ES2209142T3

ES2209142T3 - Dispositivo y metodo para calentar y descongelar alabes de turbina de energia eolica.

Info

Publication number: ES2209142T3
Application number: ES98923593T
Authority: ES
Inventors: John A. Rolls
Original assignee: Thermion Systems International
Current assignee: Thermion Systems International
Priority date: 1997-05-20
Filing date: 1998-05-20
Publication date: 2004-06-16
Anticipated expiration: 2018-05-20
Also published as: EP0983437B1; DE69818992T2; ATE252202T1; DE69818992D1; DK0983437T3; CA2290386A1; CA2290386C; EP0983437A1; US6145787A; WO1998053200A1

Abstract

Un método para calentar la superficie de un álabe de turbina de energía eólica caracterizado porque comprende: la previsión de un elemento calentador de tejido (1, 20) consistente en una capa interior compuesta de un tejido de fibras eléctricamente conductoras estratificado entre dos materiales dieléctricos; dos capas exteriores de materiales dieléctricos dispuestas en superficies opuestas de dicha capa interior y encapsulando dicha capa interior, y conexiones eléctricas para conectar a una fuente de corriente dichas fibras conductoras y destinada a recibir potencia de dicha fuente de corriente; disposición del elemento calentador de tejido (1, 20) en una posición predeterminada dentro o en la superficie del álabe, y excitación de las fibras eléctricamente conductoras del elemento calentador de tejido (1, 20) descongelando o impidiendo por ello el depósito de hielo en el álabe.

Description

Dispositivo y método para calentar y descongelar álaves de turbina de energía eólica.

Campo técnico del invento

El presente invento se refiere a álabes de turbinas de energía eólica calentables y a un método para calentar y descongelar los álabes de la turbina. Los álabes de la turbina contienen un compuesto que tiene incorporado en él calentadores de tejido que generan energía térmica para descongelar la superficie de los álabes. El método del invento comprende disponer los calentadores de tejido en o sobre la superficie de los álabes de la turbina, y excitar los calentadores para fundir el hielo y desprender los depósitos de hielo de los álabes de la turbina.

Antecedentes del invento

Las turbinas de energía eólica generan su energía eléctrica a partir del viento. Esta generación de energía tiene lugar cuando el viento está dentro de ciertos límites operativos de velocidad. Debido a las condiciones atmosféricas en las que se crea el viento, en condiciones de formación de hielo las turbinas de energía eólica podrían funcionar al cien por cien de sus límites operativos, si no fuera por la acumulación de hielo. De este modo, la eficiencia de la turbina para producir energía eléctrica está comprometida cuando el hielo se deposita en los álabes de la turbina.

Al contrario que otras formas de producción de energía, la energía eólica está libre de residuos, proporciona un pequeño impacto medio ambiental, exhibe bajos costes de mantenimiento y ofrece inversiones de capital graduales. Esta graduación de producción de energía eólica tiene lugar en el número de unidades y sobre un número de unidades de diferente tamaño. Para la producción local pueden instalarse tan pocos como un solo dispositivo o tantos como centenares, o millares instalados, creando lo que es conocido como un parque eólico. Además, se ha observado que ciertas localidades ofrecen vientos dominantes consistentes, haciendo la producción de energía y su gestión incluso de coste más efectivo. Desafortunadamente, aunque una cierta proporción de lugares de parques existentes son obstaculizados por la formación de hielo, otros lugares candidatos para parques eólicos son despreciados debido a su entorno adverso de formación de hielo. Así, la capacidad de que en un área se produzcan vientos no es suficiente. Debe estar relativamente libre de hielo.

La formación de hielo tiene diversas características negativas que afectan a la producción de energía eólica. Los álabes para la generación de viento están diseñados y construidos al mayor nivel de conocimientos técnicos para proporcionar la máxima eficiencia de transferencia de viento a energía rotacional y finalmente a energía eléctrica. Cuando existen condiciones de formación de hielo, el hielo se acumula en las superficies de los álabes, cambiando el perfil aerodinámico, y reduciendo su eficiencia. Además, diferentes formas de hielo pueden afectar de modo diferente. Algunos tipos de hielo aumentan considerablemente la resistencia aerodinámica mientras que añaden poco peso. Esta forma de acumulación da como resultado una menor eficiencia de producción cuando la acumulación continua. En algún punto, la cantidad de hielo o su efecto acumulativo pueden frenar los álabes simultáneamente cesando la rotación y la producción de energía eléctrica. Otras formas de formación de hielo añaden peso con menor penalización aerodinámica. Aumentos en peso proporcionan más tensiones en el equipamiento, y así costes de mantenimiento elevados. Con la acumulación de hielo, existen peligros cuando el hielo se desprende de los álabes giratorios de un modo incontrolado. El desprendimiento del hielo puede crear cargas asimétricas peligrosas en la totalidad o en parte del equipamiento y destruir la estructura. Adicionalmente, el desprendimiento de piezas mayores puede destruir estructuras próximas.

