ES2594452B1 - Sistema pararrayos para palas de aerogenerador con un área efectiva de inyección en laminados de fibra de carbono y una distribución equilibrada de la intensidad y el voltaje de las corrientes de rayo entre distintos caminos conductores - Google Patents

Sistema pararrayos para palas de aerogenerador con un área efectiva de inyección en laminados de fibra de carbono y una distribución equilibrada de la intensidad y el voltaje de las corrientes de rayo entre distintos caminos conductores Download PDF

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Abstract

Sistema pararrayos para palas de aerogenerador con un área efectiva de inyección en laminados de fibra de carbono y una distribución equilibrada de la intensidad y el voltaje de las corrientes de rayo entre distintos caminos conductores. El área de inyección de corrientes de rayo (14) en los laminados de fibra de carbono (11, 13) está asociada a al menos uno de los cables auxiliares (19) de equipotencialización de los laminados de fibra de carbono (11, 13) con los conductores de bajada (17) y comprende cables secundarios (33) derivados de dicho cable auxiliar (19) y conectados a dispositivos conductores (45) embebidos en los laminados de fibra de carbono (11, 13) que están configurados para evitar sobre-intensidades en los laminados de fibra de carbono (11, 13). El sistema pararrayos también comprende dispositivos de impedancia (25) para equilibrar intensidades y voltajes en dichos cables auxiliares (19).

Description

5
SISTEMA PARARRAYOS PARA PALAS DE AEROGENERADOR CON UN ÁREA EFECTIVA DE INYECCiÓN EN LAMINADOS DE FIBRA DE CARBONO Y UNA DISTRIBUCiÓN EQUILIBRADA DE LA INTENSIDAD Y EL VOLTAJE DE LAS CORRIENTES DE RAYO ENTRE DISTINTOS CAMINOS CONDUCTORES
CAMPO DE LA INVENCiÓN
10
La invención se refiere al control de la inyección de corrientes de rayo en laminados de carbono para evitar sobre-intensidades locales y a la distribución de intensidades y voltajes de las corrientes de rayo entre diferentes caminos conductores en sistemas pararrayos para palas de aerogeneradores.
15
ANTECEDENTES
2 O 25 3 O
El sistema pararrayos de las palas de aerogeneradores comprende usualmente disposiciones de recepción de rayos que tienen un receptor metálico externo y un bloque interno eléctricamente conductor conectado a un conductor de bajada de una disposición de tierra del aerogenerador. Una vez capturadas corrientes de rayo por el elemento receptor deben ser transmijidas al bloque interno eléctricamente conductor que conecta al elemento receptor con el conductor de bajada. La evolución en el desarrollo de aerogeneradores hacia mayores producciones de energía ha conducido a aerogeneradores más grandes tanto en altura de la torre como en el diámetro de rotor. Como un aumento de la longitud de la pala implica un incremento de su rigidez se necesitan palas que incorporen laminados de fibra de carbono. Como los laminados de fibra de carbono son conductores deben ser conectados en paralelo con el conductor de bajada para evitar que se generen arcos internos entre el conduclor de bajada y los laminados de fibra de carbono y para que no se produzcan impactos directos de rayos en ellos.
WO 2006/051147 A1 describe un sistema pararrayos que incluye medios
de equipotencialización de los laminados de fibra de carbono con el sistema
pararrayos que incluyen derivaciones del cable principal para conectarlo
directamente con los laminados de fibra de carbono. Estos cables auxiliares están
5
conectados mediante unión atornillada a una pletina metálica en contacto directo
con las capas de fibra de carbono. La conexión eléctrica puede mejorarse
mediante el empleo de resinas conductoras adicionadas en la zona de unión.
