ES2782337T3 - Mejoras en relación con los sistemas de protección contra rayos para palas de aerogenerador - Google Patents

Abstract

Una pala de aerogenerador (2) que tiene una disposición receptora (40), comprendiendo la disposición receptora (40) una pluralidad de componentes receptores (56, 72, 74) separados a lo largo de una longitud en el sentido de la envergadura de 5 la pala y conectados a un conductor de bajada (28, 30) de un sistema de protección contra rayos (3), en el que los componentes receptores se encapsulan mediante un elemento aislante (76, 90), en el que el conductor de bajada (28, 30) y la pluralidad de componentes receptores (56, 72, 74) están contenidos dentro de una carcasa aislante (90), en el que la carcasa aislante (90) se define por el elemento aislante (76, 90) que encapsula los componente receptores (56, 72, 74) y que también encapsula el conductor de bajada (28, 30), y en el que la carcasa aislante es una pieza polimérica que se moldea sustancialmente para encapsular los componentes receptores (56, 72, 74) y el conductor de bajada (28, 30).

Description

DESCRIPCIÓN

Mejoras en relación con los sistemas de protección contra rayos para palas de aerogenerador

Campo técnico

La presente invención se refiere a estructuras de pala de aerogenerador y procesos de fabricación asociados para la mejora de la resistencia de la palas de aerogenerador a caídas de rayos.

Antecedentes

Los aerogeneradores son vulnerables a ser alcanzados por rayos; a veces sobre la torre, góndola y el buje del rotor, pero lo más común es sobre las palas de la turbina. Un evento de caída de rayo tiene el potencial de provocar daños físicos a las palas de la turbina y también daños eléctricos a los sistemas de control interno del aerogenerador. Los aerogeneradores se instalan frecuentemente en espacios muy abiertos lo que hace de las caídas de rayo un suceso común. Por consiguiente, en los últimos años se ha realizado un gran esfuerzo por parte de los fabricantes de aerogeneradores para diseñar aerogeneradores de modo que tengan la capacidad de manejar con efectividad la energía que se les imparte durante una caída de rayo para evitar daños a la pala y el coste asociado del tiempo de parada de la turbina durante la sustitución de la pala.

Son conocidos los sistemas de protección contra rayos para palas de aerogenerador. En un ejemplo, se dispone un elemento receptor del rayo eléctricamente conductor sobre una superficie exterior de la pala para recibir la caída del rayo. Dado que el elemento receptor es eléctricamente conductor, el rayo es más probable que se fije al elemento receptor con preferencia respecto al material relativamente no conductor de la pala. El elemento receptor se conecta a un cable o "conductor de bajada" que se extiende dentro de la pala hasta la raíz y desde ella se conecta a través de una disposición de armadura a una ruta de transferencia de carga en el buje, góndola y torre hasta un potencial de tierra. Dicho sistema de protección contra rayos permite por lo tanto que el rayo sea canalizado con seguridad desde la pala a un potencial de tierra, minimizando por ello el riesgo de daños. Sin embargo, los elementos receptores discretos son relativamente complejos de instalar durante la fabricación de la pala y, además, dejan una parte significativa del área de la pala expuesta al riesgo de la caída del rayo.

La observación de los efectos de caídas de rayos sobre palas de turbina ha revelado que la mayor parte de las caídas de rayo tienen lugar en las puntas de la pala. Para abordar esto, el documento W02005/031158 propone una pala de turbina que tenga una punta de metal macizo. Aunque la punta de metal macizo proporciona un cuerpo conductor robusto para soportar un elevado número de caídas de rayo, en algunas circunstancias el rayo puede aún incidir sobre la pala en el interior de la punta teniendo de ese modo el potencial de provocar daños a la pala.

