ES2270117T3 - Proteccion frente a rayos de un alabe de turbina eolica con control de paso. - Google Patents
Proteccion frente a rayos de un alabe de turbina eolica con control de paso. Download PDFInfo
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Abstract
Rotor de turbina eólica que incluye un cubo (3) rotor y una pluralidad de álabes (4), y en el que cada raíz (16) de álabe está conectada a dicho cubo rotor a través de un cojinete (5) de paso de tal manera que el ángulo de paso del álabe puede ajustarse girando el álabe sobre su eje longitudinal en relación al cubo rotor, y en el que el álabe está dotado de al menos un conductor (6) descendente de rayos eléctricamente conductor que se extiende en la dirección longitudinal del álabe hacia la raíz del álabe y estando eléctricamente aislado del soporte (5) de paso, y en el que se prevé un descargador (15) entre el conductor descendente de rayos y el cubo rotor, adaptándose dicho descargador (15) para conducir una corriente de rayo que pasa a través del conductor descendente de rayos, caracterizado porque se prevé una conexión (7, 12) de contacto deslizante en paralelo al descargador (15) entre el conductor (6) descendente de rayos y el cubo (3) rotor, garantizando dicha conexión de contacto deslizante un contacto eléctrico entre dicho conductor (6) descendente de rayos y dicho cubo (3) rotor, independientemente del ángulo de paso del álabe.
Description
Protección frente a rayos de un álabe de turbina
eólica con control de paso.
La invención se refiere a un rotor de turbina
eólica que incluye un cubo rotor y una pluralidad de álabes, y en
el que cada raíz de álabe está conectada a dicho cubo rotor a través
de un cojinete de paso de tal manera que el álabe pueda pivotar
sobre su eje longitudinal en relación al cubo rotor, y en el que
dicho álabe está dotado de al menos un conductor descendente de
rayos eléctricamente conductor que se extiende en la dirección
longitudinal del álabe hacia la raíz del álabe y estando
eléctricamente aislado del cojinete de paso, y en el que se prevé
un descargador entre el conductor descendente de rayos y el cubo
rotor, adaptándose dicho descargador para conducir una corriente de
rayo que pasa a través del conductor descendente de rayos.
Además, la invención se refiere a una turbina
eólica con el rotor de turbina eólica anterior.
Se conoce comúnmente que las turbinas eólicas
están protegidas frente a descargas de rayos, y también se conoce
comúnmente que los álabes de turbina eólica están dotados de
conductores descendentes de rayos dispuestos sobre la superficie
exterior de los álabes o en el interior de dichos álabes. Este
último tipo está dotado de los denominados receptores de rayos que
son conexión de paso metálicas entre el conductor descendente de
rayos interno del álabe y la superficie exterior de dicho álabe. La
finalidad de estos receptores es "atraer" el rayo de manera
que la corriente del rayo pueda guiarse hacia abajo a través del
conductor descendente de rayos montado en el interior del álabe de
turbina eólica. A menudo, los álabes de turbina eólica con
conductores descendentes montados en el exterior no están dotados
de receptores de rayos separados ya que dichos conductores
descendentes actúan por sí mismos como receptores.
Formas anteriores de resolver la conducción
descendente de rayos no han tenido en cuenta específicamente que un
cojinete de paso, en caso de haberlo, puede dañarse por una fuerte
corriente de rayo, y normalmente la corriente se conduce a través
del conductor descendente del álabe hacia la raíz del álabe y desde
allí a través del cojinete de paso hacia el cubo rotor. Desde el
cubo rotor, la corriente del rayo se conduce al interior de la
sección superior de la góndola/turbina de la torre de la turbina y
hacia abajo a tierra.
Una desventaja de conducir la corriente a través
del cojinete de paso es que los rodillos del cojinete etc. pueden
dañarse por una fuerte corriente de rayo generando arcos eléctricos
en su camino hacia abajo a través del cojinete con el resultado de
que se produce un efecto similar a la soldadura que puede dañar la
superficie del cojinete. Cuando se daña la superficie de un rodillo
de cojinete, etc., el cojinete se desgasta rápidamente, lo que con
el tiempo conlleva reparaciones enormes que implican apagar la
turbina eólica. Incluso corrientes débiles que pasan a través del
cojinete de paso pueden provocar pequeñas chispas y migración del
material entre los elementos de cojinete de paso que se mueven unos
en relación a otros.
