BR102013014927B1

BR102013014927B1 - Método de proteção superficial de uma pá de turbina eólica

Info

Publication number: BR102013014927B1
Application number: BR102013014927-6A
Authority: BR
Inventors: Estíbaliz Sorondo Zabala; Miren Estíbaliz Erauzquin Bilbao; Jose Luiz Carretero Villanueva
Original assignee: Gamesa Innovation & Technology, S.L.
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2021-10-13
Also published as: US20140010961A1; BR102013014927A2; ES2435474R1; EP2674613A3; EP2674613A2; EP2674613B1; CN103511195B; US9581031B2; ES2435474B1; CN103511195A; ES2435474A2

Abstract

método de otimização da eficiência das pás de um aerogerador. método de proteção superficial de pás aerogeradores fabricadas com materiais compostos que proporciona um acabamento resistente face aos agentes externos aos que se submetem e em particular a chuva, o gelo e a sujidade atmosférica e que compreende um passo de preparação superficial e dois passos de aplicação de uma primeira e uma segunda cobertura de umas determinadas espessuras.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção se refere em geral a pás de turbina eólicaes e, mais em particular, a um método de otimização da sua eficiência para evitar deterioração da sua superfície que modificam o seu perfil aerodinâmico e provocam uma diminuição do seu rendimento durante a sua vida útil.

ANTECEDENTES

[002] As turbinas eólicas incluem um rotor que suporta várias pás que se prolongam radialmente para capturar a energia cinética do vento e provocam um movimento rotatório de um trem de potência acoplado a um gerador elétrico para produzir energia elétrica.

[003] O rendimento das pás das turbinas eólicas vê-se afetado por modificações do seu perfil aerodinâmico causadas por diferentes agentes.

[004] A superfície das pás é desgastado como consequência dos impactos de gotas de chuva, granizo, insetos, partículas em suspensão, etc. A erosão do bordo de ataque em particular tem um efeito muito importante no rendimento das pás de turbina eólicaes.

[005] A superfície das pás também pode sofrer modificações mediante a adesão de qualquer elemento externo. Em caso de uma concentração de gelo sobre a pá, o efeito no rendimento é tão importante que pode requerer a paragem da turbina eólica. Em caso de uma concentração importante de sujidade, o rendimento da pá também diminui.

[006] Os problemas de rendimento mencionados são mais notórios, logicamente, nas pás de grande comprimento daa turbinas eólicas que se oferecem atualmente ao mercado.

[007] Na técnica anterior é conhecida a aplicação de umas fitas de poliuretano no bordo de ataque das pás para as proteger contra, fundamentalmente, a erosão. Então, a efetividade dessas fitas está condicionada a sua correta colocação no bordo de ataque e isso nem sempre se consegue, quer por defeitos de colocação ou por deterioração da fita durante o transporte da pá até a instalação da turbina eólica. Por outra parte, a fita de poliuretano tem o problema potencial, em pás cada vez maiores, de aumentar o ruído aerodinâmico produzido pela pá.

[008] A substituição dessas fitas por coberturas químicas resulta difícil dada a variedade de agentes externos que podem causar modificações do perfil aerodinâmico das pás de turbina eólicaes.

[009] A presente invenção está orientada à solução desses inconvenientes.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0010] Um objeto da presente invenção é otimizar a eficiência das pás de turbina eólicaes fabricadas com materiais compósitos evitando deterioração da sua superfície que modificam o seu perfil aerodinâmico e provocam uma diminuição do seu rendimento tanto em pás de nova fabricação como em pás instaladas em turbinas eólicas que sofreram esse deterioração.

[0011] Outro objeto da presente invenção é proporcionar um método de proteção superficial das pás de turbinas eólicas fabricadas com materiais compósitos que lhe proporcione um acabamento resistente frente aos agentes externos aos que se submetem e em particular a chuva, o gelo e a sujidade atmosférica.

[0012] Esses objetos se conseguem com um método de proteção superficial das pás de turbina eólicaes que compreende um passo de preparação superficial e dois passos de aplicação de uma primeira e uma segunda cobertura de umas determinadas espessuras. No passo de preparação superficial é lixada a zona da superfície da pá a proteger até alcançar uma capacidade de aderência predeterminada em relação com uma ou mais das seguintes propriedades da superfície dessa zona: o brilho, a rugosidade, a tensão superficial e um passo de enchimento dos buracos e poros dessa zona. A primeira cobertura é uma massa bi-componente de natureza poliuretânica. A segunda cobertura é uma pintura bi-componente com um conteúdo em sólidos compreendido entre 70-80% em peso, incluindo uma base de polióis alifática como aglutinante e poli-isocianato alifático como agente de curado, em umas proporções compreendidas, respectivamente, entre 70-80% e 30-20% em peso. As coberturas mencionadas aplicam-se ou, quer em zona de bordo de ataque ou, então a toda a superfície da pá em função das condições do ambiente ao que serão submetidas essas pás.

