ES2970838T3

ES2970838T3 - Determinación del efecto de la luz solar sobre la inclinación de una torre de aerogenerador usando acelerómetros superiores de torre

Info

Publication number: ES2970838T3
Application number: ES21735148T
Authority: ES
Inventors: Anders Skafte
Original assignee: Vestas Wind Systems AS
Current assignee: Vestas Wind Systems AS
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2024-05-30
Anticipated expiration: 2041-06-11
Also published as: EP4179201A1; EP4179201B1; EP4179201C0; WO2022008014A1; CN116018458B; CN116018458A; US20230349363A1

Abstract

Sistemas, métodos y productos de programas informáticos para determinar una inclinación de la torre de una turbina eólica (12) basándose en mediciones de aceleración mediante un acelerómetro (50) acoplado operativamente a una góndola (14) de la turbina eólica (10). Los datos de aceleración se recopilan del acelerómetro (50), que está configurado para detectar la aceleración a lo largo de un eje del acelerómetro (x, y, z) mientras la góndola (14) está en cada una de una pluralidad de posiciones de guiñada. La góndola (14) se gira en pasos hasta cada posición de guiñada y se detiene durante un período de tiempo. Mientras la góndola (14) está parada, se recopilan datos de aceleración y se determina un nivel estático de aceleración a lo largo del eje del acelerómetro (x, y, z) debido a la gravedad (28). Una vez recopilados los datos de aceleración en cada una de las posiciones, se identifican los niveles de aceleración mínimo y máximo. A continuación se determina la inclinación de la torre (12) en función de los niveles de aceleración mínimo y máximo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Determinación del efecto de la luz solar sobre la inclinación de una torre de aerogenerador usando acelerómetros superiores de torre

Antecedentes

Esta invención se refiere en general a aerogeneradores y, en particular, a métodos, sistemas y productos de programas informáticos para determinar la inclinación de una torre de aerogenerador usando acelerómetros superiores de torre.

Cuando se yerguen nuevos aerogeneradores, la torre corre el riesgo de tener una ligera inclinación debido a que la torre está fuera de la vertical. La inclinación puede ser resultado de una o más causas, tales como asentamiento diferencial de los cimientos, calentamiento de la torre por radiación solar e imperfecciones de la torre. Según los estándares actuales de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y del Deutsches lnstitut für Bautechnik (DIBt), la inclinación máxima permisible de la torre se establece añadiendo un momento flector adicional al momento flector extremo de la torre proporcionado por simulaciones aeroelásticas. Actualmente, el estándar se basa en la suposición de que la torre tendrá una inclinación de 8 mm/m en las cargas de diseño.

De vez en cuando, existe la necesidad de determinar la deflexión real de la torre y comprender el efecto de diversos factores sobre la deflexión de la torre. Un procedimiento conocido para determinar la inclinación de la torre es medir lo lejos que está la torre fuera la vertical usando un escáner láser 3D. El uso de equipos de escáner requiere una visita al emplazamiento y equipo especializado, haciendo que las mediciones de inclinación de la torre sean costosas.

De este modo, existe la necesidad de sistemas, métodos y productos de programas informáticos mejorados para determinar la inclinación de la torre en sistemas de aerogeneradores. Los documentos EP3497326 A1, US 2014/316740 A1, EP2133563 A1 y DE102016103659 A1 dan ejemplos de la técnica anterior de tales sistemas y métodos.

Compendio de la invención

En una realización de la invención, se proporciona un método de medición de la inclinación de una torre de un aerogenerador que incluye una góndola montada sobre la torre. El método incluye la recopilación de datos de aceleración de un acelerómetro acoplado operativamente a la góndola y configurado para detectar la aceleración a lo largo de un eje de acelerómetro mientras que la góndola está en cada una de una pluralidad de posiciones de guiñada. El método determina un nivel de aceleración a lo largo del eje de acelerómetro debido a la gravedad en cada posición de guiñada para generar una pluralidad de niveles de aceleración, y determina la inclinación de la torre en base a la pluralidad de niveles de aceleración. El método que comprende además los pasos de recopilar un primer conjunto de datos de los datos de aceleración durante un primer período de tiempo; recopilar un segundo conjunto de datos de los datos de aceleración durante un segundo período de tiempo; determinar una primera inclinación de la torre a partir del primer conjunto de datos; determinar una segunda inclinación de la torre a partir del segundo conjunto de datos; y determinar un efecto dependiente del tiempo de la presencia o ausencia de luz solar sobre la inclinación de la torre en base a la primera inclinación de la torre y la segunda inclinación de la torre.

En otra realización de la invención, la góndola gira alrededor de un eje de rotación, y el acelerómetro está configurado de modo que el eje de acelerómetro sea normal al eje de rotación.

En otra realización de la invención, la pluralidad de posiciones de guiñada cubre una rotación completa de la góndola alrededor del eje de rotación.

En otra realización de la invención, determinar la inclinación de la torre en base a la pluralidad de niveles de aceleración incluye determinar un nivel de aceleración máximo de la pluralidad de niveles de aceleración, determinar un nivel de aceleración mínimo de la pluralidad de niveles de aceleración, y determinar la inclinación de la torre en base al nivel de aceleración máximo y del nivel de aceleración mínimo.

En otra realización de la invención, determinar la inclinación de la torre en base al nivel de aceleración máximo y el nivel de aceleración mínimo incluye determinar una primera inclinación del acelerómetro en base al nivel de aceleración máximo, determinar una segunda inclinación del acelerómetro en base al nivel de aceleración mínimo, y determinar la inclinación de la torre en base a una diferencia entre la primera inclinación del acelerómetro y la segunda inclinación del acelerómetro.

En otra realización de la invención, recopilar los datos de aceleración del acelerómetro mientras que la góndola está en cada una de la pluralidad de posiciones de guiñada incluye detener la góndola en cada posición de guiñada, recopilar datos de aceleración durante un período de tiempo mientras que la góndola está detenida, y reiniciar la guiñada de la góndola después del periodo de tiempo.