Durante períodos estacionales, existen condiciones atmosféricas de formación de hielo que hacen las turbinas de energía eólica ineficientes y de funcionamiento peligroso. Las condiciones de formación de hielo son un fenómeno atmosférico que produce agua en suspensión en el aire en formas próximas a congelación, congelada y superenfriada - sin congelar. Combatir la acumulación de hielo puede ser conseguido por medios electrotérmicos. Hasta ahora, el calentamiento electrotérmico y la descongelación/impedimento de formación de hielo de álabes de la turbina de energía eólica han sido conseguidos por elementos de calentamiento eléctrico fabricados a partir de distintos tipos de alambres o hilos metálicos y láminas. Este método de calentar los álabes de la turbina es ineficiente, sufriendo fatiga térmica y mecánica, limitando por ello su duración. Así, se necesitan métodos nuevos y perfeccionados para calentar álabes de turbina de energía eólica, que generaran una distribución uniforme de calor para eliminar más eficientemente las acumulaciones de hielo y que mejoraran la vida de fatiga sobre los calentadores de alambre y láminas de modo que aumente el marco medioambiental operativo y las expectativas de vida de los álabes.

Se han utilizado tejidos conductores en estructuras aeroespaciales de descongelación y contra formación de hielo. Por ejemplo, la patente norteamericana nº 5.344.696 de Hastings y col., describe un estratificado unido integralmente que es usado para controlar térmicamente una superficie de una aeronave a la que está unido el estratificado. La patente describe que el uso de tejidos tiene numerosas ventajas sobre métodos anteriores para descongelar y calentar alas de aviones; por ejemplo, la fibra conductora es de bajo peso, y/o permite la intrusión nominal en términos de aerodinámica; es fácil de manejar comparada con alambres o láminas, y más notablemente, permite la distribución uniforme de calor. Estos factores contribuyen a un uso de la energía más eficiente. Aplicaciones a aeronaves para descongelar y evitar la formación de hielo necesitan un extremo en términos de necesidades de producto. Debido a que las aeronaves funcionan con recursos eléctricos muy limitados y en condiciones atmosféricas extremas, un sistema debe ser eficiente así como robusto para proporcionar protección. Existe una variedad de elementos calentadores en la técnica anterior.

La patente norteamericana nº 4.534.886, de Kraus y col., describe una banda conductora eléctricamente compuesta por una lámina no tejida de fibras conductoras y fibras no conductoras. La lámina es saturada con una dispersión que contiene partículas conductoras y es a continuación secada. El elemento calentador de Kraus y col., es usado principalmente en almohadillas calentadoras.

El documento WO-A-9.515.670 (Solicitud Internacional nº PCT/US94/13504) describe un conjunto calentador compuesto eléctricamente conductor. El conjunto tiene una capa de fibras no tejidas conductoras eléctricamente estratificada entre capas de fibra de vidrio y otro material dieléctrico. El conjunto tiene además una capa exterior resistente a la abrasión. El elemento calentador es usado en estructuras aeroespaciales como un sistema de protección contra el hielo para resistir el esfuerzo mecánico repetido y los ciclos térmicos encontrados en ambientes aeroespaciales extremamente duros.

El documento FR-A-2.719.182 describe un dispositivo descongelador eléctrico para álabes giratorios de helicópteros.

Ninguno de los elementos calentadores de la técnica anterior, sin embargo, ha sido aplicado para calentar o descongelar la superficie de álabes de turbina de energía eólica.

Resumen del invento

El invento se refiere a álabes de turbina de energía eólica y a un método para calentar y descongelar los álabes de la turbina. Los álabes de la turbina comprenden un calentador de tejido dispuesto integralmente dentro o sobre los álabes para calentar y descongelar efectivamente las superficies de los álabes. Se han explorado múltiples diseño y métodos de álabes de turbina así como materiales calentadores y métodos para controlar la emisión de calor, y métodos para la aplicación de tales materiales. El presente método para calentar y descongelar/impedir la formación de hielo en los álabes de turbina de energía eólica presentan ventajas sobre los métodos de la técnica anterior porque no limitan ni reducen la vida operativa de los álabes de turbina.

En una realización preferida, los álabes de la turbina de energía eólica son calentados por una capa de tejido compuesta de fibras conductoras. En particular, el calentador de capa de tejido puede ser proporcionado a los álabes o bien sólo o bien como parte de un compuesto estratificado que es impermeable al agua.

El invento también se refiere a un método para calentar los álabes de turbina de energía eólica. El método comprende incorporar y disponer una capa de tejido compuesta por fibras conductoras o sólo un calentador de tejido, o en forma de un estratificado compuesto en o dentro de los álabes de las turbinas, de modo que cuando las fibras conductoras de los elementos calentadores de tejido son excitadas, el calor producido es distribuido uniformemente sobre las superficies de los álabes, fundiendo por ello la unión de enlace y así la aglomeración de hielo se desprende de una manera controlada.

Los calentadores de tejido pueden ser incorporados dentro del diseño de los álabes de la turbina de energía eólica internamente, externamente, o de forma parcialmente externa o interna.

En otra realización, el invento se refiere a un método para construir o hacer un álabe de turbina de energía eólica.

