ES2708653T3 - Mejoras relacionadas con los sistemas de protección frente a rayos para palas de turbina eólica - Google Patents

Abstract

Conjunto de punta de pala (24) para una pala de turbina eólica (2), que comprende un módulo de punta de pala conductora (32), y un acoplador (36) que se extiende desde el módulo de punta de pala para unir el módulo de punta de pala a un conductor de bajada (28, 30), caracterizado porque: una disposición receptora de rayos (40) está separada del módulo de punta de pala conductora, y el acoplador acopla eléctricamente el módulo de punta de pala conductora a la disposición receptora, en la que una pieza aislante (34) encierra el acoplador y al menos parte de la disposición receptora.

Description

DESCRIPCION

Mejoras relacionadas con los sistemas de proteccion frente a rayos para palas de turbina eolica

Campo tecnico

La presente invencion se refiere a estructuras de pala de turbina eolica y a procedimientos de fabricacion asociados para mejorar la resistencia de las palas de turbina eolica a las descargas de rayos.

Antecedentes

Las turbinas eolicas son vulnerables a su alcance por descargas de rayos; a veces en la torre, la gondola y el buje de rotor, pero con la mayor frecuencia en las palas de la turbina. Un evento de descarga de rayos tiene el potencial de provocar danos ffsicos en las palas de turbina y tambien dano electrico en los sistemas de control internos de la turbina eolica. Las turbinas eolicas se instalan con frecuencia en amplios espacios abiertos que hacen que las descargas de rayos sean una situacion habitual. Por consiguiente, en los ultimos anos los fabricantes de turbinas eolicas han realizado muchos esfuerzos para disenar turbinas eolicas que puedan gestionar de manera eficaz la energfa que se les confiere durante una descarga de rayos para evitar danos en la pala y el coste asociado del tiempo de parada de la turbina durante la sustitucion de la pala.

Se conocen sistemas de proteccion frente a rayos para palas de turbina eolica. En un ejemplo, un elemento receptor de rayos electricamente conductor se dispone en una superficie exterior de la pala para recibir una descarga de rayos. Debido a que el elemento receptor es electricamente conductor, es mas probable que el rayo se una al elemento receptor en lugar de al material de la pala relativamente no conductor. El elemento receptor se conecta a un cable o “conductor de bajada” que se extiende en el interior de la pala hasta la rafz y desde ah se conecta mediante una disposicion de inducido a una trayectoria de transferencia de carga en el buje, la gondola y la torre a un potencial de tierra. Por tanto, un sistema de proteccion frente a rayos de este tipo permite canalizar los rayos desde la pala a un potencial de tierra de manera segura, minimizando de ese modo el riesgo de danos. Sin embargo, los elementos receptores diferenciados son relativamente complejos de instalar durante la fabricacion de la pala y, ademas, dejan una porcion significativa de area de pala expuesta a un riesgo de descarga de rayos.

La observacion de los efectos de descargas de rayos sobre palas de la turbina ha revelado que la mayor proporcion de las descargas de rayos suceden en las puntas de pala. Para abordar este problema, el documento WO2005/031158 propone una pala de turbina que tiene una punta de metal macizo. Aunque la punta de metal macizo proporciona un cuerpo conductor robusto para resistir un gran numero de descargas de rayos, en algunas circunstancias los rayos pueden alcanzar todavfa la pala en el interior de la punta teniendo de ese modo el potencial de provocar danos en la pala.

El documento EP226497 describe una pala de turbina eolica con un sistema de proteccion frente a rayos con un receptor de rayos dispuesto libremente accesible en las proximidades de la punta de la pala. El documento WO2007128314 describe una pala de turbina eolica con un receptor ubicado en el extremo de punta de la pala en una cavidad, y la cavidad se llena de un material dielectrico. El documento EP2532893 describe una pala de turbina eolica con un sistema de proteccion frente a rayos que tiene un receptor de punta conductor con una banda protectora de ceramica.

En el documento WO2013/007267 se describe una proteccion frente a rayos adicional, que propone acotar una pala de turbina en una pluralidad de zonas diferentes, estando dotada cada zona de una medida de proteccion diferente que se selecciona dependiendo del impacto esperado de una descarga de rayos en esa zona de la pala. En este caso, una zona de alcance de alto riesgo tal como la punta puede protegerse con medidas de proteccion robustas tales como una punta de metal macizo, mientras que las medidas de proteccion en zonas de impacto de bajo riesgo potencialmente pueden eliminarse del todo.

La invencion se ha ideado en contra de este contexto.

Sumario de la invencion

En un primer aspecto, la invencion proporciona un conjunto de punta de pala para una pala de turbina eolica segun la reivindicacion 1.

Cuando se instala en una pala de turbina eolica, el conjunto de punta de pala puede conectarse a un sistema de conduccion de bajada de modo que se canalice la energfa electrica procedente de una descarga de rayos desde la punta hasta los sistemas de gestion de rayos instalados en la torre de la turbina eolica. En las puntas de palas conductoras de turbinas eolicas conocidas, se ha observado que los rayos pueden verse atrafdos por el sistema de conduccion de bajada y otros componentes metalicos en la pala justo en el interior de la punta de pala, lo que puede provocar danos en la pala. Por tanto, de manera beneficiosa, el conjunto de punta de pala de la invencion incorpora una disposicion receptora que esta separada del modulo de punta de pala, pero separada del mismo de modo que sirve para “interceptar” las descargas de rayos que pueden no tender a unirse a la punta de pala tal como puede suceder cuando la pala se encuentra en orientaciones horizontales. Por tanto, la disposicion receptora que forma parte del conjunto de punta de pala proporciona una trayectoria de puesta a tierra electrica “facil” que impide que los rayos se unan a los componentes metalicos internos de la pala.