Si la pala de aerogenerador tiene, por ejemplo, un laminado de fibra de
carbono, el sistema pararrayos se convierte en un circuito con dos ramas en
10
paralelo: una rama formada por el conductor de bajada, de baja resistencia y alta
inductancia, y otra rama formada por el laminado de fibra de carbono que tiene alta
resistencia y baja inductancia. Cuando un rayo impacta en uno de los elementos
receptores el sistema pararrayos debe evacuar la corriente del rayo, cuya fonna de
onda esta caracterizada por tener una primera fase en la que la corriente sube de
15
forma súbita, seguida de una segunda fase donde la corriente desciende de forma
más lenta. Cuando esta corriente se inyecta al circuito formado por el laminado de
fibra de carbono conectado al conductor de bajada, la corriente se distribuye de la
siguiente fonna:
-Durante la fase de subida, la mayor parte de la corriente se transmite por
2 O
el conductor de menos inductancia (el laminado de fibra de carbono).
-Durante la fase de bajada gradual, la mayor parte de la corriente se
transmite por el conduclor de menos resistencia (el conduclor de bajada).
Con la distribución de corriente descrita, el laminado de fibra de carbono
soporta un gran pico de corriente al comienzo de la descarga. Por otro lado,
25
conforme el tamaño de las palas aumenta, la indudancia de los laminados de fibra
de carbono (de mayor anchura y espesor) se reduce, lo que provoca que la
fracción que se conduce por el laminado de fibra de carbono sea mayor lo que
supone un problema ya que los laminados de fibra de carbono contienen resinas
que se degeneran a temperaturas entre 100°C y 200"C.
30
Para solucionar ese problema ES 2 396 839 A 1 describe el uso de un
dispositivo de elevada inductancia colocado en la conexión entre un laminado de
fibra de carbono y un conductor de bajada para reducir el paso de corriente a
través del laminado de fibra de carbono y favorecer su conducción a través del
conductor de bajada.
Un problema del sistema pararrayos de palas de aerogenerador con laminados de fibra de carbono es que la inyección local de corrientes de rayo en laminados de fibra de carbono puede no estar distribuida adecuadamente y produce daños en el área de inyección. Ello es debido a la naturaleza transitoria del impacto de rayo asi como a las diferencias de conductividades de los materiales lo que reduce el área efectiva de inyección de corrientes de rayo de la conexión .
Otro problema es que la distribución de la intensidad y el voltaje de las corrientes de rayo entre los conductores de bajada y los laminados de fibra de carbono pueden no estar equilibrada debido a las variaciones de los valores reales de la impedancia de los laminados de fibra de carbono utilizados en una pala de aerogenerador con respecto a los valores esperados cuando se diseña
el sistema pararrayos.
Esta invención está dirigida a la solución de esos problemas.
RESUMEN DE LA INVENCiÓN
La invención proporciona un sistema pararrayos para una pala de aerogenerador que comprende al menOS un receptor de rayo conectado a uno O más conductores de bajada de la disposición de tierra de la pala de aerogenerador y uno o dos laminados de fibra de carbono. Los conductores de bajada están equipotencializados con los laminados de fibra de carbono mediante cables auxiliares que están conectados a placas conductoras
embebidas en los laminados de fibra de carbono en varios puntos a lo largo de
la pala de aerogenerador. El sistema pararrayos comprende además al menos un área local de inyección de corrientes de rayo en los laminados de fibra de carbono asociada a un cable auxiliar que tiene uno o más caminos conductores paralelos adicionales que comprenden cables secundarios derivados de dicho cable auxiliar y conectados a dispositivos conductores embebidos en los
laminados de fibra de carbono que están configurados para evitar sobre
intensidades en los lami nados de fibra de carbono.
Las configuraciones de dichos caminos conductoras paralelos adicionales
incluyen varios medios para controlar la corriente inyectada por cada uno de
5
ellos en los laminados de fibra de carbono tales como resistencias en los cables
secundarios, la colocación de los caminos conductores a una distancia dada
entre ellos, el uso de cables secundarios y/o dispositivos conductores de
diferentes resistencias o la utilización de dispositivos conductores de diferentes
materiales o geometrías.
1 0
El sistema pararrayos de la invención comprende además medios para la
consecución de una distribución equilibrada de intensidades y voltajes de las
corrientes de rayo entre los conductores de bajada y los laminados de fibra de
carbono.
