ES2694229T3 - Sistema pararrayos para palas de aerogenerador don un área efectiva de inyección en laminados de fibra de carbono y una distribución equlibrada de una intensidad y el oltaje de las corrientes de rayo entre distintos caminos conductores - Google Patents
Sistema pararrayos para palas de aerogenerador don un área efectiva de inyección en laminados de fibra de carbono y una distribución equlibrada de una intensidad y el oltaje de las corrientes de rayo entre distintos caminos conductores Download PDFInfo
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Abstract
Un sistema pararrayos para una pala de aerogenerador (10) que comprende al menos un receptor de rayos (15) conectado a uno o más 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, 13) en varios puntos a lo largo de la pala de aerogenerador (10); 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 al menos dos cables secundarios (33) que tienen diferentes resistencias Rconi, Rcond2 en el área local de inyección de corrientes de rayo (14) derivados de dicho cable auxiliar (19) y conectados a dispositivos conductores (45) de diferentes resistencias RPn y RPi2 embebidas 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).
Description
SISTEMA PARARRAYOS PARA PALAS DE AEROGENERADOR CON UN AREA EFECTIVA DE INYECCION EN LAMINADOS DE FIBRA DE CARBONO Y UNA DISTRIBUCION EQUILIBRADA DE LA INTENSIDAD Y EL VOLTAJE DE LAS CORRIENTES DE RAYO ENTRE DISTINTOS CAMINOS CONDUCTORES
CAMPO DE LA INVENCION
La invencion se refiere al control de la inyeccion de corrientes de rayo en laminados de carbono para evitar sobre-intensidades locales y a la distribucion de intensidades y voltajes de las corrientes de rayo entre diferentes caminos conductores en sistemas pararrayos para palas de aerogeneradores.
ANTECEDENTES
El sistema pararrayos de las palas de aerogeneradores comprende usualmente disposiciones de reception de rayos que tienen un receptor metalico extemo y un bloque interno electricamente conductor conectado a un conductor de bajada de una disposition de tierra del aerogenerador. Una vez capturadas corrientes de rayo por el elemento receptor deben ser transmitidas al bloque interno electricamente conductor que conecta al elemento receptor con el conductor de bajada.
La evolution en el desarrollo de aerogeneradores hacia mayores producciones de energia ha conducido a aerogeneradores mas grandes tanto en altura de la torre como en el diametro 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 estar conectados en paralelo con el conductor de bajada para evitar que se generen arcos intemos entre el conductor 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 equipotencializacion de los laminados de fibra de carbono con el conductor de bajada que incluyecables auxiliares para conectar directamente el conductor de bajada con los laminados de fibra de carbono. Estos cables auxiliares estan conectados mediante union atomillada a una pletina metalica en contacto directo con las capas de fibra de carbono. La conexion electrica puede mejorarse mediante el empleo de resinas conductoras adicionadas en la zona de union.
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 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 forma de onda esta caracterizada por tener una primera fase en la que la corriente sube de forma subita, seguida de una segunda fase donde la corriente desciende de forma mas lenta. Cuando esta corriente se inyecta al circuito formado por el laminado de fibra de carbono conectado en paralelo al conductor de bajada, la corriente se distribuye de la siguiente forma:
- Durante la fase de subida, la mayor parte de la corriente se transmite por 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 conductor de menos resistencia (el conductor de bajada).
Con la distribution de corriente descrita, el laminado de fibra de carbono soporta un gran pico de corriente al comienzo de la descarga. Por otro lado, conforme el tamano de las palas aumenta, la inductancia de los laminados de fibra de carbono (de mayor anchura y espesor) se reduce, lo que provoca que la fraction de la corriente 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.
Para solucionar ese problema ES 2 396 839 A1 describe el uso de un dispositivo de elevada inductancia colocado en la conexion entre un laminado de fibra de carbono y un conductor de bajada para reducir el paso de corriente a
traves del laminado de fibra de carbono y favorecer su conduccion a traves del conductor de bajada.
US2013/149153 describe una pala de aerogenerador, que tiene un_area del extremo de la punta y un area en el extremo de la raiz, un sistema pararrayos, dicho sistema pararrayos comprende al menos una lamina de metal.
US2011/267027 describe un metodo para determinar un impacto de rayo, clasificacion y ubicacion.
