BR102016014254A2 - sistema de para-raios para pás de aerogerador com uma área efetiva de injeção em laminados de fibra de carbono e uma distribuição equilibrada da intensidade e da tensão das correntes de raio entre diferentes caminhos de condução - Google Patents
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Abstract
resumo da patente de invenção para: ?sistema de para-raios para pás de aerogerador com uma área efetiva de injeção em laminados de fibra de carbono e uma distribuição equilibrada da intensidade e da tensão das correntes de raio entre diferentes caminhos de condução?. sistema de para-raios para pás de aerogerador com uma área efetiva de injeção em laminados de fibra de carbono e uma distribuição equilibrada da intensidade e da tensão das correntes de raio entre diferentes caminhos de condução. a área de injeção de correntes de raio (14) nos laminados de fibra de carbono (11, 13) está associada a pelo menos um dos cabos auxiliares (19) de equipotencialização dos laminados de fibra de carbono (11, 13) com os condutores de descida (17) e compreende cabos secundários (33) derivados do dito cabo auxiliar (19) e conectados a dispositivos condutores (45) embutidos nos laminados de fibra de carbono (11, 13) que estão configurados para evitar sobreintensidades nos laminados de fibra de carbono (11, 13). o sistema de para-raios compreende também dispositivos de impedância (25) para equilibrar intensidades e tensões nos ditos cabos auxiliares (19).
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: “SISTEMA DE PARA-RAIOS PARA PÁS DE AEROGERADOR COM UMA ÁREA EFETIVA DE INJEÇÃO EM LAMINADOS DE FIBRA DE CARBONO E UMA DISTRIBUIÇÃO EQUILIBRADA DA INTENSIDADE E DA TENSÃO DAS CORRENTES DE RAIO ENTRE DIFERENTES CAMINHOS DE CONDUÇÃO”. [001 ] CAMPO DA INVENÇÃO
[002] A invenção se refere ao controle da injeção de correntes de raio em laminados de carbono para evitar sobreintensidades locais, e à distribuição de intensidades e tensões das correntes de raio entre diferentes caminhos de condução em sistemas de para-raios para pás de aerogeradores.
[003] ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[004] O sistema de para-raios das pás de aerogeradores compreende normalmente disposições de recepção de raios que têm um receptor metálico externo e um bloco interno condutor eletricamente conectado a um condutor de descida de um arranjo de aterramento do aerogerador. Uma vez capturadas as correntes de raio pelo elemento receptor, elas devem ser transmitidas ao bloco interno condutor eletricamente que se conecta ao elemento receptor com o condutor de descida.
[005] A evolução no desenvolvimento de aerogeradores para maior produção de energia tem levado a aerogeradores maiores, tanto na altura da torre como no diâmetro do rotor.
[006] Como um aumento do comprimento da pá implica em um incremento de sua rigidez são necessárias pás que incorporem laminados de fibra de carbono. Como os laminados de fibra de carbono são condutores, eles devem ser conectados em paralelo com o condutor de descida para evitar a geração de arcos internos entre o condutor de descida e os laminados de fibra de carbono, e para que não sejam produzidos impactos diretos de raios sobre eles.
[007] O documento W02006/051147 A1 descreve um sistema de para-raios que inclui meios de equipotencialização dos laminados de fibra de carbono com o sistema de para-raios que incluem derivações do cabo principal para conectá-lo diretamente aos laminados de fibra de carbono. Estes cabos auxiliares estão conectados mediante união aparafusada a uma placa metálica em contato direto com as capas de fibra de carbono. A conexão elétrica pode ser melhorada mediante o emprego de resinas condutoras adicionadas à zona de união.
[008] Se a pá de aerogerador possui, por exemplo, um laminado de fibra de carbono, o sistema de para-raios se transforma em um circuito com dois ramos em paralelo: um ramo formado pelo condutor de descida, de resistência baixa e indutância alta, e outro ramo formado pelo laminado de fibra de carbono que possui alta resistência e baixa indutância. Quando um raio entra em contato com um dos elementos receptores o sistema de para-raios deve eliminar a corrente do raio cuja forma de onda está caracterizada por ter uma primeira fase, na qual a corrente sobe de forma súbita, seguida de uma segunda fase, onde a corrente desce de forma mais lenta. Quando esta corrente é injetada no circuito formado pelo laminado de fibra de carbono conectado ao condutor de descida, a corrente se distribui da seguinte forma: [009] - Durante a fase de subida, a maior parte da corrente é transmitida pelo condutor de menos indutância (o laminado de fibra de carbono).
