, y en el que los haces sensores se proyectan frente a las palas del rotor, con un angulo de entre 10 y 80 grados con respecto al plano del rotor;

recibir, por medio de los dispositivos receptores de luz (14), destellos de luz procedentes de material particulado en el viento que pasa a traves de los al menos dos componentes de haces sensores respectivos;

procesar los destellos de luz detectados para determinar un tiempo de transito para material particulado que pasa a traves de los al menos dos componentes de haces sensores respectivos; y

basandose en los tiempos de transito detectados, determinar la velocidad y direccion de movimiento del material particulado en el viento, a lo largo de la direccion axial y en una direccion en el plano de rotacion del rotor.

22. Metodo para hacer funcionar un sensor optico de viento de turbina eolica (10) para determinar la velocidad y direccion del viento que llega a un rotor de turbina eolica segun la reivindicacion 21, en el que, cuando se detecta una componente de direccion del viento vertical y la velocidad del viento supera un umbral predeterminado, se degrada o se detiene el funcionamiento de la turbina.

23. Medio legible por ordenador no transitorio que tiene codigo informatico almacenado en el mismo, que, cuando se ejecuta en un procesador, hace que el procesador realice las etapas de las reivindicaciones de metodo 21 o 22.