ES2435474A2 - Método de optimización de la eficiencia de las palas de un aerogenerador - Google Patents

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Abstract

Método de protección superficial de palas aerogeneradores fabricadas con materiales compuestos que proporciona un acabado resistente frente a los agentes externos a los que se ven sometidas y en particular la lluvia, el hielo y la suciedad atmosférica y que comprende un paso de preparación superficial y dos pasos de aplicación de un primer y un segundo recubrimiento de unos determinados espesores.

Description

METODO DE OPTIMIZACION DE LA EFICIENCIA DE LAS PALAS DE
UN AEROGENERADOR
CAMPO DE LA INVENCiÓN
5
La presente invención se refiere en general a palas de aerogeneradores
y, más en particular, a un método de optimización de su eficiencia para evitar
deterioros de su superficie que modifican su perfil aerodinámico y provocan una
disminución de su rendimiento durante su vida útil.
10
ANTECEDENTES
Los aerogeneradores incluyen un rotor que soporta varias palas que se
extienden radialmente para capturar la energía cinética del viento y causan un
15
movimiento rotatorio de un tren de potencia acoplado a un generador eléctrico
para producir energía eléctrica.
El rendimiento de las palas de los aerogeneradores se ve afectado por
modificaciones de su perfil aerodinámico causadas por distintos agentes.
La superficie de las palas se erosiona como consecuencia de los
2 O
impactos de gotas de lluvia, granizo, insectos, partículas en suspensión, etc. La
erosión del borde de ataque en particular tiene un efecto muy importante en el
rendimiento de las palas de aerogeneradores.
La superficie de las palas también puede sufrir modificaciones mediante
la adhesión a ella de cualquier elemento externo. En el caso de una
25
acumulación de hielo sobre la pala, el efecto en el rendimiento es tan importante
que puede requerir la parada del aerogenerador. En el caso de una
acumulación importante de suciedad, el rendimiento de la pala también
disminuye.
Los problemas de rendimiento mencionados son más acusadas,
3O
lógicamente, en las palas de gran longitud de los aerogeneradores que se
ofrecen actualmente al mercado.
En la técnica anterior es conocida la aplicación de unas cintas de
poliuretano en el borde de ataque de las palas para protegerlas contra,
fundamentalmente, la erosión. Ahora bien, la efectividad de esas cintas está
condicionada a su correcta colocación en el borde de ataque y ello no siempre
5
se consigue, bien por defectos de colocación o por deterioros de la cinta durante
el transporte de la pala hasta el emplazamiento del aerogenerador. Por otra
parte, la cinta de poliuretano tiene el problema potencial, en palas cada vez más
grandes, de incrementar el ruido aerodinámico producido por la pala.
La sustitución de esas cintas por recubrimientos químicos resulta difícil
10
dada la variedad de agentes externos que pueden causar modificaciones del
perfil aerodinámico de las palas de aerogeneradores.
La presente invención está orientada a la solución de esos
inconvenientes.
15
SUMARIO DE LA INVENCiÓN
Un objeto de la presente invención es optimizar la eficiencia de las palas
de aerogeneradores fabricadas con materiales compuestos evitando deterioros
de su superficie que modifican su perfil aerodinámico y provocan una
2 O
disminución de su rendimiento tanto en palas de nueva fabricación como en
palas instaladas en aerogeneradores que han sufrido dichos deterioros.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método de
protección superficial de palas aerogeneradores fabricadas con materiales
compuestos que le proporcione un acabado resistente frente a los agentes
25
externos a los que se ven sometidas y en particular la lluvia, el hielo y la
suciedad atmosférica.
Esos objetos se consiguen con un método de protección superficial de
las palas de aerogeneradores que comprende un paso de preparación
superficial y dos pasos de aplicación de un primer y un segundo recubrimiento
3O
de unos determinados espesores. En el paso de preparación superficial se lija la
zona de la superficie de la pala a proteger hasta alcanzar una capacidad
adherente predeterminada en relación con una o más de las siguientes
propiedades de la superficie de dicha zona: el brillo, la rugosidad, la tensión
superficial y un paso de rellenado de los hueco y poros de dicha zona. El primer
recubrimiento es una masilla bi-componente de naturaleza poliuretánica. El
segundo recubrimiento es una pintura bi-componente con un contenido en
5
sólidos comprendido entre el 70-80% en peso, incluyendo una base de polioles
alifática como aglutinante y poliisocianato alifático como agente de curado, en
unas proporciones comprendidas, respectivamente, entre el 70-80% y el 30
20% en peso. Los recubrimientos mencionados se aplican o bien en zona de
borde de ataque o bien a toda la superficie de la pala en función de la
10
condiciones del entorno al que irán sometidas dichas palas.