En otra realización de la invención, el método incluye además descartar una primera parte de los datos de aceleración recopilados durante una parte inicial del período de tiempo, descartar opcionalmente una segunda parte de los datos de aceleración recopilados durante una parte final del período de tiempo, y filtrar paso bajo una parte restante de los datos de aceleración que no se descartaron para producir datos de aceleración filtrados, en donde el nivel de aceleración en cada posición de guiñada se determina en base a los datos de aceleración filtrados.

En otra realización de la invención, el método incluye además determinar un valor medio del nivel de aceleración en cada posición de guiñada en base a los datos de aceleración filtrados, y eliminar la tendencia de los datos de aceleración filtrados en base a los valores medios de los niveles de aceleración para eliminar cualquier desplazamiento y posible deriva de la señal.

En otra realización de la invención, el método incluye además generar un gráfico de aceleración que incluye el nivel de aceleración en cada posición de guiñada trazada con relación a la posición de guiñada, comparar el gráfico de aceleración con un gráfico sinusoidal y descartar los datos de aceleración si el gráfico de aceleración no coincide con el gráfico sinusoidal.

En otra realización de la invención, los datos de aceleración se recopilan mientras que el aerogenerador está en modo inactivo con poco viento o en modo estacionado.

En otra realización de la invención, los datos de aceleración se recopilan mientras que la velocidad del viento está por debajo de un umbral de velocidad del viento seleccionado del grupo que consiste en una velocidad del viento de corte y una velocidad del viento de servicio.

En otro aspecto de la invención, se proporciona un aerogenerador. El aerogenerador incluye un controlador en comunicación con el acelerómetro y configurado para implementar el método de medición de la inclinación de la torre del aerogenerador.

En otro aspecto de la invención, se proporciona un producto de programa informático. El producto de programa informático incluye un medio de almacenamiento legible por ordenador no transitorio y un código de programa almacenado en el medio de almacenamiento legible por ordenador no transitorio que, cuando se ejecuta por uno o más procesadores de un controlador, hace que el controlador implemente el método de medición de la inclinación de la torre del aerogenerador.

En otro aspecto de la invención, se presenta un controlador para un aerogenerador. El controlador incluye uno o más procesadores, y una memoria acoplada al uno o más procesadores y que incluye código de programa que, cuando se ejecuta por uno o más procesadores, hace que el controlador implemente el método de medición de la inclinación de la torre del aerogenerador.

El compendio anterior presenta una descripción general simplificada de algunas realizaciones de la invención para proporcionar una comprensión básica de ciertos aspectos de la invención tratada en la presente memoria. El compendio no se pretende que proporcione una descripción general extensa de la invención, ni se pretende que delinee el alcance de la invención. El único propósito del compendio es meramente presentar algunos conceptos de una forma simplificada como introducción a la descripción detallada presentada a continuación.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos que se acompañan, que se incorporan en, y constituyen parte de, esta especificación, ilustran diversas realizaciones de la invención y, junto con la descripción general de la invención dada anteriormente y la descripción detallada de las realizaciones dadas a continuación, sirven para explicar las realizaciones de la invención.

La FIG. 1 es una vista en perspectiva de un aerogenerador ejemplar de acuerdo con una realización de la invención que incluye una góndola que tiene un marco de referencia de góndola.

La FIG. 2 es una vista en perspectiva de una parte del aerogenerador de la FIG. 1 en la que la góndola está parcialmente rota para exponer estructuras alojadas en el interior de la góndola que incluyen uno o más acelerómetros.

La FIG. 3 es una vista esquemática de un sistema de control que se puede usar para controlar el aerogenerador de las FIGS. 1 y 2.

La FIG. 4 es una vista esquemática de un controlador que se puede usar para implementar el sistema de control de la FIG. 3.

La FIG. 5 es una vista esquemática de un aerogenerador que incluye una torre que está fuera de la vertical de manera que exista un ángulo de inclinación entre un eje de rotación de la góndola y un eje z de un marco de referencia fijo.

La FIG. 6 es una vista esquemática de las relaciones entre un marco de referencia de acelerómetro y el marco de referencia fijo para los aerogeneradores de las FIGS. 1, 2 y 5 a medida la góndola se hace guiñar alrededor del eje de rotación para cada uno de varios escenarios operativos.

La FIG. 7 es un diagrama de flujo de un proceso para determinar el ángulo de inclinación en base a los datos recibidos del acelerómetro de la FIG. 6.

La FIG. 8 es una vista gráfica de datos de acelerómetro ejemplares frente a la posición de guiñada para un aerogenerador de acuerdo con una realización de la invención.

Se debería entender que los dibujos adjuntos no están necesariamente a escala y pueden presentar una representación algo simplificada de diversas características ilustrativas de los principios básicos de la invención. Las características de diseño específicas de la secuencia de operaciones que se describen en la presente memoria, incluyendo, por ejemplo, dimensiones, orientaciones, ubicaciones y formas específicas de diversos componentes ilustrados, se pueden determinar en parte por la aplicación particular prevista y el entorno de uso. Ciertas características de las realizaciones ilustradas se pueden haber ampliado o distorsionado con relación a otras para facilitar la visualización y una comprensión clara.

Descripción detallada de realizaciones de la invención

Las realizaciones de la invención están dirigidas a sistemas, métodos y productos de programas informáticos para estimar la inclinación de una torre de aerogenerador en base a la contribución estática a la salida de un acelerómetro superior de torre debido a la gravedad de la Tierra. Las realizaciones de la invención explotan el principio de que si la torre del aerogenerador tiene una inclinación, esta inclinación hará que la contribución estática de la gravedad a la salida del acelerómetro varíe de una forma determinista a medida que la góndola se hace girar alrededor de su eje de rotación. Guiñando la turbina, la inclinación de la torre se puede estimar en base a las diferencias en la señal de aceleración en diferentes posiciones de guiñada. Aprovechando el hardware existente en el sistema de aerogenerador, se pueden implementar realizaciones de la invención con un coste incremental bajo simplemente actualizando el software en el sistema de aerogenerador.