Un problema del sistema pararrayos de palas de aerogenerador con laminados de fibra de carbono es que la inyeccion local de corrientes de rayo en laminados de fibra de carbono puede no estar distribuida adecuadamente y produce danos en el area de inyeccion. Elio es debido a la naturaleza transitoria del impacto de rayo asi como a las diferencias de conductividades de los materiales lo que reduce el area efectiva de inyeccion de corrientes de rayo de la conexion.
Otro problema es que la distribucion 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 disefia el sistema pararrayos.
Esta invencion esta dirigida a la solucion de esos problemas.
RESUMEN DE LA INVENCION
La invencion proporciona un sistema pararrayos para una pala de aerogenerador que comprende al menos un receptor de rayo conectado a uno o mas conductores de bajada de la disposicion de tierra de la pala de aerogenerador y uno o dos laminados de fibra de carbono. Los conductores de bajada estan equipotencializados con los laminados de fibra de carbono mediante cables auxiliares que estan 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 ademas al menos
un area local de inyeccion de corrientes de rayo en los laminados de fibra de carbono asociada a un cable auxiliar que tiene uno o mas 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 estan configurados para evitar sobre- intensidades en los laminados de fibra de carbono.
Las configuraciones de dichos caminos conductores paralelos adicionales incluyen varios medios para controlar la corriente inyectada por cada uno de ellos en los laminados de fibra de carbono tales como resistencias en los cables secundarios, la colocacion de los caminos conductores a una distancia dada entre ellos, el uso de cables secundarios y/o dispositivos conductores de diferentes resistencias o la utilizacion de dispositivos conductores de diferentes materiales o geometrias.
El sistema pararrayos de la invencion comprende ademas medios para la consecucion de una distribucion 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 carbono, si hay una diferencia negativa superior a un umbral predeterminado entre la impedancia del laminado de fibra de carbono y el valor de referenda considerado en el diseno del sistema pararrayos, el sistema pararrayos tambien comprende uno o mas dispositivos con impedancia en dichos cables auxiliares para lograr una distribucion equilibrada de intensidades y voltajes entre los conductores de bajada y el 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 tambien comprende uno o mas dispositivos con impedancia en dichos cables auxiliares configurados para lograr una distribucion equilibrada de intensidades y voltajes entre los conductores de bajada y los laminados de fibra de carbono.
Otras caracteristicas deseables y ventajas de la invencion se haran evidentes a partir de la siguiente descripcion detallada en relacion con las figuras que se acompanan.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
La Figura 1 es una vista esquematica en planta de una pala de aerogenerador con un sistema pararrayos conocido en la tecnica.
Las Figuras 2a-2d son diagramas esquematicos que ilustran cuatro realizaciones de un area local de inyeccion de corrientes de rayo segun la invencion.
La Figura 3 es un diagrama esquematico que ilustra la distribucion 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 esquematico que ilustra el sistema pararrayos de la invencion 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 electrico de los tres caminos conductores del sistema.
La Figura 5 es un diagrama esquematico que ilustra una realizacion del sistema pararrayos de la invencion en una pala de aerogenerador que tiene un conductor de bajada y dos laminados de fibra de carbono.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
Se conocen palas de aerogenerador con multiples elementos conductivos en toda su longitud como parte de su estructura que incluyen nuevas tecnologias 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 electricos y electronicos a lo largo de la pala o en su punta. En todos estos casos, hay multiples caminos conductores para llevar a tierra las corrientes de rayo. La existencia de multiples caminos conductores implica que los diferentes
caminos deben transmitir una fraccion 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 conductor de bajada 17 conectado a un receptor de rayo 15 y a una disposicion de a tierra (no mostrada) y un laminado de fibra de carbono 11. Ambos caminos conductores 11,17 estan 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 invencion propone en primer lugar un area local de inyeccion de corrientes de rayo 14 asociada a un cable auxiliar 19 y cercana, tipicamente, a un receptor de rayo que esta configurado para evitar sobre-intensidades en los laminados de fibra de carbono. El cable auxiliar 19 esta conectado tipicamente a una placa conductora 31 embebida en un laminado de fibra de carbono.
