ES2354619T3

ES2354619T3 - Procedimiento para controlar las palas de rotor de una instalación de energía eólica, así como energía eólica con sistemas de medición para llevar a cabo el procedimiento.

Info

Publication number: ES2354619T3
Application number: ES05753558T
Authority: ES
Inventors: Peter Volkmer
Original assignee: IGUS - INNOVATIVE TECHNISCHE SYSTEME GmbH; IGUS INNOVATIVE TECH SYSTEME GmbH
Current assignee: IGUS - INNOVATIVE TECHNISCHE SYSTEME GmbH; IGUS INNOVATIVE TECH SYSTEME GmbH
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2025-05-11
Also published as: EP1745214B1; DK1745214T4; ATE485447T1; DE112005001630A5; DE502005010419D1; EP1745214A1; WO2005111414A1; EP1745214B2; DK1745214T3

Abstract

Procedimiento para maniobrar y/o controlar las palas de rotor de una instalación de energía eólica, en el que se detecta el estado de tensión o de alargamiento de una pala de rotor mediante un método por fibra óptica y/o piezoeléctrico, y en el que se activa bien sea una señal de alarma y/o se realiza una maniobra de la posición de la pala de rotor en función de la señal de detección obtenida, caracterizada por que se supervisa el método por fibra óptica y/o piezoeléctrico con un método que opera a base de una comparación de espectros de las señales de resonancia, de frecuencia propia, de caudal y/o de reflexión.

Description

El invento se refiere a un procedimiento para gobernar y/o controlar las palas de rotor de una instalación de energía eólica, en la que se detecta el estado de alargamiento de una pala de rotor de la instalación de energía eólica mediante un método por fibra óptica y/o piezoeléctrico y se activa bien sea una señal de alarma y/o se realiza un gobierno de la posición de la pala de rotor en función de la señal de 5 detección obtenida.

El invento se refiere también a una instalación de energía eólica con un mástil, una góndola dispuesta rotativamente en el mismo y un rotor unido con la góndola por medio de un árbol, que se compone de por lo menos un par de paletas de rotor, habiéndose dispuesto en al menos una pala de rotor un primer sensor de un primer sistema de medición, que está formado por un sistema de medición 10 por fibra óptica y/o piezoeléctrico.

Las instalaciones de energía eólica para transformar energía eólica en energía eléctrica se componen de un mástil, en el que se ha dispuesto rotativamente una góndola. En la góndola, se ha alojado al menos una parte de un sistema electrónico de gobierno y un generador. El generador presenta un árbol de generador, con el que se han acoplado palas de rotor. Además, se han previsto, por lo gene-15 ral, tres palas de rotor, aunque se conocen también instalaciones con varias palas de rotor o con dos.

Las palas de rotor forman parte de los componentes sometidos a más esfuerzo de una instalación de energía eólica. Han de resistir las enormes fuerzas de propulsión y centrífugas, las corrien-tes de viento, las turbulencias, los rayos solares, la lluvia y las precipitaciones de nieve así como su utilización en servicio continuo durante muchos años. Una duración prolongada es de importancia decisi-20 va para una operación económica de las instalaciones de energía eólica.

A tal efecto, se proporciona en el documento DE 100 65 314 A1 un procedimiento y un mecanismo para la supervisión del estado de las palas de rotor en instalaciones de energía eólica. Para ello, se miden los espectros de las señales de frecuencias de resonancia y de la frecuencia propia o de las señales de caudal y de reflexión tras la emisión de señales de excitación o de una autoexcitación en el 25 funcionamiento de una instalación de energía eólica o de ruidos propios del funcionamiento. A partir de mediciones comparativas anteriores con ya sea palas de rotor no averiadas o con palas de rotor inútiles, se obtienen espectros teóricos, que caracterizan ya sea el estado normal o bien un estado defectuoso. Los espectros medidos se comparan luego con los espectros teóricos directamente o por medio de cálculos matemáticos intermedios. De acuerdo con esta comparación, se activa una señal de avería al 30 abandonar el estado normal o al presentarse un espectro medido correspondiente al espectro teórico deteriorado, señal que se puede utilizar ulteriormente para la evaluación de forma diferente.

