BR102017012116A2 - Sistema para-raios para pás de aerogeradores com meios otimizados de injeção de correntes de raio nos componentes condutores de suas conchas - Google Patents

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Madoz Zabalegui Juan
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Abstract

sistema para-raios para pás de aerogeradores com meios otimizados de injeção de correntes de raio nos componentes condutores de suas conchas. sistema para-raios para pás de aerogeradores com meios otimizados de injeção de correntes de raio nos componentes condutores de suas conchas. os meios de injeção compreendem um elemento receptor de corrente (27; 47; 67) conectado ao cabo de entrada das correntes de raio e disposto sobre uma zona das conchas próxima ao componente condutor de eletricidade (22; 42; 62) e um elemento de injeção de corrente (28; 48; 68; 69, 69?) disposto sobre o componente condutor de eletricidade (22; 42; 62) e conectado ao elemento receptor de corrente (27; 47; 67) por, pelo menos, dois cabos de distribuição (31, 32; 51, 52, 53; 71, 72, 73, 74).

Description

(54) Título: SISTEMA PARA-RAIOS PARA PÁS DE AEROGERADORES COM MEIOS OTIMIZADOS DE INJEÇÃO DE CORRENTES DE RAIO NOS COMPONENTES CONDUTORES DE SUAS CONCHAS (51) Int. Cl.: H02G 13/00; F03D 80/30; H02K 7/18 (30) Prioridade Unionista: 07/06/2016 ES P201600471 (73) Titular(es): GAMESA INNOVATION & TECHNOLOGY, S.L.
(72) Inventor(es): VÍCTOR MARCH NOMEN; JUAN MADOZ ZABALEGUI (74) Procurador(es): MARIA PIA CARVALHO GUERRA (57) Resumo: SISTEMA PARA-RAIOS PARA PÁS DE AEROGERADORES COM MEIOS OTIMIZADOS DE INJEÇÃO DE CORRENTES DE RAIO NOS COMPONENTES CONDUTORES DE SUAS CONCHAS. Sistema para-raios para pás de aerogeradores com meios otimizados de injeção de correntes de raio nos componentes condutores de suas conchas. Os meios de injeção compreendem um elemento receptor de corrente (27; 47; 67) conectado ao cabo de entrada das correntes de raio e disposto sobre uma zona das conchas próxima ao componente condutor de eletricidade (22; 42;
62) e um elemento de injeção de corrente (28;
48; 68; 69, 69?) disposto sobre o componente condutor de eletricidade (22; 42; 62) e conectado ao elemento receptor de corrente (27; 47; 67) por, pelo menos, dois cabos de distribuição (31, 32; 51, 52, 53; 71, 72, 73, 74).
—
53=
42—21
1/8
Relatório Descritivo da Patente de Invenção: “SISTEMA PARA-RAIOS PARA PÁS DE AEROGERADORES COM MEIOS OTIMIZADOS DE INJEÇÃO DE CORRENTES DE RAIO NOS COMPONENTES CONDUTORES DE SUAS CONCHAS” [001 ] CAMPO DA INVENÇÃO [002] A invenção se refere a um sistema para-raios para pás de aerogeradores com componentes condutores de eletricidade em suas conchas e em particular à injeção de correntes de raio nos ditos componentes condutores de eletricidade.
[003] ANTECEDENTES [004] Devido à altura alcançada pelos aerogeradores e a seu deslocamento em zonas elevadas existe um alto risco de receber impactos de raios especialmente em suas pás. Por isso as pás devem dispor de um sistema de proteção contra raios e qualquer sistema adicional instalado nelas que contenha elementos condutores (peças metálicas, sensores, sistemas de abalizado,...) deve estar protegido contra os impactos diretos de raios e os efeitos indiretos devido ao campo eletromagnético induzido por eles.
[005] O sistema para-raios das pás de aerogerador tem como principais componentes uma série de receptores metálicos dispostos na superfície da pá e um cabo condutor de declive que conduz o raio desde os receptores até a raiz. A evolução no desenvolvimento de aerogeradores e o aumento na potência administrada fez com que fosse conduzido a novas gerações de aerogeradores de dimensões superiores tanto na altura da torre quanto no diâmetro de rotor. Com o aumento do comprimento da pá se faz necessário um aumento na rigidez. Uma forma muito extensa de consegui-lo é mediante o uso de uma maior quantidade de laminados baseados em fibra de carbono na fabricação da pá tanto em forma de “caps” unidos às conchas quanto formando parte da estrutura da concha. No entanto, os laminados de fibra de carbono são condutores, uma vez que devem ser conectados em paralelo com o cabo condutor de declive para evitar que gerem arcos internos entre o cabo e o laminado e para que não sejam
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2/8 produzidos impactos diretos de raios no laminado de fibra de carbono.