La disposicion receptora puede incluir una base receptora conductora, por ejemplo de laton, que tiene forma de placa y que sirve como punto de union para uno o mas elementos receptores o pernos que perforan el revestimiento de pala para conectarse a la base receptora. En una realizacion, el receptor es una placa que se extiende de manera transversal (es decir, en el sentido de la cuerda) hasta el eje longitudinal del conjunto de punta de pala.

El acoplador conecta el modulo de punta de pala a la disposicion receptora y puede estar formado de manera solidaria con el modulo de punta de pala. Alternativamente, el acoplador puede desmontarse del modulo de punta de pala. Aunque el acoplador podna adoptar diversas formas, en una realizacion es una placa de tipo lengueta que se extiende desde el modulo de punta de pala y que esta encerrado por la pieza aislante. Preferiblemente, la pieza aislante es una pieza de tipo bloque polimerico que se extiende desde el modulo de punta de pala y que encierra el acoplador y la disposicion receptora. Preferiblemente, la pieza aislante se moldea directamente sobre el acoplador. Aunque el modulo de punta de pala conductora puede comprender una pieza de nucleo encerrada en una capa conductora, un modulo de metal macizo proporciona una unidad mas tenaz que tiene una mayor capacidad de conduccion de corriente. En principio, es aceptable que el modulo de punta de pala se realice de cualquier metal o aleacion metalica, aunque actualmente se prefiere el cobre.

El acoplador puede comprender una placa de union de tipo lengueta que se extiende desde el modulo de punta de pala y que puede ser solidario con el modulo de punta de pala o unirse al mismo mediante medios adecuados, tales como un juego de pernos, en cuyo caso el acoplador puede recibirse en una cavidad definida en el modulo de punta de pala.

En una realizacion, la pieza aislante se moldea directamente en el acoplador y tiene un perfil en el sentido de la cuerda exterior similar al de la pala dentro de la que se recibe, en el uso. El tamano relativamente grande de la pieza aislante garantiza una fuerte conexion entre el conjunto de punta de pala y la pala.

En una realizacion preferida, el modulo de punta de pala es de metal macizo, y la pieza aislante tambien puede encerrar una disposicion receptora en su interior.

La invencion tambien se refiere a un metodo de ensamblaje de un conjunto de punta de pala para una pala de turbina eolica segun la reivindicacion 16.

Ventajosamente, por tanto, el acoplador que se extiende desde el modulo de punta de pala y sirve para conectarse a un sistema de conduccion de bajada esta encerrado en una pieza aislante. La pieza aislante puede estar formada en una conformacion adecuada, por ejemplo, una conformacion que se presta a la incorporacion en un volumen interno de una pala de material compuesto de una turbina eolica. Por tanto, la pieza aislante sirve como punto de montaje. Antes de encerrar el acoplador en la pieza aislante, el acoplador puede unirse a un conductor de bajada en una junta adecuada. Por tanto, durante el ensamblaje de la pala el conjunto de punta de pala puede instalarse como una unidad junto con el conductor de bajada, lo que lo hace mas conveniente para la fabricacion.

Se apreciara que pueden combinarse caractensticas preferidas y/u opcionales del primer aspecto de la invencion con los demas aspectos de la invencion, y viceversa. La invencion en sus diversos aspectos se define en las reivindicaciones independientes a continuacion y se definen caractensticas ventajosas en las reivindicaciones dependientes a continuacion.

Breve descripcion de los dibujos

Para una mayor comprension de la invencion, se describiran ahora algunas realizaciones de la invencion con referencia a los siguientes dibujos, en los que:

la figura 1 es una vista en planta de una pala de turbina eolica equipada con un sistema de proteccion frente a rayos; la figura 2 es una vista a escala ampliada de una region de la pala de turbina en la figura 1, que muestra con mas detalle el aparato relacionado con el sistema de proteccion frente a rayos;

la figura 3 es una seccion transversal de la pala de turbina en la figura 2 a lo largo de la lmea A-A;

la figura 4 es una seccion transversal de la pala de turbina en la figura 2 a lo largo de la lmea B-B;

la figura 5 es una vista en seccion del borde de ataque de la pala de turbina en la figura 1 a lo largo de la lmea C-C; la figura 6 es una vista de una region de pala como la de la figura 2, pero muestra una realizacion alternativa del subsistema de proteccion frente a rayos; y

la figura 7 es una vista en perspectiva de un conjunto de punta de pala alternativo.

Descripcion detallada

Con referencia a la figura 1, una pala de turbina eolica 2 incorpora un sistema de proteccion frente a rayos 3. La pala 2 esta formada por una carcasa de la pala 4 que tiene dos medias carcasas. Las medias carcasas se moldean normalmente a partir de plastico reforzado con fibra de vidrio (conocido como “GFRP” o, simplemente “GRP”) que comprende tejido de fibra de vidrio incorporado en una matriz de resina curada. La construccion precisa de la carcasa de pala 4 no es fundamental para la invencion y asf se omite una descripcion mas detallada para mayor claridad.

La pala comprende un extremo de rafz 6, en el que la pala 2 se unira a un buje de rotor de una turbina eolica, un extremo de punta 8, un borde de ataque 10 y un borde de salida 12. Una primera superficie 14 de la pala 2 define una superficie con perfil aerodinamico que se extiende entre el borde de ataque 10 y el borde de salida 12. La pala 2 tambien incluye una segunda superficie que tambien se extiende entre el borde de ataque 10 y el borde de salida 12, que no se muestra en la vista en planta de la figura 1, pero que se indica con el numero de referencia 16 en las figuras 3 y 4, por ejemplo.

Cuando la pala 2 se une a un buje de rotor de una turbina eolica, el flujo de aire alcanza la superficie 16 de la pala 2 y, por este motivo, la superficie 16 tambien se denomina “lado de presion” o “lado de barlovento” en la tecnica. Por el contrario, la superficie 14 se denomina “lado de succion” o “lado de sotavento”.