Las realizaciones de la invención también se pueden usar para proporcionar información relacionada con cambios a largo plazo en la inclinación de la torre, tales como los que se pueden causar por el asentamiento diferencial de los cimientos que ocurre durante un largo período de tiempo. A modo de ejemplo, el asentamiento diferencial de los cimientos debido al asentamiento de arcilla puede ocurrir durante un período de años. Las mediciones periódicas de la inclinación de la torre a lo largo de un gran número de aerogeneradores pueden proporcionar una distribución estadística para la inclinación de la torre. Luego, la distribución estadística se puede usar para soportar la optimización de los estándares de inclinación considerados en las cargas de diseño actuales, por ejemplo, reduciendo la contribución de la inclinación de la torre supuesta. La información de estas pruebas también se puede usar como entrada para los controladores de aerogenerador para optimizar los parámetros de operación considerando la inclinación de la torre, y para obtener conocimiento acerca de la inclinación de la torre debido a los efectos de la radiación solar. De esta manera se puede identificar el efecto de la radiación solar para una comprensión incluso mejor de las causas y las soluciones de mitigación de la inclinación de la torre.

La presente invención está dirigida a recopilar datos de aceleración de un acelerómetro acoplado operativamente a la góndola y configurado para detectar la aceleración a lo largo de un eje de acelerómetro mientras que la góndola está en cada una de una pluralidad de posiciones de guiñada.

Sin embargo, como conocimiento previo, los sensores basados en GNSS también se pueden aplicar con el mismo propósito, pero con las modificaciones apropiadas.

Por ejemplo, los sensores de GPS de alta precisión pueden lograr una precisión de hasta 10 mm, lo que puede ser suficientemente preciso para medir el desplazamiento de la parte superior de la torre con respecto al centro de la sección transversal de la parte inferior de la torre. Para establecer el punto central de la torre justo por encima de los cimientos, se miden mediciones de GPS estáticas en una serie de lugares, por ejemplo, cuatro, igualmente distribuidos en la circunferencia de la torre. Para asegurar que el GPS pueda recibir una señal con intensidad adecuada, esto se puede hacer en el exterior de la torre. Se ajusta un círculo en los puntos de medición usando, por ejemplo, una aproximación de mínimos cuadrados, y el punto central de la base de la torre se establece como el centro del círculo ajustado.

Para encontrar la posición de la parte superior de la torre, el GPS se coloca en la parte superior de la góndola. Para compensar que el GPS no esté colocado directamente sobre el centro de la parte superior de la torre, y para compensar el efecto del momento de voladizo, la turbina se hace giñar 360 grados, mientras que hace el seguimiento de la posición con el GPS. Para establecer el centro de la sección de la parte superior de la torre, se ajusta un círculo a los datos de GPS medidos durante el barrido de guiñada que define el centro de este círculo. Una vez que se estiman el centro de la sección base y la sección de la parte superior, la torre fuera de la vertical se puede determinar como la distancia entre los dos puntos centrales.

Uno de los inconvenientes usando sensores de GPS/GNSS es que tienden a derivar con el tiempo. Una posible mitigación para evitar la deriva es colocar una estación en el suelo en una posición fija, que se comunique con el sensor colocado en la góndola. Pero esto vendrá con un coste extra.

Como alternativa al uso de una estación en el suelo, se puede aplicar monitorización de la deriva y una recalibración del sensor o sensores. Una vez que se instala el GPS/GNSS en la góndola, se hace una medición de línea base. Esto se hace guiñando la turbina 360 grados, mientras que hay poco viento y la turbina está inactiva/parada. Ajustando un círculo a los datos y encontrando su centro, se puede establecer el centro de la torre. Este procedimiento se puede hacer con un intervalo de tiempo fijo. Cualquier cambio en el punto central de los círculos ajustados se puede suponer que se relaciona con la deriva. Haciendo una ronda de guiñada, será posible además ignorar la deflexión de la torre debido al momento de voladizo. El procedimiento de ronda de guiñada se puede programar en el controlador, de modo que ocurra con intervalos fijos. No obstante, como puede no ser necesaria una respuesta rápida, la implementación se puede realizar de manera que la ronda de guiñada solamente ocurra cuando la velocidad del viento esté por debajo del corte, de modo que no habrá pérdida de AEP debido a esto. Es importante además que la ronda de guiñada solamente se realice durante la noche, de manera que sea despreciable cualquier efecto de la temperatura sobre la torre.

La FIG. 1 ilustra un aerogenerador 10 ejemplar de acuerdo con una realización de la invención. El aerogenerador 10 incluye una torre 12 que se extiende hacia arriba desde los cimientos, una góndola 14 dispuesta en el vértice de la torre 12 y un rotor 16 acoplado operativamente a un generador en la góndola 14. Además del generador, la góndola 14 típicamente aloja diversos componentes necesarios para convertir la energía eólica en energía eléctrica y necesarios para operar y optimizar el rendimiento del aerogenerador 10. La torre 12 soporta la carga presentada por la góndola 14, el rotor 16 y otros componentes del aerogenerador alojados en el interior de la góndola 14. La torre 12 del aerogenerador 10 eleva la góndola 14 y el rotor 16 a una altura por encima del nivel del suelo que permite que el rotor 16 gire libremente y en la que se encuentran a menudo corrientes de aire que tienen menor turbulencia y velocidad más alta.

El rotor 16 incluye un buje 18 y una o más (por ejemplo, tres) palas 20 unidas al buje 18 en ubicaciones distribuidas alrededor de la circunferencia del buje 18. Las palas 20 se proyectan radialmente hacia fuera desde el buje 18, y están configuradas para interactuar con corrientes de aire que pasan para producir fuerzas de rotación que hacen que el buje 18 gire alrededor de su eje longitudinal 22. Esta energía de rotación se puede entregar al generador alojado dentro de la góndola 14 y convertir en energía eléctrica. Para optimizar el rendimiento del aerogenerador 10, el paso de las palas 20 se puede ajustar mediante un sistema de paso en respuesta a la velocidad del viento y otras condiciones operativas.

Un marco de referencia fijo 24 ejemplar incluye un eje x, un eje y y un eje z que definen un espacio de coordenadas tridimensional según la regla de la mano derecha. El eje z del marco de referencia fijo 24 es paralelo al campo gravitacional 28 de la Tierra, y se orienta de modo que el eje z apunte hacia arriba, lejos del centro de la Tierra. El eje x y el eje y del marco de referencia fijo 24 son ortogonales al eje z y entre sí, y definen un plano horizontal. El marco de referencia fijo 24 proporciona por ello un marco de referencia que está fijo con relación a la Tierra.

