ES2398022B1 - Sistema y metodo para la deteccion de hielo en aerogeneradores utilizando sensores de radiacion solar. - Google Patents

Sistema y metodo para la deteccion de hielo en aerogeneradores utilizando sensores de radiacion solar. Download PDF

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Abstract

La presente invención define un sistema y método que tiene como objetivo medir la radiación solar directa recibida por un aerogenerador para detectar la formación de hielo. El valor medido se compara subsiguientemente con una curva de radiación teórica en la que los valores medidos en un día nublado están claramente por debajo de las curvas teóricas. La detección se realiza considerando la presencia de nubes y la temperatura. Los parámetros medidos son preferentemente la transmitancia solar directa y la temperatura ambiente.

Description

SISTEMA Y MÉTODO PARA LA DETECCIÓN DE HIELO EN AEROGENERADORES UTILIZANDO SENSORES DE RADIACIÓN SOLAR
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un sistema y un método
para
la detección de la formación de hielo en
aerogeneradores,
especialmente en palas del rotor, que
utiliza
sensores de la radiación directa del sol.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Debido a la presencia de parques eólicos en zonas frías, a veces es necesario implementar sistemas y métodos que sean capaces de detectar anomalías en la curva de potencia asociada a la formación de hielo o escarcha en las palas de los aerogeneradores y en otros componentes principales.
La acumulación de hielo en los aerogeneradores supone un problema grave en las zonas de climas frío que reduce la producción de energía y asimismo acorta el tiempo estimado de vida útil de los componentes principales en los aerogeneradores. Estos pueden verse afectados por diversos tipos de hielo, como la escarcha, lluvia subenfriada, nieve húmeda, rime, etc.
Además este no es un problema que sólo suceda en climas fríos ya que puede darse en gran número de condiciones diferentes. El hielo puede encontrase en áreas costeras, principalmente en latitudes altas, y también en terreno montañoso. El problema principal en áreas de montaña o cercanas a las cimas de colinas es la formación de hielo
cuando la base de las nubes se sitúa a una altura o altitud inferior al del centro o nacelle del
aerogenerador. Dicho acontecimiento se llama formación de hielo dentro de una nube, "in-cloud icing". La precipitación de nieve es otra causa conocida en la formación de hielo. Ambos casos normalmente muestran condiciones de nubosidad como factor común. De otro lado se puede demostrar que la formación de hielo no aparece en cielos despejados.
Los estándares conocidos, tal como la norma ISO 12494, definen varios tipos de hielo y las condiciones
meteorológicas necesarias para su formación. Entre las variables empíricas encontramos la velocidad y dirección del viento, la temperatura y la duración de la condición de presencia de la nube en el aerogenerador. Estos sistemas típicamente utilizan higrómetros basados en el principio de que el contenido de vapor de agua dentro de la nube está muy cercano o es superior a la presión de saturación del vapor. Ello significa que la humedad relativa es por lo general superior al 95 %. Sin embargo dichos sistemas no son del todo fiables. En zonas costeras y en parques eólicos en el mar, "off shore", los valores de humedad relativa pueden ser altos en todo momento, incluso sin la presencia de ninguna nube.
Uno de tales sistemas se describe en el documento de patente US7086834. Se trata de un método para la detección de hielo en una pala de rotor que incluye el seguimiento de las condiciones meteorológicas y las características físicas de la turbina que pueda causar un desequilibrio de masa entre palas del rotor.
Otro de los problemas de los sistemas que se conocen se encuentra en el mismo higrómetro. Si la calibración se efectúa para un valor de la presión de saturación de vapor cuando dicho agua se encuentra en forma líquida, puede
resultar que se obtenga una medida incorrecta de la humedad relativa cuando la temperatura sea menor que 0° C.
Es por tanto también objeto de la presente invención proponer un sistema y un método capaces de detectar condiciones de nubosidad en un parque eólico que no sufra los inconvenientes del estado de la técnico y de poder agregar una señal de control a un algoritmo de control para la detección de hielo de manera precisa.