Breve descripción de las figuras

La fig. 1 muestra las capas componentes de un elemento calentador de tejido compuesto estratificado usado en el invento.

La fig. 2 ilustra un diseño de álabe de molde partido del invento que muestra las capas componentes de un álabe de turbina.

La fig. 3 ilustra un diseño de álabe de molde partido del invento que forma un álabe de turbina.

La fig. 4 muestra una representación esquemática de un sistema de línea de transmisión compartida del invento.

La fig. 5 representa una conexión electromecánica del invento que utiliza una púa o punta.

La fig. 6 ilustra una representación esquemática de un álabe de turbina de energía eólica que muestra la localización de elementos calentadores de tejido de zona dentro del álabe.

La fig. 7 muestra una representación esquemática de una sección transversal de un álabe de turbina de energía eólica que muestra las capas componentes.

\newpage

La fig. 8 es una representación esquemática de un borde de ataque o anterior preparado de un álabe de turbina de energía eólica calentable del invento.

Descripción detallada del invento

El presente invento proporciona álabes de turbina de energía eólica calentables y métodos para calentar y descongelar/impedir la formación de hielo de los álabes de turbina usando elementos calentadores de tejido eléctricamente conductor. Los elementos calentadores de tejido pueden estar unidos a la superficie del álabe, tal como en forma de una envoltura o capuchón, o incorporado dentro de una estructura de los álabes de turbina.

En el presente invento, tejidos eléctricamente conductores son definidos como cualquier combinación o colección de distintas fibras, es decir, conductoras, semiconductoras y no conductoras. Las fibras pueden no estar dispuestas en formas tejidas, no tejidas, o trenzadas de distintas maneras. Las fibras pueden ser fibras naturales eléctricamente conductoras, fibras artificiales eléctricamente conductoras, fibras naturales semiconductoras, fibras artificiales semiconductoras, fibras naturales no conductoras y fibras artificiales no conductoras. Cualquiera de las fibras puede ser revestida con materiales conductores, semiconductores o no conductores. Además, pueden proyectarse o diseñarse telas no tejidas para contener distintas fibras de diferentes longitudes y orientación. Además de fibras de hilandería estándar, puede construirse un tejido o tela híbrido a partir de fibras distintas no conductoras eléctricamente mediante un proceso conocido como carbonización. El proceso de carbonización convierte polímeros de hidrocarburos en fibras o filamentos de carbono conductores exponiéndolos a una temperatura elevada. Ejemplos de estas fibras son fibras de carbono y/o carbono revestido metálicamente.

El revestimiento de fibras proporciona diseños con variables adicionales de capacidad calorífica específica, resistencia eléctrica, inhibición de corrosión, y coeficientes de esfuerzo. Los revestimientos necesitan no ser conductores en el momento de construcción de la fibra puesto que la propia fibra es conductora, o es parte de un sistema híbrido como se ha descrito más adelante. Los tipos de fibras pueden ser elegidos debido a las propiedades conocidas en la técnica a la que están dirigidas. Fibras acabadas pueden ser combinadas para promover un compromiso o aprovecharse de las resistencias mecánicas encontradas en cada una de ellas. Cada tipo de fibra, y combinación de las mismas, una vez combinadas forman un tejido. Cada tejido tiene características en sí mismas que serían bien adecuadas, o no, para usar como un elemento calentador electrotérmico. Uno de tales materiales bien adecuado para aplicaciones generales es fibra de carbono revestida de níquel no tejida (NCCF), conocida en la técnica anterior como THERMION y descrita en la patente norteamericana nº 5.344.696.

Se ha definido un elemento calentador como el componente de base que genera o disipa de otro modo calor por acciones de entrada de energía. La energía en este ejemplo es en forma de corriente eléctrica que actúa sobre una carga resistiva (el elemento calentador). Un "calentador" en términos generales es clasificado para incluir todas las variantes de un elemento calentador útil para el propósito deseado. Un ejemplo de tal calentador es un elemento estratificado entre dos materiales dieléctricos con las conexiones eléctricas necesarias expuestas (Fig. 1 en la que las conexiones eléctricas no están mostradas).

Para diseñar un sistema calentador de tejido es necesaria la comprensión básica de ingeniería eléctrica, incluyendo la Ley de Ohm y el diseño de circuitos. Además, es necesaria una compresión total de las propiedades eléctricas para cada tejido usado. En una realización preferida, los tejidos conductores, en una forma ideal, se comportan de un modo descrito por las siguientes ecuaciones:

R = \frac{\rho}{n} \ \left(\frac{L_{F}}{W_{F}}\right)

donde

R	- Resistencia (ohmios)
\rho	- resistividad superficial (ohmios/metro cuadrado)
L_{F}	- Longitud de tejido
W_{F}	- Anchura de tejido
n	- número de capas conductoras

y

\delta = \frac{V^{2}}{R} \ \left(\frac{1}{L_{F} W_{F}}\right)

donde

\delta	- Densidad de Potencia (Vatios/área calentada)
V	- Tensión aplicada (voltios) y R, L_{F} y W_{F} son como se ha definido antes.