Las descargas de rayos más comunes se producen
cuando la diferencia de potencial entre una parte cargada
negativamente de una nube de tormenta y una zona cargada
positivamente de la tierra por debajo de la nube crece hasta ser
suficientemente importante y provoca una ruptura del aislamiento de
los estratos de aire que separan las zonas de carga eléctrica
opuesta. El fenómeno también aparece entre una parte cargada
positivamente de una nube de tormenta y una zona cargada
negativamente en la tierra.
Antes de que pueda producirse una descarga de
rayo real, se genera un "canal" descendente, también denominado
"guía", de moléculas de aire cargadas negativamente en
dirección a la tierra. A menudo, la guía propaga gradualmente hacia
abajo en escalones de 20 a 100 m y se denomina por tanto "guía
escalonada". Cuando esta guía está suficientemente cerca de la
tierra, el campo eléctrico intensificado entre el extremo de la guía
descendente y la tierra genera uno o más guías ascendentes de
moléculas de aire cargadas positivamente hacia la guía descendente.
Estas guías ascendentes normalmente se extienden hacia arriba desde
objetos que sobresalen del suelo, por ejemplo turbinas eólicas,
árboles, edificios, mástiles de banderas, etc. Cuando las dos guías
se encuentran, el sistema se cortocircuita y se produce la carga
principal real del rayo, también denominada "descarga de
retorno". El fenómeno puede producirse igualmente en el orden
inverso, en el que la guía, también denominada como "guía
escalonada", se propaga desde la tierra o, en particular, desde
objetos elevados en la tierra, y se mueve hacia la zona cargada de
la nube de tormenta.
El documento DE 4436197 A1 da a conocer una
solución en la que una corriente de rayo se desvía del cojinete de
paso y hacia la góndola a través de un elemento conductor de rayos
que define descargadores con el conductor descendente de rayos del
álabe y un anillo eléctricamente conductor en la góndola,
respectivamente. Se generan arcos eléctricos por las descargas de
rayos en estos descargadores con el efecto de que la corriente del
rayo puede conducirse hacia abajo a tierra. Así, sólo se generan
conexiones eléctricas entre el conductor descendente de rayos del
álabe y la tierra durante la carga principal de la descarga de rayo
real, generándose arcos eléctricos en los descargadores. Tal como
se ha mencionado anteriormente, se generan guías antes de la
descarga principal real, y el aislamiento eléctrico entre el álabe y
la góndola implica que existe un riesgo de que las guías pasen a
través de otros caminos incontrolables entre los elementos
estructurales individuales, por ejemplo desde la góndola a través
del cojinete del árbol principal o los cojinetes del rotor para el
cubo rotor y desde allí a través del cojinete de paso del álabe
hacia la disposición de conducción descendente de rayos del álabe.
Posteriormente a la formación de guías eléctricas que pasan a través
de posibles caminos incontrolables en, por ejemplo, los elementos
estructurales, la descarga principal del rayo o partes de la misma
sigue el camino de la guía generada a través de la estructura hacia
la tierra. Esta descarga principal o partes de la misma puede
provocar daños de mayor o menor importancia en la estructura o
partes de la misma cuando no se guía a través del conductor
descendente de rayos de una manera controlada.
El documento WO 01/86144 A1 da a conocer una
turbina eólica con un descargador entre un conductor descendente de
rayos en el álabe y la góndola, y para lo cual existe una conexión
eléctrica entre el conductor descendente de rayos y el cubo rotor
para una descarga electrostática continua del álabe. En esta
estructura, el cojinete de paso del álabe no está protegido frente
al paso de una corriente de descarga.
El objeto de la invención es proporcionar una
disposición de conducción descendente de rayos mejorada para una
turbina eólica que garantiza en la mayor medida posible que el rayo
incida en los receptores del álabe o en los conductores descendentes
de rayos externos para, posteriormente, guiarse de manera segura a
tierra a través de la disposición de conducción descendente de
rayos sin provocar daños a la turbina eólica. Otro objeto es
proteger los cojinetes de paso frente a corrientes eléctricas.