En el caso de una pala de aerogenerador con un laminado de fibra de
15
carbono, si hay una diferencia negativa superior a un umbral predeterminado
entre la impedancia del laminado de fibra de carbono y el valor de referencia
considerado en el diseño del sistema pararrayos, el sistema pararrayos también
comprende uno o más dispositivos con impedancia en dichos cables auxiliares
para lograr una distribución equilibrada de intensidades y voltajes entre los
2 O
conductores de bajada yel laminado de fibra de carbono.
En el caso de una pala de aerogenerador con dos laminados de fibra de
carbono, si la diferencia entre las impedancias de los laminados de fibra de
carbono supera un umbral predeterminado, el sistema pararrayos también
comprende uno o más dispositivos con impedancia en dichos cables auxiliares
25
configurados para lograr una distribución equilibrada de intensidades y voltajes
entre los conductores de bajada y los laminados de fibra de carbono.
Otras características deseables y ventajas de la invención se harán
evidentes a partir de la siguiente descripción detallada y de las reivindicaciones
adjuntas en relación con las figuras que se acompañan.
30
BREVE DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 es una vista esquemática en planta de una pala de
aerogenerador con un sistema pararrayos conocido en la técnica.
Las Figuras 2a-2d son diagramas esquemáticos que ilustran cuatro
realizaciones de un área local de inyección de corrientes de rayo según la
5
invención.
La Figura 3 es un diagrama esquemático que ilustra la distribución de
intensidades en una pala de aerogenerador entre un conductor de bajada y un
laminado de fibra de carbono.
La Figura 4a es un diagrama esquemático que ilustra el sistema
10
pararrayos de la invención en una pala de aerogenerador que tiene un
conductor de bajada y dos laminados de fibra de carbono y la Figura 4b es un
modelo eléctrico de los tres caminos conductores del sistema.
La Figura 5 es un diagrama esquemático que ilustra una realización del
sistema pararrayos de la invención en una pala de aerogenerador que tiene un
15
conductor de bajada y dos laminados de fibra de carbono.
DESCRIPCiÓN DETALLADA DE LA INVENCiÓN
Se conocen palas de aerogenerador con múltiples elementos conductivos
2 O
en toda su longitud como parte de su estructura que incluyen nuevas
tecnologías o materiales. Este es el caso de las palas de aerogeneradores que
utilizan laminados de fibra de carbono como parte de su estructura o equipos
eléctricos y electrónicos a lo largo de la pala o en su punta. En todos estos
casos, hay múltiples caminos conductores para llevar a tierra las corrientes de
25
rayo. La existencia de múltiples caminos conductores implica que los diferentes
caminos deben transmitir una fracción de corrientes de rayo en caso de un
impacto de un rayo en un receptor de rayos.
En el caso, por ejemplo, de una pala de aerogenerador 10 con un
laminado de fibra de carbono 11 (ver Figura 1) los caminos conductores son un
30
conductor de bajada 17 conectado a un receptor de rayo 15 y a una disposición
de a tierra (no mostrada) y un laminado de fibra de carbono 11 . Ambos caminos
conductores 11,17 están equipotencializados por medio de cables auxiliares 19
a lo largo de la pala de aerogenerador 10 para distribuir las corrientes de rayo y
reducir el riesgo de chispas entre ellos.
Para mejorar los sistemas pararrayos conocidos de palas de
aerogenerador con laminados de fibra de carbono la invención propone en
5
primer lugar un área local de inyección de corrientes de rayo 14 asociada a un
cable auxiliar 19 y cercana, típicamente, a un receptor de rayo que está
configurada para evitar sobre-intensidades en los laminados de fibra de carbono.
El cable auxiliar 19 está conectado típicamente a una placa conductora 31
embebida en un laminado de fibra de carbono.