El documento WO2007/128314 describe una pala de aerogenerador con un receptor situado en el extremo de punta de la pala en una cavidad, y la cavidad está rellena con un material dieléctrico. El documento EP2395239 describe un conjunto de pala de rotor con una parte de punta adaptada para conectarse a un conductor de bajada de la pala de rotor. El documento W02007/062659 describe un sistema de protección contra rayos de aerogenerador que comprende el menos un receptor de rayos dispuesto libremente accesible en o sobre una superficie de la concha en la inmediata proximidad de la punta de la pala. El documento WO2013/097855 describe un sistema de protección contra rayos para una pala de aerogenerador en el que se dispone una banda receptora alargada sobre una superficie externa de la pala de aerogenerador. El documento US2011/182731 describe una pala de aerogenerador que tiene una pluralidad de receptores de rayos conectados a un conductor de bajada interno dentro de la pala. Se describe una protección contra rayos adicional en el documento WO2013/007267, que propone delimitar una pala de turbina en una pluralidad de diferentes zonas, estando provista cada zona con una medida protectora diferente que se selecciona dependiendo del impacto esperado de una caída de rayos dentro de la zona de la pala. En este caso, una zona de alto riesgo de caída tal como la punta puede protegerse con medidas de protección robustas tal como una punta de metal maciza, mientras que las medidas protectoras en zonas de bajo riesgo de caída pueden eliminarse potencialmente en conjunto.

Es respecto a este contexto en el que se ha concebido la invención.

Sumario de la invención

Por consiguiente, en un primer aspecto, la invención proporciona una pala de aerogenerador tal como se define en la reivindicación 1.

En una realización, el elemento aislante que es un elemento eléctricamente aislante es un componente moldeable, preferentemente de poliuretano u otro polímero altamente dieléctrico, de modo que pueda moldearse por presión alrededor del componente receptor para encapsularlo completamente. Dicha disposición proporciona un encaje cerrado de carcasa no conductora para el componente receptor y asegura que se suprimen la iniciación de corrientes y corona desde el componente receptor durante las condiciones ambientales.

De manera conveniente, el componente receptor puede disponerse de modo que pueda conectarse eléctricamente a los elementos receptores de rayos proporcionados, respectivamente, en las superficies de barlovento y sotavento de la pala. Con esta finalidad, en una realización el componente receptor incluye una única base receptora que puede conectarse con un primer y segundo elementos receptores. En otra realización, sin embargo, el componente receptor incluye una primera base receptora asociada con una primera región superficial de pala y una segunda base receptora asociada con una segunda región superficial de pala, en el que la primera base receptora y la segunda base receptora están encapsuladas por el elemento aislante.

El elemento aislante puede ser anular y, además, se le puede dar forma para soportar cada una de la primera y segunda bases receptoras próximas a sus regiones superficiales de pala respectivas. En este caso, el elemento aislante puede tener forma de C, por ejemplo.

En donde el componente receptor incluye más de una base receptora, pueden conectarse a través de un enlace eléctrico que se extiende preferentemente dentro del elemento aislante. Para proporcionar flexibilidad durante el montaje, el enlace eléctrico puede ser un conductor trenzado tal como cobre recubierto de zinc.

Para asegurar la integridad de la conexión eléctrica, el componente receptor se conecta preferentemente, aunque no exclusivamente, al conductor de bajada usando una técnica de soldadura adecuada, por ejemplo soldadura exotérmica.

En una realización, la carcasa eléctricamente aislante es una pieza unitaria y de ese modo es común para múltiples bases receptoras a lo largo de la longitud del conductor de bajada. Esto proporciona una cubierta aislante sin rotura que es altamente efectiva en la protección contra caídas de rayo para los componentes alojados dentro de ella. En otro aspecto, la invención proporciona un método de montaje de un aparato de protección contra rayos para una pala de aerogenerador tal como se define en la reivindicación 14.

El método de la invención proporciona por lo tanto un medio para ensamblar un receptor integrado y un sistema de conducción de bajada para una pala de aerogenerador que puede instalarse en un molde de compuesto durante una fase de tendido de la pala. Además, las bases receptoras están totalmente encapsuladas en la región en la que se unen con el conductor de bajada lo que da como resultado un sistema eléctrico extremadamente bien protegido. En una realización preferida, el método incluye el moldeo de una carcasa aislante unitaria alrededor de la pluralidad de bases receptoras y del conductor de bajada, proporcionando de ese modo un nivel adicional de aislamiento eléctrico. Preferentemente, las bases receptoras se encapsulan en elementos aislantes respectivos antes de que se moldee la carcasa unitaria.

