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WO2006064077A1 - Sistema pararrayos para pala de aerogenerador - Google Patents

Sistema pararrayos para pala de aerogenerador Download PDF

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WO2006064077A1
WO2006064077A1 PCT/ES2005/070176 ES2005070176W WO2006064077A1 WO 2006064077 A1 WO2006064077 A1 WO 2006064077A1 ES 2005070176 W ES2005070176 W ES 2005070176W WO 2006064077 A1 WO2006064077 A1 WO 2006064077A1
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blade
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Jose Ignacio Llorente Gonzalez
Sergio Velez Oria
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Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation and Technology SL
Gamesa Eolica SA
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Gamesa Innovation and Technology SL
Gamesa Eolica SA
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the object of the patent is a lightning rod system for reception and transmission of wind turbine blades.
  • the important characteristic is that part of this blade has carbon fiber laminates among which are embedded copper bands that extend throughout the blade.
  • 'Lightning rod for wind turbine blades' consisting of an electric conductor that extends from the tip of the blade passing through the inside of the blade and ending at the root of the blade on a spindle axis that allows the blade to rotate.
  • the driver will be with or without insulating coating and contributes to the blade's own support.
  • US 6,612,810 presents a protection where the blade comprises a pair of conductors extended longitudinally along the surface of the blade (also incorporates anti-ice heating elements).
  • the tip of the blade has an impact receiver connected to a third conductor that runs through the inside of the blade. All conductors and heaters are connected to each other.
  • the lightning rod system with co-treated copper bands object of the invention employs a new lightning rod system based on the use of copper bands arranged longitudinally along the entire blade and in direct contact with the laminate of carbon fiber of it. This system avoids the need to use the copper cable traditionally used in the lightning rod system of the blades, so that the main conductor of the system becomes integrated in the blade itself, since the copper bands have enough section to drive All the lightning current.
  • the copper bands which act as the main conductor of the system, are in turn connected to the point receivers distributed along the blade, presenting the intermediate receivers of the blade a novel design so far never used. These intermediate receivers are placed on the carbon laminates of the blade and in direct contact with the copper band integrated in the blade that is responsible for evacuating the beam and avoid the direct impact of the beam on the carbon fiber laminate.
  • Figure 1 schematically depicts a cross-section of the blade in which the arrangement of the copper bands with respect to the carbon fiber laminates in a preferred embodiment is observed.
  • Figure 2 represents the different elements that make up the lightning rod system inside the blade according to said preferred embodiment.
  • Figure 3 schematically represents the cross section to the blade in the position of an intermediate receiver in the case of the preferred embodiment.
  • Figure 4 shows a detail of the intermediate receiver and the elements that compose it.
  • a specific embodiment may consist of two bands of copper (1), each located in contact with one of the two main carbon fiber laminates (2) of the beam (3), said laminates are arranged in the two sides of the beam (3), called wings, that stick facing the shells (4) of the blade.
  • this system replaces the main copper cable currently used by two thin bands of copper (1) that run along the entire beam (3) in direct contact with the fiber carbon (2) so that both are at the same potential, avoiding an arc jump between them.
  • the copper band (1) is arranged along the entire beam wing (3) and in direct contact with the carbon fiber laminate (2) of the beam and is covered with the fiber layers later of the laminate of the same being integrated inside the same avoiding the additional assembly of a cable on said beam, since the conductor of the ray is integrated in the beam (3).
  • the copper band (1) has a thickness between 0.1 and 0.4 mm, this thickness being the minimum section that allows the beam to be conducted and in turn preserve the quality of the laminate where it is integrated or adhered.
  • the wings of the beam must be connected in certain sections of the beam due to the need to match the potential between both parts.
  • These connections which must be made at least in the root (5) and tip (6) areas, are achieved by the same type of copper band used in the longitudinal direction but placing it transverse to the beam and surrounding a beam section ( 3) so that it makes contact with the two main copper bands (1), in addition these transverse bands (7) are also co-ordinated with the beam (3).
  • the tip of the blade (6) incorporates a metal receiver (8) that is connected through an additional conductor to the copper band (1) that runs longitudinally along the entire beam (3).
  • the lightning rod system object of the invention additionally presents a new system of intermediate beam receivers (9) for the blade that are placed on the beam's own wings (3). These receivers (9) make direct contact with the copper band (1) integrated in the beam (3) that is responsible for evacuating the beam and avoid the direct impact of the beam on the carbon fiber laminate (2).