Volviendo al sistema de proteccion frente a rayos 3, este se basa en un concepto de “zonificacion” en el que la pala 2 esta acotada en una direccion longitudinal o “en el sentido de la envergadura” en regiones o “zonas” dependiendo de la probabilidad de recibir una descarga de rayos y la intensidad de la descarga en esa region. Un principio similar se describe en el documento WO2013/007267.

En esta realizacion, la pala 2 se divide en tres zonas para los fines de proteccion frente a rayos, estas se ilustran en la figura 1 como zonas A, B y C. La instalacion de proteccion frente a rayos que se usa en cada una de las zonas se selecciona basandose en un juego de parametros de descarga de rayos, tales como amplitud de corriente pico, energfa espedfica, forma del impulso y carga total que se espera que resista la pala 2 en cada una de las zonas. A continuacion se ofrece una breve explicacion de las diferentes zonas, a modo de ejemplo.

La zona A se extiende desde el extremo de rafz 6 de la pala hasta aproximadamente el 60% de la longitud de pala en la direccion en el sentido de la envergadura. En esta zona, la pala 2 tiene un menor riesgo de una descarga de rayos y asf se esperara que reciba una baja incidencia de rayos y bajas amplitudes de corriente, que son aceptables para el impacto estructural de pala. En esta realizacion, la pala 2 no esta equipada con ninguna proteccion externa frente a rayos dentro de esta zona.

La zona B se extiende desde el extremo de la zona A hasta aproximadamente el 90% de la longitud de pala en una direccion en el sentido de la envergadura. En esta zona, la pala 2 tiene un riesgo moderado de descarga de rayos y se espera que resista uniones de descargas de rayos directas moderadamente frecuentes que tendran una mayor corriente de choque, corriente pico y transferencia de carga total. Por consiguiente, la pala 2 esta dotada de un primer subsistema de proteccion frente a rayos 20 en forma de una capa de proteccion de superficie.

Finalmente, la zona C se extiende desde el extremo de la zona B hasta el extremo de punta 8 de la pala 2. En esta zona, la pala 2 esta sujeta a una alta probabilidad de descargas de rayos y se espera que resista amplitudes de corriente pico superiores a 200 kA y una transferencia de carga total superior a 300 culombios y, ademas, una gran incidencia de rayos. Para proporcionar el nivel requerido de proteccion para la pala, la zona C incluye dos subsistemas de proteccion frente a rayos adicionales. En primer lugar, se proporciona una red de receptores (a continuacion en el presente documento “red de receptores”) 22 y, en segundo lugar, se proporciona un conjunto de punta de pala 24. Tanto la red de receptores 22 como el conjunto de punta de pala 24 se conectan electricamente a un sistema de conduccion de bajada 26, que comprende conductores de bajada 28, 30 primero y segundo, que discurren a lo largo de la longitud de la pala 2 desde el extremo de punta 8 hasta el extremo de rafz 6, estando dispuestos generalmente adyacentes al borde de ataque 10 y al borde de salida 12 de la pala 2, respectivamente. Los detalles de la red de receptores 22, el conjunto de punta de pala 24 y el sistema de conduccion de bajada 26 se describiran mas adelante.

Tal como se ha mencionado ya, la zona B incluye una capa de proteccion de superficie 20 que es una capa conductora formada sobre la superficie de, o que esta integrada en, tanto la media carcasa superior como la media carcasa inferior de la pala 2. La capa conductora 20 puede ser una malla o tela metalica, pero preferiblemente una lamina metalica expandida que actua para atraer las descargas de rayos sobre una gran area de la pala y que se conecta al sistema de conduccion de bajada 26 de una manera que se describira. El grosor de la capa conductora 20 es tal que el perfil aerodinamico de pala 2 no se ve afectado y asf se prefiere que la capa conductora tenga entre 1 mm y 5 mm de grosor. La estructura precisa de la capa de proteccion de superficie 20 no es fundamental para la invencion y asf no se describira con mas detalle en el presente documento.

El conjunto de punta de pala 24 y la red de receptores 22 se describiran ahora con mas detalle con referencia a las figuras 2 a 7. La figura 2 ilustra una porcion ampliada de la pala 2 en la zona C y asf muestra el conjunto de punta de pala 24 y la red de receptores 22 con mas detalle. En este caso, se muestra que la pala 2 tiene el conjunto de punta de pala 24 unido a la misma. Sin embargo, debe apreciarse que el conjunto de punta de pala 24 puede instalarse como una unidad en la pala 2 durante un procedimiento de fabricacion.

El conjunto de punta de pala 24 comprende un modulo de punta de pala conductora 32 y una pieza aislante que, en esta realizacion, es una pieza de insercion no conductora 34 acoplada al modulo de punta de pala 32. El modulo de punta de pala 32 esta formado preferiblemente a partir de metal macizo para proporcionar un receptor de rayos extremadamente robusto en la misma punta de la pala 2, que puede resistir un gran numero de uniones de rayos directas sin experimentar danos y sin requerir mantenimiento y/o inspecciones frecuentes. El modulo de punta de pala 32 es preferiblemente cobre macizo o una aleacion de cobre tal como bronce, y se cuela en una conformacion tal como para proporcionar un perfil aerodinamico de punta para la pala 2, y particularmente las regiones de alta curvatura de los bordes de ataque y de salida que atraen particularmente la union de descarga de rayos. Formar el modulo de punta de pala 32 de metal macizo consigue un alto punto de fusion, lo que es un factor importante a la hora de evitar danos durante las descargas de rayos, y tambien proporciona una buena conductividad electrica en el sistema de conduccion de bajada. Se apreciara que tambien seran adecuados metales y aleaciones distintos de cobre.