El objeto de la invención se obtiene
proporcionando una conexión de contacto deslizante paralela al
descargador entre el conductor descendente de rayos y el cubo
rotor, garantizando dicha conexión de contacto deslizante un
contacto eléctrico entre dicho conductor descendente de rayos y
dicho cubo rotor independientemente del ángulo de paso del álabe.
De este modo, puede obtenerse una conexión eléctrica permanente
entre el conductor descendente de rayos del álabe y el cubo rotor.
Además, pueden generarse guías ascendentes desde los receptores del
álabe o los conductores descendentes de rayos externos con el
resultado de que la probabilidad de que un rayo incida en el
receptor o en los conductores descendentes de rayos externos se ha
optimizado. Durante la descarga principal real, la denominada
descarga de retorno, en la que una corriente muy fuerte fluye en un
periodo de tiempo muy corto, se genera simultáneamente un arco
eléctrico en el descargador debido al potencial eléctrico muy
fuerte que se aplica después del cortocircuito de las guías. Como
resultado, la resistencia eléctrica es muy débil en el descargador
con el resultado de que la corriente del rayo pasa a través del
descargador hacia tierra. Dado que la resistencia eléctrica en el
descargador es mucho más débil que la resistencia de contacto en la
conexión de contacto deslizante, sólo una pequeña parte no
destructiva de la corriente del rayo pasa a través de la conexión
de contacto deslizante. La conexión de contacto deslizante garantiza
que se aplica una conexión eléctrica permanente entre el conductor
descendente de rayos del álabe y el cubo rotor independientemente
del ángulo de paso del álabe. El cojinete de paso está totalmente
protegido frente a un paso de corriente y de este modo se garantiza
una vida prolongada porque no se producen arcos de tensión ni
migraciones de material entre los elementos del cojinete de
paso.
Según una realización ventajosa, la conexión de
contacto deslizante incluye un patín montado de manera fija sobre
el cubo rotor, y un elemento de contacto eléctricamente conductor
conectado al conductor descendente de rayos del álabe y que se
extiende a lo largo de una parte de la circunferencia de la raíz del
álabe. Esta realización es particularmente sencilla ya que la raíz
del álabe normalmente es cilíndrica, por lo que el punto de
contacto entre el elemento de contacto y el patín está en una
posición constante independientemente del ángulo de paso del
álabe.
Según una realización alternativa, la conexión
de contacto deslizante incluye un patín montado de manera fija
sobre el cubo rotor y un elemento de contacto eléctricamente
conductor en forma de un raíl montado sobre el cubo rotor.
Según una realización preferida, el descargador
está previsto entre el elemento de contacto y un elemento
descargador. Esta realización es particularmente sencilla porque el
elemento de contacto se usa tanto para la conexión de contacto
deslizante como para la conexión del descargador.
Según una realización particularmente ventajosa,
el patín y el elemento descargador se combinan en una unidad de
contacto, obteniéndose así una estructura particularmente sencilla y
compacta que se mantiene o sustituye fácilmente.
El conductor descendente de rayos está
conectado, de manera ventajosa, a un receptor de rayos adyacente a
la punta del álabe.
La invención también se refiere a una turbina
eólica que incluye una góndola, un árbol rotor y un rotor de
turbina eólica, tal como se ha descrito anteriormente.
Según una realización, el cubo rotor incluye un
conductor de cubo rotor eléctricamente conductor que está conectado
a la parte del descargador dispuesta sobre el lado del cubo rotor y
que está conectado a través de un descargador adicional a un
conductor de góndola eléctricamente conductor montado sobre la
góndola.
El conductor de cubo rotor puede estar conectado
eléctricamente a la parte de la conexión de contacto deslizante
dispuesta sobre el lado del cubo rotor, y a través de una conexión
de contacto deslizante adicional dicho conector de cubo rotor puede
conectarse al conductor de góndola.
Según una realización, el conductor de góndola
puede estar formado por un elemento de contacto anular dispuesto
coaxialmente al árbol rotor, estando conectado el conductor de cubo
rotor a un elemento descargador adicional y a un patín adicional
que define el descargador adicional y la conexión de contacto
deslizante adicional, respectivamente, entre el conductor de góndola
y el elemento de contacto anular.