[006] W0 2006/051147 A1 descreve um sistema para-raios que inclui meios de equipotencialização dos laminados de fibra de carbono com o sistema pararaios que incluem derivações do cabo principal para conectá-lo diretamente com os laminados de fibra de carbono dispostos nas partes superior e inferior da viga da pá (ver Figura 1 a). Um cabo auxiliar 5 derivado do condutor de declive 6 está conectado mediante união aparafusada a uma platina metálica 3 em contato direto com as capas de fibra de carbono das abas 4 da viga da pá e que serve de meio de injeção de corrente nelas. A conexão elétrica pode ser melhorada mediante o emprego de resinas condutoras adicionadas em forma de nanofibras ou nanotubos de carbono 11 tanto entre a platina metálica 3 e as capas de fibra de carbono quanto nas imediações da platina metálica 3. Devido a alta frequência da corrente do raio, a distribuição da corrente de forma local na conexão, até que a área efetiva de conexão seja menor que a física, sendo a densidade de corrente muito maior na zona A próxima ao cabo auxiliar 5 que na zona B afastado dele.
[007] A presente invenção está orientada para a solução desse inconveniente.
[008] SUMARIO DA INVENÇÃO [009] A invenção fornece um sistema para-raios de una pala de aerogerador cujas conchas incluem um componente condutor de eletricidade embebido nelas com os meios de injeção das correntes de raio no dito componente condutor que conseguem una distribuição equilibrada da corrente na zona de injeção.
[010] Esses meios de injeção compreendem um elemento receptor das correntes de raio disposto sobre una zona das conchas próximas ao componente condutor de eletricidade e um elemento de injeção de corrente disposto sobre o componente condutor de eletricidade que estão conectados entre eles por pelo menos dois cabos de distribuição.
[011] Ditas correntes de raio podem proceder de um condutor de bajada a terra que discorre pelo interior da pá ou de cabos conectados diretamente a
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3/8 receptores de raios da pá.
[012] Em uma realização, o componente condutor é um “cap” embebido em una concha e os meios de injeção compreendem um elemento receptor de corrente e um elemento de injeção de corrente que estão conectados por dois cabos de distribuição e que estão configurados para evitar que haja zonas com una elevada densidade de corrente no elemento de injeção de corrente.
[013] Em uma realização, o componente condutor é um laminado de fibra de carbono embebido em uma concha e os meios de injeção compreendem um elemento receptor de corrente e um elemento de injeção de corrente que estão conectados por três cabos de distribuição y que estão configurados para evitar que haja zonas com uma elevada densidade de corrente no elemento de injeção de corrente.
[014] Em uma realização, o componente condutor em uma malha metálica embebida em uma concha e os meios de injeção compreendem um elemento receptor de corrente e um elemento de injeção de corrente que estão conectados por quatros cabos de distribuição y que estão configurados para evitar que haja zonas com uma elevada densidade de corrente no elemento de injeção de corrente.
[015] Outras características desejáveis e vantagens da invenção se tornarão evidentes a partir da seguinte descrição detalhada e das reivindicações adjuntas em relação às figuras que as acompanham.
[016] BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS [017] As Figuras 1a y 1b são, respectivamente, uma vista em perspectiva e uma vista esquemática em planta de um sistema para-raios conhecido de una pala de aerogerador que mostram como se injeta una corrente de raio em um “cap” da viga da pá de aerogerador.
[018] A Figura 2a es una vista esquemática em planta de um sistema pararaios de uma pá de aerogerador segundo a invenção que mostra como se injeta uma corrente de raio em um “cap” unido a uma concha de uma pá de aerogerador. A Figura 2b é um esquema elétrico de dita injeção de corrente e a
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Figura 2c mostra graficamente a divisão de correntes em frequências características do raio (kHz).