En una realizacion, no parte de la invencion (ver Figura 2a) el area local de inyeccion 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, laton, tungsteno, nicromo, materiales compuestos conductores y materiales compuestos no conductores con aditivos conductores. El uso de varios dispositivos conductores 45 (tipicamente placas conductoras) aumenta el area efectiva de inyeccion 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 resistencia entre 2-50mQ para controlar la cantidad de corriente inyectada en los diferentes dispositivos conductores 45.
En otra realizacion, no parte de la invencion (ver Figura 2b) el area local de inyeccion 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 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 separacion D dada entre los dispositivos conductores 45. D puede estarcomprendida entre 10-300cm.
Segun la realizacion (ver Figura 2c) el area local de inyeccion 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 Rconcn, Rcond2 y dispositivos conductores 45 de diferentes resistencias eligiendo combinaciones adecuadas de materiales y geometrias. Para dispositivos conductores 45 de una misma geometria uno de ellos, hecho de una aleacion de acero, puede tener, por ejemplo, una resistencia RPn y el otro, hecho de laton, cobre o nicromo, una resistencia RPi2.
En otra realizacion, no parte de la invencion (ver Figura 2d) los medios utilizados para variar la resistencia de los distintos caminos de inyeccion de corrientes de rayo son dispositivos conductores 45 de diferentes materiales y geometrias, por ejemplo, usando para uno de ellos una combinacion de una placa conductora 51 y una malla conductora 53 posicionada entre la placa conductora 51 y el laminado de fibra de carbono. Otra altemativa es el uso de placas conductoras de diferente anchura.
En segundo lugar, la invencion propone lograr una distribucion equilibrada de intensidades y voltajes de las corrientes de rayo entre los conductores de bajada y los laminados de fibra de carbono en las palas de aerogeneradores.
Con el uso de multiples caminos conductores, se logra una distribucion de las corrientes de rayo que es una funcion de los materiales y la geometria de estos. 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 rayo h se distribuye entre la intensidad de rayo I2 a lo largo del conductor de
bajada 17 y la intensidad de rayo I2 a lo largo del laminado de fibra de carbono 11 siendo posible que los valores de I1 e I2 esten desequilibrados debido a que la impedancia del laminado de carbono 11 es diferente a la esperada. A este respecto hay que senalar, por un lado, que la fabricacion de laminados de fibra de carbono no permite garantizar un rango pequeno de variation de su impedancia. La variabilidad de la impedancia de laminados de fibra de carbono fabricados con un mismo metodo 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 diseno del sistema pararrayos. Una diferencia de impedancia respecto a la esperada en un laminado de fibra de carbono no implica ningun dafio estructural 0 de integridad de la pala de aerogenerador.
Para controlar y equilibrar las corrientes de rayo a lo largo de los caminos conductores de una pala de aerogenerador la invencion propone la incorporation de dispositivos de impedancia 25 en uno 0 mas cables auxiliares 19 si la diferencia entre la impedancia del laminado de fibra de carbono y la impedancia considerada en el diseno del sistema supera un umbral predeterminado.
Las caracteristicas de los dispositivos de impedancia 25 se determinan en funcion de la impedancia del laminado de fibra de carbono 11 medido despues de su fabricacion.
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) la invencion se puede entender mejor considerando el modelo electrico mostrado en la Figura 4b.
Las impedancias de los tres caminos conductores estan representadas, por, respectivamente, por circuitos con resistencias e inductancias con los valores de resistencia e inductancia Rcapi, Lcapi; Rcap2, LcaP2; Rcond, Lcond, siendo Rcapi, Lcapi menores que RcaP2, LcaP2. Para equilibrar la distribution de corriente en los tres caminos conductores, se incorpora en el primer camino 11 un dispositivo de impedancia 25 que tiene un resistor y un inductor con los valores
de resistencia e inductancia Rcontroi, Lcontroi. Los valores de Rcontroi, Lcontroi dependen por lo tanto de las diferencias entre Rcapi, Lcapi y RcaP2, LcaP2, siendo la resistencia el factor principal.
Si, por ejemplo Rcapi = 200 mO y RcaP2 = 400 mO la distribucion de corrientes entre los laminados de fibra de carbono 11,13 seria (suponiendo una distribucion lineal) 2/3 por laminado de fibra de carbono 11 y 1/3 por laminado de fibra de carbono 13. Luego, para lograr una distribucion de corriente equilibrada la resistencia Rcontroi del dispositivo de impedancia 25 incorporado al sistema pararrayos debe serde 200 mQ.