El conductor de cubo rotor puede estar
eléctricamente aislado del árbol rotor.
La invención se explica detalladamente a
continuación mediante una realización preferida mostrada en los
dibujos, en los que
la figura 1 es una vista lateral de un esquema
básico de una turbina eólica,
la figura 2 es una vista detallada de un cubo
rotor para una turbina eólica, mostrando partes de dos álabes,
la figura 3 es una vista en corte detallada de
un cubo rotor y un álabe con una disposición de conducción
descendente de rayos, y
la figura 4 es una vista detallada que muestra
una realización de una disposición de conducción descendente de
rayos según la invención.
Las figuras 1 a 4 descritas a continuación
designan los siguientes números de referencia:
- 1
- Torre de turbina eólica
- 2
- Góndola/sección superior de la turbina
- 3
- Cubo rotor
- 4
- Álabe
- 5
- Cojinete de paso
- 6
- Conductor descendente de rayos interno
- 7
- Elemento de contacto
- 8
- Unidad de contacto
- 9
- Brazo de soporte para la unidad de contacto
- 10
- Accesorios de soporte
- 11
- Elemento descargador
- 12
- Patín
- 13
- Placa de soporte para el elemento descargador y el patín
- 14
- Separador
- 15
- Descargador
- 16
- Raíz del álabe
- 17
- Árbol rotor.
La figura 1 muestra una turbina eólica en la que
una góndola/sección superior de la turbina 2 está montada de la
manera habitual sobre la torre 1, estando montado un generador y un
engranaje en dicha góndola. Un árbol 17 rotor sobresale desde la
góndola 2, estando el cubo 3 rotor de la turbina eólica montado
sobre dicho árbol rotor. Los álabes 4 de la turbina eólica están
montados sobre el cubo 3 rotor.
La figura 2 muestra una vista detallada de un
cubo 3 rotor para una turbina eólica así como partes de dos álabes
4. En la estructura mostrada, los álabes 4 y el cubo 3 rotor están
conectados a través de cojinetes 5 de paso y la posición de los
álabes 4 puede ajustarse sobre sus ejes longitudinales, es decir el
ángulo de paso, por medio de dichos cojinetes.
Con el fin de interceptar y guiar una descarga
de rayo hacia la tierra, un conductor 6 descendente de rayos interno
se monta en el interior del álabe 4, véase la figura 3, estando
conectado dicho conductor descendente de rayos en la punta del
álabe 4 a uno o más receptores de rayos no mostrados. Adyacente al
cojinete 5 de paso, este conductor 6 descendente de rayos está en
contacto eléctrico directo con un elemento 7 de contacto montado
sobre el lado externo del álabe 4 en la realización mostrada. Este
elemento 7 de contacto presenta una cara de unión para una unidad 8
de contacto montada en el exterior que tiene un dispositivo
descargador y un dispositivo de deslizamiento montado de manera fija
sobre el cubo 3 rotor a través de un brazo 9 de soporte y accesorios
10 de soporte.
La figura 4 muestra en detalle cómo una unidad 8
de contacto incluye una placa 13 de soporte, un elemento 11
descargador y un patín 12 montados sobre dicha placa 13 de soporte.
La unidad 8 de contacto está montada en el extremo del brazo 9 de
soporte de tal manera que la unidad 8 de contacto somete la
superficie del elemento 7 de contacto a una fuerza elástica. Para
evitar que el elemento 11 descargador entre en contacto directo con
la cara 7 de contacto, se montan separadores 14 entre la placa 13 de
soporte y dicha cara 7 de contacto.
El elemento 7 de contacto está hecho normalmente
de metal y puede configurarse como un elemento alargado de una
altura, vista en la dirección longitudinal del álabe, normalmente
inferior a la anchura del elemento. Este elemento puede montarse de
manera plana sobre la superficie cilíndrica de la raíz 16 del álabe
y se conecta con el conductor 6 descendente de rayos interno en el
álabe.
El elemento 11 descargador, el elemento 7 de
contacto y los separadores 14 definen conjuntamente un descargador
15 de 1 a 10 mm. La superficie del elemento 11 descargador dirigida
hacia el elemento 7 de contacto está serrada, tal como se muestra.
