ES2712630T3 - Pala de turbina eólica - Google Patents

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Abstract

Pala (1) de turbina eólica que incluye una estructura realizada de un material de polímero reforzado con fibra que incluye una matriz polimérica y material de refuerzo de fibra incorporado en la matriz polimérica, en la que el material de refuerzo de fibra incluye fibras de carbono, caracterizada porque las fibras de carbono se han producido mediante carbonización de un precursor a un grado de carbonización del 60% al 80%.

Description

DESCRIPCION
Pala de turbina eolica
Campo tecnico
La presente invencion se refiere a una pala de turbina eolica que incluye una estructura realizada de un material de polimero reforzado con fibra que incluye una matriz polimerica y material de refuerzo de fibra incorporado en la matriz polimerica, en la que el material de refuerzo de fibra incluye fibras de carbono.
Antecedentes de la tecnica
Los danos a las palas de turbina eolica provocados por impactos de rayos pueden ser bastantes completos. En un periodo de tiempo muy corto, se producen corrientes extremadamente fuertes de la magnitud de 10 a 200 kA. La energia implicada es baja, pero el efecto es muy fuerte y puede provocar estallidos puesto que el aire confinado en la pala se expande de manera explosiva. Se conoce insertar cables entrelazados fuertes en la pala para desviar el rayo. Entonces, se proporciona un receptor particular en la punta de la pala, sirviendo dicho receptor para captar el rayo, asi como para impedir que esta ubicacion se caliente demasiado. Ademas, se conoce reforzar cada pala por medio de un revestimiento de fibra de carbono. Opcionalmente, puede aplicarse una red de cobre sobre el revestimiento de fibra de carbono para proteger dicho revestimiento.
El documento WO 00/14405 da a conocer una pala de turbina eolica con un conductor de rayos, en la que dicho conductor de rayos esta formado por una o mas tiras oblongas de plasticos reforzados con fibra de carbono que, preferiblemente, forman parte de la pala de turbina eolica. De esta manera, las tiras oblongas de plasticos reforzados con fibra de carbono refuerzan la pala y desvian el rayo. Sin embargo, con el fin de impedir que plasticos reforzados con fibra de carbono se calienten demasiado en el caso del impacto de un rayo, puede ser necesario proporcionar una barra de carbono en el interior de cada pala, y conectar las tiras oblongas a dicha barra de carbono interna. Ademas, puede proporcionarse un cable de conductor de rayos convencional en el conductor de carbono interno o en un elemento de refuerzo interno.
El documento EP 1664528 B1 describe un metodo de proteccion frente a rayos de una pala de turbina eolica en una planta de energia eolica. La pala comprende una carcasa de pala configurada esencialmente como un laminado reforzado con fibra, laminado que comprende fibras electricamente conductoras, en la que la pala comprende al menos un pararrayos configurado para conducir corriente de rayo, incluyendo preferiblemente al suelo. El metodo comprende que las fibras electricamente conductoras estan conectadas entre si, y que al menos un receptor metalico esta dispuesto para capturar la corriente de rayo en o en proximidad de la cara externa de la pala; y que el receptor y las fibras estan conectados al pararrayos para igualar la diferencia de potencial entre el pararrayos y las fibras electricamente conductoras. Cuando las fibras electricamente conductoras estan conectadas entre si, las fibras actuaran conjuntamente en la conduccion de una posible corriente de rayo para impedir que la corriente discurra en fibras individuales. Simultaneamente, el receptor metalico servira como dispositivo de captacion de rayos principal y reducira el riesgo de que un rayo impacte contra el laminado. Al estar el receptor conectado al pararrayos, la corriente se conducira de manera predominante al suelo, mientras que el riesgo de transferencia al laminado se minimiza porque se ha igualado una posible diferencia de potencial entre fibras y pararrayos.
El documento WO 03/078833 da a conocer una pala de turbina eolica de polimero reforzado con fibra. La pala esta dividida en una porcion de extremo interna que incluye la raiz de pala y que esta hecha sustancialmente de polimero reforzado con fibra de vidrio, y una porcion de extremo externa que incluye la punta de pala y esta hecha sustancialmente de polimero reforzado con fibra de carbono. El peso, por tanto, se reduce en la parte mas externa, por lo cual el momento de carga muerta se minimiza. Sin embargo, por motivo de los rayos, la porcion mas externa de la punta de pala puede estar realizada enteramente de fibra de vidrio para garantizar que los impactos de rayos golpeen un receptor de rayos construido especificamente y no el material de fibra de carbono electricamente conductor.