Se apreciará que las características preferidas y/u opcionales del primer aspecto de la invención pueden combinarse con los otros aspectos de la invención y viceversa. La invención en sus diversos aspectos se define en las reivindicaciones independientes que siguen y se definen características ventajosas en las reivindicaciones dependientes que siguen.

Breve descripción de los dibujos

Para una descripción más completa de la invención, se describirán ahora algunas realizaciones de la invención con referencia a los siguientes dibujos, en los que:

la figura 1 es una vista en planta de una pala de aerogenerador equipada con un sistema de protección contra rayos;

la figura 2 es una vista ampliada de una región de la pala de turbina de la figura 1, mostrando con más detalle el aparato con relación al sistema de protección contra rayos;

la figura 3 es una sección a través de la pala de turbina de la figura 2 a lo largo de la línea A-A;

la figura 4 es una sección a través de la pala de turbina de la figura 2 a lo largo de la línea B-B;

la figura 5 es una vista en sección del borde de ataque de la pala de turbina de la figura 1 a lo largo de la línea C­ C;

la figura 6 es una vista de la región de pala como en la figura 2, pero muestra una realización alternativa del subsistema de protección contra rayos; y

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

Descripción detallada

Con referencia a la figura 1, una pala de aerogenerador 2 incorpora un sistema de protección contra rayos 3. La pala 2 se forma a partir de una concha de pala 4 que tiene dos semi-conchas. Las semi-conchas se moldean típicamente a partir de plástico reforzado con fibra de vidrio (conocido como "GFRP" o, simplemente "GRP") que comprende tejido de fibra de vidrio embebido en una matriz de resina curada. La construcción precisa de la concha de pala 4 no es esencial para la invención y de ese modo se omite por claridad una descripción detallada adicional.

La pala comprende un extremo de raíz 6, en el que la pala 2 se fijaría a un buje de rotor de un aerogenerador, 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 de perfil aerodinámico que se extiende entre el borde de ataque 10 y el borde de salida 12. La pala 2 incluye también una segunda superficie que se extiende también 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 como el número de referencia 16 en las figuras 3 y 4, por ejemplo.

Cuando la pala 2 se fija a un buje de rotor de un aerogenerador, el flujo de aire incide en la superficie 16 de la pala 2 y por esta razón la superficie 16 se denomina también como un "lado de presión" o "lado de barlovento" en la técnica. En cambio, la superficie 14 se denomina como el "lado de succión" o "lado de sotavento".

Volviendo al sistema de protección contra rayos 3, este se basa en un concepto de "zonificación" en el que la pala 2 se delimita en una dirección longitudinal o "sentido de la envergadura" en regiones o "zonas" dependiendo de la probabilidad de recepción de una caída de rayo y la gravedad de la caída en esa región. Se describe un principio similar en el documento WO2013/007267.

En esta realización, la pala 2 se divide en tres zonas para las finalidades de protección contra rayos —estas se ilustran en la figura 1 como zonas A, B y C—. La instalación de protección contra rayos que se usa en cada una de las zonas se selecciona basándose en un conjunto de parámetros de caída de rayos, tales como la amplitud de la corriente de pico, energía específica, forma del impulso y carga total que se espera que la pala 2 soporte en cada una de las zonas. Se sigue ahora una breve explicación de las diferentes zonas, a modo de ejemplo.

La zona A se extiende desde el extremo de raíz 6 de la pala a aproximadamente el 60 % de la longitud de la pala en la dirección en el sentido de la envergadura. En esta zona, la pala 2 tiene un riesgo bajo de una caída de rayos y de ese modo se espera que reciba una baja incidencia de caídas y amplitudes de corriente bajas, que son aceptables para un impacto estructural en la pala. En esta realización, la pala 2 no está equipada con ningún sistema de protección contra rayos externo dentro de esta zona.

La zona B se extiende desde el final de la zona A a aproximadamente el 90 % de la longitud de la pala en una dirección en el sentido de la envergadura. En esta zona la pala 2 tiene un riesgo moderado de caída de rayos y se espera que soporte fijaciones de caídas de rayos directas moderadamente frecuentes que tengan una corriente de impulso, corriente de pico y transferencia de carga total incrementados. Por consiguiente, la pala 2 se provee con un primer subsistema de protección contra rayos 20 en la forma de una capa de protección superficial.