Se prefiere que el modulo de punta de pala 32 sea lo suficientemente largo como para abarcar las regiones de alta curvatura de los bordes de ataque y de salida 10, 12 de la pala, aunque debido a que la punta de metal macizo tiene una masa relativamente alta, generalmente es un objetivo disenar la punta para que sea lo mas pequena posible sin reducir la capacidad de atraer rayos a la punta. Generalmente, por tanto, el modulo de punta de pala 32 tiene una longitud que es inferior al 1% de la longitud total de pala y, mas preferiblemente, esta por debajo del 0,5% de la longitud total de pala. A modo de ejemplo, en una pala con una longitud de 60 m, la punta puede tener aproximadamente 10 cm de longitud.

El modulo de punta de pala 32 se une a la pieza de insercion 34 mediante una pieza de acoplamiento o “acoplador” 36 mostrado en este caso como una placa de union. La placa 36 tiene una conformacion rectangular y se sujeta mediante pernos 35 en uno de sus extremos a una cavidad conformada de manera correspondiente 37 proporcionada en una cara de union 38 de la pieza de punta de pala 32. La placa 36 es conductora y es preferiblemente de metal macizo tal como acero inoxidable, aunque son aceptables otros metales (por ejemplo, cobre) o aleacion metalicas.

La placa 36 proporciona medios mediante los cuales la pieza de insercion 34 puede unirse al modulo de punta de pala 32. En esta realizacion, la pieza de insercion 34 se moldea por inyeccion alrededor de la placa 36 que se situa en el molde, con o sin el modulo de punta de pala 32 unido a la misma, antes de comenzar el procedimiento de moldeo.

La pieza de insercion moldeada 34 proporciona una base maciza mediante la cual el conjunto de punta de pala 24 puede incorporarse en una pala 2 durante un procedimiento de fabricacion. Por ejemplo, durante la configuracion de la pala, pueden disponerse un revestimiento de pala adecuado y otros componentes estructurales tales como revestimientos de tejido de vidrio o materiales preimpregnados en un molde de pala truncada que no tiene una superficie de molde conformada para definir una punta de pala. El conjunto de punta de pala 24 puede disponerse entonces con respecto al molde de tal manera que la pieza de insercion 34 se encuentre adyacente a los componentes de revestimiento de pala preparados y el modulo de punta de pala este ubicado contra el extremo truncado del molde. De modo convencional, la pieza de insercion 34 puede incorporarse entonces en la pala 2 durante un procedimiento de impregnacion con resina de modo que, despues del curado, el conjunto de punta de pala 24 forma una parte solidaria de la pala 2, proporcionando la pieza de insercion 34 una superficie de adhesion para contener todo el conjunto en las carcasas de pala.

En esta realizacion la pieza de insercion 34 es polimerico, y se prefiere que el material tenga una alta resistencia dielectrica, por ejemplo, superior a 25 kV/mm que rodea las partes metalicas internas con un grosor mmimo de aproximadamente 10 mm. Un material adecuado sena el poliuretano.

Tal como puede apreciarse en la figura 2, la pieza de insercion 34 es comparativamente ancha y tiene una anchura mayor del 50% de la anchura de la seccion correspondiente de la pala 2. El perfil de la pieza de insercion 34 corresponde generalmente al perfil aerodinamico de la pala 2.

Debido a que la placa 36 se une de manera desmontable al modulo de punta de pala 32, se permiten la retirada y sustitucion del modulo de punta de pala 32 durante la vida de la pala 2. Sin embargo, la placa 36 podna formarse alternativamente como una parte solidaria del modulo de la punta de pala 32 durante la colada.

Para canalizar la energfa de una descarga de rayos sobre el modulo de punta de pala 32 hasta el extremo de rafz de pala 6, el conjunto de punta de pala 24 se conecta al sistema de conduccion de bajada 26. En una realizacion, tal como se muestra en la figura 7, un cable de conduccion de inhibicion de descarga corona individual del sistema de conduccion de bajada 26 se conecta directamente a la placa 36 mediante un metodo de conexion adecuado tal como soldeo exotermico. Por tanto, se proporciona un acoplamiento conductor robusto entre la placa 36 y el sistema de conduccion de bajada 26. En una disposicion de este tipo, se prefiere, aunque no es esencial, que el cable se suelde a la placa 36 antes de que se moldee la pieza de insercion 34 sobre la placa 36, en cuyo caso el cable forma una unidad con el conjunto de punta de pala 24 para los fines del procedimiento de fabricacion de pala.

Sin embargo, en la realizacion ilustrada, el sistema de conduccion de bajada 26 se conecta al conjunto de punta de pala 24 de modo diferente. Tal como se muestra en la figura 2, el conjunto de punta de pala 24 tambien incluye una disposicion receptora 40 que, en esta realizacion, tiene la forma de una base receptora de tipo bloque alargado 42 formada a partir de un material conductor, y preferiblemente un material metalico tal como laton. La base receptora 42 se extiende de manera transversal (es decir, en el sentido de la cuerda) al eje longitudinal del conjunto de punta de pala 24 y esta separada (en una direccion en el sentido de la envergadura) del modulo de punta de pala 32 en el extremo mas alejado de la pieza de insercion 34.

La base receptora 42 se conecta electricamente al modulo de punta de pala 32 mediante un enlace conductor 43 que, en esta realizacion, es un cable que esta enfundado en un material de inhibicion de descarga corona, con el fin de suprimir los precursores y de tipo corona que se inician desde el cable 43. En contraposicion con la realizacion de la figura 7, en esta realizacion, ambos conductores de bajada primero y segundo 28, 30 del sistema de conduccion de bajada 26 se conectan directamente a la base receptora 42. Como anteriormente, preferiblemente los conductores de bajada 28, 30 se sueldan a la base receptora 42 antes de la formacion de la pieza de insercion 34 para encapsular los componentes en su interior de modo que la pieza de insercion 34 encapsula la placa 36 y al menos parte de la disposicion receptora. Por tanto, se apreciara que la placa 36, el cable 43 y la base receptora 42 acoplaran electricamente la punta de metal y el sistema de conduccion de bajada 26. En principio, debe observarse que cualquier numero de componentes electricos podnan formar el acoplador entre la punta y el sistema de conduccion de bajada.