[019] A Figura 3a é uma vista esquemática em planta de um sistema pararaios de uma pá de aerogerador segundo a invenção que mostra como se injeta uma corrente de raio em um laminado de fibra de carbono integrado em uma concha de uma pá de aerogerador. A Figura 3b é um esquema elétrico da dita injeção de corrente e a Figura 3c mostra graficamente a divisão de correntes em frequências características do raio (kHz).
[020] As Figuras 4a e 4b são vistas esquemáticas em planta de um sistema para-raios de una pala de aerogerador segundo a invenção que mostra como se injeta uma corrente de raio em uma malha metálica integrada em uma concha de uma pá de aerogerador.
[021 ] DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [022] A presente invenção se refere a sistemas para-raios de pás de aerogeradores cujas conchas incluem componentes condutores da eletricidade e, em particular, conchas da seguinte tipologia:
[023] - conchas que incorporam “caps” constituídos por laminados de fibra de carbono;
[024] - conchas cuja estrutura inclui laminados de fibra de carbono (que costumam ser denominados conchas estruturais);
[025] - conchas cuja estrutura inclui malhas metálicas, como acontece no caso de conchas com material absorvente de radar.
[026] Na primeira das tipologias mencionadas, o sistema para-raios típico compreende (ver Figura 1b) um cabo condutor de declive 21 das correntes de raio recebidas por um ou mais receptores de raios situados tipicamente na ponta da pá e que discorre pelo interior da pá 20, mais próximo, normalmente, a sua borda de saída 23 que a sua borda de ataque 25, conectado a uma platina 24 disposta sobre o “cap” 22 unido à concha. O quadrado negro sinaliza a conexão do cabo derivado do condutor de declive 21 com a platina 24 e a circunferência cinza de traço grosso a área de alta densidade de corrente.
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5/8 [027] Na realização da invenção ilustrada nas Figuras 2a, 2b y 2c, os meios de injeção de correntes de raio no “cap” 22 derivadas do cabo condutor de declive 21 mediante um cabo auxiliar (ao que chamaremos adiante cabo de entrada) compreendem um elemento receptor de corrente 27 e um elemento de injeção de corrente 28 (realizados por exemplo como platinas metálicas) conectados por dois cabos de distribuição 31,32 de uma indutância maior que do elemento de recepção de corrente 27. O elemento de injeção de corrente 28 está disposto sobre o “cap” 22 e o elemento receptor de corrente 27, conectado ao cabo de entrada, está situado em uma zona próxima a ele e, preferivelmente, a uma distância inferior a 5m.
[028] A configuração descrita permite melhorar a distribuição de corrente na zona de injeção como se deduz da grossura das circunferências cinzas em comparação com a da circunferência da Figura 1b. Se pede diminuir a corrente de pico pela metade e, portanto, na zona de injeção local diminui o valor do campo elétrico com a conseguinte redução do aumento de temperatura.
[029] Realizando uma simulação do esquema elétrico da Figura 2b para um elemento receptor de corrente 27 de uma indutância L=0,1 μΗ (e uma resistência R) e uns cabos de distribuição 31, 32 das indutâncias Ι_1=1μΗ y Ι_2=1μΗ foi comprovado que pode conseguir uma divisão quase igual da intensidade da corrente de raio It recebida pelo elemento receptor corrente 27 entre as correntes 11 e I2 transmitidas pelos cabos de distribuição 31,32, como também é mostrado na Figura 2c: It curva 35,11 e I2 curvas 36, 37.
[030] Na realização da invenção ilustrada nas Figuras 3a, 3b y 3c, aplicado a uma pá de aerogerador 20 com conchas estruturais e traves 15, 17, os meios de injeção das correntes de raio transmitidas pelo cabo de entrada no laminado de fibra de carbono 42 de uma concha compreendem um elemento receptor de corrente 47 e um elemento de injeção de corrente 48 (realizados por exemplo como platinas metálicas) conectados por três cabos de distribuição 51, 52, 53 (dado que os laminados de fibra de carbono 42 tem normalmente uma largura maior que o “cap” 22 da Figura 2a) de uma indutância maior que a do elemento
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6/8 de recepção de corrente 47. O elemento de injeção de corrente 48 está disposto sobre o laminado de fibra de carbono 42 e o elemento receptor de corrente 27, conectado ao cabo de entrada, está situado em uma zona próxima a ele.