Otro de los objetos de la presente invención es el proponer un sistema y método alternativo que sea simple y fiable y que no acaree problemas de calibración.
RESUMEN DE LA INVENCION
La presente invención tiene como propósito medir la radicación solar recibida por un aerogenerador con el fin de detectar la formación de hielo. Los valores medidos son posteriormente comparados a una curva de radiación teórica en la que los valores medidos en un día nuboso serán claramente menores de aquellos procedentes de las curvas teóricas. La detección de hielo se lleva a cabo considerando preferentemente la presencia de nubes y las bajas temperaturas.
La presente invención define un sistema de detección de hielo que comprende una entrada de temperatura para una señal que representa la temperatura ambiente en el lugar
de
dicho aerogenerador, y que comprende un sensor
de
radiación
solar directa situado cerca de o sobre el
aerogenerador,
y que adicionalmente comprende medios de
cálculo
de la transmitancia para calcular un parámetro
relacionado con el valor de la transmitancia de la
radicación solar directa y con un valor de referencia predeterminado, y que comprende medios para la detección de hielo para generar una señal de detección de hielo basada en el valor de la transmitancia y dicha temperatura ambiente en el lugar del aerogenerador.
Preferentemente el sensor de radiación solar directa comprende un sensor de temperatura de radiación parcialmente o totalmente expuesto a la radiación solar directa, en el que los medios de cálculo de la transmitancia se basan en la diferencia entre los valores medios de dicho sensor de temperatura de radiación solar y de la temperatura ambiente.
Dicha referencia predeterminada se basa ventajosamente en el valor de radiación solar directa recibió sobre o en el lugar de la turbina en un día sin presencia de nubes. Además dicho valor de referencia predeterminado puede basarse en la ecuación de Hottel. Dicho sensor de radiación es preferiblemente un piranómetro.
La presente invención se utiliza preferiblemente en sistemas de control de aerogeneradores que comprenden medios de entrada para recibir una alarma y señales de salida de dichos sistemas de detección de hielo, y medios de actuación para controlar la operación de los aerogeneradores basados en dicha alarma y señales de salida.
Además la presente invención se usa preferiblemente en un parque eólico en el que el sistema de detección de hielo se sitúa sustancialmente a la misma altura que los bujes o nacelles del aerogenerador. El sistema de detección de hielo se sitúa ventajosamente sobre una nacelle situada dentro del parque eólico.
La presente invención también incluye un método de detección de hielo para un aerogenerador que comprende los pasos de proveer una señal que represente la temperatura ambiente en el lugar de dicho aerogenerador, y de medir la radiación solar directa cerca de o sobre tal aerogenerador, y de calcular un parámetro relacionado con el valor de la transmitancia de la radiación solar directa basado en una medida de la radiación directa y en un valor de referencia predeterminado, y generar un señal de detección de hielo basada en dicho valor de la transmitancia y dicha temperatura ambiente en el lugar del aerogenerador.
Preferentemente en el método de detección de hielo de la presente invención el paso de medir la radiación solar directa cerca de o sobre el aerogenerador incluye el paso de medir la temperatura de un sensor al menos parcialmente expuesto a la radiación solar directa, y el paso de calcular un parámetro relacionada con el valor de la
transmitancia
de la radiación solar directa se basa en la
diferencia
entre la temperatura del sensor al menos
parcialmente
expuesto a la radiación solar directa y la
temperatura
ambiente.
FIGURAS
La figura la muestra una gráfica de la radiación incidente del sol con respecto al tiempo y que compara el modelo de Hottel con datos experimentales obtenidos en días claros sin nubes.
La figura lb muestra la radiación incidente del sol con respecto al tiempo y que compara el modelo de Hottel y datos experimentales obtenidos en un día nublado.
La figura 2 muestra la localización de dos sensores de temperatura situados sobre la nacelle del aerogenerador.