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Abstract

El sistema pararrayos para pala de aerogenerador sustituye el cable principal de cobre utilizado tradicionalmente y emplea dos bandas de cobre que discurren a lo largo de la totalidad de la viga en contacto directo con la fibra de carbono. De esta forma el laminado de fibra de carbono y la banda de cobre se encuentran al mismo potencial en todo momento, evitando así un posible salto de arco entre ambos elementos. Con este sistema el laminado de fibra de carbono apenas se ve afectado por el paso de corriente debido tanto a las características eléctricas de ambos componentes del sistema como a la configuración elegida que conduce la mayor parte de la corriente a través de las bandas de cobre.Además, este nuevo sistema admite también la disposición de receptores intermedios sobre los propios laminados y en contacto directo con la banda de cobre.

Description

Description SISTEMA PARARRAYOS PARA PALA DE AEROGENERADOR
[1] Objeto de la patente
[2] El objeto de la patente es un sistema de pararrayos para recepción y transmisión de rayos en pala de aerogenerador. Se da la característica importante de que parte de esta pala presenta laminados de fibra de carbono entre los que se encuentran embebidos sendas bandas de cobre que se prolongan por toda la pala.
[3] Antecedentes de la invención
[4] La inclusión de fibra de carbono en la fabricación de palas de aerogenerador es bastante reciente y aunque ya está bastante extendida entre las empresas más importantes del sector, la experiencia en cuanto a la forma de protección contra rayo es aún muy limitada y no existe conocimiento generalizado de ninguna técnica cuya eficacia esté probada.
[5] Tanto en la normativa aplicable a aerogeneradores como en la bibliografía existente, se recoge que una forma eficaz de proteger las palas de fibra de vidrio contra los rayos consiste en un sistema pararrayos basado en receptores puntuales situados a lo largo de la pala y un cable que conecta dichos receptores con la raíz de la pala y que discurre por el interior de la misma.
[6] En ese sentido puede citarse la patente WO 96/07825 donde se presenta un
'Pararrayos para palas de aerogenerador' constituido por un conductor eléctrico que se extiende desde la punta de la pala transcurriendo por el interior de la misma y finalizando en la raíz de la pala en un eje de espiga que permite el giro de la pala. El conductor estará con o sin revestimiento aislante y contribuye a la propia sujeción de la pala.
[7] Por la WO 0177527 se conoce una pala que presentan una protección contra rayo con conductores internos y externos, conectados entre si y distribuidos por toda la pala. También presenta una serie de puntos de penetración y un par de configuraciones para punta y resto de la pala.
[8] La US 6.612.810 presenta una protección donde la pala comprende un par de conductores extendidos longitudinalmente por la superficie de la pala (también incorpora elementos calentadores anti-hielo). La punta de la pala tiene un receptor de impacto conectado a un tercer conductor que discurre por el interior de la pala. Todos los conductores y calentadores están conectados entre sí.
[9] En la bibliografía existente sobre impactos de rayos se recoge también la necesidad de equipotencializar el objeto que va a recibir el impacto con el sistema pararrayos. Es decir, para que todos los elementos estén al mismo potencial deberán ser conectados eléctricamente mediante conductores situados en la zona a proteger. [10] La fibra de carbono, como material conductor, deberá ser equipotencializada con el sistema pararrayos. El problema de dejar elementos conductores aislados es la diferencia de potencial tan elevada que se crea entre los mismos debido a los fenómenos de inducción originados por el rayo a su paso por el sistema pararrayos. Esta diferencia de potencial puede dar lugar a un salto del arco, lo que en el caso concreto que nos ocupa en el que el laminado de fibra de carbono constituye la parte resistente principal de la pala, un fallo de este tipo sería fatal.
[11] Existen diversas formas basadas en mallas metálicas que tratan de evitar la intervención del compuesto de fibra de carbono en el problema de la aparición de la diferencia de potencial pero ninguna de ellas ha demostrado eficacia en la resolución del problema.
[12] Descripción
[13] El sistema pararrayos en pala con bandas de cobre cocurado objeto de la invención, emplea un novedoso sistema pararrayos basado en la utilización de bandas de cobre dispuestas de manera longitudinal a lo largo de toda la pala y en contacto directo con el laminado de fibra de carbono de la misma. Este sistema evita la necesidad de utilizar el cable de cobre empleado tradicionalmente en el sistema pararrayos de las palas, de forma que el conductor principal del sistema pasa a estar integrado en la propia pala, ya que las bandas de cobre tienen la sección suficiente para conducir toda la corriente del rayo.