Como resultado se refuerzan las concentraciones de las líneas de
nivel alrededor de las puntas del elemento descargador, lo que
facilita la ignición del arco eléctrico en el descargador.
El elemento 7 de contacto puede extenderse
alrededor de toda la raíz 16 del álabe cilíndrica, pero en principio
sólo necesita extenderse a lo largo de 90º a 100º de la
circunferencia de la raíz del álabe, lo que corresponde al intervalo
normalmente ajustable del álabe.
El patín 7 puede hacerse de una escobilla de
carbón o puede configurarse como una escobilla o un patín accionado
por resorte y puede hacerse por ejemplo de grafito, bronce, latón o
fibra de carbono.
Según una realización alternativa de una
disposición tal como se describe en la presente memoria, toda la
disposición puede invertirse de manera que el patín 17 y el elemento
11 descargador se monten en el álabe, y el elemento 7 de contacto
se monte en el cubo rotor. De este modo, el elemento 7 de contacto
puede configurarse como un raíl curvado que se extiende en paralelo
y a una distancia de la superficie de la raíz del álabe. Además, la
disposición puede funcionar tanto como una solución interna, en la
que todo el equipo se monta en el interior del álabe y el cubo
rotor, como en la cara exterior de dicho álabe y el cubo rotor, tal
como se ha descrito anteriormente.
El elemento 7 de contacto está configurado de
manera que el ángulo de paso del álabe pueda ajustarse libremente
mientras se mantiene una buena conexión eléctrica. La buena conexión
eléctrica es necesaria para garantizar la formación de guías desde
los receptores del álabe en conexión con descargas de rayos. La
conexión eléctrica también protege de descargas disruptivas con
chispas no intencionadas en otros puntos de la estructura mientras
se garantiza una descarga controlada de cargas estáticas desde el
álabe hacia el cubo rotor, generándose dichas cargas por la rotación
del álabe a través del aire.
El potencial eléctrico de la guía está presente
durante la fase inicial del proceso del rayo y no siempre es lo
suficientemente elevado para generar un arco eléctrico en el
descargador 15, sino que en lugar de ello pasa a través del
dispositivo deslizante. Cuando la guía ha "interceptado" un
rayo, el potencial eléctrico a través de la distancia en el
descargador es suficiente para romper el aislamiento entre el
elemento descargador y el elemento 7 de contacto del álabe debido
al enorme incremento en el potencial eléctrico durante la descarga
principal del rayo. Como resultado se enciende un arco eléctrico
entre el elemento 11 descargador y el elemento 7 de contacto.
Durante todo el periodo de descarga de la descarga principal, el
arco eléctrico presenta una resistencia eléctrica más débil que el
dispositivo deslizante, por lo que la descarga principal se descarga
a través del descargador. Por lo tanto, el dispositivo deslizante
está protegido durante la fase de descarga principal debido a la
resistencia eléctrica aumentada del mismo en comparación con el
descargador encendido.
Es posible guiar la corriente que se aplica
durante la etapa inicial de proceso del rayo y durante la descarga
principal real a tierra a través del árbol 17 rotor, y
adicionalmente desde el árbol rotor a la góndola 2 a través del
cojinete del eje o una conexión de contacto deslizante, desde la
góndola hacia la torre a través del cojinete de oscilación o
también de otra conexión de contacto deslizante, y a través de la
torre hacia abajo a tierra. El descargador también puede
establecerse entre el árbol 17 rotor y la góndola 2 y entre la
góndola y la torre.
Alternativamente, una conexión de descarga
adicional y una conexión 2 de contacto deslizante adicional puede
establecerse entre el cubo 3 rotor y la góndola 2. La conexión del
descargador y la conexión de contacto deslizante entre el álabe 4 y
el cubo 2 rotor y la conexión del descargador adicional y la
conexión de contacto deslizante adicional entre el cubo 3 rotor y
la góndola 2 pueden por tanto interconectarse a través de un
conductor de cubo rotor eléctricamente aislado del árbol 17 rotor.
De este modo, se evita que la corriente fluya en el árbol rotor con
el efecto de que los cojinetes del árbol rotor no se someten a
esfuerzo.
