ES2844129T3 - Procedimiento para determinar un desequilibrio aerodinámico en un rotor de una turbina eólica - Google Patents

Procedimiento para determinar un desequilibrio aerodinámico en un rotor de una turbina eólica Download PDF

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Abstract

Procedimiento para determinar un desequilibrio aerodinámico en un rotor de una turbina eólica (1), que presenta una pluralidad de palas del rotor (5-7), con las siguientes etapas: a) para cada pala del rotor (5-7), determinación de un indicador del ángulo de paso (Ind1-Bi) con la ayuda de una disposición de sensor (8) montada en la pala del rotor (5-7), que respectivamente detecta una variación de ubicación de su posición con respecto a la gravedad de la Tierra, y un valor umbral del ángulo de paso b) para cada pala del rotor (5-7), formación de un indicador de carga de la pala (Ind2-Bi) c) comparación de los indicadores de carga de la pala (Ind2-Bi) de las palas del rotor (5-7), en donde el indicador de carga de la pala se forma a partir de una relación entre una variación del indicador del ángulo de paso (Ind1-Bi) y una variación de parámetros de funcionamiento de la turbina eólica (1), en donde se emite un aviso de falla o se reajusta o regula nuevamente un ángulo de paso de la pala del rotor con la falla más grande, cuando una diferencia entre los indicadores de carga de la pala de las palas del rotor (5-7) es mayor que un valor umbral predeterminable.

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para determinar un desequilibrio aerodinámico en un rotor de una turbina eólica
La presente invención se refiere a un procedimiento para determinar un desequilibrio aerodinámico en un rotor de una turbina eólica.
La solicitud DE 102014 204017 A1 describe un procedimiento y un dispositivo para la regulación de una pala del rotor, para una turbina eólica. En este caso, un desequilibrio aerodinámico se determina en un rotor de una turbina eólica que presenta una pluralidad de palas del rotor. Para cada pala del rotor se determina un indicador del ángulo de paso con la ayuda de una disposición de sensor montada en la pala del rotor, que respectivamente detecta una variación de ubicación de su posición con respecto a la gravedad de la Tierra. Para cada pala del rotor se forma un indicador de carga de la pala y se comparan los indicadores de carga de la pala, de las palas del rotor.
Un rotor de una turbina eólica en general tiene una pluralidad de palas del rotor, que con las mismas distancias angulares, están dispuestas distribuidas alrededor del eje del rotor. El rotor debe estar equilibrado de forma mecánica para evitar vibraciones no deseadas que conduzcan a ruidos molestos y ante todo a un desgaste excesivo.
Junto con un desequilibrio mecánico, sin embargo, existe también el problema de un así llamado desequilibrio aerodinámico. Un desequilibrio aerodinámico se produce cuando no todas las palas del rotor contribuyen en la misma medida al par de accionamiento que finalmente hace rotar el rotor. Por ejemplo, si una pala del rotor produce una potencia de accionamiento más elevada, las fuerzas que actúan para generar los pares de rotación en el rotor ya no están distribuidas de modo uniforme en todas las palas del rotor. Por lo tanto, resulta entonces un componente de fuerza que circula con el rotor, lo cual en principio tiene los mismos efectos perturbadores que un desequilibrio mecánico.
Una causa para un desequilibrio aerodinámico se produce entonces cuando las palas del rotor no presentan todas el mismo ángulo de paso. El ángulo de paso es el ángulo de la pala del rotor alrededor de su eje longitudinal, por tanto un eje que se sitúa esencialmente de forma vertical sobre el eje de rotación del rotor. En las turbinas eólicas modernas, el ángulo de paso de las palas del rotor puede modificarse mediante un controlador.
Hasta el momento, las posiciones incorrectas del ángulo de paso se determinan con técnicas de medición ópticas relativamente complejas. Debido a la complejidad aumentada, en mucho casos se prescinde de verificar si el ángulo de paso de las palas del rotor respectivamente está regulado de forma correcta. Esto puede implicar un desgaste temprano de la turbina eólica.
El objeto de la presente invención consiste en mantener reducida una causa del desgaste.