[14] Las bandas de cobre, que actúan de conductor principal del sistema, están conectadas a su vez a los receptores puntuales distribuidos a lo largo de la pala, presentando los receptores intermedios de la pala un diseño novedoso hasta ahora nunca empleado. Estos receptores intermedios van colocados sobre los propios laminados de carbono de la pala y en contacto directo con la banda de cobre integrada en la pala que es la encargada de evacuar el rayo y evitan el impacto directo del rayo sobre el laminado de fibra de carbono.
[15] En caso de impacto de rayo, la mayor parte de la corriente circula a través de las bandas de cobre debido a las características eléctricas del laminado de fibra de carbono y de las bandas de cobre y a la propia configuración del sistema de forma tal que el laminado de fibra de carbono apenas se ve afectado por la corriente.
[16] Descripción de las figuras
[17] La figura 1 representa esquemáticamente un corte transversal de la pala en el que se observa la disposición de las bandas de cobre con respecto a los laminados de fibra de carbono en una realización preferente.
[18] La figura 2 representa los distintos elementos que componen el sistema pararrayos dentro de la pala según dicha realización preferente.
[19] La figura 3 representa esquemáticamente el corte transversal a la pala en la posición de un receptor intermedio para el caso de la realización preferente.
[20] La figura 4 muestra un detalle del receptor intermedio y de los elementos que lo componen.
[21] Descripción de una forma de realización preferente
[22] Una realización concreta puede consistir en dos bandas de cobre (1), cada una situada en contacto con uno de los dos laminados de fibra de carbono (2) principales de la viga (3), dichos laminados se encuentran dispuestos en las dos caras de la viga (3), denominadas alas, que se pegan enfrentadas a las conchas (4) de la pala.
[23] Tal y como muestra la figura 1, este sistema sustituye el cable principal de cobre utilizado en la actualidad por dos finas bandas de cobre (1) que discurren a lo largo de toda la viga (3) en contacto directo con la fibra de carbono (2) de manera que ambos se encuentran al mismo potencial, evitando un salto de arco entre los mismos.
[24] Debido a las características eléctricas del laminado de fibra de carbono (2) y de las bandas de cobre (1) la mayor parte de la corriente en caso de impacto, circula a través de la banda de cobre (1) evitando que el laminado se vea dañado.
[25] La banda de cobre (1) se dispone a lo largo de todo el ala de la viga (3) y en contacto directo con el laminado de fibra de carbono (2) de la viga y se cubre con las capas de fibra posteriores del laminado de la misma quedando integrada dentro del mismo evitando el montaje adicional de un cable sobre dicha viga, ya que el conductor del rayo se integra en la viga (3). La banda de cobre (1) tiene un espesor comprendido entre 0,1 y 0,4 mm, siendo este espesor la mínima sección que permite conducir el rayo y a su vez preservar la calidad del laminado donde se integra o se adhiere.
[26] Tal y como muestra la figura 2, las alas de la viga se deben de conectar en determinadas secciones de la misma debido a la necesidad de igualar el potencial entre ambas partes. Estas conexiones, que se deben realizar al menos en las zonas de raíz (5) y punta (6), se consiguen mediante el mismo tipo de banda de cobre utilizada en dirección longitudinal pero colocándola transversal a la viga y rodeando una sección de viga (3) de forma que haga contacto con las dos bandas principales de cobre (1), además estas bandas transversales (7) también van cocuradas con la viga (3).
[27] La punta de la pala (6) incorpora un receptor metálico (8) que se conecta a través de un conductor adicional a la banda de cobre (1) que recorre longitudinalmente toda la viga (3).
[28] El sistema pararrayos objeto de la invención, presenta de forma adicional, un novedoso sistema de receptores de rayo intermedios (9) para la pala que van colocados sobre las propias alas de la viga (3). Estos receptores (9) hacen contacto directo con la banda de cobre (1) integrada en la viga (3) que es la encargada de evacuar el rayo y evitan el impacto directo del rayo sobre el laminado de fibra de carbono (2).
[29] Tal y como se muestra en la figura 3, en las secciones en las que se colocan receptores intermedios (9) es recomendable también conectar ambas alas con banda de cobre dispuesta transversalmente (7). El inserto metálico (10) se apoya sobre la banda de cobre (1) que se extiende a lo largo de todo el ala de la viga (3) estableciendo una superficie de contacto para la equipotencialización. Dicho inserto (10) está sujeto al laminado de fibra de carbono (2) y establece contacto con las paredes de un tornillo pasante (11) que asoma al exterior de la concha (4) para interceptar el rayo.