DESCRIPCION DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS
Uno de las realizaciones de la presente invención se basa en el uso de piranómetro térmicos. Dichos instrumentos son capaces de medir la radiación recibida ( 5) en un lugar concreto de la superficie terrestre. Es sabido que el sol emite grandes cantidades de energía por unidad de tiempo desde su superficie. Dicha cantidad es de aproximadamente 1367 W/m2 en el tope de la atmósfera para un plano normal
a
la radiación del sor incidente ( 5) . Sin embargo, la
cantidad
de radiación se reduce enorme mente cuando es
recibida
a nivel del mar. Una vez considerada la
inclinación de la superficie receptora de la radiación solar, el otro factor más importante es la absorción por la atmósfera. Esta absorción se debe principalmente a la presencia de nubes y aerosoles en la atmósfera.
La invención presente tiene como propósito medir la radiación recibida por un aerogenerador ( 4) y correlacionar dichos valores con la probabilidad de que se forme hielo o con la detección de hielo. EL valor medido se compara con una curva teórica de radiación en la cual los valores medios en un día nublado estarán claramente por debajo de la curva teórica. En una realización preferida se usa la ley de Furier en un piranómetro térmico en el que se miden y comparan las temperaturas. Un termómetro es al menos parcialmente expuesto a la radiación solar directa mientras que otro termómetro está escondido de la radiación solar y mide la temperatura ambiente (2). La ley de Furier se puede expresar como:
Qc = -K (Tt-T2)
donde Qc representa el flujo de calor que se propaga a través de un barra de metal que une los dos termómetros mencionados anteriormente, y donde K representa la conductividad térmica de la barra de metal y donde T1 y T2 son las temperaturas mediadas por sendos termómetros.
Se puede comprobar que la diferencia de temperatura está directamente relacionada con la diferencia de energía recibida por los termómetros o sensores de temperatura; en definitiva esta energía es la radiación solar recibida.
El piranómetro térmico para cada generador (4) puede usarse con la finalidad de relacionar la radicación solar recibida y la diferencia de temperatura. Ello no obstante, puede verse como ejemplo de realización sencilla que es posible usar curvas teóricas y experimentales sin necesidad de un piranómetro. Dicha metodología aporta resultados que experimentalmente muestran errores de menos de 5% de los valores medidos. Una de dichas curvas se definió por Hottel con la siguiente ecuación:
imagen1
Donde el primer término de la ecuación es la transmitancia de la radiación solar, rb, y donde 82 es el ángulo cenital, ao, a. K son constantes determinadas
J
para cada lugar y altitud o altura. Dicho coeficiente de transmitancia indica la fracción de la radiación solar que llega a la superficie de la tierra con respecto a aquella que llega a la capa externa de la atmósfera.
Hay que remarcar que el ángulo cenital solar 82 es el ángulo que el sol traza con referencia al cenit o a la dirección vertical en un lugar concreto de la superficie terrestre.
Las constantes de la ecuación, a saber a0 and a 1 and k están calibradas experimentalmente para una atmosfera estándar y que tiene aproximadamente 23 quilómetros de visibilidad en diferentes tipos de climas. Dichas constantes varían dependiendo de la altura o altitud con referencia al nivel del mar. Se observa que la atmosfera estándar se basa en una latitud promedio son contaminación por polución, y la cual es además independiente del grosor de la capa de ozono. Dichas constantes toman entonces los siguientes valores:
ao = 0.4237-0.00821 (6-AJZ a1 = 0.5051 + 0.0059 {6.5-AJZ k= 0.2711 + 0.01858 (2.5-A)2
donde A es la altura o altitud en quilómetros desde el lugar donde se realiza la observación.