El documento WO 03/078832 da a conocer una pala de turbina eolica y una preforma de carcasa de transicion para la fabricacion de la carcasa de una pala de turbina eolica, estando realizada la pala o la preforma de carcasa de transicion de polimero reforzado con fibra que incluye un primer tipo de fibras de una primera rigidez y un primer alargamiento a rotura, y un segundo tipo de fibras de una rigidez diferente y un alargamiento a rotura diferente. Los dos tipos de fibra se distribuyen en la matriz polimerica. Cuando se observa en una vista en seccion perpendicular a la direccion longitudinal de la pala o la preforma de carcasa de transicion, la razon cuantitativa de los dos tipos de fibras varia de manera continuada en la direccion longitudinal de la pala o de la preforma de carcasa de transicion. El primer tipo de fibra pueden ser fibras de vidrio y el segundo tipo pueden ser fibras de carbono. Sin embargo, tal como se describio anteriormente, por motivo de los rayos, la porcion mas externa de la punta de pala puede estar realizada enteramente de fibra de vidrio para garantizar que los impactos de rayos golpeen un receptor de rayos construido especificamente y no el material de fibra de carbono electricamente conductor.
El documento US 2001/024722 da a conocer fibras de carbono que consisten en una pluralidad de filamentos que pueden usarse en preimpregnados y material compuesto. Las fibras de carbono pueden producirse estabilizando y posteriormente carbonizando fibras de precursor. Se describe que el preimpregnado y el material compuesto pueden usarse como material estructural principal, por ejemplo, de molinos de viento y palas de turbina.
La patente estadounidense n.° 4.816.242 da a conocer un metodo de formacion de material fibroso parcialmente carbonizado con una resistividad estable mejorada y una conductividad aumentada para su uso en un disipador de carga electrostatica o como proteccion frente a radiacion electromagnetica. Tal material fibroso no es adecuado para material de refuerzo en palas de turbina eolica, puesto que relampagos tendrian una tendencia mayor a golpear la pala en lugar del receptor, dificultando de ese modo el control de la trayectoria de corriente de rayo al suelo.
Por tanto, se observa que palas de turbina eolica conocidas que incorporan fibras de carbono con el fin de mejorar propiedades tales como peso y resistencia son generalmente complicadas de fabricar debido a las precauciones necesarias para impedir danos provocados por impactos de rayos.
Por otro lado, con un aumento de la longitud de la pala de hasta incluso mas de 100 metros, puede ser necesario reducir el peso relativo de las palas. Ademas, pueden requerirse palas mas rigidas con mejor rendimiento frente a fatiga.
Divulgacion de la invencion
El objeto de la presente invencion es proporcionar una pala de turbina eolica que tenga propiedades mejoradas con respecto a peso y resistencia y que sea al mismo tiempo mas sencilla de fabricar.
En vista de este objeto, las fibras de carbono se han producido mediante carbonizacion de un precursor a un grado de carbonizacion del 60% al 80%.
De ese modo, generalmente puede obtenerse una resistividad aumentada en gran medida del material de polimero reforzado con fibra, por lo cual puede reducirse la necesidad de medidas de proteccion contra rayos complicadas, ya que las propias fibras de carbono, sustancialmente, no conducen la corriente y por tanto no resultaran danadas. Al mismo tiempo, puede obtenerse una pala mas resistente, ya que la rigidez de fibras de carbono puede ser de hasta al menos tres veces mas alta en comparacion con la rigidez de fibras de vidrio. Ademas, puede obtenerse un mejor rendimiento frente a fatiga por medio de fibras de carbono que por medio de fibras de vidrio. Ademas, puede requerirse menos material por pala. Una masa de pala mas baja puede conducir a la reduccion de momento de doblado de raiz, y las palas pueden ser mas faciles de manejar en la produccion, el envio y el montaje.
Por consiguiente, se observa que las fibras de carbono constituyen fibras de refuerzo en la pala de turbina eolica, preferiblemente para anadir rigidez a la pala. Por consiguiente, las fibras de carbono pueden comprender capas con fibras de carbono dispuestas de manera unidireccional, que de manera ventajosa se extienden sustancialmente en la direccion longitudinal o en el sentido de la envergadura de la pala. Las fibras de carbono pueden ser por ejemplo estopas de fibra de carbono que comprenden una pluralidad de filamentos. Los estopas pueden comprender 1.000­ 15.000 filamentos, por ejemplo, alrededor de 6.000 o 12.000 filamentos.