Por último, la zona C se extiende desde el final de la zona B hasta el extremo de punta 8 de la pala 2. En esta zona la pala 2 está sometida a una alta probabilidad de caídas de rayo y se espera que soporte amplitudes de corriente de pico por encima de 200 kA y transferencia de carga total por encima de 300 culombios y, además, una elevada incidencia de caídas. Para proporcionar el nivel requerido de protección para la pala, la zona C incluye dos subsistemas de protección contra rayos adicionales. En primer lugar, se proporciona una matriz de receptores (de aquí en adelante "matriz receptora") 22 y, en segundo lugar, se proporciona un ensamblaje de punta de pala 24. Tanto la matriz receptora 22 como el ensamblaje de punta de pala 24 se conectan eléctricamente a un sistema de conducción de bajada 26, que comprende un primer y segundo conductores de bajada 28, 30 que transcurren a lo largo de la longitud de la pala 2 desde el extremo de punta 8 al extremo de raíz 6, disponiéndose en general adyacentes al borde de ataque 10 y al borde de salida 12 de la pala 2, respectivamente. Se describirán posteriormente detalles de la matriz receptora 22, del ensamblaje de punta de pala 24 y del sistema de conducción de bajada 26.

Como se ha mencionado, la zona B incluye una capa de protección superficial 20 que es una capa conductora formada sobre la superficie de, o integrada dentro de, tanto la semi-concha superior como la semi-concha inferior de la pala 2. La capa conductora 20 puede ser una malla o rejilla metálica, pero preferentemente una lámina de metal expandida que actúa para atraer las caídas de rayos sobre una gran área de la pala y que se conecta al sistema de conducción de bajada 26 en una forma que se describirá. El grosor de la capa conductora 20 es tal que el perfil aerodinámico de la pala 2 no queda afectado y de ese modo se prefiere que la capa conductora tenga entre 1 mm y 5 mm de grosor. La estructura precisa de la capa de protección superficial 20 no es esencial para la invención y por ello no se describirá con detalle adicional en el presente documento.

El ensamblaje de punta de pala 24 y la matriz receptora 22 se describirán ahora con más detalle con referencia a las figuras 2 a 7. La figura 2 ilustra una parte ampliada de la pala 2 en la zona C y de ese modo muestra el ensamblaje de punta de pala 24 y la matriz receptora 22 con más detalle. La pala 2 se muestra aquí teniendo el ensamblaje de punta de pala 24 fijado a ella. Sin embargo, debería apreciarse que el ensamblaje de punta de pala 24 se puede instalar como una unidad dentro de la pala 2 durante un proceso de fabricación.

El ensamblaje de punta de pala 24 comprende un módulo de punta de pala conductor 32 y un elemento aislante que, en esta realización, es un elemento inserto no conductor 34 acoplado al módulo de punta de pala 32. El módulo de punta de pala 32 se forma de modo preferente a partir de un metal macizo de forma que proporcione un receptor de rayos extremadamente robusto en la misma punta de la pala 2, capaz de soportar un alto número de caídas directas de rayos sin sufrir daños y sin requerir mantenimiento y/o inspección frecuente. El módulo de punta de pala 32 es preferentemente de cobre o una aleación de cobre maciza tal como bronce y se funde de forma tal que proporciona un perfil de punta aerodinámico para la pala 2 y particularmente las regiones de elevada curvatura en los bordes de ataque y salida que sean particularmente atractivas para la atracción de la caída del rayo. La formación del módulo de punta de pala 32 en metal macizo consigue un elevado punto de fusión, que es un factor principal para evitar daños durante caídas de rayos y también proporciona una buena conductividad eléctrica dentro del sistema de conducción de bajada. Se apreciará que son adecuados también metales y aleaciones distintas del cobre.

Se prefiere que el módulo de punta de pala 32 sea suficientemente largo para englobar las zonas de alta curvatura de los bordes de ataque y salida 10, 12 de la pala, aunque debido a que la punta de metal macizo es de una masa relativamente alta, es generalmente la intención diseñar la punta para que sea tan pequeña como sea posible sin reducir su capacidad para atraer los rayos a la punta. En general, por lo tanto, el módulo de punta de pala 32 tiene una longitud que es menor del 1 % de la longitud de pala total y, de manera más preferente, por debajo del 0,5 % de la longitud de pala total. A modo de ejemplo, en una pala con una longitud de 60 m, la punta puede tener aproximadamente 10 cm de longitud.