También es posible establecer una conexión de
descargador y una conexión de contacto deslizante en paralelo entre
la góndola 2 y la torre 1.
La invención no está limitada a las
realizaciones anteriores.
Claims (11)
1. Rotor de turbina eólica que incluye un cubo
(3) rotor y una pluralidad de álabes (4), y en el que cada raíz (16)
de álabe está conectada a dicho cubo rotor a través de un cojinete
(5) de paso de tal manera que el ángulo de paso del álabe puede
ajustarse girando el álabe sobre su eje longitudinal en relación al
cubo rotor, y en el que el álabe está dotado de al menos un
conductor (6) descendente de rayos eléctricamente conductor que se
extiende en la dirección longitudinal del álabe hacia la raíz del
álabe y estando eléctricamente aislado del soporte (5) de paso, y
en el que se prevé un descargador (15) entre el conductor
descendente de rayos y el cubo rotor, adaptándose dicho descargador
(15) para conducir una corriente de rayo que pasa a través del
conductor descendente de rayos, caracterizado porque se prevé
una conexión (7, 12) de contacto deslizante en paralelo al
descargador (15) entre el conductor (6) descendente de rayos y el
cubo (3) rotor, garantizando dicha conexión de contacto deslizante
un contacto eléctrico entre dicho conductor (6) descendente de rayos
y dicho cubo (3) rotor, independientemente del ángulo de paso del
álabe.
2. Rotor de turbina eólica según la
reivindicación 1, caracterizado porque la conexión de
contacto deslizante incluye un patín (12) montado de manera fija
sobre el cubo (3) rotor y un elemento (7) de contacto eléctricamente
conductor conectado al conductor (6) descendente de rayos del álabe
y que se extiende a lo largo de una parte de la circunferencia de la
raíz (16) del álabe.
3. Rotor de turbina eólica según la
reivindicación 1, caracterizado porque la conexión de
contacto deslizante incluye un patín (12) montado de manera fija
sobre la raíz (16) del álabe y un elemento (7) de contacto
eléctricamente conductor en forma de raíl montado sobre el cubo (3)
rotor.
4. Rotor de turbina eólica según la
reivindicación 2 o 3, caracterizado porque el descargador
(15) se prevé entre el elemento (7) de contacto y un elemento (11)
descargador.
5. Rotor de turbina eólica según la
reivindicación 4, caracterizado porque el patín (12) y el
elemento (11) descargador se combinan en una unidad (8) de
contacto.
6. Rotor de turbina eólica según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
conductor (6) descendente de rayos está conectado a un receptor de
rayos adyacente a la punta del álabe.
7. Turbina eólica que incluye una góndola (2),
un árbol (17) rotor y un rotor de turbina eólica según una de las
reivindicaciones anteriores.
8. Turbina eólica según la reivindicación 7,
caracterizada porque el cubo (3) rotor incluye un conductor
de cubo rotor eléctricamente conductor conectado a la parte (7; 11)
del descargador (15) que está dispuesto sobre el lado del cubo
rotor, estando además conectado dicho conductor de cubo rotor a
través de un descargador adicional a un conductor de góndola
eléctricamente conductor montado sobre la góndola (2).
9. Turbina eólica según la reivindicación 8,
caracterizada porque el conductor del cubo rotor está
conectado eléctricamente a la parte (7; 12) de la conexión de
contacto deslizante que está dispuesta sobre el lado del cubo
rotor; estando además conectado dicho conductor de cubo rotor al
conductor de góndola a través de una conexión de contacto deslizante
adicional.
10. Turbina eólica según la reivindicación 9,
caracterizada porque el conductor de góndola incluye un
elemento de contacto anular dispuesto coaxialmente al árbol (17)
rotor y porque el conductor del cubo rotor está conectado a un
elemento descargador adicional y a un patín adicional que define el
descargador adicional y la conexión de contacto deslizante
adicional, respectivamente, entre el conductor de góndola y el
elemento de contacto anular.
11. Turbina eólica según una de las
reivindicaciones 8 a 10, caracterizada porque el conductor de
cubo rotor está aislado eléctricamente del árbol (17) rotor.
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