Este objeto se soluciona mediante un procedimiento de la clase mencionada en la introducción, el cual presenta las siguientes etapas:
a) Para cada pala del rotor, determinación de un indicador del ángulo de paso con la ayuda de una disposición de sensor montada en la pala del rotor, que respectivamente detecta una variación de ubicación de su posición con respecto a la gravedad de la Tierra, y un valor umbral del ángulo de paso;
b) Para cada pala del rotor, formación de un indicador de carga de la pala a partir de una relación entre una variación del indicador del ángulo de paso y una variación de parámetros de funcionamiento de la turbina eólica;
c) Comparación de los indicadores de carga de la pala, de las palas del rotor, donde se emite un aviso de falla o se reajusta o regula nuevamente un ángulo de paso de la pala del rotor con la falla más grande, cuando una diferencia entre los indicadores de carga de la pala de las palas del rotor es mayor que un valor umbral predeterminable.
La disposición de sensor puede detectar por ejemplo al menos dos componentes de dirección que están orientados de forma ortogonal o bajo un ángulo determinado, uno con respecto a otro. Si el rotor rota, se modifica entonces la disposición de sensor que está montada en una pala del motor, constantemente su posición y su orientación en el espacio, por tanto, su dirección relativamente con respecto al campo de gravedad de la Tierra. A partir de las señales de salida de la disposición de sensor puede determinarse una variable que refleje el ángulo de paso o que al menos tenga una relación con respecto al ángulo de paso. Puesto que no se necesita el ángulo de paso exacto, en la precisión del montaje de la disposición de sensor también sólo se plantea una precisión relativamente reducida. A partir de esa variable y de un valor objetivo del ángulo de paso, que por ejemplo puede tomarse del controlador de la instalación, puede formarse el indicador del ángulo de paso. El indicador del ángulo de paso se forma de modo individual para cada pala del rotor. Durante el funcionamiento de la turbina eólica las condiciones externas en general varían de forma continua. Por ejemplo, de este modo, varían la velocidad del viento y la carga del viento, y con ello la velocidad de rotación del rotor, aún cuando las variaciones de esa clase sólo sean reducidas. Con una variación de las cargas del viento resulta también una variación de la orientación espacial (lo cual puede detectarse en el indicador del ángulo de paso) de la respectiva pala del rotor, lo que debe atribuirse a la flexibilidad de la pala del rotor. Si relacionan una con otra la variación del indicador del ángulo de paso y la variación de los parámetros de funcionamiento de la turbina eólica, por ejemplo la velocidad del viento o la velocidad de rotación, puede formarse una relación, y a partir de los parámetros descritos de esa relación puede derivarse un indicador de carga de la pala. Los indicadores de carga de la pala, de las palas del rotor, pueden compararse unos con otros. En un caso ideal, los indicadores de carga de la pala, de todas las palas del rotor, son iguales. En la realidad se presentan ciertas diferencias entre los indicadores de carga de la pala, de las palas del rotor. Hasta un cierto grado, por tanto, un valor umbral predeterminable, es aceptable una diferencia entre los indicadores de carga de la pala, de las palas del rotor. Si la diferencia fuera demasiado grande, puede emitirse un aviso de falla o el ángulo de paso de la pala del rotor con la falla más elevada puede reajustarse o regularse nuevamente.
De manera ventajosa, para la determinación del indicador del ángulo de paso se utilizan procedimientos espectrales para el procesamiento de las señales de la disposición de sensor.
De manera alternativa, para la determinación del indicador del ángulo de paso pueden utilizarse procedimientos cinemáticos.
Preferentemente, en cada pala del rotor se utilizan disposiciones de sensor que están dispuestas en la misma posición radial de la pala del rotor. Esto facilita la evaluación. De este modo, en la evaluación no deben considerarse distancias radiales diferentes.
Por ejemplo, en cada pala del rotor se utilizan disposiciones de sensor que están dispuestas con un alejamiento del eje de rotación del rotor que corresponde de 0,25 a 0,4 veces la longitud radial de la pala del rotor. Tanto más en el exterior estén colocadas las disposiciones de sensor, tanto más sensible será la medición. Un límite radialmente externo resulta mediante la estructura de la pala del rotor.