El módulo de punta de pala 32 se fija al elemento de inserción 34 por medio de un elemento de acoplamiento o "acoplador" 36 mostrado aquí como una placa de fijación. La placa 36 tiene una forma rectangular y se sujeta por tornillos 35 en uno de sus extremos a una cavidad 37 de forma correspondiente en una cara de fijación 38 del elemento de punta de pala 32. La placa 36 es conductora y es preferentemente un metal macizo tal como acero inoxidable, aunque son aceptables otros metales (por ejemplo cobre) o aleaciones metálicas.

La placa 36 proporciona un medio mediante el que el elemento de inserción 34 puede fijarse al módulo de punta de pala 32. En esta realización, el elemento de inserción 34 se moldea por inyección alrededor de la placa 36 que se coloca dentro del molde, con o sin el módulo de punta de pala 32 fijado a él, previamente al comienzo del proceso de moldeo.

El elemento de inserción moldeado 34 proporciona una base sólida mediante la que el ensamblaje de punta de pala 24 puede incorporarse dentro de una pala 2 durante un proceso de fabricación. Por ejemplo, durante el tendido de la pala, el revestimiento de pala adecuado y otros componentes estructurales tales como capas de tejido de vidrio o materiales preimpregnados pueden disponerse en un molde de pala truncado que no tiene una superficie de molde conformada para definir una punta de pala. El ensamblaje de punta de pala 24 puede disponerse entonces con respecto al molde de modo que el elemento de inserción 34 se tienda adyacente a los componentes del revestimiento de pala preparado y el módulo de punta de pala se localiza contra el extremo truncado del molde. En la forma convencional, el elemento de inserción 34 puede incorporarse a continuación dentro de la pala 2 durante un proceso de impregnación de resina de modo que, a continuación del curado, el ensamblaje de punta de pala 24 forme parte integral de la pala 2, proporcionando el elemento de inserción 34 una superficie de unión para mantener todo el ensamblaje en las conchas de pala.

En esta realización el elemento de inserción 34 es polimérico y se prefiere que el material tenga una alta resistencia dieléctrica, por ejemplo por encima de 25 kV/mm que rodea las partes metálicas internas con un grosor mínimo de aproximadamente 10 mm. Un material adecuado sería poliuretano.

Como puede apreciarse en la figura 2, el elemento de inserción 34 es comparativamente ancho y tiene un la anchura mayor del 50 % del ancho de la sección correspondiente de la pala 2. El perfil del elemento de inserción 34 corresponde en general al perfil aerodinámico de la pala 2.

Dado que la placa 36 se fija de modo extraíble al módulo de punta de pala 32, se permite la retirada y sustitución del módulo de punta de pala 32 durante la vida de la pala 2. Sin embargo, la placa 36 podría formarse alternativamente como una parte integral del módulo de punta de pala 32 durante la fundición.

Para canalizar la energía de una caída de rayo sobre el módulo de punta de pala 32 al extremo de raíz de pala 6, el ensamblaje de punta de pala 24 se conecta al sistema de conducción de bajada 26. En una realización, como se muestra en la figura 7, un cable único de conducción de inhibición de corona del sistema de conducción de bajada 26 se conecta directamente a la placa 36 mediante un método de conexión adecuado tal como soldadura exotérmica. Se proporciona por lo tanto un acoplamiento conductor robusto entre la placa 36 y el sistema de conducción de bajada 26. En dicha disposición, se prefiere, aunque no es esencial, que el cable se suelde a la placa 36 previamente a que el elemento de inserción 34 sea moldeado sobre la placa 36 en cuyo caso el cable forma una unidad con el ensamblaje de punta de pala 24 para las finalidades del proceso de fabricación de la pala.

Sin embargo, en la realización ilustrada, el sistema de conducción de bajada 26 se conecta al ensamblaje de punta de pala 24 en una forma diferente. Como se muestra en la Figura 2, el ensamblaje de punta de pala 24 incluye también una disposición receptora 40 que, en esta realización, tiene la forma de una base receptora 42 en forma de bloque alargado formada a partir de un material conductor y preferentemente un material metálico tal como latón. La base receptora 42 se extiende transversal (es decir en el sentido de la cuerda) al eje longitudinal del ensamblaje de punta de pala 24 y está separada (en la dirección en el sentido de la envergadura) respecto al módulo de punta de pala 32 en el extremo lejano del elemento de inserción 34.