Aquí, la Resistencia ideal de un diseño es derivada de la Resistividad Superficial del tejido y disposición de capas, mientras la Densidad de Energía o Corriente ideal, el valor electrotérmico en el que está basada la capacidad de descongelación, puede ser proporcionado por modificación de la geometría del calentador o la Tensión aplicada.

Los tejidos, desde luego, se desvían de lo ideal. Pueden tener "Carga Eléctrica", la resistencia eléctrica de un metro cuadrado de tejido no es equivalente cuando es medida a lo largo de dos dimensiones (longitud por anchura). Algunos materiales pueden también exhibir reactancia capacitiva, reactancia inductiva o alguna medida de cada una de ellas. La reactancia inductiva se comprende y se encuentra muy a menudo en la técnica. La reactancia capacitiva, especialmente dentro de la cual está de otro modo tejido simple falso, no es ampliamente conocida o comprendida. Un tejido que exhibe reactancia capacitiva extraerá más corriente cuando sea expuesto a señales de frecuencias más elevadas. Por ejemplo, un calentador particular puede extraer un (1) amperio cuando es conectado a una fuente de corriente continua (cc), mientras que extrae uno amperio y medio (1,5) bajo la misma tensión eficaz usando una fuente de corriente alterna (a.c.), aproximadamente a 60 Hertzios. El calentador continuará extrayendo corrientes mayores cuando la frecuencia de las alternancias aumente. Este comportamiento puede ser representado por la ecuación:

I = \frac{V}{\sqrt{\left(\frac{\rho}{n} \ \frac{L_{F}}{W_{F}}\right)^{2} + \left(\frac{1}{2\pi f_{c}}\right)^{2}}}

donde

I	- Intensidad (amperios)
V	- Tensión aplicada (voltios)
\rho	- Resistividad superficial (ohmios/metro cuadrado)
L_{F}	- Longitud del tejido (mm)
W_{F}	- Anchura del tejido (mm)
\pi	- Constante (3,14159...)
f	- Frecuencia (Hercios)
C	- Capacitancia (faradios)
n	- Número de capas conductoras derivado de la ecuación básica de la impedancia dada X = 0:

2Z^{2} = R^{2} + (X_{L} - X_{C})^{2}

donde

Z	Impedancia (ohmios)
R	Resistencia (ohmios)
X_{L}	Reactancia inductiva (ohmios)
X_{C}	Reactancia capacitiva (ohmios)

En la mayor parte de las aplicaciones el efecto de frecuencia reducirá poco peso en el diseño. Para determinar la capacidad del tejido, uno debe determinar a partir de experimentos el valor de varias constantes. Estas constantes generarán una línea de base a partir de la cual el área y el cómputo de capas determinarán la capacitancia neta. Para hacerlo así, uno debe hacer varias suposiciones de línea de base. Estas suposiciones son indicativas del tejido en estudio. Un ejemplo, Thermion, podría ser evaluado del siguiente modo: La capacitancia de un dispositivo, suponiendo que es similar a un condensador muy grande de placas paralelas en el que los efectos de borde son menores, puede derivarse de la ecuación siguiente:

C = \kappa \frac{\varepsilon_{o} \ l_{w}}{d_{s}}

donde

\kappa	- Constante dieléctrica
\varepsilon	- Constante de permisividad
l	- Longitud de la placa
w	- Anchura de la placa
d_{s}	- Distancia de separación

la constante de permisividad es conocida (8,85 x 10^{-12} Faradios/metro), mientras la longitud y anchura de placa son definidas como las dimensiones del tejido. La distancia de separación es fijada arbitrariamente a la mitad del espesor nominal del tejido d_{s} = t/2.

Esta constante puede ser además evaluada pero añade pocos detalles adicionales a la ecuación y sólo dará como resultado en un valor estadístico. Aplicando estos puntos, la ecuación resulta:

C = 2k \ \frac{\varepsilon_{o} L_{F} W_{F}}{\tau}

donde

\kappa - Espesor de Tejido

Sustituyendo esto en la Ecuación 1:

I = \frac{V}{\sqrt{\frac{\rho}{n} \ \left(\frac{L_{F}}{W_{F}}\right)^{2} \ + \ \frac{1}{2} \ ^{\left(\tfrac{\tau}{\pi\varepsilon_{0} \ \kappa f \ L_{F} W_{F}}\right)^{2}}}}

donde

I, V, \rho, L_{0}, W_{0}, n, \varepsilon_{0}, \kappa, f, \pi y \tau son como se ha definido anteriormente.

Para una muestra dada de tejido, si la corriente se representa en relación con el cambio de frecuencia, y la resistencia se determina por métodos aceptados, la constante dieléctrica puede ser descubierta para el tejido particular. Aunque la reactancia inductiva ha sido omitida de esta evaluación, se deduce que cuando la frecuencia aumenta la corriente disminuye. Tejidos con reactancia tanto inductiva como capacitiva exhibirían una corriente de pico en el punto de resonancia. Esta resonancia, como es conocido en el campo de ingeniería eléctrica, es la frecuencia exacta cuando la reactancia inductiva y capacitiva son equivalentes. El cuidadoso estudio de cada tejido da al diseñador una firme comprensión de comportamiento en múltiples circunstancias.

