ES2711778T3 - Descongelación de estructuras utilizando microondas generadas por transistores - Google Patents
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Abstract
Un método para proporcionar descongelación o para prevenir la formación de hielo de una estructura, caracterizado por las operaciones de: a) proporcionar una capa absorbente de microondas sobre dicha estructura, b) generar microondas mediante transistores de potencia de radiofrecuencia (RF) de estado sólido en el intervalo de 500 MHz a 20 GHz, preferiblemente de 900 MHz a 6 GHz, más preferiblemente de 915 MHz o 2,45 GHz, y c) transmitir dichas microondas mediante componentes necesarios a dicha capa absorbente de microondas de modo que calienten dicha capa absorbente de microondas mediante la absorción de microondas por la misma por encima de 0 °C y facilitando por ello la eliminación de hielo, o impidiendo la acumulación de hielo sobre dicha estructura.
Description
DESCRIPCION
Descongelacion de estructuras utilizando microondas generadas por transistores
Campo de la invencion
Esta invencion se refiere a la tecnologia de microondas, descongelacion de estructuras tales como perfiles aerodinamicos, palas de turbinas eolicas, alas de aeroplanos, alas de helicopteros, estructuras marinas, lineas de energia electrica y similares.
Antecedentes y tenica anterior
El documento PCT WO/2013/172 762A1 describe la descongelacion por ejemplo de palas de turbina eolica mediante microondas. Los magnetrones son utilizados tradicionalmente para generar microondas. Recientemente, se han hecho progresos en la industrializacion de transistores de radiofrecuencia (RF) de estado solido. Se ha incrementado la generacion de potencia (alrededor de 250 W) y la eficiencia (50-65%), y a pesar de una menor generacion de potencia comparada con un magnetrones (> 5000 W), los transistores de potencia han acabado siendo componentes utiles en las aplicaciones descritas a continuacion.
Breve descripcion de la invencion
En un aspecto, la invencion describe un metodo para descongelar estructuras afectadas por acumulacion de hielo, tales como palas de turbina eolica, perfiles aerodinamicos, alas de avion, alas en general, estructuras marinas tales como plataformas lejos de la costa, barcos, lineas electricas aereas, y similares. Una pluralidad de transistores de potencia es colocada dentro de una estructura tal como una pala de energia eolica, la radiacion es generada y absorbida por un revestimiento como se ha descrito en los documentos WO/2013/172762 y SE 1400194-5.
En otro aspecto de la invencion, la invencion describe un metodo para prevenir la formacion de hielo, es decir el calentamiento preventivo de ciertas secciones, especialmente del borde anterior de un perfil aerodinamico o de palas de una turbina eolica.
En comparacion con la tecnica anterior, la invencion consigue un exito al proporcionar una solucion simple, economica, de facil reparacion y estable para descongelar y prevenir la formacion de hielo. La solucion obvia la necesidad de generadores caros de alta tension ya que los transistores de potencia de estado solido requieren tensiones tipicamente inferiores a 100 V.
En otros aspectos, la invencion describe realizaciones utiles para descongelar y prevenir la formacion de hielo de turbinas eolicas, aviones, objetos de ingenieria civil y construcciones lejos de la costa.
Asi, un objeto de la invencion es proporcionar un metodo para descongelar o prevenir la formacion de hielo de una estructura, caracterizado por las operaciones de:
a) proporcionar una capa absorbente de microondas en dicha estructura,
b) generar microondas mediante transistores de potencia de radiofrecuencia (RF) de estado solido en el intervalo de 500 MHz a 20 GHz, preferiblemente de 900 MHz a 6 GHz, mas preferiblemente de 915 MHz o 2,45 GHz, y
c) transmitir dichas microondas mediante componentes necesarios a dicha capa absorbente de microondas de modo que calienten dicha capa absorbente de microondas mediante la absorcion de microondas por la misma por encima de 0 °C y facilitando por ello la eliminacion de hielo, o impidiendo la acumulacion de hielo sobre dicha estructura.
En las reivindicaciones dependientes se han definido realizaciones preferidas.