[010] - Durante a fase de descida gradual, a maior parte da corrente é transmitida pelo condutor de menos resistência (o condutor de descida).
[011] Com a distribuição de corrente descrita, o laminado de fibra de carbono suporta um grande pico de corrente no início da descarga. Por outro lado, conforme o tamanho das pás aumenta, a indutância dos laminados de fibra de carbono (de maior largura e espessura) diminui, o que faz com que a fração que é conduzida pelo laminado de fibra de carbono seja maior, o que se supõe ser um problema, já que os laminados de fibra de carbono contêm resinas que se degeneram a temperaturas entre 100 SC e 200 9C.
[012] Para solucionar esse problema o documento ES 2 396 839 A1 descreve o uso de um dispositivo de elevada indutância colocado na conexão entre um laminado de fibra de carbono e um condutor de descida para reduzir a passagem de corrente através do laminado de fibra de carbono e para favorecer sua condução através do condutor de descida.
[013] Um problema do sistema de para-raios de pás de aerogerador com laminados de fibra de carbono é que a injeção local de correntes de raio em laminados de fibra de carbono pode não estar distribuída adequadamente e produz danos na área de injeção. Isto é devido à natureza transitória do impacto de raio, assim como às diferenças de condutividades dos materiais, o que reduz a área efetiva de injeção de correntes de raio da conexão.
[014] Outro problema é que a distribuição da intensidade e da tensão das correntes de raio entre os condutores de descida e os laminados de fibra de carbono pode não estar equilibrada devido às variações dos valores reais da impedância dos laminados de fibra de carbono utilizados em uma pá de aerogerador com relação aos valores esperados quando o sistema de para-raios é concebido.
[015] Esta invenção está dirigida para a solução destes problemas.
[016] SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[017] A invenção proporciona um sistema de para-raios para uma pá de aerogerador que compreende pelo menos um receptor de raio conectado a um ou mais condutores de descida do arranjo de aterramento da pá de aerogerador e um ou dois laminados de fibra de carbono. Os condutores de descida estão equipotencializados com os laminados de fibra de carbono mediante cabos auxiliares que estão conectados a placas condutoras embutidas nos laminados de fibra de carbono em vários pontos ao longo da pá de aerogerador. O sistema de para-raios compreende ademais pelo menos uma área local de injeção de correntes de raio nos laminados de fibra de carbono associada a um cabo auxiliar que tem um ou mais caminhos de condução paralelos adicionais que compreendem cabos secundários derivados do dito cabo auxiliar e conectados a dispositivos condutores embutidos nos laminados de fibra de carbono que estão configurados para evitar sobreintensidades nos laminados de fibra de carbono.
[018] As configurações dos ditos caminhos condutores paralelos adicionais incluem vários meios para controlar a corrente injetada por cada um deles nos laminados de fibra de carbono, tais como resistências nos cabos secundários, a colocação dos caminhos de condução a uma dada distância entre eles, o uso de cabos secundários e/ou dispositivos condutores de resistências diferentes ou a utilização de dispositivos condutores de diferentes materiais ou geometrias.
[019] O sistema de para-raios da invenção compreende ademais meios para a consecução de uma distribuição equilibrada de intensidades e tensões das correntes de raio entre os condutores de descida e os laminados de fibra de carbono.
[020] No caso de uma pá de aerogerador com um laminado de fibra de carbono, caso haja uma diferença negativa superior a um limite predeterminado entre a impedância do laminado de fibra de carbono e o valor de referência considerado na projeção do sistema de para-raios, o sistema de para-raios também compreende um ou mais dispositivos com impedância nos ditos cabos auxiliares para atingir uma distribuição equilibrada de intensidades e tensões entre os condutores de descida e o laminado de fibra de carbono.
[021] No caso de uma pá de aerogerador com dois laminados de fibra de carbono, se a diferença entre as impedâncias dos laminados de fibra de carbono supera um limite predeterminado, o sistema de para-raios também compreende um ou mais dispositivos com impedância nos ditos cabos auxiliares configurados para atingir uma distribuição equilibrada de intensidades e tensões entre os condutores de descida e os laminados de fibra de carbono.
[022] Outras características desejáveis e vantagens da invenção se tornarão evidentes a partir da seguinte descrição detalhada e das reivindicações apensas com respeito às figuras anexas.