[0013] Em uma modalidade da invenção, a pintura também inclui uma solução de nano partículas de óxidos de silício hidrofóbicas ou de silsesquioxanos oligoméricos poliédricos fluorados preparada em uma proporção compreendida entre 10-30% em peso. Esta solução é adicionada à pintura em uma percentagem entre 5-10%. Consegue-se assim uma cobertura anti-erosiva e anti-gelo.

[0014] Em outra modalidade da invenção, a pintura também inclui uma solução de nano partículas de óxidos de silício hidrofílicas ou de óxidos de titânio preparada em uma proporção conjunta compreendida entre 10-30% em peso. Esta solução se adiciona à pintura em uma percentagem entre 5-10%. Consegue-se assim uma cobertura anti-erosiva e anti-sujidade.

[0015] Em outra modalidade da invenção, a pintura também inclui uma solução de nano partículas de óxidos de silício hidrofóbicas ou de silsesquioxanos oligoméricos poliédricos fluorados e de óxidos de silício hidrofílicas ou de óxidos de titânio preparada em uma proporção compreendida entre 10-30% em peso. Esta solução é adicionada à pintura em uma percentagem entre 5-10%. Consegue-se assim uma cobertura anti-erosiva, anti-gelo e anti-sujidade.

[0016] Caso o material compósito da superfície da pá seja Resina Epóxi Reforçada com Fibra de Vidro o passo de lixado da etapa de preparação superficial dá-se por acabado quando a zona a proteger tem um brilho menor a 5% ou uma tensão superficial no intervalo de 30-35 mN/m.

[0017] Outras características desejáveis e vantagens da invenção serão evidentes a partir da seguinte descrição detalhada da invenção e das reivindicações, em relação com as figuras anexas.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0018] A Figura 1a é uma vista em perspectiva de uma seção de uma pá de uma turbina eólica com uma cobertura segundo a presente invenção no bordo de ataque.

[0019] A Figura 1 b é uma vista em perspectiva de uma seção de uma pá de uma turbina eólica com uma cobertura segundo a presente invenção em toda a pá.

[0020] A Figura 2 é um gráfico que apresenta os resultados de ensaios de erosão por chuva em amostras do bordo ataque de uma pá de turbina eólica que foram protegidas de acordo com um método segundo a presente invenção.

[0021] A Figura 3 é um gráfico que apresenta os resultados de ensaios de erosão por chuva em amostras do bordo de ataque em uma pá de turbina eólica que foram protegidas de acordo com um método segundo a presente invenção envelhecidas em um ensaio UV.

[0022] A Figura 4 é um gráfico que apresenta os resultados de ensaios de erosão por chuva em amostras de conchas de uma pá de turbina eólica que foram protegidas de acordo com um método segundo a presente invenção.

[0023] A Figura 3 é um gráfico que apresenta os resultados de ensaios de erosão por chuva em amostras de conchas de uma pá de turbina eólica que foram protegidas de acordo com um método segundo a presente invenção envelhecidas em um ensaio UV.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0024] As pás de turbina eólicaes às que se refere a presente invenção são pás fabricadas com materiais compósitos e, em particular, com Plástico Reforçado com Fibra de Vidro ("Glass Fibre Reinforced Plastic" ou GFRP) por qualquer dos métodos conhecidos na indústria.

[0025] O método de proteção das pás de turbina eólica segundo a invenção compreende duas etapas básicas: Preparação superficial e Aplicação de coberturas. Preparação superficial

[0026] Na etapa de preparação superficial, a superfície da pá objeto da proteção (quer a pá inteira ou uma zona específica da mesma) é lixada para eliminar eventuais restos de sujidade e material mal aderido e, especialmente, para fornecer a rugosidade adequada para conseguir uma boa aderência da primeira cobertura. Após o lixado, a superfície é limpa utilizando, por exemplo, aspiração e panos de algodão "pós-preso".

[0027] A superfície lixa-se até que se obtém o resultado previsto utilizando ao efeito um parâmetro de controle preestabelecido, como o brilho, a rugosidade ou a tensão superficial.

[0028] Em caso de uma pá de Resina Epóxi reforçada com Fibra de Vidro se estima que se atinge o grau de aderência requerido com um brilho menor a 5% ou com uma tensão superficial (medida mediante tintas ou marcadores de teste) no intervalo de 30-35mN/m. Aplicação de coberturas

[0029] Em primeiro lugar, é aplicada uma primeira cobertura baseado em uma massa bi-componente de natureza poliuretânica para tapar os buracos e poros existentes após o lixado.