En una realización de la invención, la pintura también incluye una
solución de nano partículas de óxidos de silicio hidrofóbicas o de
silsesquioxanos oligoméricos poliédricos fluorados preparada en una proporción
comprendida entre el 10-30% en peso. Esta solución se adiciona a la pintura en
15
un porcentaje entre el 5-10%. Se consigue con ello un recubrimiento anti
erosivo y anti-hielo.
En otra realización de la invención, la pintura también incluye una
solución de nano partículas de óxidos de silicio hidrofílicas o de óxidos de
titanio preparada en una proporción conjunta comprendida entre el 10-30% en
2 O
peso. Esta solución se adiciona a la pintura en un porcentaje entre el 5-10%. Se
consigue con ello un recubrimiento anti-erosivo yanti-suciedad.
En otra realización de la invención, la pintura también incluye una
solución de nano partículas de óxidos de silicio hidrofóbicas o de
silsesquioxanos oligoméricos poliédricos fluorados y de óxidos de silicio
25
hidrofílicas o de óxidos de titanio preparada en una proporción comprendida
entre el 10-30% en peso. Esta solución se adiciona a la pintura en un porcentaje
entre el 5-10%. Se consigue con ello un recubrimiento anti-erosivo, anti-hielo y
anti-suciedad.
En el caso de que el material compuesto de la superficie de la pala sea
3O
Resina Epoxi Reforzada con Fibra de Vidrio el paso de lijado de la etapa de
preparación superficial se da por completado cuando la zona a proteger tiene un
brillo menor del 5% o una tensión superficial en el rango de 30-35 mN/m.
Otras características deseables y ventajas de la invención serán
evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de la invención y de las
reivindicaciones, en relación con las Figuras adjuntas.
5
BREVE DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 a es una vista en perspectiva de una sección de una pala de
un aerogenerador con un recubrimiento según la presente invención en el borde
de ataque.
10
La Figura 1 b es una vista en perspectiva de una sección de una pala de
un aerogenerador con un recubrimiento según la presente invención en toda la
pala.
La Figura 2 es un gráfico que muestra los resultados de ensayos de
erosión por lluvia en muestras del borde ataque de una pala de aerogenerador
15
que han sido protegidas de acuerdo con un método según la presente
invención.
La Figura 3 es un gráfico que muestra los resultados de ensayos de
erosión por lluvia en muestras del borde de ataque una pala de aerogenerador
que han sido protegidas de acuerdo con un método según la presente invención
2 O
envejecidas en un ensayo UV.
La Figura 4 es un gráfico que muestra los resultados de ensayos de
erosión por lluvia en muestras de conchas de una pala de aerogenerador que
han sido protegidas de acuerdo con un método según la presente invención.
La Figura 3 es un gráfico que muestra los resultados de ensayos de
25
erosión por lluvia en muestras de conchas de una pala de aerogenerador que
han sido protegidas de acuerdo con un método según la presente invención
envejecidas en un ensayo UV.
DESCRIPCiÓN DETALLADA DE LA INVENCiÓN
30
Las palas de aerogeneradores a las que se refiere la presente invención son palas fabricadas con materiales compuestos y, en particular, con Plástico
Reforzado con Fibra de Vidrio ("Glass Fibre Reinforced Plastic" o GFRP) por
cualquiera de los métodos conocidos en la industria.
El método de protección de las palas de aerogenerador según la
invención comprende dos etapas básicas: Preparación superficial y Aplicación
5
de recubrimientos.