[023] BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[024] A Figura 1 é uma vista esquemática em planta de uma pá de aerogerador com um sistema de para-raios conhecido na técnica.
[025] As Figuras 2a-2d são diagramas esquemáticos que ilustram quatro modalidades de uma área local de injeção de correntes de raio de acordo com a invenção.
[026] A Figura 3 é um diagrama esquemático que ilustra a distribuição de intensidades em uma pá de aerogerador entre um condutor de descida e um laminado de fibra de carbono.
[027] A Figura 4a é um diagrama esquemático que ilustra o sistema de para-raios da invenção em uma pá de aerogerador que tem um condutor de descida e dois laminados de fibra de carbono, e a figura 4b é um modelo elétrico dos três caminhos de condução do sistema.
[028] A Figura 5 é um diagrama esquemático que ilustra uma modalidade do sistema de para-raios da invenção em uma pá de aerogerador que tem um condutor de descida e dois laminados de fibra de carbono.
[029] DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[030] São conhecidas pás de aerogerador com múltiplos elementos condutivos em todo seu comprimento como parte de sua estrutura, as quais incluem novas tecnologias ou materiais. Este é o caso das pás de aerogeradores que utilizam laminados de fibra de carbono como parte de sua estrutura ou equipamentos elétricos e eletrônicos ao longo da pá ou em sua extremidade. Em todos estes casos, existem múltiplos caminhos de condução para levar à terra as correntes de raio. A existência de múltiplos caminhos de condução implica em que os diferentes caminhos devem transmitir uma fração de correntes de raio no caso de um impacto de um raio em um receptor de raios.
[031] No caso, por exemplo, de uma pá de aerogerador 10 com um laminado de fibra de carbono 11 (ver Figura 1) os caminhos de condução são um condutor de descida 17 conectado a um receptor de raio 15 e a um arranjo de aterramento (não mostrada) e um laminado de fibra de carbono 11. Ambos os caminhos de condução 11,17 estão equipotencializados por meio de cabos auxiliares 19 ao longo da pá de aerogerador 10 para distribuir as correntes de raio e reduzir o risco de faíscas entre eles.
[032] Para melhorar os sistemas de para-raios conhecidos de pás de aerogerador com laminados de fibra de carbono a invenção propõe em primeiro lugar uma área local de injeção de correntes de raio 14 associada a um cabo auxiliar 19 e próximo, habitualmente, a um receptor de raio que está configurado para evitar sobreintensidades nos laminados de fibra de carbono. O cabo auxiliar 19 está conectado habitualmente a uma placa condutora 31 embutida em um laminado de fibra de carbono.
[033] Em uma modalidade (ver Figura 2a) a área local de injeção 14 em um laminado de fibra de carbono 11 compreende três cabos secundários 33, derivados de um cabo auxiliar 19, conectados a dispositivos condutores 45 embutidos no laminado de fibra de carbono 11. Os dispositivos condutores 45 podem ser feitos de ligas de aço, cobre, alumínio, latão, tungstênio, nicromo, materiais de compostos condutores e materiais de compostos não condutores com aditivos condutores. O uso de vários dispositivos condutores 45 (habitualmente, placas condutoras) aumenta ã área efetiva de injeção de correntes de raio no laminado de fibra de carbono 11. Cada um dos cabos secundários 33 tem um resistor 41 com uma resistência entre 2-50 mQ para controlar a quantidade de corrente injetada nos diferentes dispositivos condutores 45.
[034] Em outra modalidade (ver Figura 2b) a área local de injeção 14 em um laminado de fibra de carbono 11 compreende dois cabos secundários 33, derivados de um cabo auxiliar 19, conectados a dispositivos condutores 45 embutidos no laminado de fibra de carbono 11. Neste caso, os meios de controle das correntes de raio injetadas nos dispositivos condutores 45 são um resistor 41 colocado em um dos cabos secundários 33 e uma distância de separação D dada entre os dispositivos condutores 45. A distância D pode estar compreendida entre 10-300cm.
[035] Em outra modalidade (ver Figura 2c) a área local de injeção 14 em um laminado de fibra de carbono 11 compreende dois cabos secundários 33, derivados de um cabo auxiliar 19, conectados a dispositivos condutores 45 embutidos no laminado de fibra de carbono 11. Neste caso, os meios utilizados para controlar as correntes de raio injetadas nos dispositivos condutores 45 são cabos secundários 33 de resistências diferentes Rconduton, Rcondutor2 e dispositivos condutores 45 de resistências diferentes escolhendo combinações adequadas de materiais e geometrias. Para dispositivos condutores 45 de uma mesma geometria, um deles, feito de uma liga de aço, pode ter, por exemplo, uma resistência RPn e o outro, feito de latão, cobre ou nicromo, uma resistência Rpl2.