[0030] No caso da zona do bordo de ataque, a espessura desta primeira cobertura estar compreendida entre 400-600 μm e no resto da pá entre 300-500 μm.

[0031] Em segundo lugar é aplicado uma segunda cobertura baseado em uma pintura bi-componente com um elevado conteúdo em sólidos incluindo 70-80% de uma base de polióis alifática como resina base (ou aglutinante) e 30-20% de poli-isocianato alifático como agente de cura (ou endurecedor). O conteúdo em sólidos está compreendido entre 70-80%. O material base compreenderá assim mesmo um solvente e uns elementos complementares apropriados.

[0032] Se for necessário complementar o efeito anti-erosivo com um efeito anti-gelo, a pintura também inclui uma solução de nano partículas de óxidos de silício hidrofóbicas ou de silsesquioxanos oligoméricos poliédricos fluorados.

[0033] Caso se pretenda complementar o efeito anti-erosivo com um efeito anti-sujidade, a pintura também inclui uma solução de nano partículas de óxidos de silício hidrofílicas ou de óxidos de titânio.

[0034] Para complementar o efeito anti-erosivo com um efeito anti-gelo e um efeito anti-sujidade incluir-se-á na pintura uma solução de nano partículas de óxidos de silício hidrofóbicas ou de silsesquioxanos oligoméricos poliédricos fluorados e de óxidos de silício hidrofílicas ou de óxidos de titânio.

[0035] A proporção em peso da solução de nano partículas na pintura nos supostos mencionados está compreendida entre 5-10%, estando preparada a mesma com uma proporção de nano partículas compreendida entre 10-30% em peso.

[0036] A adição da solução de nano partículas mencionada tem um efeito anti-sujidade e/ou anti-gelo porque atuam potenciando as propriedades de ângulos de contato e energia superficial.

[0037] Em pás de turbinas eólicas localizadas ou destinadas a localizar-se em instalações sem problemas de gelo será utilizada uma pintura com o material base complementada, se aplicável, com a solução de nano partículas anti-sujidade mencionada.

[0038] Em pás de turbinas eólicas localizadas ou destinadas a localizar-se em instalações com problemas de gelo será utilizada uma pintura com o material base e com a solução de nanopartículas anti-gelo mencionada, complementada se necessário com nanopartículas anti-sujidade.

[0039] Em função das condições do ambiente na instalação da pá, serão aplicadas as coberturas mencionadas em, apenas, uma zona 13 no bordo de ataque da pá 11 de pelo menos 40 mm de largura, como se apresenta na Figura 1a, em toda a superfície da pá 11 como se apresenta na Figura 1 b.

[0040] A espessura da segunda cobertura está compreendida entre 200-250 μm na zona 13 no bordo de ataque e entre 150-200 pm no resto da pá. Na Figura 1b utilizou-se uma cor cinzenta diferente na zona 13 no bordo de ataque e no resto da superfície da pá para ilustrar a diferencia de espessura da cobertura.

[0041] As coberturas serão aplicadas de forma que não existam zonas de transição nos bordos das zonas em que se aplique para evitar descontinuidades.

[0042] As coberturas mencionadas devem aplicar-se em uma temperatura compreendida entre 15 e 35°C, utilizando pistola "airless", pistola "airmix" manualmente ou mediante sistema robotizado ou inclusive a rolo ou trincha.

[0043] A escolha de uns ou outros utensílios dependerá basicamente de se se aplicam as coberturas na planta de fabricação das pás ou se se faz no local para reparar uma pá deteriorada.

[0044] Na Figura 2 apresenta-se um gráfico que representa a perda de massa, em um ensaio de erosão por chuva das seguintes amostras de bordo de ataque de pás de turbinas eólicas.

[0045] S1 - Amostra com um revestimento de um gel epóxi de uma espessura de 800 um.

[0046] S2 - Amostra com um revestimento de uma massa de poliuretano de uma espessura de 800 μm.

[0047] S3 - Amostra com um adesivo no substrato e um revestimento de una massa de poliuretano de uma espessura de 800 μm.

[0048] S4 - Amostra com uma pintura de poliuretano de uma espessura de 200 μm.

[0049] S5 -Amostra com uma pintura de poliuretano de uma espessura de 300 μm.

[0050] S6 - Amostra com uma pintura de poliuretano de uma espessura de 400 μm.

[0051] S7 - Amostra com uma fita de poliuretano de 320 μm.

[0052] S10 - Amostra com um revestimento segundo a presente invenção.

[0053] S11 - Amostra com um revestimento segundo a presente invenção. O ensaio de chuva é realizado sob as seguintes condições: Ângulo de impacto (°): 90. Diâmetro da gota de chuva (mm): 2,0. Velocidade (m/s): 175.