La base receptora 42 forma un punto de recepcion para un juego de elementos receptores 44 que perforan la carcasa de la pala 2 y se acoplan a la base receptora 42. Tal como se muestra de la mejor manera en la figura 3, los elementos receptores 44 adoptan la forma de pernos que tienen un vastago 44a que se extiende en la pala 2 y se recibe en casquillos 42a respectivos formados en la base receptora 42, y una cabeza 44b que se avellana en la carcasa de modo que una cara superior de la cabeza 44b se asienta a ras con la superficie circundante de la pala 2 para no afectar a la aerodinamica de la pala.

Para evitar “saltos de arco” potenciales entre la cabeza del perno 44b y cualquier componente conductor interno cercano del revestimiento de pala durante una descarga de rayos, la cabeza 44b esta dotada de un collar protector aislante 46, que esta formado preferiblemente de un plastico de ingeniena adecuado tal como PEEK (polieteretercetona). El collar protector proporciona adicionalmente proteccion frente al dano colateral por calor al revestimiento de pala durante una descarga de rayos a los elementos receptores.

La pieza aislante 34 esta intercalada entre la parte interior de la superficie de sotavento 14 y la parte interior de la superficie de barlovento 16. Esta ubicado adhesivo (no mostrado) entre la pieza aislante 34 y la parte interior de las superficies de sotavento y de barlovento 14, 16 para adherir la pieza aislante al interior de la pala. La pieza aislante 34 llena sustancialmente el volumen hueco entre la superficie de sotavento 14 y la superficie de barlovento 16 en la punta de la pala. La pieza aislante 34 se extiende en una direccion en el sentido de la cuerda desde el borde de ataque de la pala hacia el borde de salida de la pala, y en una direccion en el sentido de la envergadura desde la punta de pala conductora 8 hacia la rafz de pala. En este ejemplo, la pieza aislante 34 es un bloque individual que encierra el acoplador 36 y la base receptora 42. El uso de un bloque individual significa que la base receptora 42 y el acoplador 36 pueden proporcionarse como un modulo individual que permite una facil instalacion en la pala.

Los elementos receptores 44 pueden montarse en la pala 2 despues de que se haya fabricado con el conjunto de punta de pala 24 en su posicion. Tras completarse la pala 2, se crean aberturas adecuadas en la carcasa de pala 2 y se crean orificios roscados adecuados en la base receptora 42 para sujetar los elementos receptores 44 en su posicion. Para impedir que se suelten los elementos receptores 44, pueden proporcionarse medios de bloqueo adecuados (no mostrados) que pueden adoptar la forma de un granulo o pedazo de plastico recibido en la parte inferior del vastago 44a que se engancha con la base receptora 42.

En esta realizacion, se proporcionan dos elementos receptores 44, ambos en la superficie de sotavento 14 de la pala 2. Sin embargo, se apreciara que tambien pueden proporcionarse elementos receptores adicionales en el lado de sotavento de la pala 2, si se desea.

A partir de la descripcion anterior, se entendera que el conjunto de punta de pala 24 proporciona dos puntos receptores para las uniones de rayos: en primer lugar, el modulo de punta de pala de metal 32 y, en segundo lugar, la disposicion receptora 40. La ventaja de esto es que una descarga de rayos se vera atrafda hacia los elementos receptores 44 en lugar de unirse al sistema de conduccion de bajada 26 u otras partes de metal internas del sistema. A modo de explicacion adicional, durante las condiciones ambientales de alto campo electrico que preceden inmediatamente a una descarga de rayos, el campo electrico potenciado en la punta de la pala 2 inducira la ionizacion de la atmosfera y la transferencia de carga desde el modulo de punta de pala 32, dando como resultado, por tanto en determinadas condiciones, una “carga espacial” que rodea el extremo de punta 8. La existencia de esta carga espacial puede modificar, en algunas circunstancias, el campo electrico alrededor de punta de pala desviando por tanto la descarga de retorno lejos del modulo de punta de pala conductora 32 de modo que el rayo se una a los componentes conductores dentro de la pala, por ejemplo, los componentes del sistema de conduccion de bajada 26.

La disposicion receptora 40 del conjunto de punta de pala 24 proporciona puntos de emision de precursores intencionados adyacentes a la punta y asf pueden servir para “interceptar” la descarga de rayos, uniendose apropiadamente la descarga de rayos a los elementos receptores 44 y la base receptora 42 en lugar de unirse a otros componentes menos blindados de la pala 2. Esto reduce en gran medida el riesgo de danos en la pala en diversos angulos de pala.

Volviendo ahora a la red de receptores de punta 22, tal como se ha mencionado ya anteriormente, el conjunto de punta de pala 24 se conecta al sistema de conduccion de bajada 26 que comprende cables de conduccion de bajada primero y segundo 28, 30 que discurren por la longitud en el sentido de la envergadura de la pala 2 hasta su extremo de rafz 6. El sistema de conduccion de bajada 26 tambien se conecta a la red de receptores de punta 22 de la pala 2, lo que se describira ahora con mas detalle.

Tal como se muestra en la figura 2, la red de receptores de punta 22 comprende una pluralidad de componentes receptores 50 que se distribuyen adyacentes a los bordes de ataque y de salida 10, 12 en la superficie de sotavento 14 de la pala 2. En esta realizacion, se proporcionan ocho componentes receptores 50, y cada componente receptores 50 se acopla a un primer elemento receptor 52 proporcionado en la superficie de sotavento 14 de la pala y un segundo elemento receptor 54 proporcionado en la superficie de barlovento 16 de la pala 2. Observese que los elementos receptores de barlovento 54 no se muestran en la figura 2, pero se muestran en la figura 4.