Preferentemente, en cada pala del rotor se utiliza una disposición de sensor cuyos ejes están orientados en dirección de la rigidez más elevada y en dirección de la rigidez más reducida de la pala del rotor. De este modo, por ejemplo, un eje puede extenderse desde el borde anterior de la pala del rotor hacia el borde posterior, mientras que el otro eje se extiende perpendicularmente con respecto a la sección transversal más delgada de la pala del rotor. En una forma de realización preferente, en cada pala del rotor se utiliza una disposición de sensor que presenta un sensor de aceleración, un giróscopo, un sensor de velocidad y/o un sensor de posición. De manera conveniente, en cada pala del rotor se utiliza la misma disposición de sensor. Los tipos de sensores enumerados, que pueden utilizarse en la disposición de sensor, indican todos una señal suficiente para poder determinar el indicador del ángulo de paso.
Preferentemente, como relación se utiliza una relación lineal, y el indicador de las palas contiene entonces una información de pendiente de una recta de regresión. Ésta es una posibilidad relativamente sencilla para determinar el indicador de carga de la pala.
En una forma de realización especial se modifica el ángulo de paso de al menos una pala del rotor, para al menos dos ángulos de paso se determinan los indicadores de carga de la pala, se comparan uno con otro y se selecciona un ángulo de paso, en el cual la carga aerodinámica es la más elevada, en el caso de una velocidad del viento dada. El procedimiento para determinar el desequilibrio aerodinámico puede utilizarse para obtener una información adicional que puede utilizarse para regular un funcionamiento óptimo de la turbina eólica. Mediante variaciones específica del ángulo de paso de una o de una pluralidad de palas, mediante el controlador de la turbina eólica, pueden determinarse los indicadores de carga de la pala en distintos estados del ángulo de paso, y pueden compararse entre sí. Con ello pueden hallarse puntos de funcionamiento aerodinámicos óptimos. Lo mencionado puede suceder con una base manual o de forma completamente automatizada. Mediante ese procedimiento no sólo pueden detectarse diferencias relativas entre las palas del rotor, que conducen al desequilibrio aerodinámico y que eventualmente pueden eliminarse, sino que también puede alcanzarse una regulación absoluta óptima de los ángulos de paso de todas las palas, bajo puntos de vista de la producción.
En una variante preferente se prevé que se genere una alerta de falla cuando el indicador del ángulo de paso se desvíe más que un valor umbral predeterminado, del valor objetivo del ángulo de paso, predeterminado por el controlador de la instalación. Puede detectarse entonces un funcionamiento incorrecto, por ejemplo un defecto de un accionamiento de paso de la respectiva pala del rotor, y pueden tomarse medidas para eliminar la falla, en caso de que sea necesario.
A continuación, la invención se describe mediante un ejemplo de realización preferente, en combinación con el dibujo. Muestran:
la figura 1 una representación esquemática de una turbina eólica,
la figura 2 un corte transversal a través de una pala del rotor,
la figura 3 una representación esquemática para explicar una deformación de la pala del rotor,
la figura 4 una representación esquemática para explicar la determinación de un indicador de carga de la pala, y
la figura 5 una comparación de indicadores de carga de la pala, de distintas palas del rotor.
La figura 1, de manera esquemática, muestra una turbina eólica 1 con una góndola 2 que está dispuesta sobre una torre soporte 3. En la góndola 2 está dispuesto un rotor 4 de forma giratoria, que cuando rota acciona un generador dispuesto en la góndola 2 y no representado en detalle. En el rotor 4, tres palas del rotor 5, 6, 7 están dispuestas con simetría de puntos alrededor del eje del rotor 4. Las palas del rotor 5, 6, 7 pueden rotar alrededor de un eje que se extiende paralelamente con respecto a su extensión longitudinal. Con ello puede regularse el así llamado "ángulo de paso". El eje, en la representación de la figura 2, se extiende perpendicularmente con respecto al plano del dibujo.
La figura 2 muestra esquemáticamente la pala del rotor 5. Las otras palas del rotor 6, 7 están estructuradas del mismo modo. En un caso ideal todas las palas del rotor 5, 6, 7 son idénticas. En la realidad se encuentran presentes desviaciones reducidas.
La pala del rotor 5 presenta una disposición de sensor 8 que está montada en o dentro de la pala del rotor 5. La disposición de sensor presenta dos sensores 9, 10; cuyos ejes de medición están dispuestos en un ángulo conocido, por ejemplo de forma ortogonal unos con respecto a otros. Los sensores pueden estar diseñados como sensor de aceleración, giróscopo, sensor de velocidad y/o sensor de posición. Son posibles combinaciones de esos tipos de sensor. La disposición de sensor puede detectar una variación de la ubicación de su posición, con respecto a la gravedad de la Tierra.