[0054] Dimensão da amostra: 50 mm de diâmetro e 5-10 mm de espessura.

[0055] Número de ensaios/painel: 3/painel.

[0056] Densidade da chuva (mm/h): 24,3.

[0057] Duração do ensaio (min): 20.

[0058] Paradas de controle do ensaio; 4 (cada 5 minutos).

[0059] Na Figura 3 é apresentado um gráfico que representa a perda de massa, das amostras anteriores em um ensaio de erosão por chuva após ser envelhecidas em um ensaio de UV.

[0060] Na Figura 4 é apresentado um gráfico que representa a perda de massa, em um ensaio de erosão por chuva das seguintes amostras de conchas de pás de turbinas eólicas.

[0061] S1 - Amostra com um revestimento de um gel epóxi de uma espessura de 700 μm.

[0062] S2 - Amostra com uma massa de poliuretano e uma pintura de poliuretano de uma espessura de 150 μm.

[0063] S3 - Amostra com uma pintura de poliuretano de uma espessura de 150 μm.

[0064] S4 - Amostra com uma massa de poliuretano e uma pintura de poliuretano de uma espessura de 150 μm.

[0065] S10 - Amostra com um revestimento segundo a presente invenção.

[0066] S11 - Amostra com um revestimento segundo a presente invenção.

[0067] Na Figura 5 é apresentado um gráfico que representa a perda de massa, das amostras anteriores em um ensaio de erosão por chuva após serem envelhecidas em um ensaio de UV.

[0068] Também se obtiveram bons resultados em outros ensaios, em particular ensaios de aderência, flexibilidade, envelhecimentos climáticos incluindo ciclo NORSOK e de baixa temperatura, ângulo de contato e foto catalíticos.

[0069] Com base nos resultados obtidos nesses ensaios é possível considerar que utilizando os métodos segundo a presente invenção se pode garantir uma vida útil da proteção superficial das pás de turbina eólica de, pelo menos, 20 anos.

[0070] Embora a presente invenção tenha sido descrita em relação com diferentes modalidades, apreciar-se-á a partir da descrição que é possível realizar diferentes combinações de elementos, variações ou melhoras, e que estão dentro do âmbito da invenção.

Claims

1. Método de proteção superficial de uma pá de turbina eólica fabricada com um material compósito, compreendendo os seguintes passos, a) lixar uma zona de um bordo de ataque da pá a ser protegida até a sua capacidade de aderência alcançar um nível predeterminado em relação com uma ou mais das seguintes propriedades: brilho de menos que 5% e tensão superficial dentro da faixa de 30 - 35mN/m; b) aplicar a essa zona a primeira cobertura, compreendendo uma massa bi-componente de natureza poliuretânica de uma espessura compreendida na faixa entre 400-600 μm; e c) aplicar a essa zona uma segunda cobertura de uma pintura bi-componente com um conteúdo em sólidos compreendido entre 70-80%, incluindo uma base de polióis alifáticos como um aglutinante e poli-isocianato alifático como um agente de cura, em uma proporção compreendida, respectivamente, entre 70-80% e 30-20%, em peso, e uma espessura compreendida dentro da faixa de 200-250 μm, caracterizado pelo fato de que, a segunda cobertura compreende ainda nano partículas de óxidos de silício hidrofílicas e silsesquioxanos oligoméricos poliédricos fluorados, sendo que a segunda cobertura é formada pela combinação da pintura bi-componente com uma solução de nano partículas, sendo que a solução de nano partículas compreende entre 5-10% em peso da segunda cobertura, e sendo que as nano partículas compreendem entre 10-30% em pesoda solução.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a largura dessa zona do bordo de ataque da pá é pelo menos 40 mm.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que também compreende os seguintes passos, a) lixar o resto da superfície da pá até a sua capacidade de aderência alcançar um nível predeterminado em relação com uma ou mais das seguintes propriedades: brilho de menos que 5%, rugosidade para obter aderência adequada com uma primeira cobertura, e tensão superficial dentro da faixa de 30 - 35mN/m; b) aplicar a essa zona uma primeira cobertura de uma massa bi-componente de natureza poliuretânica de uma espessura compreendida entre 300-500 μm; e c) aplicar ao resto da superfície da pá uma segunda cobertura de uma pintura bi-componente com um conteúdo em sólidos compreendido entre 70-80%, incluindo uma base de polióis alifática como um aglutinante e poli-isocianato alifático como um agente de cura, em umas proporções compreendidas, respectivamente, entre 70-80% e 30-20%, em peso, e uma espessura compreendida na faixa entre 150200μm.

4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que esse material compósito é a resina epóxi reforçada com fibra de vidro.