Corrientemente, la mayoría de álabes de turbina son fabricados a partir de resinas líquidas y fibra de vidrio aplicadas a moldes que soportan los contornos superficiales deseados. En la mayor parte de estos casos el álabe es moldeado en mitades separadas, dividido en bordes anterior y posterior. Una vez que ambas secciones de molde son curadas y preparadas son unidas juntas y preparadas para su transporte. Aunque las exigencias de los álabes necesitan un diseño considerable, estas estructuras son bastante menos complejas en su fabricación y especificaciones de material cuando son comparadas con componentes aeroespaciales. Incluso así, existen algunas tendencias a hacer progresar el diseño de álabes de turbina de energía eólica en la región de materiales aeroespaciales proyectados y prácticas para conseguir algunos beneficios. Los materiales aeroespaciales aunque muy costosos, son considerablemente más fuertes a menudo mientras exhiben una menor penalización de peso.

Los calentadores de tejido pueden ser incorporados en los diseños de álabes de turbinas de energía eólica de diferentes maneras. En la comprensión más amplia y en la realización preferida, los calentadores de tejido pueden ser incorporados a los álabes de turbinas por dos técnicas, es decir, aplicaciones interna y externa.

En otra realización, para muchos diseños de álabes el calentador de tejido puede ser incorporado como un híbrido, es decir una aproximación interna/externa. En esta realización, el sistema sería para un diseño de álabes en molde partido como se ha ilustrado en las figs. 2 y 3. El concepto de molde partido es construido utilizando revestimiento con gel, fibra de vidrio, y resinas como ingredientes compuestos principales. Los actuales diseños de álabes de turbina pueden incorporar fibra de carbono, kevlar, aluminio, acero y otros materiales y deben incluirse en el análisis de diseño/exigencias del sistema calentador. En algunos casos, estos materiales pueden ser obstaculizadores para el calentador, y deben considerarse modificaciones en la estructura del álabe, implantación del calentador o en ambos. Por ejemplo, puede incorporarse una capa adicional de tejido conductor y aislarse del calentador, con el propósito de protección de defecto a tierra.

Como se ha mostrado en la fig. 2, en la construcción de mitades 3 de álabes de turbina, el revestimiento de gel 4 está aplicado generalmente como la primera capa de producto al molde 2 antes del elemento calentador 6. Una vez completado, está será la capa más exterior del álabe, menos cuando se necesite cualquier pintura o revestimiento transparente adicional. El revestimiento de gel 4 protege el compuesto, incluyendo el calentador 6, del envejecimiento por UV, erosión, y absorción de humedad. Después de que se ha aplicado el revestimiento de gel, la resina es depositada en un tamiz delgado para ayudar a la colocación del calentador. El elemento calentador 6 sería entonces depositado sobre el molde 2. Las capas restantes del álabe, tales como la capa 8 de defecto de tierra o una capa aislante 8, y capas estructurales 10 son añadidas a continuación. En este instante, y dentro de las dos semi-secciones los calentadores que son incorporados suplen a los calentadores de superficie de presión y succión. Las tiras que separan el borde anterior son añadidas después de haberse reunido las mitades del álabe.

Antes y en anticipación al proceso de instalación del calentador, el elemento calentador de tejido es preparado, tal como en forma de un compuesto estratificado como se ha mostrado en la fig. 1. El NCCF es cortado en longitudes deseadas, se aplican materiales de barra colectora eléctrica, y se añaden puntos de terminación electromecánica. Las zonas así como las tiras de separación son fabricadas en grupos de la complejidad requerida.

Cortar tejido requiere experiencia en la técnica de materiales compuestos. Por ejemplo, un corte de tejido largo es usado para definir múltiples zonas. Las zonas son definidas cortando la longitud del tejido en los lugares apropiados con la barra colectora eléctrica. Como un ejemplo mostrado en la fig. 6, un sistema de tres zonas de 254 mm por zona y una línea de transmisión de 25,4 mm de ancho requieren un tejido de 863,6 mm de largo. Las barras colectoras eléctricas estarían colocadas a intervalos de (0, 279,4 mm y 558,8 mm) en el tejido. Si las zonas son de anchura diferente, el tejido es cortado al límite de la forma total. En la fig. 4, cada punto de terminación de cada zona 12, 14 tiene barras colectoras eléctricas como se ha descrito antes, con una excepción. Para dos zonas adyacentes de anchura diferente, la barra colectora compartida sería igual a la zona más ancha como se ha mostrado en la fig. 4.

En el presente invento, las barras colectoras eléctricas de algún material de baja resistencia, tal como una tira de aleación de berilio-cobre son preferidas y son unidas al tejido como se ha mencionado o en un cierto diseño para establecer el área calentada. Un método preferido es unir el tejido y la tira de aleación de berilio-cobre juntos con una resina epoxídica conductora. De una manera similar, se establece una conexión eléctrica a las barras colectoras del calentador. Para facilitar la adición de capas consecutivas de materiales detrás del calentador de tejido durante la construcción, la conexión electromecánica puede ser construida a partir de una púa o punta 15 en la fig. 5. La punta 15 sería unida a la barra colectora del calentador y sobresaldría hacia dentro lejos de la superficie del molde 2. Cuando el tejido es depositado sobre la punta, es apretado hacia abajo exponiendo la punta y separando las fibras.