Preferentemente, el sensor 9 detecta la aceleración, la velocidad o la ubicación en el área de la rigidez más reducida de la pala del rotor 5. En la figura 2, esto es en la dirección en la cual la pala del rotor 5 presenta su grosor más reducido. La disposición de sensor 10, en cambio, presenta un eje de medición en el cual la pala del rotor 5 presenta su mayor rigidez. Esto es en la dirección en la cual la pala del rotor 5 presenta su mayor extensión. Esas dos direcciones se denominan también como "solapa" y "borde".
Cuando la pala del rotor 5 rota, entonces cada sensor 9, 10 de la disposición de sensor 8 emite de forma continua una señal que se modifica continuamente en función de la cinemática de la instalación y de la curvatura de la pala del rotor, condicionada por la carga del viento, y que se evalúa por ejemplo según procedimientos espectrales o cinemáticos, formándose en base a ello un indicador del ángulo de paso.
Para que el rotor 4 pueda rotar se necesita viento. El viento conduce a una carga aerodinámica en cada pala del rotor 5-7. Esa carga aerodinámica, debido a la flexibilidad de la pala del rotor 5-7, conduce a variaciones angulares relativamente reducidas de la disposición de sensor 8. Esa variación angular se manifiesta como desviación, que también puede denominarse como "falla", en el indicador del ángulo de paso. Tanto mayor es la carga aerodinámica en la pala del rotor 5-7 y, con ello, la curvatura de la respectiva pala del rotor 5-7, tanto mayor es la falla del indicador del ángulo de paso Ind1-BI.
Esto está representado esquemáticamente en la figura 3. Aquí la pala del rotor 5 está representada como "referencia", en el estado no deformado. Al presentarse una carga de viento (en la representación de la figura 3 se supone que el viento proviene desde abajo, resulta una forma 5a de la pala del rotor.
Mediante el controlador de la instalación, que habitualmente está colocado en la góndola 2 de la turbina eólica 1, pero que también puede colocarse en otro lugar, pueden obtenerse parámetros de funcionamiento que dependen de la carga, por ejemplo la velocidad del viento o la velocidad de rotación del rotor 4.
En la figura 4, solamente está marcado de forma cualitativa, desde izquierda a derecha, un parámetro de funcionamiento, por ejemplo la velocidad del viento o la velocidad de rotación del rotor, mientras que desde abajo hacia arriba está marcado el indicador del ángulo de paso Ind1 -b í. Puesto que las condiciones externas, por ejemplo la velocidad del viento, varían de forma continua, resulta una pluralidad de puntos, donde cada punto representa para un momento determinado la relación entre el parámetro de funcionamiento y el indicador del ángulo de paso Ind1-Bi.
Puede formarse ahora una curva de regresión, en este caso una recta, entre la falla que depende de la carga en el indicador del ángulo de paso Ind1-Bi y el parámetro de funcionamiento que depende de la carga, a partir del cual resulta el indicador de carga de la pala Ind2-Bi, que reproduce el estado de carga de la pala del rotor 5-7 individual, por ejemplo la relación entre la carga aerodinámica y la velocidad del viento.
En el caso de la utilización de las rectas antes mencionadas, por ejemplo, la pendiente de las rectas puede utilizarse directamente como indicador de carga de la pala. Cabe señalar aquí que el indicador de carga de la pala no debe indicar incondicionalmente una variable absoluta de la carga de la pala, sino que puede utilizarse solamente para reflejar una relación de las cargas de la pala, de las diferentes palas del rotor 5-7.
La figura 5 muestra ahora diferentes posibilidades de cómo pueden comportarse los indicadores de carga de la pala en distintas turbinas eólicas WEA01, WEA02, WEA03 y WEA04.
En las turbinas eólicas WEA01, WEA02 resultan indicadores de carga de la pala aproximadamente idénticos entre las tres palas del rotor 5-7. No se exige una igualdad exacta de los indicadores de carga de la pala, y en general tampoco puede alcanzarse.
En la turbina eólica WEA03 la pala central es prominente, lo cual permite inferir un desequilibrio aerodinámico. En la turbina eólica WEA04, la diferencia entre los indicadores de carga de la pala es tan grande que no sólo puede deducirse un desequilibrio aerodinámico, sino que también debe analizarse si se encuentra presente otra falla. Si se determinara una diferencia en los indicadores de carga de la pala, como se encuentra presente por ejemplo en la turbina eólica WEA03, entonces, mediante una variación del ángulo de paso para la pala del rotor central, puede alcanzarse una aproximación de los indicadores de carga de la pala. Ese ajuste puede tener lugar de forma manual o también de forma automática.