[031] Essa configuração permite melhorar a distribuição de corrente na zona de injeção de forma análoga à realização anterior.
[032] Realizando uma simulação do esquema elétrico da Figura 3b para um elemento receptor de corrente 47 de uma indutância L=0,1 μΗ (e uma resistência R) e os cabos de distribuição 51, 52, 53 das indutâncias Ι_1=1μΗ, Ι_2=1μΗ e Ι_3=1μΗ foi comprovado que pode ser conseguido uma divisão quase igual da intensidade da corrente de raio It recebida pelo elemento receptor de corrente 48 entre as correntes 11,12 e I3 transmitidas pelos cabos de distribuição 51,52, 53 como também é mostrado na Figura 3c: It curva 55,11,12 e I3 curvas 56, 57, 58.
[033] Na realização da invenção ilustrada na Figura 4a, aplicado a uma pá de aerogerador 20 com conchas que inclui uma malha metálica 62 (que forma parte de uma estrutura de absorção de radar) e traves 15, 17, os meios de injeção das correntes de raio transmitidas pelo cabo de entrada na malha metálica 62 compreendem um elemento receptor de corrente 67 e um elemento de injeção de corrente 68 (realizados por exemplo como platinas metálicas) conectados por quatro cabos de distribuição 71, 72, 73, 74 (dado que a malha metálica 62 tem normalmente uma largura maior que o “cap” 22 da Figura 2a e que o laminado de fibra de carbono 42 da Figura 3a) de uma indutância maior que a do elemento receptor de corrente 67.
[034] O elemento de injeção de corrente 68 está disposto sobre a malha metálica 62 e o elemento receptor de corrente 67, conectado ao cabo de entrada, está situado em uma zona próxima a ela.
[035] Essa configuração permite melhorar a distribuição de corrente na zona de injeção de forma análoga à realização anterior como é ilustrado com as circunferências cinzas da Figura 4a que indicam a zona de máxima densidade ou de “influência” de elemento de injeção.
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7/8 [036] A realização ilustrada na Figura 4b é similar à da Figura 4a. A única diferença é que no lugar de um elemento de injeção de corrente 68 são utilizados dois elementos de injeção de corrente 69, 69’.
[037] Todo o dito anteriormente também é aplicado quando o cabo de entrada é um cabo conectado diretamente a um receptor de raios, como pode ocorrer no caso de sistemas para-raios que, além de típicos receptores de raios situados na ponta da pá conectados a um condutor de declive como o representado nas Figuras com o número 21, também incluem receptores de raios laterais em determinadas seções transversais da pá.
[038] Entre as vantagens da invenção cabe destacar que:
[039] - É aumentada a área efetiva de transmissão de corrente.
[040] - É reduzida a tensão local no ponto de injeção.
[041] - É reduzido o aumento de temperatura no material (o que garante sua integridade estrutural).
[042] Outra vantagem significativa é que o sistema para-raios da invenção pode ser instalado em conchas fabricadas mediante procedimentos de infusão pois os meios de injeção do sistema podem ser dispostos nas localizações correspondentes durante a fabricação de cada uma das conchas da pá e efetuar as conexões correspondentes durante o processo de montagem da pá. Dado que, em particular, nesse processo as traves 15, 17 devem ser “unidas” às conchas resulta especialmente vantajoso a utilização de meios injetores tais como platinas metálicas, que podem ser “pressionadas” pelos flancos das traves 15,17, o que não seria possível com cabos (se romperiam).
[043] A invenção é especialmente aplicada para pás de carbono tipo offshore já que a quantidade de corrente é muito maior é necessário, portanto melhorar os sistemas empregados atualmente para a injeção de corrente nos “caps” e para pás “stealth” que requeiram melhorias em seus sistemas de injeção de correntes.
[044] Ainda que a presente invenção tenha sido descrita em relação com diversas realizações, será apreciado a partir da descrição que podem ser feitas
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8/8 diversas combinações de elementos, variações ou melhorias nela, e estão dentro do alcance da invenção segundo é definido nas reivindicações anexas.