En una realizacion, las fibras de carbono se han producido mediante carbonizacion de un precursor a un grado de carbonizacion de menos del 78%, preferiblemente menos del 76%, mas preferido menos del 74%, incluso mas preferido menos del 72%, incluso mas preferido menos del 70%, incluso mas preferido menos del 68%, incluso mas preferido menos del 66%, y lo mas preferido menos del 64%.
En una realizacion, la pala de turbina eolica incluye una estructura que porta una carga que se extiende longitudinalmente que incluye al menos una parte de dichas fibras de carbono y preferiblemente todas dichas fibras de carbono.
En una realizacion, la estructura que porta la carga que se extiende longitudinalmente es un laminado principal que forma parte de una estructura de carcasa.
En una realizacion, la estructura que porta la carga que se extiende longitudinalmente es una viga interna o caja de larguero que conecta estructuras de carcasa externas.
En una realizacion, el precursor es poliacrilonitrilo (PAN).
En una realizacion, el material de refuerzo de fibra esta constituido por fibras de carbono.
En una realizacion, cualquier muestra rectangular correspondiente en composicion y grosor a una parte de la estructura de carcasa tiene una resistencia laminar de mas de 109 ohmios por cuadrado y preferiblemente de mas de 1010 ohmios por cuadrado.
En una realizacion, cualquier muestra rectangular correspondiente en composicion y grosor a una parte de la estructura que porta la carga que se extiende longitudinalmente tiene una resistencia laminar de mas de 109 ohmios por cuadrado y preferiblemente de mas de 1010 ohmios por cuadrado.
Breve descripcion de los dibujos
Ahora, se explicara la invencion con mas detalle a continuacion por medio de ejemplos de realizaciones con referenda a los dibujos muy esquematicos, en los que
la figura 1 es una vista desde arriba de una pala de turbina eolica;
la figura 2 es una seccion transversal a lo largo de la linea II-II de la figura 1; y
la figura 3 es una muestra rectangular correspondiente en composicion y grosor a una parte de la estructura de carcasa de la pala de turbina eolica en las figuras 1 y 2.
Descripcion detallada de la invencion
La figura 1 muestra una pala 1 de turbina eolica segun la invencion. La pala 1 de turbina eolica incluye una estructura 2 de carcasa realizada de un material de polimero reforzado con fibra que incluye una matriz polimerica y material de refuerzo de fibra incorporado en la matriz polimerica. Tal como se observa en la figura, la estructura 2 de carcasa esta compuesta por dos partes de carcasa oblongas, una parte 3 de carcasa superior y una parte 4 de carcasa inferior. Las partes 3, 4 de carcasa estan unidas entre si en sus bordes. Ademas, las partes de carcasa estan conectadas internamente por medio de elementos 5 de refuerzo que se extienden longitudinalmente, tales como vigas o almas, que estan alineados dentro de las partes de carcasa de la pala 1 de turbina eolica y unidos a las partes 3, 4 de carcasa. En la realizacion mostrada, estos elementos 5 de refuerzo no portan una parte sustancial de la carga en la pala; mas bien, sirven para conectar las partes de carcasa de la pala 1 de turbina eolica y para aliviar tensiones de cizalladura.
Las partes 3, 4 de carcasa oblongas primera y segunda comprenden un material de polimero reforzado con fibra producido por medio de un procedimiento de infusion, tal como infusion por vacio o VARTM (moldeo por transferencia de resina asistido por vacio). Durante el procedimiento de fabricacion, se vierte polimero liquido, tambien denominado resina, en una cavidad de molde, en la que se ha insertado previamente material de fibra, y donde se genera un vacio en la cavidad de molde atrayendo de ese modo el polimero. El polimero puede ser plastico termoendurecible o termoplasticos. Normalmente, se estratifican fibras distribuidas de manera uniforme en una primera parte de molde rigida, siendo las fibras mechas, es decir manojos de bandas de fibra, bandas de mechas o esteras, que son o bien esteras de fieltro hechas de fibras individuales o esteras de tejido hechas de mechas de fibra. Una segunda parte de molde, que a menudo esta realizada de una bolsa de vacio elastica, se coloca posteriormente en la parte superior del material de fibra y se sella contra la primera parte de molde con el fin de generar una cavidad de molde. Al generar un vacio, normalmente del 80 al 95% del vacio total, en la cavidad de molde entre la primera parte de molde y la bolsa de vacio, el polimero liquido puede atraerse y llenarse la cavidad de molde con el material de fibra contenido en la misma. Se usan las denominadas capas de distribucion o tubos de distribucion, denominados tambien canales de entrada, entre la bolsa de vacio y el material de fibra con el fin de obtener una distribucion de polimero lo mas solida y eficiente posible. En la mayoria de los casos, el polimero aplicado es poliester o epoxi, y el refuerzo de fibra se basa, segun la presente invencion, al menos parcialmente en fibras de carbono, pero puede incluir tambien fibras de vidrio.