Existe además la posibilidad de que los sensores, es decir, los receptores de vibracio-nes, se encolen directamente en las palas de rotor. Un ordenador, que se encuentra en el buje o en la góndola, recoge una modificación análogo-digital de las señales del sensor y las transmite preferiblemen-35 te por medio de red local sin cables del buje a la góndola y de la góndola mediante red local sin cables o por cable al pie de la torre. En ordenadores de evaluación y comunicación, que se encuentra allí, se determinan los respectivos estados de las palas de rotor comparando los espectros reales medidos con los espectros teóricos consignados para diversos estados conocidos normales y averiados. Todos los datos de medición y de análisis se archivan en un servidor de reserva a discreción en el parque eólico del 40 explotador o de una tercera empresa. Los estados actuales de las palas de rotor pueden representarse en cada instante, por ejemplo, por Internet u hojendo páginas web.

Con este método se pueden identificar y solventar precozmente la formación de grietas, los desprendimientos de chapado, los desprendimientos de nervios y de escamas así como los descon-chados de las palas de rotor, antes de que se produzcan mayores daños. Se pueden identificar también 45 los daños, que queden en el interior de las palas de rotor y no se puedan reconocer visualmente por fuera así como las modificaciones de larga duración, como, por ejemplo, acritudes, que den lugar a una modifi-cación del módulo de elasticidad. Con ello, se reduce notablemente la propensión a averías de las insta-laciones de energía eólica, ya que es posible un mantenimiento preventivo y, dado el caso, una reparación en tiempos de vientos débiles. 50

Además, se puede determinar inmediatamente, tras descargas de rayos, si han apareci-do daños en la pala de rotor, que requieran, dado el caso, una intervención.

Una acción del hielo en la pala de rotor se puede reconocer muy exactamente y se detecta en la pala de rotor y no por mediciones indirectas mediante sensores de hielo en la góndola.

Se previenen roturas de palas y daños secundarios debidos a grandes averías de modo 55 que se puedan evitar básicamente los siniestros totales.

Pero también se conocen otros métodos de medición y control, que incluyen métodos de medición por fibra óptica y piezoelectricidad. Así, pues, en el documento EP 0 890 081 se describe un sistema de sensores para medir la tensión mecánica y la temperatura, en especial, en palas de rotores de turbinas y de hélices. En el mismo, se describe la disposición de las fibras ópticas, que realizan un prime-ro y un segundo circuitos, que se someten a una fuente de luz. La luz así emitida es modificada por los 5 circuitos ópticos o bien se producen, además, interferencias. Estas interferencias se diferencian en caso de una modificación mecánica de los circuitos ópticos, en especial, de un alargamiento de los mismos, que se producen a consecuencia de dilataciones.

En el documento EP 0 640 824, se describe un sistema de detección para determinar daños estructurales mediante fibras ópticas. Asimismo se describen, además, sistemas detectores de 10 deformaciones y daños montados en la superficie para supervisar la integridad estructural en el interior de la construcción de palas de rotor.

En el documento EP 0 702 780, se conoce asimismo un sistema de medición de fibras ópticas, que no mide, sin embargo, la dilatación de los sistemas compound, como, por ejemplo, las palas de rotor, sino su curvatura, aunque no en la parte dilatada del sistema compound. 15

En el documento DE 102 14 984 A1, se describe un sistema de análisis de actores y sensores para estructuras compound, en el que los actores se han realizado como actores de piezocerá-mica y se han dispuesto sensores de rejilla de Bragg de fibras de actores para la medición de la reacción a las excitaciones de los mismos. Esta disposición se ha previsto para la amortiguación activa de las vibraciones en estructuras compound y/o para el control de la forma de las mismas. 20

Una utilización de sistemas de análisis de actores y sensores en instalaciones de energía eólica se ha descrito también en la página web de Internet
http://www.smartfibres.com .

En el documento DE 197 39 162 A1, se describe una instalación de energía eólica, que revela un rotor con palas de rotor, que pueden regularse en su posición de palas de rotor. Para regular la posición de las palas de rotor, se ha representado un dispositivo de gobierno, que forma parte de un 25 circuito regulador. Con ayuda de cálculos de los pares de fuerzas, en especial, del par de rotación, del par de guiñada o del par de cabeceo se realiza una regulación apropiada de las posiciones de las palas de rotor. También se conoce la regulación de la posición de la pala de rotor midiendo las deformaciones de la pala de rotor, determinándose la deformación de la pala de rotor por medio de una medición piezométrica o por fibra óptica. 30

En el documento EP-A-1 230 479, se describe un método de gobierno las palas de rotor de una instalación de energía eólica, en el que se detecta mediante un sensor de fibra óptica el estado de la tensión y el alargamiento de una pala de rotor y se realiza un control de la posición de la pala de rotor en función de la señal de detección obtenida.