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1/3

Claims (12)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Sistema para-raios de uma pá de aerogerador (20), cujas conchas incluem pelo menos um componente condutor de eletricidade (22; 42; 62) embebido nelas, caracterizado por compreender meios de injeção de correntes de raios em dito componente condutor de eletricidade (22; 42; 62) depois de sua recepção através de um cabo de entrada conectado direta ou indiretamente com um ou mais receptores de raios da pá, caracterizado porque ditos meios de injeção de correntes de raio compreendem:
    - um elemento receptor de corrente (27; 47; 67) conectado a dito cabo de entrada e disposto sobre uma zona das conchas próxima ao componente condutor de eletricidade (22; 42; 62); e
    - um elemento de injeção de corrente (28; 48; 68; 69, 69’) disposto sobre o componente condutor de eletricidade (22; 42; 62) e conectado ao elemento receptor de corrente (27, 47, 67) por pelo menos dois cabos de distribuição (31,32; 51,52, 53; 71,72, 73, 74).
  2. 2. Sistema para-raios de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito cabo de entrada ser um cabo derivado de um condutor de declive (21) disposto no interior da pá de aerogerador (20) para levar correntes de raio à terra.
  3. 3. Sistema para-raios de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito cabo de entrada ser um cabo conectado diretamente a um receptor de raios da pá.
  4. 4. Sistema para-raios de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por a distância entre o elemento receptor de corrente (27; 47; 67) e o elemento de injeção de corrente (28; 48; 68; 69, 69’) ser menor de 5m.
  5. 5. Sistema para-raios de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o componente condutor ser um “cap” (22) e os meios de injeção compreendem um elemento receptor de corrente (27) e um elemento de injeção de corrente (28) que estão conectados por dois
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    2/3 cabos de distribuição (31, 32) e que estão configurados de maneira que seja alcançado uma divisão de correntes em ditos cabos de distribuição (31,32) que evite que haja zonas com uma elevada densidade de corrente no elemento de injeção de corrente (28).
  6. 6. Sistema para-raios de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o elemento receptor de corrente (27) e o elemento de injeção de corrente (28) serem platinas metálicas.
  7. 7. Sistema para-raios de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o componente condutor ser um laminado de fibra carbono (42) e os meios de injeção compreendem um elemento receptor de corrente (47) e um elemento de injeção de corrente (48) conectados por três cabos de distribuição (51,52, 53) e estão configurados de maneira que seja alcançado uma divisão de correntes em ditos cabos de distribuição (51, 52, 53) que evite que haja zonas com uma elevada densidade de corrente no elemento de injeção de corrente (48).
  8. 8. Sistema para-raios de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o elemento receptor de corrente (47) e o elemento de injeção de corrente (48) serem platinas metálicas.
  9. 9. Sistema para-raios de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o componente condutor ser uma malha metálica (62) e os meios de injeção compreendem um elemento receptor de corrente (67) e um elemento de injeção de corrente (68) que estão conectados por quatro cabos de distribuição (71, 72, 73, 74) e que estão configurados de maneira que seja alcançado uma divisão de correntes em ditos cabos de distribuição (71, 72, 73, 74) que evite que haja zonas com uma elevada densidade de corrente no elemento de injeção de corrente (68).
  10. 10. Sistema para-raios de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por o elemento receptor de corrente (67) e o elemento de injeção de corrente (68) serem platinas metálicas.
  11. 11. Sistema para-raios de acordo com qualquer uma das
    Petição 870170038823, de 07/06/2017, pág. 21/23
    3/3 reivindicações 1 a 4, caracterizado por o componente condutor ser uma malha metálica (62) e os meios de injeção compreendem um elemento receptor de corrente (67) e dois elementos de injeção de corrente (69, 69’) que estão conectados por quatro cabos de distribuição (71, 72, 73, 74) e que estão configurados de maneira que seja alcançado a divisão de correntes em ditos cabos de distribuição (71, 72, 73, 74) que evite que haja zonas com uma elevada densidade de corrente nos elementos de injeção de corrente (69, 69’).
  12. 12. Sistema para-raios de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o elemento receptor de corrente (67) e os elementos de injeção de corrente (69, 69’) serem platinas metálicas.
    Petição 870170038823, de 07/06/2017, pág. 22/23
    1/4
    Petição 870170038823, de 07/06/2017, pág. 14/23
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BR102017012116-0A 2016-06-07 2017-06-07 Sistema para-raios para pás de aerogeradores com meios otimizados de injeção de correntes de raio nos componentes condutores de suas conchas BR102017012116A2 (pt)

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