[036] Em outra modalidade (ver Figura 2d) os meios utilizados para variar a resistência dos diferentes caminhos de injeção de correntes de raio são dispositivos condutores 45 de diferentes materiais e geometrias, por exemplo, usando para um deles, uma combinação de uma placa condutora 51 e uma malha condutora 53 posicionada entre a placa condutora 51 e o laminado de fibra de carbono. Outra alternativa é o uso de placas condutoras de largura diferente.
[037] Em segundo lugar, a invenção propõe atingir uma distribuição equilibrada de intensidades e tensões das correntes de raio entre os condutores de descida e os laminados de fibra de carbono nas pás de aerogeradores.
[038] Com o uso de múltiplos caminhos condutores, se atinge uma distribuição das correntes de raio que é uma função dos materiais e da geometria destes. No entanto, os pontos de compensação de potencial não permitem o controle das formas de onda das intensidades e das tensões que são encontradas entre diferentes elementos em diferentes raios da pá. Como está mostrado na figura 3, em um ramo entre dois cabos auxiliares 19 a intensidade de entrada do raio 11 é distribuída entre a intensidade de raio I2 ao longo do condutor de descida 17 e a intensidade de raio I2 ao longo do laminado de fibra de carbono 11, sendo possível que os valores de 11 e I2 estejam desequilibrados devido ao fato de que a impedância do laminado de carbono 11 é diferente à esperada. Com respeito a isto, é importante assinalar que, por um lado, a fabricação de laminados de fibra de carbono não permite garantir uma faixa pequena de variação de sua impedância. A variabilidade da impedância de laminados de fibra de carbono fabricados com um mesmo método pode ser importante (a diferença entre as resistências de dois laminados de fibra de carbono pode ser maior que 50 %) e, como consequência, pode levar a intensidades e tensões maiores que o esperado no desenho do sistema de para-raios. Uma diferença de impedância com relação à esperada em um laminado de fibra de carbono não implica em nenhum dano estrutural ou de integridade da pá de aerogerador.
[039] Para controlar e equilibrar as correntes de raio ao longo dos caminhos de condução de uma pá de aerogerador a invenção propõe a incorporação de dispositivos de impedância 25 em um ou mais cabos auxiliares 19 se a diferença entre a impedância do laminado de fibra de carbono e a impedância considerada no desenho do sistema superar um limite predeterminado.
[040] As características dos dispositivos de impedância 25 são determinadas em função da impedância do laminado de fibra de carbono 11 medido depois de sua fabricação.
[041] No caso de uma pá de aerogerador 10 com três caminhos de condução: um laminado de fibra de carbono superior 11, um laminado de fibra de carbono inferior 13 e um condutor de descida 17 (ver Figura 4a), a invenção pode ser mais bem compreendida considerando o modelo elétrico mostrado na figura 4b.
[042] As impedâncias dos três caminhos de condução estão representadas, respectivamente, por circuitos com resistências e indutâncias com os valores de resistência e indutância Rcapi, Uapi; RcaP2, LcaP2; Rcondutor, Lcondutor, Sendo Rcapl, Lcapl ΓΠΘΠΟΓθε C|U6 Rcap2, Lcap2. Pâfâ equilibrar â distribuição de corrente nos três caminhos condutores, é incorporado no primeiro caminho 11 um dispositivo de impedância 25 que tem um resistor e um indutor com os valores de resistência e indutância Rcontroie, Lcontroie. Os valores de Rcontroie, Lcontroie dependem, portanto, das diferenças entre Rcapi, Lcapi e Rcap2, Lcap2, sendo a resistência o fator principal.
[043] Se, por exemplo, Rcapi = 200 mO e RcaP2 = 400 mO a distribuição de correntes entre os laminados de fibra de carbono 11,13 seria (supondo uma distribuição linear) 2/3 para laminado de fibra de carbono 11 e 1/3 para laminado de fibra de carbono 13. Logo, para atingir uma distribuição de corrente equilibrada a resistência Rcontroie do dispositivo de impedância 25 incorporado ao sistema de para-raios deve ser de 200 mO.