Con referencia ahora a la figura 4, que muestra la estructura de los componentes receptores 50 y los elementos receptores 52, 54 con mas detalle, cada uno de los componentes receptores 50 incluye una base receptora de tipo bloque 56 y una pieza aislante 58 que encapsula la base receptora 56.

La base receptora 56 es conductora, y preferiblemente de laton. La pieza aislante 58 se moldea directamente en la base receptora 56 y sirve asf para suprimir la iniciacion de trazadores desde la base receptora 56 durante condiciones ambientales de alta carga, lo que impide una descarga de rayos directamente sobre la base receptora 56 en lugar de en un elemento receptor 52, 54. Cada base receptora 56 incluye un rebaje 60 correspondiente a traves del cual se encaminan los conductores de bajada 28, 30 con el fin de conectar las bases receptoras 56 al interior del sistema de conduccion de bajada 26. Por tanto, la encapsulacion de las bases receptoras 56 tambien encapsula la junta entre el sistema de conduccion de bajada y las bases receptoras 56. Las piezas aislantes 58 estan formadas por un polfmero adecuado que tiene una alta resistencia dielectrica, y se preve que las piezas aislantes seran de poliuretano, aunque se aceptan otros materiales aislantes.

Las piezas aislantes 58 se intercalan entre la parte interior de la superficie de sotavento 14 y la parte interior de la superficie de barlovento 16. Esta ubicado adhesivo (no mostrado) entre las piezas aislantes 58 y la parte interior de las superficies de sotavento y de barlovento 14, 16 para adherir las piezas aislantes al interior de la pala. Debe apreciarse que la figura 4 muestra una seccion transversal de las piezas aislantes 58 y que las bases receptoras 56 estan completamente encapsuladas por las piezas aislantes 58. Las piezas aislantes 58 pueden tener una anchura en la direccion en el sentido de la envergadura de alrededor de 15 cm.

Aunque no se muestra en la figura 4, los componentes receptores 50 tambien pueden instalarse en ubicaciones adecuadas en el interior de la pala 2 separando elementos que separan y contienen cada uno de los componentes receptores 50 en una posicion predeterminada con respecto a la carcasa de pala.

Tal como se ha mencionado, cada base receptora 56 se conecta a dos elementos receptores 52, 54: uno en cada una de las superficies de sotavento y de barlovento 14, 16 de la pala 2. Esta disposicion reduce el numero de bases receptoras requeridas, lo que reduce el coste y el peso de pala en su totalidad. Ademas, solo es necesario instalar las bases receptoras en una de las medias carcasas de pala durante el ensamblaje de pala, lo que acelera el tiempo de fabricacion y simplifica el procedimiento de fabricacion. Los componentes receptores 50 se unen a la media carcasa de pala mediante adhesivo, tal como un adhesivo epoxfdico.

Cada elemento receptor 52, 54 tiene la forma de un perno que tiene un vastago 61 y una cabeza 62. El vastago 61 se extiende en la pala 2 y se engancha en un casquillo 64 en la base receptora 56. La cabeza 62 se apoya contra y se avellana en el interior de la carcasa de pala de modo que una cara superior de la cabeza 62 este a ras de la superficie circundante de la pala 2. Al igual que los elementos receptores 44 proporcionados en el conjunto de punta de pala 24, los elementos receptores 52, 54 de la red de receptores de punta 22 tambien estan dotados de un collar polimerico 66 para impedir los saltos de arco de superficie durante una descarga de rayos. El collar protector proporciona adicionalmente proteccion frente al dano colateral por calor al revestimiento de pala durante una descarga de rayos al receptor.

Debido a que los componentes receptores 50 se instalan en la region de la pala 2 que tiene una profundidad relativamente poco pronunciada, preferiblemente los elementos receptores 52, 54 se unen a las bases receptoras 56 desplazados unos con respecto a otro o “alternos” en una direccion en el sentido de la envergadura de pala, tal como se muestra en la figura 4. Esto evita que los vastagos 60 de los elementos receptores opuestos 52, 54 entren en contacto entre sf cuando se instalan.

En la realizacion de la figura 4, el componente receptor 50 incluye una base receptora de una sola pieza 56 que se conecta a dos elementos receptores 52, 54 proporcionados en las superficies de sotavento y de barlovento 14, 16 de la pala 2. Se preven diferentes configuraciones de los componentes receptores, y se describira ahora un ejemplo de este tipo con respecto a la figura 5.

La figura 5 es una seccion transversal de la pala 2 en la figura 1 a lo largo de la lmea C-C y, por tanto, ilustra una seccion de la capa de proteccion de superficie 20 tal como se ha descrito anteriormente.

Tal como se ha comentado, la capa de proteccion de superficie 20 incluye una tela metalica conductora que proporciona un area de superficie relativamente grande para capturar las descargas de rayos, desde donde la energfa puede canalizarse de manera segura al interior del sistema de conduccion de bajada 26 sin provocar danos a la estructura de material compuesto no conductora de la pala 2. Observese que la capa de proteccion de superficie 20 se proporciona en ambas superficies de sotavento y de barlovento 14, 16 de la pala 2.

Para conectar la capa de proteccion de superficie 20 al sistema de conduccion de bajada 26, se proporciona un juego de componentes receptores 70. Hay cuatro componentes receptores en total, uno en cada esquina de la capa de proteccion de superficie 20, aunque solamente se muestra uno de los componentes receptores 70 en la figura 5. En la figura 5, los componentes receptores 70 esta colocado adyacente al borde de ataque 10 de la pala 2. El componente receptor 70 esta conformado para llenar de manera mas eficaz el volumen en el perfil relativamente profundo de esta region de la pala 2, en comparacion con el perfil relativamente poco profundo en la region de la red de receptores de punta 22.