Preparación supeñicial
En la etapa de preparación superficial, la superficie de la pala objeto de la
protección (bien la pala entera o una zona específica de la misma) se lija para
eliminar eventuales restos de suciedad y material mal adherido y, sobre todo,
10
para aportar la rugosidad adecuada para conseguir una buena adherencia del
primer recubrimiento. Tras el lijado, se limpia la superficie utilizando, por
ejemplo, aspiración y paños de algodón "atrapa-polvos".
La superficie se lija hasta que se obtiene el resultado previsto utilizando
al efecto un parámetro de control pre-establecido, tal como el brillo, la rugosidad
15
ó la tensión superficial.
En el caso de una pala de Resina Epoxi reforzada con Fibra de Vidrio se
estima que se alcanza el grado de adherencia requerido con un brillo menor del
5% o con una tensión superficial (medida mediante tintas o rotuladores de test)
en el rango de 30-35mN/m.
2 O
Aplicación de recubrimientos
En primer término, se aplica un primer recubrimiento basado en una
masilla bi-componente de naturaleza poliuretánica para tapar los huecos y poros
existentes tras el lijado.
En el caso de la zona del borde de ataque, el espesor de este primer
25
recubrimiento está comprendido entre 400-600 micras y en el resto de la pala
entre 300-500 micras
En segundo término se aplica un segundo recubrimiento basado en una
pintura bi-componente con un alto contenido en sólidos incluyendo un 70-80%
de una base de polioles alifática como resina base (o aglutinante) y un 30-20%
30
de poliisocianato alifático como agente de curado (ó endurecedor). El contenido
en sólidos está comprendido entre el 70-80%. El material base comprenderá
asimismo un disolvente y unos elementos complementarios apropiados.
Si se quiere complementar el efecto anti-erosivo con un efecto anti-hielo,
la pintura también incluye una solución de nano partículas de óxidos de silicio
hidrofóbicas ó de silsesquioxanos oligoméricos poliédricos fluorados.
Si se quiere complementar el efecto anti-erosivo con un efecto anti
5
suciedad, la pintura también incluye una solución de nano partículas de óxidos
de silicio hidrofílicas o de óxidos de titanio.
Si se quiere complementar el efecto anti-erosivo con un efecto anti-hielo
y un efecto anti-suciedad se incluirá en la pintura una solución de nano
partículas de óxidos de silicio hidrofóbicas ó de silsesquioxanos oligoméricos
10
poliédricos fluorados y de óxidos de silicio hidrofílicas o de óxidos de titanio.
La proporción en peso de la solución de nano partículas en la pintura en
los supuestos mencionados está comprendida entre el 5-10%, estando
preparada dicha con una proporción de nano partículas comprendida entre el
10-30% en peso.
15
La adición de la solución de nano partículas mencionada tiene un efecto
anti-suciedad y/o anti-hielo porque actúan potenciando las propiedades de
ángulos de contacto y energía superficial.
En palas de aerogeneradores ubicadas o destinadas a ubicarse en
emplazamientos sin problemas de hielo se utilizará una pintura con el material
2 O
base complementada, en su caso, con la solución de nano partículas anti
suciedad mencionada.
En palas de aerogeneradores ubicadas o destinadas a ubicarse en
emplazamientos con problemas de hielo se utilizará una pintura con el material
base y con la solución de nano-partículas anti-hielo mencionada,
25
complementada si es necesario con nano partículas anti-suciedad.
En función de las condiciones del entorno en el emplazamiento de la
pala, se aplicarán los recubrimientos mencionados en, únicamente, una zona 13
en el borde de ataque de la pala 11 de al menos 40mm de ancho, como se
muestra en la Figura 1 a, en toda la superficie de la pala 11 como se muestra en
30
la Figura 1 b.
El espesor del segundo recubrimiento está comprendido entre 200-250
~m en la zona 13 en el borde de ataque y entre 150-200 ~m en el resto de la
pala. En la Figura 1 b se ha utilizado un color gris diferente en la zona 13 en el
borde de ataque y en el resto de la superficie de la pala para ilustrar la
diferencia de espesor del recubrimiento.
Los recubrimientos se aplicarán de manera que no haya zonas de
5
transición en los bordes de las zonas en las que se aplique para evitar
discontinuidades.