La base receptora 42 se enlaza eléctricamente al módulo de punta de pala 32 mediante un enlace conductor 43 que, en esta realización, es un cable que está enfundado en un material de inhibición de corona, de modo que se supriman las corrientes y corona que se inician desde el cable 43. A diferencia de la realización de la figura 7, en esta realización, tanto el primer como el segundo conductores de bajada 28, 30 del sistema de conducción de bajada 26 se conectan directamente a la base receptora 42. Como anteriormente, preferentemente los conductores de bajada 28, 30 se sueldan a la base receptora 42 previamente a la formación del elemento de inserción 34 para encapsular los componentes dentro de ella de modo que el elemento de inserción 34 encapsula la placa 36 y al menos parte de la disposición receptora. Se apreciará por lo tanto que la placa 36, el cable 43 y la base receptora 42 conectan eléctricamente la punta metálica y el sistema de conducción de bajada 26. En principio, se debería observar que cualquier número de componentes eléctricos podría formar el acoplador entre la punta y el sistema de conducción de bajada.

La base receptora 42 forma un punto de recepción para un conjunto de elementos receptores 44 que jalonan la concha de la pala 2 y se acoplan a la base receptora 42. Como se muestra mejor en la figura 3, los elementos receptores 44 toman la forma de tornillos que tienen una espiga 44a que se extiende dentro de la pala 2 y es recibida en conectores respectivos 42a formados en la base receptora 42 y una cabeza 44b que está alineada dentro de la concha de modo que una cara superior de la cabeza 44b se asienta enrasada con la superficie circundante de la pala 2 de modo que no afecte a la aerodinámica de la pala.

Para evitar las "descargas súbitas" entre la cabeza de tornillo 44b y cualquier componente conductor interno cercano del revestimiento de pala durante una caída de rayo, la cabeza 44b está provista con un collar protector aislante 46, que se forma preferentemente a partir de plástico de diseño adecuado tales como el PEEK (polieteretercetona). El collar de protección ofrece adicionalmente una protección contra daños térmicos colaterales al revestimiento de pala durante una caída de rayo en los elementos receptores.

El elemento aislante 34 está encajado entre un interior de la superficie de sotavento 14 y un interior de la superficie de barlovento 16. Se localiza un adhesivo (no mostrado) entre el elemento de aislamiento 34 y los interiores de las superficies de sotavento y barlovento 14, 16 para unir el elemento aislante al interior de la pala. El elemento aislante 34 rellena sustancialmente el volumen hueco entre la superficie de sotavento 14 y la superficie de barlovento 16 en la punta de la pala. El elemento aislante 34 se extiende en una dirección en el sentido de la cuerda desde el borde de ataque de la pala hacia al borde de salida de la pala y en una dirección en el sentido de la envergadura desde la punta de pala 8 conductora hacia la raíz de la pala. En este ejemplo el elemento aislante 34 es un único bloque que encaja el acoplador 36 y la base receptora 42. El uso de un único bloque significa que la base receptora 42 y el acoplador 36 pueden proporcionarse como un único módulo lo que permite una fácil instalación en la pala.

Los elementos receptores 44 pueden montarse sobre la pala 2 después de que se haya fabricado con el ensamblaje de punta de pala 24 en su posición. Siguiendo la finalización de la pala 2, se crean aberturas en la concha de la pala 2 y se crean orificios avellanados adecuados en la base receptora 42 para sujetar los elementos receptores 44 en su posición. Para protegerse contra la pérdida de los elementos receptores 44, pueden proporcionarse medios de bloqueo adecuados (no mostrados) que pueden tomar la forma de una pastilla o parche plástico recibido en una parte inferior de un rebaje 44a que acopla la base receptora 42.