Descripcion de realizaciones preferidas
En una realizacion general, se ha dispuesto una pluralidad de transistores de potencia tales como los comercialmente disponibles MHT1003 N (250 W, eficiencia del 58%, 2,45 GHz) o MHT1002N (350 W, eficiencia del 63%, 915 MHz, productor Freescale) en combinacion con una antena esta dispuesta cerca de una estructura, es decir dentro o fuera o a lo largo de la estructura. Mas particularmente, las microondas generadas por transistores de potencia de radiofrecuencia (RF) de estado solido es del orden de 500 MHz a 20 GHz, preferiblemente de 900 MHz a 6 GHz, mas preferiblemente de 915 MHz o 2,45 GHz.
Las microondas son transmitidas por un componente necesario, tal como guias de onda o antenas, a una capa absorbente de microondas de modo que calienten dicha capa absorbente de microondas mediante las mismas que estan absorbidas microondas por encima de 0 °C y facilitando por ello la eliminacion de hielo, o impidiendo la acumulacion de hielo en dicha estructura.
Para permitir dicho calentamiento, se coloca una pluralidad de transistores de potencia de radiofrecuencia de estado solido cerca de un area de una estructura que requiere calentamiento en caso de una operacion de descongelacion o de prevencion de formacion de hielo.
Comparado con la utilizacion de magnetotrones como fuente de microondas, se obtienen las siguientes ventajas: a) los transistores de potencia requieren baja tension, tipicamente por debajo de 100 V, por ello no es necesario un generador de alta tension (5-10 kV), b) los transistores de potencia (de alrededor de 20 anos de operacion continua) son mas estables que los magnetotrones (operacion de calidad industrial de alrededor de 8000 horas cw (= onda continua)), c) los transistores de potencia son mas controlables que los magnetotrones, d) como los transistores de potencia son mecanicamente mas robustos y considerablemente mas ligeros que los magnetotrones, pueden ser colocados dentro de alas y proximos a las areas donde se requiere la radiacion de microondas, e) los transistores de potencia pueden ser facilmente operados de manera secuencial, es decir al menos una de una pluralidad de secciones o diferentes secciones de un pala eolica son descongeladas en una secuencia en el tiempo, por ejemplo desde la parte superior, vease a continuacion.
Los transistores de potencia en una pala de generacion de energia eolica pueden estar dispuestos a lo largo de toda la longitud de la pala. Para un rotor de 90 m, pueden colocarse unos 30-50 transistores de potencia en un ala (tipicamente de tres). Para conseguir densidades de potencia de 1-5 kW/m2 o mas, es tambien factible disponer 4-20 o mas transistores (de 250 W cada uno) por m2 de area. Los transistores pueden estar dispuestos sobre o dentro de una estructura mecanica tal como un perfil de aluminio, tanto para estabilidad mecanica como para proteccion contra los impactos de rayos. El cableado a los transistores de potencia puede ser conducido a traves de tales soportes metalicos. Los transistores de potencia pueden ser acoplados, por ejemplo, mediante una guia de ondas corta, a antenas para direccion de la radiacion hacia la superficie que ha de ser calentada.
En lugar de un soporte metalico, puede utilizarse una estructura compuesta de peso ligero o una cinta flexible, soportada por ejemplo mediante rodillos, de tal modo que el reemplazamiento de los transistores sea posible. Se prefiere que la pluralidad de transistores que incluyen elementos de soporte (cables, etc.) puedan ser retirados del ala, bien para reparacion y mantenimiento o bien durante el verano cuando no se necesita la funcionalidad de descongelacion, y cuando el riesgo de eventos de rayos es mas elevado.
El numero de transistores elegidos (por m2 o por ala) es una funcion de los requisitos y costes anticipados o necesarios, pero el orden tipico sera de 1 -20 transistores por m2 o 0,25-5 kW/m2. La mayor parte de los transistores sera capaz de descongelar el borde anterior de la pala de la turbina eolica cuando el hielo tiende a acumularse en el. Una elevada densidad de transistores es util para una descongelacion rapida y eficiente en energia, pero aumenta los costes del sistema.