Los recubrimientos mencionados deben aplicarse en una temperatura
comprendida entre 15 y 35°C, utilizando pistola "airless", pistola "airmix"
manualmente o mediante sistema robotizado o incluso a rodillo o a brocha.
10
La elección de unos ú otros útiles dependerá básicamente de si se
aplican los recubrimientos en la planta de fabricación de las palas o si se hace
in-situ para reparar una pala deteriorada.
En la Figura 2 se muestra un gráfico que representa la pérdida de masa,
en un ensayo de erosión por lluvia de las siguientes muestras de borde de
15
ataque de palas de aerogeneradores.
S1-Muestra con un revestimiento de un gel epoxi de un espesor de 800
j..Im.
S2-Muestra con un revestimiento de una masilla poliuretánica de un
espesor de 800 j..Im.
2 O
S3-Muestra con un adhesivo en el sustrato y un revestimiento de una
masilla poliuretánica de un espesor de 800 j..Im.
S4-Muestra con una pintura poliuretánica de un espesor de 200 j..Im.
S5-Muestra con una pintura poliuretánica de un espesor de 300 j..Im.
S6-Muestra con una pintura poliuretánica de un espesor de 400 j..Im.
25
S7-Muestra con una cinta de poliuretano de 320 j..Im.
S10-Muestra con un revestimiento según la presente invención.
S11-Muestra con un revestimiento según la presente invención.
El ensayo de lluvia se realiza bajo las siguientes condiciones:
Angulo de impacto(O): 90.
30
Diámetro de la gota de lluvia (mm): 2.0.
Velocidad (mIs): 175.
Dimensión de la muestra: 50 mm de diámetro y 5-10 mm de espesor.
Numero de ensayos/panel: 3/panel.
Densidad de la lluvia (mm/h): 24,3.
Duración del ensayo (min) : 20.
Paradas de control del ensayo: 4 (cada 5 minutos).
5
En la Figura 3 se muestra un gráfico que representa la pérdida de masa,
de las muestras anteriores en un ensayo de erosión por lluvia tras ser
envejecidas en un ensayo de UV.
En la Figura 4 se muestra un gráfico que representa la pérdida de masa,
en un ensayo de erosión por lluvia de las siguientes muestras de conchas de
10
palas de aerogeneradores.
S1-Muestra con un revestimiento de un gel epoxi de un espesor de 700
IJm.
S2-Muestra con una masilla poliuretánica y una pintura poliuretánica de
un espesor de 150 IJm.
15
S3-Muestra con una pintura poliuretánica de un espesor de 150 IJm.
S4-Muestra con una masilla poliuretánica y una pintura poliuretánica de
un espesor de 150 IJm.
S10-Muestra con un revestimiento según la presente invención.
S11-Muestra con un revestimiento según la presente invención.
2 O
En la Figura 5 se muestra un gráfico que representa la pérdida de masa,
de las muestras anteriores en un ensayo de erosión por lluvia tras ser
envejecidas en un ensayo de UV.
También se han obtenido buenos resultados en otros ensayos, en
particular ensayos de adherencia, flexibilidad, envejecimientos climáticos
25
incluyendo ciclo NORSOK y de baja temperatura, ángulo de contacto y
fotocatalíticos.
En base a los resultados obtenidos en esos ensayos se puede considerar
que utilizando los métodos según la presente invención se puede garantizar una
vida útil de la protección superficial de las palas de aerogenerador de, al menos,
30
20 años.
Aunque la presente invención ha sido descrita en relación con diversas
realizaciones, se apreciará a partir de la descripción que se pueden hacer
diversas combinaciones de elementos, variaciones o mejoras en ella, y están dentro del alcance de la invención.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un método de protección superficial de una pala de aerogenerador
    fabricada con un material compuesto para evitar modificaciones de su perfil
    5
    aerodinámico durante su vida útil que provocan una disminución de su
    rendimiento, que comprende los siguientes pasos:
    a) lijar la zona del borde de ataque de la pala a proteger hasta que su
    capacidad adherente alcanza un nivel predeterminado en relación con una o
    más de las siguientes propiedades: el brillo, la rugosidad, la tensión superficial;
    10
    b) aplicar a dicha zona un primer recubrimiento de una masilla bi
    componente de naturaleza poliuretánica de un espesor comprendido entre 400
    600 !-1m;
    c) aplicar a dicha zona un segundo recubrimiento de una pintura bi
    componente con un contenido en sólidos comprendido entre el 70-80%,
    15
    incluyendo una base de polioles alifática como aglutinante y poliisocianato
    alifático como agente de curado, en unas proporciones comprendidas,
    respectivamente, entre el 70-80% y el 30-20%, de un espesor comprendido
    entre 200-250 !-1m.