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

A partir de la explicación anterior, se entenderá que el ensamblaje de punta de pala 24 proporciona dos puntos receptores para la atracción del rayo: en primer lugar el módulo de punta de pala metálico 32 y, en segundo lugar, la disposición receptora 40. El beneficio de esto es que la caída del rayo será atraída hacia los elementos receptores 44 en lugar de fijarla al sistema de conducción de bajada 26 u otras partes metálicas internas del sistema. A modo de explicación adicional, durante las condiciones ambientales de elevado campo eléctrico que preceden inmediatamente a una caída de rayo, el campo eléctrico mejorado en la punta de la pala 2 inducirá la ionización de la atmósfera y la transferencia de cargas desde el módulo de punta de pala 32 dando por resultado por ello bajo ciertas condiciones una "carga espacial" que rodea el extremo de punta 8. La existencia de esta carga espacial puede en algunas circunstancias modificar el campo eléctrico alrededor de la punta de pala desviando de ese modo la corriente de retorno fuera del módulo de punta de pala conductor 32 de modo que el rayo quede atraído hacia los componentes conductores dentro de la pala, por ejemplo componentes del sistema de conducción de bajada 26. La disposición receptora 40 del ensamblaje de punta de pala 24 proporciona puntos de emisión intencionada de corrientes adyacentes a la punta y de ese modo puede servir para "interceptar" la caída del rayo, fijándose la caída del rayo apropiadamente a los elementos receptores 44 y a la base receptora 42 en lugar de fijarla a otros componentes menos apantallados de la pala 2. Esto reduce ampliamente el riesgo de daños a la pala en diversos ángulos de pala.

Pasamos ahora a la matriz receptora de punta 22. Se ha mencionado anteriormente que el ensamblaje de punta de pala 24 se conecta al sistema de conducción de bajada 26 que comprende primer y segundo cables conductores de bajada 28, 30 que transcurren en la longitud en el sentido de la envergadura de la pala 2 hasta su extremo de raíz 6. El sistema de conducción de bajada 26 se conecta también a la matriz receptora de punta 22 de la pala 2, lo que se describirá ahora con detalle adicional.

Como se muestra en la Figura 2, la matriz receptora de punta 22 comprende una pluralidad de componentes receptores 50 que se distribuyen adyacentes a los bordes de ataque y salida 10, 12 de la superficie de sotavento 14 de la pala 2. En esta realización, se proporcionan ocho componentes receptores 50 y cada componente receptor 50 se acopla a un primer elemento receptor 52 proporcionado sobre la superficie de sotavento 14 de la pala y un segundo elemento receptor 54 proporcionado sobre la superficie de barlovento 16 de la pala 2. Obsérvese 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 componente receptores 50 y de los elementos receptores 52, 54 con más detalle, cada uno de los componente receptores 50 incluye una base receptora similar al bloque 56 y un elemento aislante 58 que encapsula la base receptora 56.

La base receptora 56 es conductora y preferentemente de latón. El elemento aislante 58 se moldea directamente a la base receptora 56 y de ese modo sirve para suprimir la iniciación de guías desde la base receptora 56 durante condiciones ambientales altamente cargadas, lo que de ese modo protege contra una caída de rayo directamente sobre la base receptora 56 en lugar de sobre un elemento receptor 52, 54. Cada base receptora 56 incluye un rebaje correspondiente 60 a través del que se encaminan los conductores de bajada 28, 30 de modo que se conecten las bases receptoras 56 dentro del sistema de conducción de bajada 26. Por lo tanto, el encapsulado de las bases receptoras 56 también encapsula la junta entre el sistema de conducción de bajada y las bases receptoras 56. Los elementos aislantes 58 se forman de un polímero adecuado que tiene una alta resistencia dieléctrica y se prevé que los elementos aislantes serán de poliuretano, aunque son aceptables otros materiales aislantes.

Los elementos aislantes 58 están encajados entre un interior de la superficie de sotavento 14 y un interior de la superficie de barlovento 16. Se localiza un adhesivo (no mostrado) entre los elementos aislantes 58 y los interiores de las superficies de sotavento y barlovento 14, 16 para unir los elementos aislantes al interior de la pala. Se debería apreciar que la figura 4 muestra una sección transversal a través de los elementos aislantes 58 y que las bases receptoras 56 están totalmente encapsuladas por los elementos aislantes 58. Los elementos aislantes 58 pueden tener un ancho en la dirección en el sentido de la envergadura de aproximadamente 15 cm.