El componente receptor 70 comprende bases receptoras primera y segunda 72, 74 que estan encapsuladas por una pieza aislante 76 que tiene forma generalmente anular. Mas espedficamente, la pieza aislante 76 en esta realizacion tiene forma de C, que esta definida por porciones de brazo primera y segunda 76a, 76b que se extienden desde cada extremo de una porcion de horquilla 76c. Cada una de las bases receptoras 72, 74 esta encapsulada por una porcion respectiva de las porciones de brazo 76a, 76b y, de esta manera, las bases receptoras 72, 74 estan ubicadas en una posicion predeterminada frente a una superficie de sotavento 14 y una superficie de barlovento 16 respectivas de la pala 2.

Un primer elemento receptor 80 acopla electricamente la capa de proteccion de superficie 20 en la superficie de barlovento 16 a la primera base receptora 72. De manera similar a las realizaciones que se han comentado anteriormente, el elemento receptor 80 tiene la forma de un perno que tiene un vastago 80a y una cabeza 80b: extendiendose el vastago 80a a traves de la pala 2 y enganchandose con la primera base receptora 72; estando dispuesta la cabeza 80b para encontrarse a ras de la superficie circundante de la capa de proteccion de superficie 20. Se proporciona una disposicion identica para acoplar la capa de proteccion de superficie 20 en la superficie de sotavento 14 a la segunda base receptora 74.

Se proporciona un enlace conductor 82 para conectar electricamente la primera base receptora 72 a la segunda base receptora 74 y, en esta realizacion, el enlace conductor 82 es un cable trenzado de cobre recubierto de zinc. Aunque el cable trenzado no es esencial, es util desde la perspectiva de la fabricacion puesto que es flexible y asf puede conformarse adecuadamente para que se extienda entre las bases receptoras primera y segunda 72, 74 antes de la encapsulacion.

La pieza aislante 76 esta intercalada entre la parte interior de la superficie de sotavento 14 y la parte un interior de la superficie de barlovento 16. Esta ubicado adhesivo (no mostrado) entre la pieza aislante 76 y la parte interior de las superficies de sotavento y de barlovento 14, 16 para adherir la pieza aislante al interior de la pala. Debe apreciarse que la figura 5 muestra una seccion transversal de la pieza aislante 76 y que la primera base receptora 72, la segunda base receptora 74 y el enlace conductor 82 estan encapsulados completamente por la pieza aislante 76. La pieza aislante 76 pueden tener una anchura en la direccion en el sentido de la envergadura de alrededor de 15 cm. Se realiza la conexion al sistema de conduccion de bajada 26 soldando la primera base receptora 72 a un conductor de bajada correspondiente, que tal como se ilustra es el primer conductor de bajada 28 cerca del borde de ataque 10 de la pala 2. Para un ensamblaje eficiente, el enlace conductor 82 y el conductor de bajada 28 pueden disponerse en un patron predeterminado con respecto a las bases receptoras primera y segunda 72, 74 y conectarse a las mismas mediante soldeo exotermico para garantizar la integridad electrica de la conexion antes de colar la pieza aislante 76 alrededor de los componentes. De este modo, el componente receptor 70 puede instalarse como una unidad junto con el sistema de conduccion de bajada 26. El soldeo es una opcion para conectar los componentes electricos aunque se aceptan otras tecnicas adecuadas tales como la sujecion mecanica.

En una variacion de esto, se preve que el sistema de conduccion de bajada 26 que incluye los dos conductores de bajada primero y segundo 28, 30 puede estar aislado como una unidad con los componentes receptores 50 asociados con la red de receptores de punta 22 asf como los componentes receptores 70 asociados con la capa de proteccion de superficie 20. La figura 6 ilustra esto, y puede observarse que los conductores de bajada primero y segundo 28, 30 y los componentes receptores 50 asociados con la red de receptores de punta 22 estan encapsulados por un elemento aislante 90 que forma un alojamiento aislante unitario. El elemento aislante 90 puede ocupar el lugar de los elementos aislantes 58 de las bases receptoras 56, aunque actualmente se preve que el elemento aislante 90 sea una medida aislante adicional ademas de las bases receptoras encapsuladas 56 y tambien el blindaje de reduccion de descarga corona de los conductores de bajada 28, 30. En esta realizacion, por tanto, el sistema electrico completo dentro de la pala 2 puede encapsularse completamente antes de la instalacion y puede instalarse como una unidad individual, mas bien como un mazo de cables, en una media carcasa de pala durante la fase de configuracion de pala. La encapsulacion del sistema de conduccion de bajada 26 en un polfmero electricamente aislante reduce la probabilidad de union de descarga de rayos directamente en los conductores de bajada 28, 30 aumentando la ruptura dielectrica del sistema

Los conductores de bajada primero y segundo 28, 30 son en sf mismos cables aislados de cable de inhibicion de descarga corona de alta tension, aislados con un caucho de silicona o polfmero reticulado. Estos cables aislados se encapsulan entonces en el elemento aislante alargado 90.

El elemento aislante 90 puede formarse a partir de poliuretano. En una realizacion particular, la rigidez del poliuretano puede variar a lo largo de la longitud de la pala de modo que el sistema de conduccion de bajada 26 tiene mas flexibilidad en algunas partes de la pala que en otras. Por ejemplo, es deseable que el elemento aislante 90 sea flexible en la region de punta de la pala en la que la pala desvfa las cargas de viento mas elevadas, mientras que hacia la rafz de la pala el elemento aislante 90 puede ser mas ngido.