Claims

Ciaims
[1] Sistema pararrayos en pala de aerogenerador que comprende una viga (3) con alas conformadas por laminados híbridos de fibra de carbono y fibra de vidrio y unas conchas (4) que envuelven superior e inferiormente la viga, caracterizado porque dispone de dos bandas de cobre (1) que discurren por toda la longitud de la viga (3) de la pala desde la punta (6) hasta la raíz (5), de unas conexiones transversales (7) que conectan la banda superior e inferior y de unos receptores intermedios (9) que conducen la descarga desde el exterior hasta la banda de cobre (1).
[2] Sistema pararrayos en pala de aerogenerador según reivindicación primera, caracterizado por que las bandas de cobre (1) se disponen a lo largo de toda el ala de la viga en contacto directo con el laminado de fibra de carbono (2) laminándose en su interior o adhiriéndose al mismo, cubriéndose por capas de fibra de vidrio del laminado de la viga (3), de tal forma que las bandas de cobre (1) quedan integradas en la viga preservando la calidad del laminado, estando comprendido el espesor de cada una de las bandas entre 0,1 y 0,4 mm.
[3] Sistema pararrayos en pala de aerogenerador según reivindicación primera, caracterizado por que las conexiones transversales (7) entre las bandas de cobre (1) embebidas en las alas de la viga se realizan mediante una banda de cobre que recorre la viga de manera transversal, rodeando una sección de la misma de tal manera que hace contacto con las dos bandas principales de cobre, quedando también la banda transversal integrada en el interior del laminado de la viga (3).
[4] Sistema pararrayos en pala de aerogenerador según reivindicación primera, caracterizado por incorporar receptores intermedios (9) formados por un inserto metálico (10) que establece contacto con la banda de cobre (1) apoyándose en ella, sujeto al laminado de fibra de carbono (2) y en contacto con un tornillo pasante (11) que asoma al exterior de la concha (4) impidiendo que el rayo impacte de forma directa sobre el laminado de fibra de carbono (2).
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