Además la curva de Hottel se puede aplicar a una atmósfera estándar definida por 5 quilómetros de visibilidad. Las constantes deben calcularse de nuevo, a saber a0*, a1 * k*. Para simplificar el cálculo se aplican factores de corrección r0 = a0/ao*, r1 = a1/a1* and rk = k/k* que toman los siguientes valores de la tabla 1
Tabla l. Modelo del Hottel
Tipo de clima
ro r1 rk
Tropical
0,95 0,98 1,02
Verano (latitud promedio)
0,97 0,99 1,02
Invierno (latitud promedio)
1,03 1,01 1,00
Verano subartico
0,99 0,99 1,01
En consecuencia se puede determina la transmitancia de la radiación para una atmósfera estándar bien para un ángulo 5 cenital o para la dirección normal o vertical. Ello se expresa matemáticamente como:
imagen2
es
la radicación directa mediada por el sensor de
radicación,;
and
G"'"
es la radiación extraterrestre, medida en un plano
normal
a dicha radiación, y
rb
es la transmitancia solar directa.
15
La componente horizontal para un día claro se formula como sigue:
imagen2
Gcb es la componente en el plano horizontal plano de la radiación solar directa.
La figures la y lb muestran la superposición de datos 25 calculados y de datos experimentales.
La figura la corresponde a un día de cielos claros mientas que la figura lb representa una gráfica que se corresponde a un día nublado. Como ya se ha mencionado anteriormente
solamente una fracción o porcentaje de la radiación solar entrante en la atmósfera alcanza la superficie de la tierra, mientras que una parte de ella es reflejada o absorbida. A su vez parte de esta radiación absorbida es reemitida, ya sea de nueva la espacio of como radiación difusa. Ambas radiaciones directa y difusa alcanzan el suelo. En días de cielo claro el porcentaje de radiación difusa es muy pequeño si se compara con la radiación directa. Sin embargo, la absorción juega un papel importante en días nublados. Las nubes absorben la radiación solar directa y la reemiten hacia la tierra con un determinada longitud de onda (longitud de onda larga) en forma de radicación difusa. Dependiendo del grosor de la nube y de la altura de su base, la cantidad de radiación que alcanza la superficie de la tierra sea principalmente de manera directa o bien difusa.
A los efectos de la presente invención, las nubes de mayor interés se identifican como las nubes bajas, preferentemente las que tengan una base que se encuentre entre O y 2 quilómetros de altura. Tienen especial interés aquellas nubes con un alto contenido en agua o aquellas
que
se extienden en un rango de alturas amplio. En
definitiva,
estas son las nubes que son más opacas a la
radiación
del sol directa. Cuando el parque eólico se
encuentra cubierto por una de estas nubes la radiación solar directa será sustancialmente cero y la radiación
recibida predominante será la difusa. Comparando la radiación solar directa y la teórica es posible inferir
que el aerogenerador está rodeado por nubes y es por tanto propenso a la formación de hielo.
Para validar experimentalmente las curvas de Hottel, se ha usado datos de radiación de varias estaciones meteorológicas localizadas en Catalunya. Esta información
es fácilmente accesible "on-line" desde la red automática de estaciones meteorológicas llamada XEMA.
La tabla 2 muestra una gráfica con los datos reales
recibidos y con el correspondiente modelo de Hottel. La 5 estación meteorológica escogida está situada en la
localidad de Port Bou, Girona. Las coordenadas geográficas
son 42.46 Norte, 3.13 Este, a 26 metros por encima del
nivel del mar, y el día escogido es el 25 de Julio de
2010.
La mediciones se refieren a tiempo universal time
10 T. U.
Se deben añadir dos horas para obtener el tiempo
local.
Tabla 2
Tiempo local
Radiación teórica (W/m2 ) Radiación medida (W/m2 )
7:00:00
22 26
8:00:00
150 215
9:00:00
331 414
10:00:00
522 590
11:00:00
693 715
12:00:00
826 874
13:00:00
910 950
14:00:00
936 963
15:00:00
905 920
16:00:00
817 823
17:00:00
681 690
18:00:00
509 513
19:00:00
318 326
20:00:00
137 114
21:00:00
16 11
Los
resultactos muestran que el modelo propuesto es una
aproximación
satisfactoria a los datos medidos
15 experimentalmente.
Los datos de las estaciones
meteorológicas reflejan la radiación total, sea directa o difusa. Esto es aceptable para muchos modelos. De todas
maneras en alguna realización de la presente invención se separa la radiación difusa y directa.