El sistema pararrayos de una pala de aerogenerador 10 puede comprender el uso de multiples 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 invencion ha sido descrita en relacion con diversas realizaciones, se apreciara a partir de la descripcion que se pueden hacer diversas combinaciones de elementos, variaciones o mejoras en ella, y estan dentro del alcance de la invencion segun se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (11)
1. Un sistema pararrayos para una pala de aerogenerador (10) que comprende al menos un receptor de rayos (15) conectado a uno o mas conductores de bajada (17) de una disposicion de conexion 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 mas cables auxiliares (19) que estan conectados a placas conductoras (31) embebidas en los laminados de fibra de carbono (11, 13) en varios puntos a lo largo de la pala de aerogenerador (10); tambien comprende al menos un area local de inyeccion de corrientes de rayo (14) en los laminados de fibra de carbono (11, 13) asociada a un cable auxiliar (19) que tiene uno o mas caminos conductores paralelos adicionales que comprenden al menos dos cables secundarios (33) que tienen diferentes resistencias Rcom, Rcond2 en el area local de inyeccion de corrientes de rayo (14) derivados de dicho cable auxiliar (19) y conectados a dispositivos conductores (45) de diferentes resistencias RPn y RPi2 embebidas en los laminados de fibra de carbono (11, 13) que estan configurados para evitar sobre-intensidades en los laminados de fibra de carbono (11, 13).
2. Un sistema pararrayos segun la reivindicacion 1, que comprende al menos un resistor (41) en un cable secundario (33) de un area local de inyeccion de corrientes de rayo (14).
3. Un sistema pararrayos segun la reivindicacion 2, en el que la resistencia de dicho resistor 41 esta comprendida entre 2-50mQ.
4. Un sistema pararrayos segun la reivindicacion 1, que comprende al menos dos dispositivos conductores (45) que tienen diferentes resistencias RPn, Rpi2 en un area local de inyeccion de corrientes de rayo (14).
5. Un sistema pararrayos segun la reivindicacion 4, en el que dichos dispositivos conductores (45) son placas conductoras hechas de uno de los siguientes materiales: aleaciones de acero, cobre, aluminio, laton, tungsteno, nicromo, materiales compuestos conductores y materiales compuestos no conductores con aditivos conductores.
6. Un sistema pararrayos segun la reivindicacion 4, en el que uno de dichos dispositivos conductores (45) es un conjunto de una placa conductora (51) y una malla metalica (53).
7. Un sistema pararrayos segun la reivindicacion 1, que comprende al menos dos caminos conductores paralelos adicionales en el que sus dispositivos conductores (45) estan separados por una distancia D entre 10-300cm.
8. Un sistema pararrayos segun cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en
el que:
- la pala de aerogenerador (10) comprende un laminado de fibra de carbono (11);
- el sistema pararrayos esta disenado para un valor de referenda de la impedancia del laminado de fibra de carbono (11);
- el sistema pararrayos tambien comprende uno o mas 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 referenda;
- dichos uno o mas dispositivos de impedancia (25) estan configurados para lograr una distribucion equilibrada de intensidades y voltajes entre el uno o mas conductores de bajada (17) y el laminado de fibra de carbono (11).
9. Un sistema pararrayos segun la reivindicacion 8, en el que dichos dispositivos de impedancia (25) comprenden uno o mas de los siguientes elementos pasivos: un resistor, un inductor, un condensador.
10. Un sistema pararrayos segun cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que:
- la pala de aerogenerador (10) comprende dos laminados de fibra de carbono (11, 13);
- el sistema pararrayos tambien comprende uno o mas 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);
-dichos uno o mas dispositivos de impedancia (25) estan configurados para lograr una distribucion equilibrada de intensidades y voltajes entre el uno o mas conductores de bajada (17) y los laminados de fibra de carbono (11, 13).
11. Un sistema pararrayos segun la reivindicacion 10, en el que dichos dispositivos de impedancia (25) comprenden uno o mas de los siguientes elementos pasivos: un resistor, un inductor, un condensador.
14
11
FIG. 2a
45
FIG. 1
FIG. 2b
14
11
FIG. 2c
14 11
— 45
FIG. 3
FIG. 2d
o
■4--------
FIG. 4a
25
FIG. 5
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