Segun la presente invencion, las fibras de carbono se han producido mediante carbonizacion de un precursor a un grado de carbonizacion del 60% al 80%.
Las fibras de carbono pueden haberse producido mediante carbonizacion de un precursor a un grado de carbonizacion de menos del 78%, preferiblemente menos del 76%, mas preferido menos del 74%, incluso mas preferido menos del 72%, incluso mas preferido menos del 70%, incluso mas preferido menos del 68%, incluso mas preferido menos del 66%, y lo mas preferido menos del 64%.
El precursor puede ser poliacrilonitrilo. Ademas, el material de refuerzo de fibra por toda la pala de turbina eolica puede estar constituido enteramente por fibras de carbono.
El procedimiento de produccion de fibra de carbono convencional puede ser de la siguiente manera:
• Proceso de produccion de PAN: polimerizacion, lavado, tratamiento de superficie, secado, estirado y envasado • Procedimiento de carbonizacion: estirado, oxidacion, carbonizacion, tratamiento de superficie y bobinado
El procedimiento de carbonizacion deja una fibra compuesta por cadenas estrechamente entrelazadas y largas de atomos de carbono. La temperatura de carbonizacion influye en el grado de fibra de carbono y modulo de elasticidad que, por ejemplo, puede ser de desde 200 hasta mas de 600 GPa. Segun la invencion, las fibras de carbono empleadas pueden haberse producido en un procedimiento de carbonizacion que se ha modificado para reducir el grado de carbonizacion de las fibras de carbono. Por ejemplo, la temperatura de carbonizacion puede reducirse hasta por debajo de 1000 °C. El procedimiento de estirado puede acelerarse. Un revestimiento o tratamiento de superficie puede proporcionarse en la superficie de fibra de carbono.
Ademas, en la realizacion mostrada, la pala de turbina eolica incluye una estructura que porta una carga que se extiende longitudinalmente en forma de un laminado 6 principal que forma parte de la estructura de carcasa. La estructura que porta la carga que se extiende longitudinalmente puede incluir al menos una parte de dichas fibras de carbono. Tal estructura que porta una carga en forma de un laminado principal o similar se forma normalmente como una insercion de fibra que comprende una pluralidad de capas de refuerzo de fibra, por ejemplo, entre 20 y 50 capas. En cada lado de la estructura que porta una carga, la pala normalmente comprende una estructura intercalada con un material de nucleo, tal como madera de balsa o polimero espumado, y con un acabado interno y externo realizado de polimero reforzado con fibra.
Segun otra realizacion no mostrada, la pala de turbina eolica incluye una estructura que porta una carga que se extiende longitudinalmente en forma de una viga interna o caja de larguero que conecta estructuras de carcasa externas. Dicha viga interna o caja de larguero puede ser una parte independiente unida a las estructuras de carcasa externas y puede adaptarse para portar una parte sustancial de la carga en la pala. Segun esta realizacion, puede no ser necesario un laminado principal.
La resistencia laminar puede aplicarse normalmente a sistemas bidimensionales en los que una pelicula delgada se considera que es una entidad bidimensional y corresponde a resistividad tal como se emplea en sistemas tridimensionales. Cuando se emplea el termino resistencia laminar, la corriente fluye a lo largo del plano de la lamina y no perpendicular a la misma. En esta descripcion, sin embargo, se emplea resistencia laminar para describir la resistividad de una muestra 7 rectangular tal como se muestra en la figura 3 correspondiente en composicion y grosor a una parte de la estructura de carcasa de una pala de turbina eolica. La muestra 7 rectangular puede corresponder a una pieza 8 rectangular cortada de la estructura 2 de carcasa tal como se indica en la figura 1. En la figura 2, las lineas 9 discontinuas indican las lineas de corte longitudinal a lo largo de las que puede cortarse la pieza 8 rectangular de la estructura 2 de carcasa.
En un conductor tridimensional habitual, la resistencia puede expresarse como
Figure imgf000005_0001
donde p es la resistividad, A es el area en seccion transversal y L es la longitud. El area en seccion transversal puede separarse en la anchura W y el grosor de lamina t.
Al agrupar la resistividad con el grosor, la resistencia puede expresarse entonces como:
Figure imgf000005_0002
Rs se considera, entonces, la resistencia laminar.
Como la resistencia se multiplica por una cantidad adimensional para conseguir la resistencia laminar, las unidades de resistencia laminar son ohmios o comunmente “ohmios por cuadrado”.