Puede emplearse un software de control para generar radiacion procedente de transistores de potencia seleccionados, en cualquier secuencia. Tipicamente, un generador de turbina eolica tiene 10-20 kW (algunos tipos 50 kW y mas) de efecto electrico disponible en el cubo. Para descongelar en condiciones severas, por ejemplo -20 °C y vientos fuertes, este efecto puede no ser suficiente para conseguir una descongelacion completa, dado que (incluso utilizando el documento WO 2013/172 762) ha de ser calentada una delgada capa de material compuesto (capa superior) y la capa absorbente de microondas (SE 1400 194-5), y ademas la entalpia de fusion del hielo (tipicamente 50-500 micrones) ha de ser proporcionada, por lo que los vientos fuertes al mismo tiempo eliminan calor proporcionado por las microondas. Por ello, es muy practico calentar secciones menores, por ejemplo de 1-10 m2 en el momento, rapidamente, y calentar las siguientes secciones una vez que se ha descongelado la primera seccion, y asi sucesivamente. En una realizacion diferente, toda la energia disponible puede ser dirigida solamente hacia el borde anterior del perfil aerodinamico de la pala de la turbina eolica, para impedir la congelacion durante el funcionamiento. Incluso una pluralidad de magnetotrones no proporcionaria tal grado de flexibilidad a un nivel de coste razonable.
En una realizacion, la capa absorbente de microondas, que comprende preferiblemente CNT, es colocada sobre aluminio o metal en general, y forma parte de un ala de un aeroplano o helicoptero. Se utiliza una pluralidad de transistores para calentar la capa absorbente de microondas para descongelar/prevenir que se forme hielo durante el vuelo. Tipicamente, se necesita una densidad de potencia de 3-10 kW/m2 lo que puede conseguirse utilizando un numero de transistores apropiado.
En general, dichos transistores de potencia de radiofrecuencia de estado solido y dichos componentes necesarios estan dispuestos de modo que se consiguen densidades de potencia de 0,5-20 kW/m2, preferiblemente 1-5 kW/m2.
El metodo descrito es util para la actualizacion de palas de turbina eolica existentes u otras estructuras que operan en climas frios. Comparado con el empleo de magnetotrones, los requisitos de ingenieria en terminos de utilizar metal u otras guias de ondas son considerablemente menores. El metodo es tambien util para nuevas palas de turbina eolica u otras estructuras nuevas. El metodo es ademas util para descongelar y prevenir la formacion de hielo en aviones.
Asi, las palas de turbina eolica existentes pueden ser actualizadas proporcionando conjuntos de transistores de potencia, antenas, suministros de tension que proporcionan 20-380 V, y software de control y revestimientos adecuados absorbentes de microondas.
En una realizacion, estructuras tales como palas de turbina eolica pueden ser revestidas con un revestimiento absorbente de microondas. Alternativamente, la capa absorbente de microondas puede formar parte de una pelfcula que es fijada a la pala de la turbina eolica cubriendo toda la pala o solamente una parte de la pala, tal como el area del borde anterior. Dicha pelfcula puede comprender una capa adhesiva, una capa absorbente de microondas que comprende preferiblemente nanotubos de carbono, y una capa superior para la resistencia a la erosion. Con propositos de descongelacion, puede utilizarse un vehfculo de plataforma elevadora. A partir de tal plataforma elevadora, un emisor de microondas (que emite por ejemplo 5-50 kW) tal como un panel puede ser escaneado sobre la superficie de la pala para descongelar la pala. El emisor de microondas puede tambien ser colocado sobre la torre, por ejemplo sobre un ascensor externo. Esta disposicion requiere mas personal en operacion, pero puede ser util en caso de que las turbinas existentes sean imposibles de actualizar con emisores de microondas dentro de las alas.
Una realizacion especffica se refiere a barcos, plataformas petrolfferas y construcciones lejos de la costa y alas de aeroplanos. El uso de transistores de potencia no requiere una gran cantidad de espacio, por ello pueden construirse superficies que han de estar libres de hielo por ejemplo por razones de seguridad de tal manera que se deje disponible un cierto espacio para los transistores de potencia y la propagacion de microondas desde dichos transistores. Las alas de aeroplanos requieren flujos de elevada energfa para prevenir la acumulacion de hielo, y generadores de microondas en combinacion por ejemplo con antenas en forma de cuerno pueden proporcionar tales flujos de energfa especialmente al borde anterior de las alas de un aeroplano, tanto alas metalicas como en particular alas de polfmero.