De modo análogo, se realiza en el documento US 2004/067134 un control de la posición 35 de una pala de rotor en función de la carga incidente, obteniéndose, en este caso, el estado de la tensión y el alargamiento de la pala de rotor mediante un sensor piezoeléctrico.

Resulta desventajoso en el empleo de sistemas de medición piezoeléctricos o por fibra óptica, que, la mayor parte de las veces, generan señales erróneas al producirse defectos en las palas de rotor del modo explicado al principio. Si se formase, por ejemplo, una grieta en la pala de rotor, no de-40 biendo ir dicha grieta necesariamente por un circuito óptico de un sistema de medición de fibra óptica, entonces se señaliza un mayor alargamiento de la pala a resultas de la resistencia disminuida en conse-cuencia, aunque esta fuerza (fuerza de propulsión) provocadora normalmente del alargamiento no existie-se propiamente en absoluto. Si se utilizase, acto seguido, una señal de alargamiento semejante, por ejemplo, para el control de la regulación de la pala de rotor, tendría lugar automáticamente una orienta-45 ción errónea de la pala de rotor, lo que podría dar lugar a una reducción del rendimiento de la instalación de energía eólica y, en el peor de los casos, a un deterioro adicional del estado defectuoso.

Es, por ello, misión del invento desarrollar mediciones de las palas de rotor o controles de las palas de rotor, basados en un método de medición de alargamientos por fibra óptica o piezoeléctri-co, más seguros en su información o en su función reguladora. 50

Desde el punto de vista del procedimiento, se resuelve el problema por que el método por fibra óptica y/o piezométrico se supervise con un método, que opere mediante una comparación de espectros de las señales de resonancia, de frecuencia propia, de caudal y/o de reflexión según el docu-mento DE 100 65 314 A1.

En una configuración favorable del método, se mide además el espectro de las señales de resonancia, de frecuencia propia, de caudal y/o de reflexión y se compara con un espectro teórico correspondiente. Seguidamente, se forma una señal de avería en función de la magnitud de la desviación del espectro medido fuera de una región de permisividad y, al producirse señales de avería selecciona-das, se actúe sobre el control de la posición de la pala de rotor de tal modo que se establezca un alarga-5 miento adaptado a la modificación del control como magnitud de control.

Resulta favorable, en este caso, que utilizándose un alargamiento adecuado como magnitud de control se active una señal de alarma.

En otra configuración adicional del método según el invento, se ha previsto que, con una regulación de la posición de la pala de rotor en función de la señal de detección, se ajuste la pala de rotor 10 mediante la regulación a una posición adaptada hasta la menor carga. Si se obtuviese por el método piezoeléctrico o por fibra óptica una señal defectuosa en la pala de rotor dañada, lo que daría lugar a una regulación incorrecta de la pala de rotor, podría darse lugar a la destrucción completa de la pala de rotor.

En otra configuración más, se ha previsto también, para ello, que, con una regulación de la posición de la pala de rotor en función de la señal de detección, se ponga completamente fuera de 15 servicio la instalación de energía eólica mediante la regulación, lo que puede decidirse según la cuantía del daño.

El problema tocante a la disposición se resuelve según el invento por medio de una instalación de energía eólica, en la que se dispone un segundo sensor de un segundo sistema de medi-ción, supervisando al segundo sistema de medición con un orden superior al del primer sistema de medi-20 ción. El segundo sistema de medición está formado por un sistema de medición basado en la comparación de espectros de resonancia, frecuencia propia, caudal y/o reflexión.

Con esta disposición, será posible supervisar el primer sistema de medición con el segundo sistema de medición y, por consiguiente, verificar las señales de detección del primer sistema de medición. 25

En una configuración ventajosa de la instalación de energía eólica según el invento, se prevé que el primer sistema de medición presente una primera unidad de emisión y el segundo sistema de medición, una segunda unidad de emisión, y que la segunda unidad de emisión esté conectada con la primera unidad de emisión.

En otra configuración del invento, se ha previsto que el primer sistema de medición 30 forme parte de un circuito de regulación, que comprenda una unidad de control, que gobierne la posición de la pala de rotor, y que la segunda unidad de emisión esté conectada con la unidad de mando. Con ello, se garantiza que, en el caso de que se produzca una señal de avería, la unidad de mando pueda ser excitada en consecuencia de modo que la posición de la pala de rotor pueda realizarse de tal modo que la pala de rotor absorba una carga mínima o que la instalación de energía eólica pueda ponerse también 35 fuera de servicio.