Un marco de referencia de góndola 30 incluye un eje longitudinal (eje l), un eje transversal (eje t) y un eje normal (eje n) que definen otro espacio de coordenadas tridimensional de la mano derecha que está fijo con relación a la góndola 14. El eje l del marco de referencia de góndola 30 puede estar alineado con el eje longitudinal 22 del rotor 16. El eje t del marco de referencia de góndola 30 puede estar alineado con un eje transversal 40 de la góndola 14 que es generalmente ortogonal al eje longitudinal 22 del rotor 16. El eje n puede estar alineado con un eje de rotación 42 de la góndola 14 alrededor del cual se hace giñar la góndola 14. El eje de rotación 42 puede estar generalmente alineado con un eje longitudinal de la torre 12, que, en ausencia de cualquier inclinación de la torre, puede estar generalmente alineado con el eje z del marco de referencia fijo 24. Como se usa en la presente memoria, el ángulo de guiñada de la góndola 14 se puede considerar que es cero grados cuando la proyección del eje l del marco de referencia de góndola 30 sobre el plano horizontal es paralela al eje x del marco de referencia fijo 24.

La FIG. 2 presenta una vista en perspectiva en la que la góndola 14 está parcialmente rota para exponer las estructuras alojadas en su interior. Un eje principal que se extiende desde el rotor 16 hasta la góndola 14 se puede mantener en su lugar mediante un soporte de cojinete principal 44 que soporta el peso del rotor 16 y transfiere las cargas sobre el rotor 16 a la torre 12. El eje principal puede estar acoplado operativamente a una caja de engranajes 46 que transfiere la rotación del mismo a un generador 48. La energía eléctrica producida por el generador 48 se puede suministrar a una red eléctrica (no mostrada) o un sistema de almacenamiento de energía (no mostrado) para su posterior liberación a la red como se entiende por una persona que tenga conocimientos habituales en la técnica. De esta forma, la energía cinética del viento se puede aprovechar por el aerogenerador 10 para generación de energía.

La góndola 14 también puede alojar uno o más acelerómetros 50 configurados para detectar niveles de aceleración en la góndola 14. Cada acelerómetro 50 puede ser un acelerómetro de un solo eje que detecta la aceleración a lo largo de un solo eje, o (más típicamente) un acelerómetro multieje que detecta aceleración en múltiples ejes, por ejemplo, tres ejes ortogonales. Cada acelerómetro 50 puede ser sensible tanto a la aceleración lineal (por ejemplo, debida al balanceo de la torre 12 o a la rotación de la góndola 14) y el campo gravitacional local 28.

El peso de la góndola 14, incluyendo los componentes alojados en la misma, se puede soportar por una estructura de soporte de carga 52. La estructura de soporte de carga 52 puede incluir un alojamiento exterior de la góndola 14 y uno o más componentes estructurales adicionales tales como un marco o celosía, y una campana de engranaje que a través de un cojinete de guiñada (no mostrado) acopla operativamente la carga de la góndola 14 a la torre 12. El cojinete de guiñada se puede configurar para permitir que la góndola 14 sea girada alrededor de su eje de rotación 42 mediante un sistema de guiñada para mantener el aerogenerador 10 apuntado hacia el viento.

La FIG. 3 ilustra un sistema de control 54 ejemplar que se puede usar para controlar el aerogenerador 10. El sistema de control 54 incluye un controlador de aerogenerador 56 en comunicación con los acelerómetros 50, un sistema de paso 58, un sistema de guiñada 60 y un controlador de supervisión 62. El controlador de supervisión 62 se puede configurar para implementar una estrategia de control a lo largo del sistema para un grupo de aerogeneradores 10 (por ejemplo, un parque eólico) que optimiza el rendimiento colectivo de los aerogeneradores 10, por ejemplo, para maximizar la producción de energía del grupo y minimizar el mantenimiento general. El sistema de guiñada 60 se puede usar por el controlador de aerogenerador 56 para controlar la dirección en la que se apunta la góndola 14, y puede incluir uno o más controladores de guiñada, sistemas de accionamiento, sensores de posición, etc. configurados para implementar una señal de comando de guiñada recibida del controlador de aerogenerador 56. El sistema de paso 58 se puede configurar para ajustar el paso de las palas 20 de manera colectiva o independiente en respuesta a una señal de comando de paso recibida desde el controlador de aerogenerador 56.

El controlador de aerogenerador 56 se puede configurar para monitorizar la velocidad del rotor 16 y ajustar el paso de las palas 20 en respuesta a las condiciones del viento existentes con el fin de controlar la operación del aerogenerador 10. Cuando la velocidad del viento está por debajo de una velocidad de corte para el aerogenerador 10, el aerogenerador 10 puede estar en un modo inactivo durante el cual el rotor 16 no está girando o está girando lentamente. A medida que la velocidad del viento excede la velocidad de corte, el rotor 16 del aerogenerador 10 puede comenzar a girar, lo que puede permitir que el aerogenerador 10 comience a generar energía. A medida que la velocidad del viento aumenta aún más desde la velocidad de corte hasta una velocidad del viento nominal, el controlador de aerogenerador 56 se puede configurar para establecer el paso de las palas para maximizar la conversión de energía aerodinámica en energía rotacional en el generador 48. Una vez que se ha alcanzado la velocidad del viento nominal, el aerogenerador 10 puede estar generando electricidad a su máxima potencia de salida nominal. A partir de este punto, a medida que la velocidad del viento aumenta aún más, el controlador de aerogenerador 56 puede ajustar el paso de las palas para mantener la velocidad y el par aplicado al generador 48 en los niveles nominales. Finalmente, cuando la velocidad del viento alcanza una velocidad de corte, el controlador de aerogenerador 56 puede poner en posición de bandera las palas para evitar daños al aerogenerador 10. Típicamente, el servicio solamente se puede realizar en el aerogenerador 10 cuando el viento está por debajo de una velocidad del viento de servicio. Mientras que se está realizando el servicio, el controlador de aerogenerador 56 puede colocar el aerogenerador 10 en modo estacionado poniendo en bandera las palas 20 y aplicando un freno para evitar que el rotor 16 gire.