En este aspecto del invento, y a través de cada capa la punta 15 continuará hasta que se aplique el último ciclo de resina y tela, en cuyo instante la punta es limpiada y el alambre o hilo de potencia unido. La punta con dientes tiene varias características que la hacen superior a otros métodos: 1) permite una fácil construcción; 2) indica la conexión eléctrica para una fácil terminación del cableado; 3) resiste el estirado y el movimiento después de que el álabe haya sido terminado; 4) elimina la perforación de la estructura, que destruye la homogeneidad del compuesto; y 5) cierra herméticamente el agujero, eliminando el aire atrapado que debilitaría la estructura. Para proporcionar la conexión eléctrica de las tiras de separación, las puntas para estos calentadores están unidas al molde asimismo. Estas puntas, sin embargo son colocadas antes del revestimiento con gel y de manera que faciliten su acceso sobre la superficie después de que el álabe haya sido retirado del molde.

En una realización preferida, los álabes de turbina calentables contienen calentadores de zona 1, 2, 3 y 4 como se ha ilustrado en la fig. 6. Sin embargo, el número de calentadores usados por álabe depende de factores tales como el tamaño del álabe, el tipo de ambiente, la dimensión de la zona, y la secuencia de control. Después de que se hayan instalado los calentadores de zona, y se hayan aplicado las puntas 10 de tiras separadoras, capas adicionales de materiales, incluyendo la capa de defecto de tierra de fibras conductoras son depositadas de acuerdo con las prácticas de construcción de materiales compuestos. Estás capas pueden ser una combinación de tejidos y fibras para conseguir el objetivo de los diseñadores. Las capas son humedecidas y después de que el material final está en su sitio el álabe es dejado curar.

En este aspecto del invento, preparar las dos mitades para hacerlas coincidir requiere que las líneas de unión sean preparadas y los álabes ajustados en una fijación de alineación. Una vez que se han unido juntas y se han dejado curar, las tiras separadoras 10 como se ha mostrado en la fig. 6, y así la parte híbrida del diseño, pueden ser añadidas al área preparada 35 como se ha mostrado en la fig.8, desde el cubo hacia la punta 25 del álabe. Debido a que las puntas de las tiras separadoras están ya incluidas en las secciones del álabe, deben ser limpiadas y unidas a las barras colectoras eléctricas de las tiras separadoras. Los calentadores de tiras separadoras son a continuación estratificados y revestidos con gel. El proceso final es preparar la línea de unión entera y terminar el álabe. Las operaciones esenciales del método del presente invento pueden ser realizadas de varias maneras diferentes.

El calentador de tira separadora preferida del presente invento es un compuesto estratificado, impermeable al agua, y es del tipo descrito en la patente norteamericana nº 5.344.696 de Hastings y col. Como se ha descrito en la patente de Hastings y col., el elemento calentador comprende una capa exterior duradera que es resistente a la abrasión e impermeable al agua. Para esta realización un revestimiento con gel puede ser esta capa. La capa exterior es unida a través de una capa conductora de fibras y un adhesivo que lo envuelve integralmente, que es unido a la superficie del álabe. La capa conductora es conectada a una fuente de energía eléctrica, y unos medios de control están destinados a controlar la temperatura de la superficie del álabe.

El elemento calentador de tejido preferido debe poseer ciertas características de modo que el elemento calentador pueda calentar eficientemente la superficie de los álabes de turbina, tal como un calentamiento rápido y una distribución uniforme de calor. Por ejemplo, el material de fibra conductora debe ser de poco peso, producir un calentamiento uniforme, tener un espesor mínimo, y poseer una baja inercia térmica. Un material conductor con baja inercia térmica calienta y enfría rápidamente cuando la corriente es conectada y desconectada, respectivamente. La rapidez de calentamiento y enfriamiento facilita un mayor control sobre la distribución de calor generado por el elemento. En una realización preferida, el material de fibra conductora es de un peso de aproximadamente 6,71 g/m^{2} y tiene un espesor de aproximadamente 0,10 mm. Un calentador de tejido preferido para usar con los métodos de este invento está disponible con la marca registrada THERMION que es fabricado por Thermion Systems International. THERMION es ligero, flexible, y puede ser translúcido. Esté elemento calentador particular está compuesto de una fibra de carbono revestida con níquel, híbrida, procesada por una técnica textil corriente en una tela delgada, conductora, no tejida. El material es un estratificado que proporciona un calentamiento uniforme y puede ser conformado a superficies que tienen una variedad de contornos y formas diferentes. La potencia operativa puede ser derivada de alimentaciones de corriente alterna o continua de baja o alta tensión.