10
En una realización (ver Figura 2a) el área local de inyección 14 en un
laminado de fibra de carbono 11 comprende tres cables secundarios 33,
derivados de un cable auxiliar 19, conectados a dispositivos conductores 45
embebidos en el laminado de fibra de carbono 11 . Los dispositivos conductores
45 pueden estar hechos de aleaciones de acero, cobre, aluminio, latón,
15
tungsteno, nicromo, materiales compuestos conductores y materiales
compuestos no conductores con aditivos conductores. El uso de varios
dispositivos conductoras 45 (típicamente placas conductoras) aumenta el área
efectiva de inyección de corrientes de rayo en el laminado de fibra de carbono
11 . Cada uno de los cables secundarios 33 tiene un resistor 41 con una
2O
resistencia entre 2-50mO para controlar la cantidad de corriente inyectada en
los diferentes dispositivos conductores 45.
En otra realización (ver Figura 2b) el área local de inyección 14 en un
laminado de fibra de carbono 11 comprende dos cables secundarios 33,
derivados de un cable auxiliar 19, conectados a dispositivos conductores 45
25
embebidos en el laminado de fibra de carbono 11 . En este caso los medios de
control de las corrientes de rayo inyectadas en los dispositivos conductores 45
son un resistor 41 colocado en uno de los cables secundarios 33 y una distancia
de separación D dada entre los dispositivos conductores 45. D puede estar
comprendida entre 10-300cm.
30
En otra realización (ver Figura 2c) el área local de inyección 14 en un
laminado de fibra de carbono 11 comprende dos cables secundarios 33,
derivados de un cable auxiliar 19, conectados a dispositivos conductores 45
embebidos en el laminado de fibra de carbono 11 . En este caso los medios
utilizados para controlar las corrientes de rayo inyectadas en los dispositivos
conductores 45 son cables secundarios 33 de diferentes resistencias Reo"d1 ,
Rcond2 Y dispositivos conductores 45 de diferentes resistencias eligiendo
5
combinaciones adecuadas de materiales y geometrías. Para dispositivos
conductores 45 de una misma geometría uno de ellos, hecho de una aleación de
acero, puede tener, por ejemplo, una resistencia Rp11 y el otro, hecho de latón,
cobre o nicromo, una resistencia Rp12.
En otra realización (ver Figura 2d) los medios utilizados para variar la
10
resistencia de los distintos caminos de inyección de corrientes de rayo son
dispositivos conductores 45 de diferentes materiales y geometrias, por ejemplo,
usando para uno de ellos una combinación de una placa conductora 51 y una
malla conductora 53 posicionada entre la placa conductora 51 y el laminado de
fibra de carbono. Otra alternativa es el uso de placas conductoras de diferente
15
anchura.
En segundo lugar, la invención propone lograr una distribución equilibrada
de intensidades y voltajes de las corrientes de rayo entre los conductores de
bajada y los laminados de fibra de carbono en las pala de aerogeneradores.
Con el uso de múltiples caminos conductoras, se logra una distribución
2 O
de las corrientes de rayo que es una función de los materiales y la geometría de
éstos. Sin embargo, los puntos equipotenciales no permiten el control de las
formas de onda de las intensidades y los voltajes que se encuentran entre
diferentes elementos en diferentes radios de la pala. Como se muestra en la
Figura 3 en una rama entre dos cables auxiliares 19 la intensidad de entrada del
25
rayo 11 se distribuye entre la intensidad de rayo 12 a lo largo del conductor de
bajada 17 y la íntensídad de rayo 12 a lo largo del lamí nado de fibra de carbono
11 siendo posible que los valores de 11 e 12 estén desequilibrado debido a que la
impedancia del laminado de carbono 11 es diferente a la esperada. A este
respecto hay que señalar, por un lado, que la fabricación de laminados de fibra
30
de carbono no permite garantizar un rango pequeño de variación de su
impedancia. La variabilidad de la impedancia de laminados de fibra de carbono
fabricados con un mismo método puede ser importante (la diferencia entre las
resistencias de dos laminados de fibra de carbono puede ser mayor del 50%) y, en consecuencia, pueden conducir a intensidades y voltajes mayores de lo esperado en el diseño del sistema pararrayos. Una diferencia de impedancia respecto a la esperada en un laminado de fibra de carbono no implica ningún daño estructural o de integridad de la pala de aerogenerador.