La FIG. 4 ilustra un controlador 64 ejemplar que se puede usar para proporcionar uno o más componentes de las realizaciones de la invención, tales como el controlador de aerogenerador 56 o el controlador de supervisión 62. El controlador 64 puede incluir un procesador 66, una memoria 68 y una interfaz de entrada/salida (I/O) 70. El procesador 66 puede incluir uno o más dispositivos que realizan operaciones sobre datos en base a instrucciones lógicas u operativas internas que se almacenan en la memoria 68. La memoria 68 puede incluir un único dispositivo de memoria o una pluralidad de dispositivos de memoria capaces de almacenar datos. El código de programa informático materializado como una o más aplicaciones de software informático, tales como una aplicación 72 que reside en la memoria 68, puede tener instrucciones ejecutadas por el procesador 66. Una o más estructuras de datos 74 también pueden residir en la memoria 68, y se pueden usar por el procesador 66 o la aplicación 72 para almacenar o manipular datos. La interfaz de I/O 70 puede proporcionar una interfaz de máquina que acopla operativamente el procesador 66 a otros dispositivos y sistemas, tales como uno o más de los acelerómetros 50, el controlador de aerogenerador 56, el sistema de paso 58, el sistema de guiñada 60 y el controlador de supervisión 62. La aplicación 72 puede trabajar por ello cooperativamente con los dispositivos y sistemas externos comunicándose a través de la interfaz de I/O 70 para proporcionar las diversas características, funciones, aplicaciones, procesos o módulos que comprenden las realizaciones de la invención.

La FIG. 5 ilustra el aerogenerador 10 de acuerdo con una realización de la invención en la que la torre 12 tiene un desplazamiento desde la vertical que da como resultado un ángulo de inclinación 0 distinto de cero entre el eje vertical z del marco de referencia fijo 24 y el eje normal n de marco de referencia de góndola 30. Las torres de los aerogeneradores a menudo tienen un ligero ángulo de inclinación 0 debido a la torre que está fuera de la vertical. El ángulo de inclinación 0 puede ser resultado de diferentes causas, tales como asentamiento diferencial de los cimientos, radiación solar que causa una expansión térmica desigual en diferentes lados de la torre 12, tolerancias en las juntas entre secciones de la torre 12 y otras imperfecciones de la torre.

La FIG. 6 ilustra trayectorias 76-78 ejemplares de los marcos de referencia de acelerómetro 82-84 respectivos de un acelerómetro de tres ejes 50 desplazado radialmente del eje de rotación 42 a medida que la góndola 14 se hace girar para cada uno de tres escenarios 88-90 diferentes. En cada escenario 88-90, a medida que el acelerómetro 50 órbita el eje de rotación 42, el marco de referencia de acelerómetro 82 gira alrededor de su eje z según se ve desde el marco de referencia fijo 24. Como resultado, la orientación de los ejes x e y de los marcos de referencia de acelerómetro 82-84 también giran.

En un escenario de inclinación cero 88, el eje n del marco de referencia de góndola 30 es paralelo al eje z del marco de referencia fijo 24 (es decir, la torre 12 es vertical). Debido a que el eje de rotación 42 de la góndola es paralelo al eje z del marco de referencia fijo 24, el marco de referencia de acelerómetro 82 sigue una trayectoria circular 76 en el plano horizontal a medida que gira la góndola 14. En el escenario de inclinación cero 88, las inclinaciones (es decir, los ángulos con respecto al eje z del marco de referencia fijo 24) de los ejes x, y, y z del marco de referencia de acelerómetro 82 no varían con el ángulo de guiñada O de la góndola 14.

En un escenario de inclinación distinta de cero 89, el eje n del marco de referencia de góndola 30 no es paralelo al eje z del marco de referencia fijo 24, es decir, la torre 12 tiene un ángulo de inclinación 0 distinto de cero. Debido a que el eje de rotación 42 de la góndola no es paralelo al eje z del marco de referencia fijo 24, el marco de referencia de acelerómetro 83 sigue una trayectoria circular 77 que está inclinada con relación al plano horizontal. Como resultado, según se ve desde el marco de referencia fijo 24, la inclinación de los ejes x e y del marco de referencia de acelerómetro 83 varían de manera sinusoidal en función del ángulo de guiñada O a medida que se gira la góndola 14.

El escenario 90 es un escenario de inclinación distinta de cero en el que el marco de referencia de acelerómetro 84 no está alineado con el marco de referencia de góndola 30, por ejemplo, existe una tolerancia mecánica o un error de montaje que hace que el marco de referencia de acelerómetro 84 se gire alrededor de uno o más de sus ejes x, y, z (por ejemplo, el eje y) con relación al marco de referencia de góndola 30. Como con el escenario de inclinación distinta de cero 89, el eje n del marco de referencia de góndola 30 no es paralelo al eje z del marco de referencia fijo 24, es decir, la torre 12 tiene un ángulo de inclinación 0 distinto de cero. Además, debido al error de rotación ejemplar alrededor del eje y, los ejes x y z del marco de referencia de acelerómetro 84 no son paralelos a los ejes l y n del sistema de referencia de góndola 30, lo que introduce ángulos de error de medición ^x y respectivos en esos ejes.

Debido a que el eje de rotación 42 de la góndola no es paralelo al eje z del marco de referencia fijo 24, en el escenario de inclinación distinta de cero 90, el marco de referencia de acelerómetro 84 también sigue una trayectoria circular 78 que está inclinada con relación al plano horizontal. Como resultado, según se ve desde el marco de referencia fijo 24, la inclinación de los ejes x e y del marco de referencia de acelerómetro 83 varían de manera sinusoidal en función del ángulo de guiñada O de la góndola 14 a medida que se gira la góndola 14. No obstante, los ángulos de error de medición ^x y ^z entre los ejes x y z del marco de referencia de acelerómetro 84 y los ejes l y n del marco de referencia de góndola 30 no varían en función del ángulo de guiñada O. De este modo, cualquier ángulo de error de medición ^x, % y debido a la desalineación entre un marco de referencia de acelerómetro y el marco de referencia de góndola 30 son constantes con respecto al ángulo de guiñada O. Los ángulos de error ^x, % y ^z, por lo tanto, introducen meramente un desplazamiento que se cancela a sí mismo y se puede ignorar. A continuación se proporcionan ejemplos de cálculos trigonométricos que se pueden usar para determinar el ángulo de inclinación.