En una realizacion, los transistores de microondas y las antenas son colocados sobre la torre de una turbina eolica, y la radiacion es dirigida hacia una de las palas de la turbina eolica mientras dicha pala esta colocada en una posicion paralela a la torre. El revestimiento absorbente de microondas puede ser parcialmente transparente a las microondas de tal manera que una parte de la radiacion sea absorbida parcialmente por la superficie mas proxima a la torre, posteriormente la radiacion pasa a traves de la pala para ser absorbida por la superficie mas alejada de la torre. Pueden utilizarse distintas antenas para conseguir el objetivo de calentar de manera selectiva superficies para eliminar el hielo de las palas de la turbina eolica.
Una realizacion especffica se refiere a mantener lfneas electricas aereas, especialmente lfneas terrestres, libres de hielo. Tales lfneas pueden de acuerdo con la invencion ser equipadas con una pluralidad de transistores de potencia, y el cable puede ademas ser cubierto por una lamina de plastico que comprende una capa absorbente de microondas. Si fuera necesario, los transistores de potencia pueden ser operados de manera similar a la descripcion anterior, por ejemplo secuencialmente para eliminar el hielo acumulado sobre la superficie exterior.
Claims (12)
1. Un metodo para proporcionar descongelacion o para prevenir la formacion de hielo de una estructura, caracterizado por las operaciones de:
a) proporcionar una capa absorbente de microondas sobre dicha estructura,
b) generar microondas mediante transistores de potencia de radiofrecuencia (RF) de estado solido en el intervalo de 500 MHz a 20 GHz, preferiblemente de 900 MHz a 6 GHz, mas preferiblemente de 915 MHz o 2,45 GHz, y
c) transmitir dichas microondas mediante componentes necesarios a dicha capa absorbente de microondas de modo que calienten dicha capa absorbente de microondas mediante la absorcion de microondas por la misma por encima de 0 °C y facilitando por ello la eliminacion de hielo, o impidiendo la acumulacion de hielo sobre dicha estructura.
2. El metodo segun la reivindicacion 1, en el que dicha estructura es seleccionada de entre perfiles aerodinamicos, palas de turbina eolica, alas de avion, alas de helicoptero, estructuras marinas tales como plataformas lejos de la costa, barcos, y lineas electricas aereas.
3. El metodo segun la reivindicacion 1, en donde dichos componentes necesarios son guias de ondas o antenas.
4. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por colocar una pluralidad de dichos transistores de potencia de radiofrecuencia de estado solido cerca de un area de dicha estructura que requiere calentamiento en caso de una operacion de descongelacion o de prevencion de formacion de hielo.
5. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por operar dichos transistores de potencia de radiofrecuencia de estado solido en una secuencia tal que al menos una seccion de una pluralidad de secciones de dicha estructura sea calentada en una secuencia apropiada.
6. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por disponer dichos transistores de potencia de radiofrecuencia de estado solido y dichos componentes necesarios de manera que se consigan densidades de potencia de 0,5-20 kW/m2, preferiblemente de 1-5 kW/m2.
7. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por proteger dichos transistores de potencia de radiofrecuencia de estado solido y componentes necesarios del impacto de los rayos colocando dicho equipo en una estructura metalica.
8. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por permitir la retirada de dichos transistores de potencia de radiofrecuencia de estado solido y componentes necesarios, por ejemplo para reparacion y mantenimiento.
9. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, caracterizado por actualizar palas de turbina eolica existentes utilizando conjunto de transistores de potencia, antenas, suministros de tension que proporcionan 20-380 V, y software de control y revestimientos adecuados que absorben microondas.
10. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, caracterizado por equipar nuevas palas de turbina eolica con una funcionalidad de descongelacion o de prevencion de formacion de hielo de acuerdo con la invencion.
11. El metodo segun cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por emitir radiacion de microondas bien desde el interior de la estructura o bien desde el exterior de la estructura.
12. El metodo segun la reivindicacion 11, caracterizado por, en el caso de palas de turbina eolica, emitir radiacion de microondas desde un vehiculo de plataforma elevadora equipado con un dispositivo de microondas que puede emitir por ejemplo radiacion de microondas de 5-50 kW cerca de las areas de las palas de la turbina eolica afectadas por el hielo.
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