El sistema pararrayos está diseñado para un valor de referencia de la
impedancia del laminado de fibra de carbono 11. Para controlar y equilibrar las
corrientes de rayo a lo largo de los caminos conductores de una pala de aerogenerador la invención propone la incorporación de dispositivos de
impedancia 25 en uno o más cables auxiliares 19 en el caso de existir una diferencia negativa superior a un umbral predeterminado entre la impedancia del laminado de fibra de carbono 11 y dicho valor de referencia;
Las caracterlsticas de los dispositivos de impedancia 25 se determinan en función de la impedancia del laminado de fibra de carbono 11 medido después de su fabricación. Dichos uno o más dispositivos de impedancia 25 están configurados para lograr una distribución equilibrada de intensidades y voltajes entre el uno o más conductores de bajada 17 y el laminado de fibra de carbono
11. Dichos dispositivos de impedancia 25 comprenden uno o más de los
siguientes elementos pasivos: un resistor, un inductor, un condensador. En el caso de una pala de aerogenerador 10 con tres caminos
conductores: un laminado de fibra de carbono superior 11, un laminado de fibra de carbono inferior 13 y un conductor de bajada 17 (ver Figura 4a). El sistema
pararrayos también comprende uno o más dispositivos de impedancia 25 en dichos cables auxiliares 19 en el caso de existir una diferencia superior a un umbral predeterminado entre las impedancias de los laminados de fibra de
carbono 11y 13; dichos uno o más dispositivos de impedancia 25 están
configurados para lograr una distribución equilibrada de intensidades y voltajes
entre el uno o más conductores de bajada 17 y los laminados de fibra de carbono 11 y 13. Dichos dispositivos de impedancia 25 comprenden uno o más de los siguientes elementos pasivos: un resistor, un inductor, un condensador.
La invención se puede entender mejor considerando el modelo eléctrico mostrado en la Figura 4b:
Las impedancias de los tres caminos conductores están representadas,
5
por, respectivamente, por circuitos con resistencias e inductancias con los
valores de resistencia e inductancia R"", ~,,; R"p2, ~,,; Roo"", Loo"", siendo
~", ~" menores que ~,2, ~p2. Para equilibrar la distribución de corriente
en los tres caminos conductoras, se incorpora en el primer camino 11 un
dispositivo de impedancia 25 que tiene un resistor y un inductor con los valores
10
de resistencia e inductancia Rcontrol. Lc.ontrol . Los valores de Rcontrol . Lcontrol
dependen por lo tanto de las diferencias entre R"" , ~" Y R"'2, ~p2, siendo la
resistencia el factor principal.
Si, por ejemplo R"" = 200 mO y Rc,p' = 400 mO la distribución de
corrientes entre los laminados de fibra de carbono 11 , 13 seria (suponiendo una
15
distribución lineal) 2/3 por laminado de fibra de carbono 11 y 1/3 por laminado de
fibra de carbono 13. Luego, para lograr una distribución corriente equilibrada la
resistencia Roo,!ro! del disposttivo de impedancia 25 incorporado al sistema
pararrayos debe ser de 200 mO.
El sistema pararrayos una pala de aerogenerador 10 puede comprender
2O
el uso de múltiples dispositivos de impedancia 25 situados en diferentes puntos
equipotenciales como se muestra en la Figura 5 para equilibrar y controlar la
intensidades y voltajes de las corrientes de rayo.
Aunque la presente invención ha sido descrita en relación con diversas
realizaciones, se apreciará a partir de la descripción que se pueden hacer
25
diversas combinaciones de elementos, variaciones o mejoras en ella, y están
dentro del alcance de la invención según se define en las reivindicaciones
adjuntas.