    2 O
    2. Un método de protección superficial según la reivindicación 1, en el
    que la anchura de dicha zona del borde de ataque de la pala es de al menos 40
    mm.
  2. 3. Un método de protección superficial según cualquiera de las
    25
    reivindicaciones 1-2, que también comprende los siguientes pasos:
    a) lijar el resto de la superficie de la pala hasta que su capacidad
    adherente alcanza un nivel predeterminado en relación con una o más de las
    siguientes propiedades: el brillo, la rugosidad, la tensión superficial;
    b) aplicar a dicha zona un primer recubrimiento de una masilla bi
    30
    componente de naturaleza poliuretánica de un espesor comprendido entre 300
    500 !-1m;
    c) aplicar al resto de la superficie de la pala un segundo recubrimiento de una pintura bi-componente con un contenido en sólidos comprendido entre el 70-80%, incluyendo una base de polioles alifática como aglutinante y poliisocianato alifático como agente de curado, en unas proporciones comprendidas, respectivamente, entre el 70-80% y el 30-20%, de un espesor comprendido entre 150-200 !-1m.
  3. 4.
    Un método de protección superficial según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que el segundo recubrimiento también incluye, en una proporción comprendida entre el 5-10% en peso, una solución preparada con nano partículas de óxidos de silicio hidrofóbicas o de silsesquioxanos oligoméricos poliédricos fluorados en una proporción comprendida entre el 1030% en peso.
  4. 5.
    Un método de protección superficial según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que el segundo recubrimiento también incluye, en una proporción comprendida entre el 5-10% en peso, una solución preparada con nano partículas de óxidos de silicio hidrofílicas o de óxidos de titanio en una proporción conjunta comprendida entre el 10-30% en peso.
  5. 6.
    Un método de protección superficial según cualquiera de las reivindicaciones 1-3, en el que el segundo recubrimiento también incluye, en una proporción comprendida entre el 5-10% en peso, una solución preparada con nano partículas de óxidos de silicio hidrofóbicas o de silsesquioxanos oligoméricos poliédricos fluorados y de óxidos de silicio hidrofílicas o de óxidos de titanio en una proporción comprendida entre el 10-30% en peso.
  6. 7. Un método de protección superficial según cualquiera de las
    reivindicaciones 1-6, en el que dicho material compuesto es Resina Epoxi 3 O Reforzada con Fibra de Vidrio.
  7. 8. Un método de protección superficial según la reivindicación 8, en el que se lija la zona de la superficie de la pala a proteger hasta que su brillo es menor del 5%.
    5 9. Un método de protección superficial según la reivindicación 8, en el que se lija la zona de la superficie de la pala a proteger hasta que su tensión superficial esté en el rango de 30-35 mN/m.
    11
    ""
    13
    FIG. 1a
    11
    ""
    13-
    FIG. 1 b
    Pérdida de peso en muestra de Borde de Ataque tras ensayo erosión por lluvia
    Pérdida de peso en muestra de Borde de Ataque envejecida en un
    9 ensayo UV tras ensayo erosión por lluvia 0/9...---------------------¡
    O,8r------------------------+7---------~--~
    O.7+-------------:~---~~-____l
    0,6 +-----------+---=-=-----+----....+
    O,L.!+----·-----+---;~;L-...._H_------I
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    Pérdida de peso en muestra de Concha tras ensayo erosión por 9 lluvia
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    0,4 ¡----------~_____::;~7"'~----_i
    -
    0,2
    FIG.4
    Pérdida de peso en muestra de Concha envejecida en un ensayo9 uv tras ensayo erosión por lluvia
    1.8
    1.6
    1.1
    1,2 1
    O,e
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    -
    0,2
    FIG.5
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