Suponiendo que no haya ángulos de error de medición ^x, % y ^z, las salidas del acelerómetro de tres ejes 50 a medida que la góndola gira alrededor de su eje de rotación 42 se pueden proporcionar mediante las siguientes ecuaciones:

ax = g x cos(9) x sen(0) Ecuación 1

ay = g x sen(9) x sen(0) Ecuación 2

az = g x cos(0) Ecuación 3

Donde ax, ay y az son salidas respectivas correspondientes a cada uno del eje x, eje y y eje z del acelerómetro, g es el nivel de salida del eje de acelerómetro respectivo cuando se somete a un nivel de aceleración igual a la gravedad de la Tierra, 9 es el ángulo de guiñada de la góndola, y 0 es la inclinación de la torre. El valor de g en las Ecuaciones 1 a 3 se puede determinar para un acelerómetro estacionario de tres ejes como:

Vax<2 + ay 2 + a z 2 Ecuación 4>

El álgebra vectorial se puede usar para calcular un cambio de ángulo AO del vector de gravedad aparente entre dos lecturas a y b cualesquiera del acelerómetro usando la siguiente ecuación:

Ecuación 5

A medida que se gira la góndola 14, la salida del eje x del acelerómetro puede alcanzar su punto máximo en los ángulos de guiñada O = 0 y O = n, y la salida del eje y del acelerómetro puede alcanzar su punto máximo en ángulos de guiñada O = n / 2 y O = -n /2. En estos ángulos de guiñada, las Ecuaciones 1 y 2 proporcionan los siguientes valores de pico:

O = 0; ax = g x sen(0) Ecuación 6

O = n; ax = -g x sen(0) Ecuación 7

O = n/2; ay = g x sen(0) Ecuación 8

O = -n/2; ax = -g x sen(0) Ecuación 9

De este modo, el ángulo de inclinación 0 se puede calcular determinando los valores de pico de salida de uno o más ejes de uno o más de los acelerómetros 50, y aplicando una de las siguientes ecuaciones a la salida del acelerómetro:

Ecuación 10

a y( O p 0

(sen<1 a y ( O p )>-<,>sen<„ - 1 a y>

d g gEcuación 11

2

donde Op es el ángulo de guiñada en el que la salida del acelerómetro respectivo alcanza su punto máximo.

La FIG. 7 representa un diagrama de flujo que ilustra un proceso 100 ejemplar que se puede usar para determinar la inclinación de una torre de acuerdo con una realización de la invención. En el bloque 102, el proceso 100 puede hacer que el aerogenerador entre en el modo inactivo o estacionado de modo que las palas 20 del rotor 16 no estén girando.

Una vez que el aerogenerador 10 ha entrado en modo inactivo/estacionado, el proceso 100 puede pasar al bloque 104 y hacer guiñar la góndola 14 a una posición inicial (por ejemplo, cero grados) antes de pasar al bloque 106 para comenzar a recopilar y procesar datos de acelerómetro. El proceso 100 puede recopilar datos de acelerómetro durante un período de tiempo (por ejemplo, un minuto) mientras que la góndola 14 está en la posición de guiñada. El proceso 100 puede determinar el inicio del período de recopilación de datos en base a una señal de un motor de guiñada que indica que la guiñada se ha detenido y, de este modo, la góndola 14 está en una posición de guiñada fija. En una realización de la invención, se puede descartar una cantidad de datos predeterminada desde el comienzo del período, por ejemplo, los primeros 10 segundos. Descartando estos datos de inicio pueden eliminarse influencias dinámicas (por ejemplo, oscilaciones de la torre) resultantes de detener o arrancar el motor de guiñada. En algunas realizaciones, también se puede descartar una cantidad de datos predeterminada del final del período, por ejemplo, los últimos pocos segundos. Los datos al final del período se pueden descartar en los casos en los que el controlador que recopila datos no controla cuándo se inicia el sistema de guiñada 60 y, de este modo, meramente responde a la detección del inicio de la guiñada. En cualquier caso, el proceso 100 puede filtrar los datos restantes usando un algoritmo de filtrado que preserva la contribución estática de la gravedad a la salida del acelerómetro (por ejemplo, un algoritmo de filtrado de paso bajo), y determinar un valor medio de los datos filtrados. El proceso 100 entonces puede almacenar el valor medio para usarlo en la determinación de la inclinación de la torre.

Una vez que el proceso 100 ha recopilado y procesado los datos de aceleración, el proceso 100 puede pasar al bloque 108 y determinar si se han recopilado y procesado datos de aceleración para cada una de una pluralidad de posiciones de guiñada, por ejemplo, 10 posiciones separadas uniformemente a lo largo de 360 grados de rotación. Si no se han recopilado datos de aceleración para cada posición de guiñada (rama “NO” del bloque de decisión 108), el proceso 100 puede pasar al bloque 110, guiñar la góndola 14 hasta la siguiente posición de guiñada, y volver al bloque 106 para comenzar a recopilar y procesar datos de aceleración para esa posición de guiñada. Si los datos de aceleración se han recopilado y procesado para cada posición de guiñada (rama “SÍ” del bloque de decisión 108), el proceso 100 puede pasar al bloque 112.

En el bloque 112, el proceso 100 puede eliminar la tendencia de los datos de aceleración procesados de cada posición de guiñada. La eliminación de la tendencia puede eliminar las influencias debidas a que la posición del acelerómetro 50 está desplazada del eje de rotación 42.