Claims (11)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un sistema pararrayos para una pala de aerogenerador (10) que
    comprende al menos un receptor de rayos (15) conectado a uno o más
    5 conductores de bajada (17) de una disposición de conexión a tierra de la pala de aerogenerador (10) Y uno o dos laminados de fibra de carbono (11 , 13); estando equipotencializados los conductores de bajada (17) con los laminados de fibra de carbono (11 , 13) por uno o más cables auxiliares (19) que están conectados a placas conductoras (31) embebidas en los laminados de fibra de carbono (11,
    10 13) en varios puntos a lo largo de la pala de aerogenerador (10); caracterizado
    porque también comprende al menos un área local de inyección de corrientes de
    rayo (14) en los laminados de fibra de carbono (11, 13) asociada a un cable
    auxiliar (19) que tiene uno o más caminos conductores paralelos adicionales que
    comprenden cables secundarios (33) derivados de dicho cable auxiliar (19) y 15 conectados a dispositivos conductores (45) embebidos en los laminados de fibra
    de carbono (11 , 13) que están configurados para evitar sobre-intensidades en
    los laminados de fibra de carbono (11 , 13).
  2. 2. Un sistema pararrayos según la reivindicación 1, que comprende al
    20 menos un resistor (41) en un cable secundario (33) de un área local de inyección de corrientes de rayo (14).
  3. 3. Un sistema pararrayos según la reivindicación 1, en el que la resistencia de dicho resistor 41 está comprendida entre 2-50mO.
  4. 4. Un sistema pararrayos según la reivindicación 1, que comprende al
    menos dos cables secundarios (33) que tienen diferentes resistencias Rcond1, Rcond2 en un área local de inyección de corrientes de rayo (14).
    30 5. Un sistema pararrayos según la reivindicación 1, que comprende al menos dos dispositivos conductores (45) que tienen diferentes resistencias Rp11 ,
    Rp12 en un área local de inyección de corrientes de rayo (14).
  5. 6.
    Un sistema pararrayos según la reivindicación 5, en el que dichos dispositivos conductores (45) son placas conductoras hechas de uno de los siguientes materiales: aleaciones de acero, cobre, aluminio, latón, tungsteno, nicromo, materiales compuestos conductores y materiales compuestos no conductores con aditivos conductores.
  6. 7.
    Un sistema pararrayos según la reivindicación 5, en el que uno de dichos dispositivos conductores (45) es un conjunto de una placa conductora
    (51) Y una malla metálica (53).
  7. 8.
    Un sistema pararrayos según la reivindicación 1, que comprende al menos dos caminos conductores paralelos adicionales en el que sus dispositivos conductores (45) están separados por una distancia D entre 10-300cm.
  8. 9.
    Un sistema pararrayos según cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que: la pala de aerogenerador (10) comprende un laminado de fibra de carbono (11); -el sistema pararrayos está diseñado para un valor de referencia de la impedancia del laminado de fibra de carbono (11);
    -
    el sistema pararrayos también comprende uno o más dispositivos de impedancia (25) en dichos cables auxiliares (19) en el caso de existir una diferencia negativa superior a un umbral predeterminado entre la impedancia del laminado de fibra de carbono (11) y dicho valor de referencia;
    -
    dichos uno o más dispositivos de impedancia (25) están configurados para lograr una distribución equilibrada de intensidades y voltajes entre el uno o más conductores de bajada (17) y el laminado de fibra de carbono (11).
  9. 10. Un sistema pararrayos según la reivindicación 8, en el que dichos dispositivos de impedancia (25) comprenden uno o más de los siguientes elementos pasivos: un resistor, un inductor, un condensador.
  10. 11 . Un sistema pararrayos según cualquiera de las reivindicaciones 1-8,
    en el que: -la pala de aerogenerador (10) comprende dos laminados de fibra de 5 carbono(11 , 13); -el sistema pararrayos también comprende uno o más dispositivos de impedancia (25) en dichos cables auxiliares (19) en el caso de existir una
    diferencia superior a un umbral predeterminado entre las impedancias de los
    laminados de fibra de carbono (11 ,13);
    10 -dichos uno o más dispositivos de impedancia (25) están configurados para lograr una distribución equilibrada de intensidades y voltajes entre el uno o más conductores de bajada (17) y los laminados de fibra de carbono (11 , 13).
  11. 12. Un sistema pararrayos según la reivindicación 11 , en el que dichos
    15 dispositivos de impedancia (25) comprenden uno o más de los siguientes
    elementos pasivos: un resislor, un inductor, un condensador.
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