El experto apreciara que puedan realizarse variaciones en las realizaciones ilustradas sin apartarse del concepto inventivo, tal como se describe en las reivindicaciones. Algunas de las variaciones de las realizaciones ilustradas se han comentado anteriormente. Otras se explicaran a continuacion.

La invencion se describe en el contexto de una pala de turbina que tiene una denominada construccion de “carcasa estructural”, en la que se integran nervaduras o pultrusiones de carbono longitudinales en las mitades de carcasa superior e inferior durante la fase de configuracion. Sin embargo, la invencion tambien se aplica a palas construidas segun una filosoffa de diseno diferente tal como una construccion de larguero estructural.

Se ha descrito que el conjunto de punta de pala 24 incluye un modulo de punta de pala 32 de metal macizo. Aunque se prefiere esto por motivos de conductividad y resistencia a descargas en las palas, tambien podnan formarse a partir de un nucleo no conductor que tiene una capa exterior conductora, aunque la robustez puede verse afectada adversamente.

En la disposicion aislante descrita anteriormente, la pieza de insercion 34 se describe como una parte individual. Sin embargo, debe apreciarse que tambien podna fabricarse a partir de multiples partes.

En las realizaciones anteriores, se ha descrito que la pala esta dividida en tres zonas, A, B y C, para los fines de proteccion frente a rayos. Se apreciara que esto es meramente un ejemplo de como puede configurarse una pala para la proteccion frente a rayos y no pretende que este limitado. Por ejemplo, una pala puede configurarse de modo que se omita la zona A. En efecto, por tanto, la pala se protege en toda su longitud en vez de dejar una zona relativamente desprotegida frente a las descargas de rayos.

Claims (18)

REIVINDICACIONES

1. Conjunto de punta de pala (24) para una pala de turbina eolica (2), que comprende un modulo de punta de pala conductora (32), y un acoplador (36) que se extiende desde el modulo de punta de pala para unir el modulo de punta de pala a un conductor de bajada (28, 30), caracterizado porque:

una disposicion receptora de rayos (40) esta separada del modulo de punta de pala conductora, y el acoplador acopla electricamente el modulo de punta de pala conductora a la disposicion receptora, en la que una pieza aislante (34) encierra el acoplador y al menos parte de la disposicion receptora.

2. Conjunto de punta de pala segun la reivindicacion 1, en la que el acoplador (36) puede desmontarse del modulo de punta de pala (32).

3. Conjunto de punta de pala segun las reivindicaciones 1 o 2, en el que el acoplador (36) puede recibirse en una cavidad (37) definida en el modulo de punta de pala (32).

4. Conjunto de punta de pala segun las reivindicaciones 1a 3, en el que el acoplador (36) tiene la forma de una placa alargada.

5. Conjunto de punta de pala segun las reivindicaciones 1a 4, en el que la pieza aislante (34) incluye un perfil aerodinamico en una seccion en el sentido de la cuerda.

6. Conjunto de punta de pala segun las reivindicaciones 1a 5, en el que el modulo de punta de pala (32) es una punta de metal macizo.

7. Conjunto de punta de pala segun la reivindicacion 1, en el que la disposicion receptora (40) incluye una base receptora conductora (42), a la que puede unirse un elemento receptor de rayos (44).

8. Conjunto de punta de pala segun la reivindicacion 7, en el que la base receptora (42) tiene forma de placa.

9. Conjunto de punta de pala segun la reivindicacion 8, en el que la base receptora (42) se extiende de manera transversal a un eje longitudinal del conjunto de punta de pala.

10. Conjunto de punta de pala segun la reivindicacion 1, en el que la pieza aislante (34) se extiende entre la disposicion receptora (40) y el modulo de punta de pala conductora (32).

11. Conjunto de punta de pala segun la reivindicacion 1, en el que la disposicion receptora (40) se encierra dentro de la pieza aislante (34) en una posicion remota con respecto al modulo de punta de pala (32).

12. Conjunto de punta de pala segun la reivindicacion 11, en el que la pieza aislante (34) es un bloque individual que encierra el acoplador (36) y la disposicion receptora de rayos (40).

13. Pala de turbina eolica (2) que comprende el conjunto de punta de pala (24) segun cualquier reivindicacion anterior, comprendiendo la pala de turbina eolica una carcasa de barlovento (16) y una carcasa de sotavento (14).

14. Pala de turbina eolica segun la reivindicacion 13, en la que la pieza aislante (34) esta intercalada entre la carcasa de barlovento (16) y la carcasa de sotavento (14).

15. Pala de turbina eolica segun las reivindicaciones 13 o 14, en la que la pieza aislante (34) se extiende en una direccion en el sentido de la cuerda desde un borde de ataque (10) de la pala hacia un borde de salida (12) de la pala, y en una direccion en el sentido de la envergadura desde el modulo de punta de pala conductora (32) hacia una rafz de la pala.

16. Metodo para ensamblar un conjunto de punta de pala (24) para una pala de turbina eolica (2), comprendiendo el metodo:

proporcionar un modulo de punta de pala conductora (32);

dotar el modulo de punta de pala (32) de un acoplador (36) para acoplar electricamente el modulo de punta de pala a un conductor de bajada (28, 30) de un sistema de proteccion frente a rayos;

encerrar el acoplador con una pieza aislante (34);

disponer una base receptora (42) separada del modulo de punta de pala (32) y

conectar la base receptora al acoplador (36) antes de encerrar la base receptora y el acoplador en la pieza aislante (34).

17. Metodo segun la reivindicacion 16, que incluye unir un conductor de bajada (28, 30) al acoplador en una junta antes de encerrar el acoplador (36) y la junta con la pieza aislante (34).

18. Metodo segun la reivindicacion 16, que incluye unir un conductor de bajada (28, 30) a la base receptora (42) antes de encerrar la base receptora y el acoplador (36) en la pieza aislante (34).