[044] O sistema de para-raios de uma pá de aerogerador 10 pode compreender o uso de múltiplos dispositivos de impedância 25 situados em diferentes pontos equipotenciais como está mostrado na figura 5 para equilibrar e controlar as intensidades e tensões das correntes de raio.
[045] Embora a presente invenção tenha sido descrita em relação a diversas modalidades, será apreciado a partir da descrição que é possível proceder a diversas combinações de elementos, variações ou melhorias nela, e que estejam dentro do alcance da invenção conforme definido nas reivindicações apensas.
REIVINDICAÇÕES
Claims (12)
1. Sistema de para-raios para uma pá de aerogerador (10) que compreende pelo menos um receptor de raios (15) conectado a um ou mais condutores de descida (17) de uma disposição de conexão à terra da pá de aerogerador (10) e um ou dois laminados de fibra de carbono (11, 13); estando equipotencializados os condutores de descida (17) com os laminados de fibra de carbono (11, 13) por um ou mais cabos auxiliares (19) que estão conectados a placas condutoras (31) embutidas nos laminados de fibra de carbono (11, 13) em vários pontos ao longo da pá de aerogerador (10); caracterizado por compreender também pelo menos uma área local de injeção de correntes de raio (14) nos laminados de fibra de carbono (11, 13) associada a um cabo auxiliar (19) que tem um ou mais caminhos de condução paralelos adicionais que compreendem cabos secundários (33) derivados do dito cabo auxiliar (19) e conectados a dispositivos condutores (45) embutidos nos laminados de fibra de carbono (11, 13) que estão configurados para evitar sobreintensidades nos laminados de fibra de carbono (11, 13).
2. Sistema de para-raios, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender pelo menos um resistor (41) em um cabo secundário (33) de uma área local de injeção de correntes de raio (14).
3. Sistema de para-raios, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a resistência do dito resistor 41 está compreendida entre 250 mQ.
4. Sistema de para-raios, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreende pelo menos dos cabos secundários (33) que têm resistências diferentes Rcondi, Rcond2 em uma área local de injeção de correntes de raio (14).
5. Sistema de para-raios, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender pelo menos dois dispositivos condutores (45) que têm resistências diferentes RPn, RPi2 em uma área local de injeção de correntes de raio (14).
6. Sistema de para-raios, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por os ditos dispositivos condutores (45) são placas condutoras feitas de um dos seguintes materiais: ligas de aço, cobre, alumínio, latão, tungstênio, nicromo, materiais de compostos condutores e materiais de compostos não condutores com aditivos condutores.
7. Sistema de para-raios, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por um dos ditos dispositivos condutores (45) é um conjunto de uma placa condutora (51) e uma malha metálica (53).
8. Sistema de para-raios, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender pelo menos dois caminhos de condução paralelos adicionais em que seus dispositivos condutores (45) estão separados por uma distância D entre 10-300 cm.
9. Sistema de para-raios, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por: - a pá de aerogerador (10) compreende um laminado de fibra de carbono (11); - o sistema de para-raios está desenhado para um valor de referência da impedância do laminado de fibra de carbono (11); - o sistema de para-raios também compreende um ou mais dispositivos de impedância (25) nos ditos cabos auxiliares (19) no caso de existir uma diferença negativa superior a um limite predeterminado entre a impedância do laminado de fibra de carbono (11) e o dito valor de referência; - os ditos um ou mais dispositivos de impedância (25) estão configurados para atingir uma distribuição equilibrada de intensidades e tensões entre o dito um ou mais condutores de descida (17) e o laminado de fibra de carbono (11).
10. Sistema de para-raios, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por os ditos dispositivos de impedância (25) compreendem um ou mais dos seguintes elementos passivos: um resistor, um indutor, um condensador.
11. Sistema de para-raios, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por: - a pá de aerogerador (10) compreende dois laminados de fibra de carbono (11,13); - o sistema de para-raios também compreende um ou mais dispositivos de impedância (25) nos ditos cabos auxiliares (19) no caso de existir uma diferença superior a um limite predeterminado entre as impedâncias dos laminados de fibra de carbono (11, 13); - os ditos um ou mais dispositivos de impedância (25) estão configurados para atingir uma distribuição equilibrada de intensidades e tensões entre os ditos um ou mais condutores de descida (17) e os laminados de fibra de carbono (11,13).
12. Sistema de para-raios, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por os ditos dispositivos de impedância (25) compreendem um ou mais dos seguintes elementos passivos: um resistor, um indutor, um condensador.
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