En el bloque 114, el proceso puede determinar si la aceleración medida en cada posición de guiñada coincide con un perfil esperado. Por ejemplo, los niveles de aceleración se pueden trazar frente a la posición de guiñada y en comparación con una función sinusoidal. Esta comparación puede incluir ajustar la función trazada a la función sinusoidal (por ejemplo, escalar la amplitud y el período, y añadir un desplazamiento de fase a la función trazada), determinar un error cuadrático medio entre los gráficos y comparar el error cuadrático medio con un umbral. Si los datos de aceleración no coinciden con el perfil (rama “NO” del bloque de decisión 114), el proceso 100 puede pasar al bloque 116, descartar los datos y terminar. El proceso 100 puede determinar que los datos de aceleración no coinciden con el perfil, por ejemplo, si el error cuadrático medio está por encima de un umbral predeterminado que indica que los datos están corruptos o no son fiables de otro modo.

Si los datos de aceleración coinciden con el perfil (rama “SÍ” del bloque de decisión 114), el proceso 100 puede pasar al bloque 118 y determinar la inclinación de la torre. El proceso 100 puede determinar la inclinación de la torre determinando los niveles de aceleración mínimo y máximo amin, amax medidos a lo largo de las posiciones de guiñada. Los niveles de aceleración mínimo y máximo amin, amax se pueden normalizar a 1g, una función arcoseno aplicada a cada valor normalizado, y una diferencia entre los resultados determinados según la siguiente ecuación:

Ecuación 18

El proceso 100 entonces puede determinar la inclinación de la torre dividiendo el resultado de la Ecuación 18 por 2. Una vez que se ha determinado la inclinación de la torre, el ángulo de inclinación 0, los datos de aceleración, o tanto el ángulo de inclinación 0 como los datos de aceleración se pueden almacenar en la memoria (por ejemplo, en una base de datos central), y terminar el proceso 100.

La FIG. 8 representa los gráficos 120, 130 que ilustran resultados experimentales obtenidos procesando datos de aceleración obtenidos de cuatro acelerómetros en la góndola de un aerogenerador de acuerdo con una realización de la invención. El gráfico 120 incluye los trazos 122-125 para la salida de cada acelerómetro frente al ángulo de guiñada en coordenadas polares. El gráfico 130 incluye los trazos 132-135 para la salida de cada acelerómetro frente al ángulo de guiñada en coordenadas cartesianas. Para el análisis se usaron aceleraciones de cuatro nodos de control distribuidos medidas en la dirección y.

Ventajosamente, el proceso para determinar la inclinación de la torre se puede automatizar completamente, de modo que se puedan implementar las realizaciones de la invención para recopilar datos de inclinación de la torre sin requerir interacción humana. Los datos recopilados se pueden almacenar automáticamente en una base de datos y usar para determinar tendencias a largo plazo en el comportamiento de la torre, por ejemplo, comportamiento diurno, estacional y relacionado con el envejecimiento. Además, los sistemas se pueden configurar para recopilar solamente los datos de aceleración a velocidades del viento por debajo del corte con el fin de evitar la pérdida de producción de energía. Debido a que los datos se toman a partir de múltiples ángulos de guiñada, el proceso también puede compensar que la torre esté fuera de vertical debido al momento de voladizo de la góndola.

Habiendo establecido realizaciones de obtención de la inclinación de la torre, se puede determinar un efecto dependiente del tiempo de la luz solar sobre la inclinación de la torre recopilando un primer conjunto de datos de los datos de aceleración durante un primer período de tiempo, y recopilando un segundo conjunto de datos de los datos de aceleración durante un segundo período de tiempo. Teniendo los dos conjuntos de datos, una primera inclinación de la torre se puede determinar a partir del primer conjunto de datos y una segunda inclinación de la torre se puede determinar a partir del segundo conjunto de datos. Un efecto dependiente del tiempo de la presencia o ausencia de luz solar sobre la inclinación de la torre se determina en base a la primera inclinación de la torre y la segunda inclinación de la torre. El primer período de tiempo y el segundo período de tiempo que son períodos con diferentes niveles de luz solar en la torre. En una realización, esto se puede hacer comparando los niveles de inclinación de la torre durante el día frente a durante la noche. En otra realización, se pueden usar sensores de nivel de luz para establecer el primer período de tiempo y el segundo período de tiempo como períodos de diferentes niveles de luz solar. Otras medidas menos directas para establecer diferentes niveles de luz solar pueden ser información tal como la nubosidad en el emplazamiento del aerogenerador.

En general, se puede hacer referencia en la presente memoria a las características, funciones, aplicaciones, procesos o módulos ejecutados para implementar las realizaciones de la invención como “código de programa informático” o simplemente “código de programa”. El código de programa típicamente comprende instrucciones legibles por ordenador que, cuando se leen y ejecutan por uno o más procesadores de un dispositivo informático, hacen que el dispositivo informático realice las operaciones necesarias para implementar realizaciones de la invención. El código de programa incorporado en cualquier aspecto de la invención descrita en la presente memoria es capaz de ser distribuido individual o colectivamente como un producto de programa informático en una variedad de formas diferentes. En particular, el código del programa se puede distribuir usando un medio de almacenamiento legible por ordenador no transitorio que tenga instrucciones de programa legibles por ordenador en el mismo. Las instrucciones de programa legibles por ordenador también se pueden descargar a un dispositivo informático desde un medio de almacenamiento legible por ordenador, así como ser guardadas en un medio de almacenamiento legible por ordenador una vez que se han descargado en el dispositivo informático.

La terminología usada en la presente memoria es con el propósito de describir realizaciones particulares solamente y no se pretende que sea limitante de las realizaciones de la invención. Como se usa en la presente memoria, las formas singulares “un”, “una”, “el” y “la” se pretende que incluyan las formas tanto singular como plural, y los términos “y” y “o” se pretende que incluyan cada uno combinaciones tanto alternativas como conjuntivas, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Se entenderá además que los términos “comprende” o “que comprende”, cuando se usan en esta especificación, especifican la presencia de características, enteros, acciones, pasos, operaciones, elementos o componentes indicados, pero no excluyen la presencia o adición de una o más de otras características, enteros, acciones, pasos, operaciones, elementos, componentes o grupos de los mismos. Además, en la medida en que los términos “incluye”, “que tiene”, “tiene”, “con”, “compuesto por” o variantes de los mismos se usan o bien en la descripción detallada o bien en las reivindicaciones, tales términos se pretende que sean inclusivos de una manera similar al término “que comprende”.