Como se ha descrito antes, el elemento calentador puede comprender una capa de fibras conductoras que son directamente embebidas en el material. Sin embargo, en este caso, el material debe poseer suficientes propiedades dieléctricas para proteger a las personas apropiadamente contra choque eléctrico y distribuir el calor generado por las fibras de modo uniforme a la superficie del álabe. Los materiales termoplásticos y termoendurecibles poseen estas propiedades.

El calentador de línea separadora de borde anterior preferido del presente invento es estratificado al borde anterior del álabe de turbina de una manera similar a la descrita en la patente de Hastings y col. El calentador comprende una capa exterior duradera unida al calentador que es resistente a la abrasión, e impermeable al agua. En esta realización, el calentador es modificado teniendo un revestimiento de gel como capa preferida. El calentador de tira separadora está construido bien sobre el álabe o bien sobre una mesa de transferencia. Ambos métodos se basan en técnicas de construcción de materiales compuestos indicadas en la fig. 1. El método preferido de construcción del calentador del invento es directamente sobre el álabe 50, en el que barras colectoras eléctricas (no mostradas) están unidas por resina epoxídica conductora al lomo 5 de tira separadora en la fig. 8. El tejido conductor es unido a la barra colectora utilizando resina epoxídica conductora y dejado curar antes de que se realicen las capas y procesos de estratificación restantes.

Como se ha visto en la fig. 1 y con la excepción de las capas de liberación 15, la construcción del material compuesto es la siguiente. La capa 5 puede ser necesaria si es necesaria una separación dieléctrica entre el elemento calentador 1 y la superficie de unión del álabe. La capa 19 de pelado es colocada por encima del calentador 1, adhesivo 5 y dieléctrico 5'. La capa de liberación 21, la tela 25 de purgado/respiración y la bolsa de vacío 29 cubren el estratificado y son cerrados herméticamente por la cinta 11. La presión de vacío es aplicada así como el calor en un autoclave o estufa, si se requiere.

En los métodos del invento, el elemento calentador está dispuesto en una posición predeterminada y profunda en el material. La profundidad y posición pueden variar de acuerdo con el material particular, tipo de calentamiento requerido y concepto de diseño aceptado.

La manera en la que tiene lugar el desprendimiento del hielo es crítica. Configuraciones del calentador, colocación del controlador, y paradigmas de control deben ser configurados en paralelo para minimizar la acumulación de hielo y maximizar la eficiencia del desprendimiento. El mantenimiento del equilibrio dinámico en la turbina es una cuestión principal. En principio, el método preferido de configuración y control es accedido zonificando cada álabe en áreas calentadas separadamente y descongelando los álabes utilizando paradigmas iguales que comienzan en la punta 25 del álabe (fig. 6). Para mejorar adicionalmente el desprendimiento, las zonas son divididas por calentadores adicionales definidos como tiras separadoras 10. Las tiras separadoras 10 segregan zonas en placas de desprendimiento discretas por calentamiento continuo, y así deshacen la acumulación de hielo entre zonas. Debido a que las zonas son segregadas, el sistema puede descongelar todas las zonas de un álabe individualmente (ajustes radiales en el rotor), comenzando en la punta 25, y continuando hacia el cubo 20 en un ciclo repetitivo. El diseño de sistema permite que la aceleración centrípeta y las fuerzas aerodinámicas ayuden en el desprendimiento de pequeñas partículas de hielo controladas.

Para ayudar en el control de la zona, puede conseguirse una distribución de potencia secundaria mediante relés localizados construidos dentro del estratificado calentador; especialmente para una cubierta de calentador reemplazable. Estos relés, alimentados por señales de acceso desde el sistema de control principal en el cubo, activan mediante señales discretas el calentamiento de zonas simultáneas en bandas radiales similares alrededor de la turbina consiguiendo por ello un desprendimiento equilibrado. Para simplificar los sistemas de control, controles principales tales como detectores, telemetría y protección de circuitos pueden ser alojados en el cubo dentro del cono de la hélice minimizando por ello el cableado requerido dentro de cada álabe.

En unión con las zonificaciones, el paradigma considera la cantidad de hielo desprendido por las zonas discretas, tanto en área como espesor. Optimiza la acumulación de hielo entre ciclos, pero funciona de tal manera que equilibra el consumo medio de potencia y la acumulación de hielo. Esta práctica es conseguida permitiendo que una cierta cantidad de hielo se acumule en los álabes. Previendo que el hielo desprendido no resulta demasiado grueso, se romperá una vez en suspensión en el aire. La temporización de acumulación reduce así el consumo medio de potencia y funciona más efectivamente. Por último, para ayudar a la efectividad, el paradigma posee una realimentación en bucle cerrado para modificar las prestaciones basadas en las condiciones operativas medioambientales.

Ejemplo 1

Este ejemplo ilustra una realización preferida del invento. Pertenece al calentamiento de álabes de turbina de energía eólica compuestos de todos los tipos de diseño que utilizan fibras eléctricamente conductoras. Un diseño general está visto en la fig. 6. La fig. 6 es un álabe de turbina típico de una construcción compuesta que muestra la posición de calentadores de tejido de zona, es decir posiciones 1, 2, 3 y 4 indicadas en el álabe de turbina.