El invento se explicará más detalladamente, a continuación, por medio de un ejemplo de realización. El dibujo correspondiente muestra un circuito de regulación para la realización según el invento.

El tramo 1 de regulación está formado por la pala de rotor. En la pala de rotor, se 40 encuentran unos primeros sensores 2, que corresponden a un primer regulador 3. Estos primeros senso-res 2 representan sensores de fibra óptica de modo que a través del primer regulador 3 pueden medirse alargamientos mediante una medición de interferencias en los sensores de fibra óptica. El primer regula-dor 3 ajusta luego la pala de rotor de manera que resulte una desviación de la regulación apropiada, que se regula a cero, por la magnitud de conducción que se representa por la máxima dilatación. En la pala de 45 rotor se disponen asimismo unos segundos sensores 4, que absorben el espectro de vibraciones de la pala de rotor y lo comparan en la unidad 5 de evaluación con un espectro teórico. Tan pronto como la unidad 5 de evaluación determine una desviación no permisible para estados seleccionados, se actúa sobre un primer regulador 3 de modo que active sobre la pala de rotor un ajuste tal que presente la menor carga. 50

LISTA DE REFERENCIAS NUMÉRICAS

1 Tramo de regulación

2 Primer sensor

3 Primer regulador

4 Segundo sensor

5 Unidad de evaluación 5

Claims

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento para maniobrar y/o controlar las palas de rotor de una instala-ción de energía eólica, en el que se detecta el estado de tensión o de alargamiento de una pala de rotor mediante un método por fibra óptica y/o piezoeléctrico, y en el que se activa bien sea una señal de alarma y/o se realiza una maniobra de la posición de la pala de rotor en función de la señal de detección obteni-5 da, caracterizada por que se supervisa el método por fibra óptica y/o piezoeléctrico con un método que opera a base de una comparación de espectros de las señales de resonancia, de frecuencia propia, de caudal y/o de reflexión.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que se mide un espectro de las señales de resonancia, de frecuencia propia, de caudal y/o de reflexión de la pala de rotor 10 y se compara con un espectro teórico correspondiente, formándose seguidamente una señal de avería en función de la magnitud de la desviación del espectro medido fuera de una región de permisividad, y, en caso de presentarse señales de avería seleccionadas, la maniobra de la posición de la pala de rotor es influenciada de modo que se aplique un alargamiento adaptado a la modificación en la maniobra en tanto que magnitud de control. 15
3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque utilizando un alargamiento adaptado como magnitud de maniobra se activa una señal de alerta.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque con una regula-ción de la posición de la pala de rotor en función de la señal de detección, se pone la pala de rotor me-diante la regulación en una posición adaptada hasta la menor carga mediante la regulación. 20
5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque, con una regula-ción de la posición de la pala de rotor en función de la señal de detección, la instalación de energía eólica se desconecta y se enclava mediante la regulación.
6. Instalación de energía eólica para llevar a cabo el procedimiento según la reivindicación 1, con un mástil, una góndola dispuesta de modo rotativo en el mismo y un rotor conectado 25 mediante un árbol a la góndola, rotor que se compone de al menos dos palas de rotor, habiéndose dis-puesto en al menos una pala de rotor un primer sensor de un sistema de medición, formado por un sistema de medición por fibra óptica y/o piezoeléctrico, caracterizado porque se ha dispuesto un segundo sensor de un segundo sistema de medición, que está constituido por un sistema de medición basado en la comparación de espectros de las señales de resonancia, de frecuencia propia, de caudal y/o de re-30 flexión, y porque el segundo sistema de medición se ha dispuesto supervisando con orden superior al primer sistema de medición.
7. Instalación de energía eólica según la reivindicación 6, caracterizada porque el primer sistema de medición presenta una primera unidad de emisión y el segundo sistema de medición, una segunda unidad de emisión, y porque la segunda unidad de emisión está conectada con la primera 35 unidad de emisión.
8. Instalación de energía eólica según la reivindicación 6 ó 7, caracterizada porque el primer sistema de medición forma parte de un circuito de regulación, que comprende una unidad de control, que controla la posición de la pala de rotor, y porque la segunda unidad de emisión está conectada con la primera unidad de control. 40