Si bien toda la invención se ha ilustrado mediante una descripción de varias realizaciones, y si bien estas realizaciones se han descrito con considerable detalle, no es la intención del Solicitante restringir o limitar de ninguna manera el alcance de las reivindicaciones adjuntas a tal detalle. Ventajas y modificaciones adicionales aparecerán fácilmente a los expertos en la técnica. Por lo tanto, la invención en sus aspectos más amplios no se limita a los detalles específicos, al aparato y método representativos y a los ejemplos ilustrativos mostrados y descritos. Por consiguiente, se pueden hacer desviaciones de tales detalles.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método de medición de una inclinación de una torre (12) de un aerogenerador (10) que incluye una góndola (14) montada en la torre (12), que comprende:

recopilar datos de aceleración de un acelerómetro (50) acoplado operativamente a la góndola (14) y configurado para detectar la aceleración a lo largo de un eje de acelerómetro (x, y, z) mientras que la góndola (14) está en cada una de una pluralidad de posiciones de guiñada;

determinar un nivel de aceleración a lo largo del eje de acelerómetro (x, y, z) debido a la gravedad (28) en cada posición de guiñada para generar una pluralidad de niveles de aceleración; y

determinar la inclinación de la torre (12) en base a la pluralidad de niveles de aceleración que comprende además los pasos:

recopilar un primer conjunto de datos de los datos de aceleración durante un primer período de tiempo; recopilar un segundo conjunto de datos de los datos de aceleración durante un segundo período de tiempo; determinar una primera inclinación de la torre (12) a partir del primer conjunto de datos;

determinar una segunda inclinación de la torre (12) a partir del segundo conjunto de datos; y

determinar un efecto dependiente del tiempo de la presencia o ausencia de luz solar en la inclinación de la torre (12) en base a la primera inclinación de la torre (12) y la segunda inclinación de la torre (12).

2. El método según la reivindicación 1, en donde la góndola (14) gira alrededor de un eje de rotación (42), y el acelerómetro (50) está configurado de modo que el eje de acelerómetro (x, y, z) es normal al eje de rotación (42).

3. El método según la reivindicación 2, en donde la pluralidad de posiciones de guiñada cubre una rotación completa de la góndola (14) alrededor del eje de rotación (42).

4. El método según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en donde determinar la inclinación de la torre (12) en base a la pluralidad de niveles de aceleración comprende:

determinar un nivel de aceleración máximo de la pluralidad de niveles de aceleración;

determinar un nivel de aceleración mínimo de la pluralidad de niveles de aceleración; y

determinar la inclinación de la torre (12) en base al nivel de aceleración máximo y al nivel de aceleración mínimo.

5. El método según la reivindicación 4, en donde determinar la inclinación de la torre (12) en base al nivel de aceleración máximo y al nivel de aceleración mínimo comprende:

determinar una primera inclinación del acelerómetro (50) en base al nivel de aceleración máximo;

determinar una segunda inclinación del acelerómetro (50) en base al nivel de aceleración mínimo;

determinar la inclinación de la torre (12) en base a una diferencia entre la primera inclinación del acelerómetro (50) y la segunda inclinación del acelerómetro (50).

6. El método según cualquiera de las reivindicaciones 1-5, en donde recopilar los datos de aceleración del acelerómetro (50) mientras que la góndola (14) está en cada una de la pluralidad de posiciones de guiñada comprende, en cada posición de guiñada:

detener la góndola (14) en la posición de guiñada;

recopilar datos de aceleración durante un periodo de tiempo mientras que la góndola (14) está detenida; y reiniciar la guiñada de la góndola (14) después del periodo de tiempo.

7. El método según la reivindicación 6, que comprende además:

descartar una primera parte de los datos de aceleración recopilados durante una parte de inicio del período de tiempo;

opcionalmente, descartar una segunda parte de los datos de aceleración recopilados durante una parte final del período de tiempo; y

filtrar paso bajo una parte restante de los datos de aceleración que no se descartaron para producir datos de aceleración filtrados,

en donde el nivel de aceleración en cada posición de guiñada se determina en base a los datos de aceleración filtrados.

8. El método según la reivindicación 7, que comprende además:

determinar un valor medio del nivel de aceleración en cada posición de guiñada en base a los datos de aceleración filtrados; y

eliminar la tendencia de los datos de aceleración filtrados en base a los valores medios de los niveles de aceleración.

9. El método según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, que comprende además:

generar un gráfico de aceleración (132) que incluye el nivel de aceleración en cada posición de guiñada trazado en relación con la posición de guiñada;

comparar el gráfico de aceleración (132) con un gráfico sinusoidal; y

descartar los datos de aceleración si el gráfico de aceleración (132) no coincide con el gráfico sinusoidal.

10. El método según cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en donde los datos de aceleración se recopilan mientras que el aerogenerador (10) está en un modo inactivo con poco viento o un modo estacionado.

11. El método según cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en donde los datos de aceleración se recopilan mientras que la velocidad del viento está por debajo de un umbral de velocidad del viento seleccionado del grupo que consiste en una velocidad del viento de corte y una velocidad del viento de servicio.

12. Un aerogenerador (10) que comprende:

un controlador (64) en comunicación con el acelerómetro (50) y configurado para implementar el método de cualquiera de las reivindicaciones 1-11.

13. Un producto de programa informático que comprende:

un medio de almacenamiento legible por ordenador no transitorio; y

código de programa almacenado en el medio de almacenamiento legible por ordenador no transitorio que, cuando se ejecuta por uno o más procesadores (66) de un controlador (64), hace que el controlador (64) implemente el método de cualquiera de las reivindicaciones 1-11.

14. Un controlador (64) para un aerogenerador (10) que comprende:

uno o más procesadores (66); y

una memoria (68) acoplada al uno o más procesadores (66) y que incluye código de programa que, cuando se ejecuta por el uno o más procesadores (66), hace que el controlador (64) implemente el método de cualquiera de las reivindicaciones 1-11.