La fig. 7 muestra una sección transversal de un diseño de álabe tal como el mostrado en la fig. 6, que incorpora THERMION como la capa 20 de fibra conductora, en la que el calentador está dispuesto sobre la superficie del álabe 100de turbina. El elemento calentador 20 de THERMION está incorporado en el compuesto estratificado del álabe de turbina y es separado del ambiente por una capa 10 de revestimiento de gel. El elemento calentador 20 de THERMION unido a la capa exterior 10, está íntimamente opuesto a cualquier componente estructural conductor o una capa de defecto de tierra 35 por la capa dieléctrica 30. Las capas estructurales 40, 50 son construidas cuando sea necesario detrás del elemento calentador 20. La capa dieléctrica 30 puede ser integrada opcionalmente en el álabe de turbina.

El elemento calentador de tejido 20 está conectado mediante cable y/o cinta conductora a una fuente eléctrica adecuada (no mostrada), que proporciona la potencia eléctrica para calentar la superficie del álabe de turbina. La potencia puede ser controlada por una simple conexión/desconexión o por un controlador de temperatura/potencia más complejo que mide y vigila un número de parámetros, incluyendo las condiciones atmosféricas en la proximidad de la turbina y la temperatura superficial del álabe. Controladores que cumplen estas tareas son conocidos por los expertos en la técnica.

Los requisitos de potencia dependen de la cantidad de calor necesaria, del tamaño del álabe, y de la alimentación de corriente disponible. Hilos y cables se encuentran en un alojamiento de controlador central en la turbina y proporcionan las señales de temporización y respuesta a la temperatura necesarias a la fuente de corriente eléctrica.

Claims

1. Un método para calentar la superficie de un álabe de turbina de energía eólica caracterizado porque comprende: la previsión de un elemento calentador de tejido (1, 20) consistente en una capa interior compuesta de un tejido de fibras eléctricamente conductoras estratificado entre dos materiales dieléctricos; dos capas exteriores de materiales dieléctricos dispuestas en superficies opuestas de dicha capa interior y encapsulando dicha capa interior, y conexiones eléctricas para conectar a una fuente de corriente dichas fibras conductoras y destinada a recibir potencia de dicha fuente de corriente; disposición del elemento calentador de tejido (1, 20) en una posición predeterminada dentro o en la superficie del álabe, y excitación de las fibras eléctricamente conductoras del elemento calentador de tejido (1, 20) descongelando o impidiendo por ello el depósito de hielo en el álabe.

2. El método según la reivindicación 1ª, en el que las fibras conductoras son fibras de carbono artificiales revestidas metálicamente.

3. El método según la reivindicación 2ª, en el que las fibras de carbono están recubiertas con níquel.

4. El método según la reivindicación 1ª, en el que las fibras conductoras son proporcionadas al álabe en forma de una cubierta o capuchón.

5. El método según la reivindicación 1ª, que comprende además proporcionar controles primarios al álabe de turbina para regular la emisión de calor sobre la superficie del álabe.

6. El método según la reivindicación 5ª, en el que el álabe de turbina comprende un cubo y un cono de giro del álabe y los controles principales están previstos en el cubo del álabe de turbina, dentro del cono de giro del álabe.

7. El método según la reivindicación 1ª, en el que el elemento calentador de tejido (1) está previsto como una pluralidad de calentadores de zona (1, 2, 3, 4).

8. El método según la reivindicación 7ª, que comprende además prever controles secundarios y accesibles a los álabes de turbina.

9. El método según la reivindicación 8ª, en el que los controles secundarios están previstos en los calentadores de zona del álabe (100).

10. El método según la reivindicación 1ª, que comprende además disponer una capa de defecto de tierra (8, 35) en el álabe de turbina (100).

11. El método según la reivindicación 1ª, en el que el elemento calentador de tejido (1) comprende además puntas o dientes (15).

12. El método según la reivindicación 7ª, en el que el elemento calentador de tejido (1) comprende además tiras separadoras (10).

13. El método según la reivindicación 1ª, en el que el elemento calentador de tejido (1) comprende además un revestimiento de gel (4).

14. El método según la reivindicación 1ª, en el que el elemento calentador de tejido (1) está previsto en el álabe como un sistema híbrido.

15. Una turbina de energía eólica calentable, caracterizada por comprender una pluralidad de álabes y calentadores de tejido y un medio para conectar los calentadores de tejido a una fuente de corriente; estando dichos calentadores de tejido dispuestos integralmente en dichos álabes para proporcionar calor uniformemente sobre la superficie de los álabes, y en el que cada calentador de tejido comprende un elemento calentador de tejido (1; 20) consistente en una capa interior compuesta de un tejido de fibras eléctricamente conductoras estratificadas entre dos materiales dieléctricos; dos capas exteriores de material dieléctrico dispuestas en superficies opuestas de dicha capa interior y encapsulando dicha capa interior, y conexiones eléctricas para conectar a una fuente de corriente dichas fibras conductoras y destinadas a recibir corriente de dicha fuente de corriente.