Para
poder estimar la radiación difusa en una superficie
horizontal
se considera la siguiente ecuación de
5 transmitancia
(Liu y Jordan 1960)
Td = 0. 2710-0.2939 'Ib
T¿ es la transmitancia debida a la radiación difusa, y
•b es la transmitancia debida a la radiación directa.
10 Una vez que se han validado para cada lugar las curvas teóricas y se han escogido los parámetros correspondientes a la estación de interés, se puede determinar el factor de relación o correlación de la radiación sobre el aerogenerador y se puede determinar la diferencia de
15 temperatura entre sol y sombra. Tal factor puede ser la entrada a un circuito de control. Este circuito de control puede relacionar las condiciones de nubosidad y de temperatura para determinar el riesgo de la formación de hielo. Las salidas pueden ser señales, alarmas un registro
20 de tiempos propensos a la formación de hielo en las palas (6).
Para correlacionar la radiación incidente y la diferencia
de temperatura entre sol y sombra la medición se realiza
preferentemente en un día despejado. Ventajosamente los
25 sensores de temperatura se protegen del viento. Esto se consigue cubriendo dichos sensores con un material transparente a la radiación solar. Alternativamente, si fuese necesario dejar los sensores de temperatura expuestos al viento, este hecho puede ser compensado o corregido en el modelo de Hottel si se consideran diferentes rangos de velocidad del viento.
El área alrededor del sensor de temperatura expuesto a la radiación solar puede estar pintado en negro para maximizar la diferencia de temperatura entre los lados de sol y de sombra.
En la implementación de un detector de hielo es conveniente que cada aerogenerador (4) pueda tener medios sensores y de control que generen salidas con sus propias señales individuales de alarma. Esto requiere que cada aerogenerador (4) esté equipado con un sistema individual. Otra realización prevé la implementación de sistemas sensores en una torre que contiene una estación meteorológica común para todo el parque eólico. Dicha torre se sitúa a la misma altura que los bujes o las nacelles de los aerogeneradores de parque eólico. En terreno complejo o montañoso la altura puede variar y en parques eólicos extensivos las condiciones de nubosidad ésta puede variar de una zona a otra. En dichos casos se puede implementar más de una torre con estación meteorológica y éstas se pueden situar a diferentes alturas. También es posible instalar un sistema de detección en la torre con estación meteorológica o en una caseta de control con anterioridad a la implementación individual de dichos sistemas en cada aerogenerador.

Claims (10)

  1. l.
    -medios de cálculo de la transmitancia para calcular un parámetro relacionado con el valor de la transmitancia solar directa basado en la medida de una valor medido de la radiación solar directa ( 5)
    y
    un valor de referencia predeterminado,
    -medios de detección de hielo para generar una señal de detección de hielo basada en dicho valor de transmitancia
    y
    l.
    Sistema para la detección de hielo en aerogeneradores que comprende:
    5
    -al menos una entrada de señal de temperatura que represente la temperatura ambiente (2) en el lugar de dicho aerogenerador (4), caracterizado por -al menos un sensor de radiación solar directa (1) situado alrededor de o sobre dicho aerogenerador (4), y
    l.
    Sistema para la detección de hielo en aerogeneradores que comprende:
    5
    1
    l.
    Sistema para la detección de hielo en aerogeneradores que comprende:
    5
    l.
    en el que -dichos medios de cálculo de transmitancia se basan en la diferencia de los valores medidos de por dicho sensor de temperatura de radiación solar
    y
    dicha temperatura ambiente (2).
    l.
    Sistema para la detección de hielo en aerogeneradores que comprende:
    en el que -dichos medios de cálculo de transmitancia se basan en la diferencia de los valores medidos de por dicho sensor de temperatura de radiación solar
    y
    l.