También cuando los indicadores de la carga de la pala son esencialmente iguales, como en las turbinas eólicas WEA01, WEA02, mediante un ajuste del ángulo de paso se puede intentar determinar un punto de funcionamiento óptimo en cuanto a la producción de la respectiva turbina eólica.
Mediante variaciones específicas del ángulo de paso, de una o de una pluralidad de palas del rotor 5-7, mediante el controlador de la instalación, pueden determinarse indicadores de carga de la pala Ind2-Bi en distintos estados del ángulo de paso, y pueden compararse entre sí. Con ello pueden hallarse puntos de funcionamiento aerodinámicos óptimos. Lo mencionado también puede suceder con una base manual o de forma completamente automatizada. Mediante ese procedimiento no sólo pueden detectarse diferencias relativas entre las palas del rotor 5-7, sino también una regulación absoluta óptima, bajo puntos de vista de la producción, de los ángulos de paso de todas las palas del rotor 5-7.
Si el indicador del ángulo de paso Ind1-Bi se desvía en alto grado de la especificación de la instalación, por tanto, del valor objetivo del ángulo de paso, entonces pueden detectarse, y eventualmente remediarse, un funcionamiento incorrecto o un defecto del accionamiento de paso de la respectiva pala del rotor 5-7.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para determinar un desequilibrio aerodinámico en un rotor de una turbina eólica (1), que presenta una pluralidad de palas del rotor (5-7), con las siguientes etapas:
a) para cada pala del rotor (5-7), determinación de un indicador del ángulo de paso (Ind1-Bi) con la ayuda de una disposición de sensor (8) montada en la pala del rotor (5-7), que respectivamente detecta una variación de ubicación de su posición con respecto a la gravedad de la Tierra, y un valor umbral del ángulo de paso b) para cada pala del rotor (5-7), formación de un indicador de carga de la pala (Ind2-Bi)
c) comparación de los indicadores de carga de la pala (Ind2-Bi) de las palas del rotor (5-7),
en donde el indicador de carga de la pala se forma a partir de una relación entre una variación del indicador del ángulo de paso (Ind1-Bi) y una variación de parámetros de funcionamiento de la turbina eólica (1), en donde se emite un aviso de falla o se reajusta o regula nuevamente un ángulo de paso de la pala del rotor con la falla más grande, cuando una diferencia entre los indicadores de carga de la pala de las palas del rotor (5-7) es mayor que un valor umbral predeterminable.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que para la determinación del indicador del ángulo de paso (Ind1-Bi) se utilizan procedimientos espectrales o cinemáticos para el procesamiento de las señales de la disposición de sensor (8).
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que en cada pala del rotor (5-7) se utilizan disposiciones de sensor (8), que están dispuestas en la misma posición radial de la pala del rotor (5-7).
4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado por que en cada pala del rotor (5-7) se utilizan disposiciones de sensor (8), que están dispuestas con un alejamiento del eje de rotación del rotor que corresponde a 0,25 a 0,4 veces la longitud radial de la pala del rotor.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que en cada pala del rotor (5-7) se utiliza una disposición de sensor (10), cuyos ejes están orientados en dirección de la rigidez más elevada y en dirección de la rigidez más reducida de la pala del rotor (5-7).
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que en cada pala del rotor (5-7) se utiliza una disposición de sensor (8), que presenta un sensor de aceleración, un giróscopo, un sensor de velocidad y/o un sensor de posición.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que como relación se utiliza una relación lineal, y el indicador de carga de la pala (Ind2-Bi) contiene una información de pendiente de una recta de regresión de esa relación.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que se modifica el ángulo de paso de al menos una pala del rotor (5-7), para al menos dos ángulos de paso se determinan los indicadores de carga de la pala (Ind2-Bi), se comparan uno con otro y se selecciona un ángulo de paso, en el cual la carga aerodinámica es la más elevada, en el caso de una velocidad del viento dada.
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que se genera una alerta de falla, cuando el indicador del ángulo de paso (Ind1-Bi) se desvía más que un valor umbral predeterminado, del valor objetivo del ángulo de paso.
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