Segun una realizacion de la presente invencion, cualquier muestra rectangular correspondiente en composicion y grosor a una parte de la estructura de carcasa de la pala de turbina eolica tiene una resistencia laminar de mas de 109 ohmios por cuadrado y preferiblemente de mas de 1010 ohmios por cuadrado. Esto significa que si se prepara una muestra de forma cuadrada que corresponde en composicion y grosor a una parte de la estructura de carcasa de la pala de turbina eolica, esta muestra de forma cuadrada tendra una resistencia medida entre dos bordes opuestos de mas de 109 ohmios y preferiblemente de mas de 1010 ohmios. Naturalmente, segun esta realizacion, lo mismo sera cierto para cualquier pieza de forma cuadrada cortada de la estructura de carcasa, a traves de todo el grosor de la estructura de carcasa, de la pala de turbina eolica. Si la muestra es rectangular con por ejemplo una longitud L de 2 metros y una anchura W de 1 metro, la resistencia medida entre los dos bordes de extremo opuestos (bordes mas pequenos) sera, segun esta realizacion, de mas de 2 x 109 ohmios y preferiblemente de mas de 2 x 1010 ohmios.
En una realizacion, cualquier muestra rectangular correspondiente en composicion y grosor a una parte de la estructura que porta una carga que se extiende longitudinalmente tiene una resistencia laminar de mas de 109 ohmios por cuadrado y preferiblemente de mas de 1010 ohmios por cuadrado.
Segun la invencion, mediante la incorporacion de fibras de carbono como refuerzo, una pala de turbina eolica mejorada en cuanto a peso y resistencia puede obtenerse sin la necesidad de precauciones complicadas y costosas, tales como cableado interno dificil, con el fin de impedir danos provocados por impactos de rayos.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Pala (1) de turbina eolica que incluye una estructura realizada de un material de polimero reforzado con fibra que incluye una matriz polimerica y material de refuerzo de fibra incorporado en la matriz polimerica, en la que el material de refuerzo de fibra incluye fibras de carbono, caracterizada porque las fibras de carbono se han producido mediante carbonizacion de un precursor a un grado de carbonizacion del 60% al 80%.
2. Pala de turbina eolica segun la reivindicacion 1, en la que las fibras de carbono se han producido mediante carbonizacion de un precursor a un grado de carbonizacion de menos del 78%, preferiblemente menos del 76%, mas preferido menos del 74%, incluso mas preferido menos del 72%, incluso mas preferido menos del 70%, incluso mas preferido menos del 68%, incluso mas preferido menos del 66%, y lo mas preferido menos del 64%.
3. Pala de turbina eolica segun la reivindicacion 1 o 2, en la que la pala de turbina eolica incluye una estructura que porta una carga que se extiende longitudinalmente que incluye al menos una parte de dichas fibras de carbono y preferiblemente todas dichas fibras de carbono.
4. Pala de turbina eolica segun la reivindicacion 3, en la que la estructura que porta una carga que se extiende longitudinalmente es un laminado (6) principal que forma parte de una estructura (2) de carcasa.
5. Pala de turbina eolica segun la reivindicacion 3, en la que la estructura que porta una carga que se extiende longitudinalmente es una viga interna o caja de larguero que conecta estructuras de carcasa externas.
6. Pala de turbina eolica segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el precursor es poliacrilonitrilo.
7. Pala de turbina eolica segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el material de refuerzo de fibra esta constituido por fibras de carbono.
8. Pala de turbina eolica segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que cualquier muestra (7) rectangular correspondiente en composicion y grosor a una parte de la estructura (2) de carcasa tiene una resistencia laminar de mas de 109 ohmios por cuadrado y preferiblemente de mas de 1010 ohmios por cuadrado.
9. Pala de turbina eolica segun una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 7, en la que cualquier muestra (7) rectangular correspondiente en composicion y grosor a una parte de la estructura que porta una carga que se extiende longitudinalmente tiene una resistencia laminar de mas de 109 ohmios por cuadrado y preferiblemente de mas de 1010 ohmios por cuadrado.
10. Pala de turbina eolica segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el material de refuerzo comprende capas de fibras de carbono que estan dispuestas de manera unidireccional.
11. Pala de turbina eolica segun la reivindicacion 10, en la que las fibras de carbono dispuestas de manera unidireccional estan dispuestas sustancialmente en una direccion en el sentido de la envergadura de la pala.
12. Pala de turbina eolica segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que al menos una parte de las fibras de carbono estan dispuestas como estopas de fibra de carbono.
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