    Sistema para la detección de hielo en aerogeneradores que comprende:
    5
    imagen1
    1
    0
    -medios de cálculo de la transmitancia para calcular un parámetro relacionado con el valor de la transmitancia solar directa basado en la medida de una valor medido de la radiación solar directa ( 5) y un valor de referencia predeterminado,
    l.
    Sistema para la detección de hielo en aerogeneradores que comprende:
    l. Sistema para la detección de hielo en aerogeneradores que comprende:
    5
    10
    15 -medios de detección de hielo para generar una señal de detección de hielo basada en dicho valor de transmitancia y dicha temperatura ambiente (2) en el lugar del aerogenerador (4).
    2 O 2. Sistema de detección de hielo según la reivindicación 1, en la que -dicho sensor de radiación solar directa (1) comprende un sensor de temperatura de radiación solar directa a menos parcialmente expuesto a la radiación solar directa (5), y
    25 en el que -dichos medios de cálculo de transmitancia se basan en la diferencia de los valores medidos de por dicho sensor de temperatura de radiación solar y dicha temperatura ambiente (2).
    30
  2. 3. Sistema de detección de hielo según la reivindicación 1, en la que -dicho valor predeterminad de referencia se basa en el valor de la radiación solar directa (5) recibida sobre o
    35 cerca del lugar donde está el aerogenerador en un día sin
    la presencia de nubes.
  3. 4.
    Sistema de detección de hielo según la reivindicación 3 en el que dicho valor de referencia predeterminado se basa en la ecuación de Hottel.
  4. 5.
    Sistema de detección de hielo según la reivindicación 1 donde -dicho sensor de radiación solar directa situado cerca de
    o sobre el aerogenerador (4) comprende al menos un piranómetro.
  5. 6.
    Sistema de detección de hielo según la reivindicación
  6. 7.
    Un sistema de control para un aerogenerador (4) que tiene un sistema de detección de hielo según la
    1,
    que comprende
    -al
    meanos un sensor de temperatura ambiente (2) para
    medir
    la temperatura ambiente (2) en el lugar de dicho
    aerogenerador
    (4) y
    -medios
    para enviar dicho valor de temperatura ambiente
    (2)
    a dicha entrada de temperatura ambiente (2).
    reivindicación 1, que comprende -medios de entrada para recibir señales de alarma y de salida de dicho sistema de detección de hielo, y -actuadores para controlar la operación del aerogenerador basados en dicha alarma o señales de salida.
  7. 8. Parque eólico que tiene un sistema de detección de hielo según la reivindicación 1, donde -dicho sistema de detección de hielo se sitúa sustancialmente a la misma altura que los bujes o nacelles
    (3) del aerogenerador ( 4) que se encuentran dentro del parque eólico.
  8. 9. Parque
    eólico que tiene un sistema de detección de
    hielo
    según la reivindicación 1, donde
    dicho
    sistema de detección de hielo se sitúa sobre al
    menos
    una nacelle ( 3) de un aerogenerador localizado
    dentro del parque
    eólico.
  9. 10.
    Método de detección de hielo en un aerogenerador que comprende los pasos de: -proporcionar al menos una señal representativa de la temperatura ambiente ( 2) en el lugar de dicho aerogenerador ( 4) ' caracterizado por -medir la radiación solar directa cerca de o sobre dicho aerogenerador (4), y -calcular un parámetro relacionado con el valor de la transmitancia de la radiación solar directa basado en un valor medido de la radiación solar directa y un valor de referencia predeterminado, y -generar una señal de detección de hielo basada en dicho valor de transmitancia y dicha temperatura ambiente (2) en el lugar del aerogenerador (4).
  10. 11.
    Método de detección del hielo según la reivindicación 10, donde -el paso de medir la radiación solar directa cerca de o sobre dicho aerogenerador (4) incluye el paso de medir la temperatura de un sensor al menos parcialmente expuesto a la radiación solar directa, donde -el paso de calcular un parámetro relacionado con el valor de transmitancia de la radiación solar directa se base en la diferencia entre la temperatura del sensor al menos parcialmente expuesta e la radiación solar directa y la temperatura ambiente (2).
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