Aunque no se muestra en la figura 4, los componente receptores 50 pueden instalarse también en localizaciones adecuadas dentro del interior de la pala 2 mediante elementos separadores que separan y mantienen cada uno de los componente receptores 50 en una posición predeterminada con relación a la concha de pala.

Tal y como se ha mencionado, cada base receptora 56 conecta dos elementos receptores 52, 54: uno en cada una de las superficies de sotavento y barlovento 14, 16 de la pala 2. Esta disposición reduce el número de bases receptoras requeridas lo que reduce el coste y peso de la pala como conjunto. Además, las bases receptoras solo necesitan ser instaladas en una de las semi-conchas de pala durante el ensamblaje de la pala lo que acelera el tiempo de fabricación y simplifica el proceso de fabricación. Los componentes receptores 50 se fijan a la semiconcha de pala mediante adhesivo, tal como un adhesivo de epoxi.

Cada elemento receptor 52, 54 tiene la forma de un tornillo que tiene un vástago 61 y una cabeza 62. El vástago 61 se extiende dentro de la pala 2 y rosca en un conector 64 en la base receptora 56. La cabeza 62 reposa contra, y se avellana dentro de, la concha de pala de modo que una cara superior de la cabeza 62 esté enrasada con la superficie circundante de la pala 2. Como los elementos receptores 44 proporcionados sobre el ensamblaje de punta de pala 24, los elementos receptores 52, 54 de la matriz receptora de punta 22 se proporcionan también con un collar polimérico 66 para proteger contra descargas superficiales durante una caída de rayo. El collar de protección ofrece adicionalmente una protección contra daños térmicos colaterales al revestimiento de pala durante una caída de rayo en el receptor.

Dado que los componentes receptores 50 se instalan en la región de la pala 2 que tiene una profundidad relativamente superficial, preferentemente los elementos receptores 52, 54 se unen a las bases receptoras 56 desplazados entre sí o "escalonados" en una dirección en el sentido de la envergadura de la pala, como se muestra en la figura 4. Esto evita que los vástagos 60 de elementos receptores opuestos 52, 54 contacten entre sí cuando se instalan.

En la realización de la figura 4, el componente receptor 50 incluye una base receptora de pieza única 56 que conecta a los elementos receptores 52, 54 proporcionados en las superficies de sotavento y barlovento 14, 16 de la pala 2. Se conciben diferentes configuraciones de componentes receptores, y uno de dichos ejemplos se describirá ahora con respecto a la figura 5.

La figura 5 es una sección transversal a través de la pala 2 de la figura 1 a lo largo de la línea C-C y por lo tanto ilustra una sección de la capa de protección superficial 20 tal como se ha descrito anteriormente.

Como se ha explicado, la capa de protección superficial 20 incluye una pantalla conductora que proporciona un área superficial relativamente grande para capturar caídas de rayos, a partir de donde la energía puede canalizarse con seguridad al interior del sistema de conducción de bajada 26 sin provocar daños a la estructura de compuesto no conductora de la pala 2. Obsérvese que la capa de protección superficial 20 se proporciona tanto en las superficies de sotavento como de barlovento 14, 16 de la pala 2.

Para conectar la capa de protección superficial 20 al sistema de conducción de bajada 26, se proporciona un conjunto de componentes receptores 70. Hay en total cuatro componente receptores, uno en cada esquina de la capa de protección superficial 20, aunque solo se muestra uno de los componentes receptores 70 en la figura 5. En la figura 5, el componente receptor 70 se posiciona adyacente al borde de ataque 10 de la pala 2. El componente receptor 70 se conforma para llenar con más efectividad el volumen en el perfil relativamente profundo de esta región de la pala 2, comparado con el perfil relativamente superficial en la región de la matriz receptora de punta 22. El componente receptor 70 comprende una primera y segunda bases receptoras 72, 74 que se encapsulan mediante un elemento aislante 76 que tiene en general forma anular. Más específicamente, el elemento aislante 76 en esta realización tiene forma de C, estando definido por primera y segunda partes de brazo 76a, 76b que se extienden desde cada extremo de una parte de yugo 76c. Cada una de las bases receptoras 72, 74 se encapsulan mediante una respectiva de las partes de brazo 76a, 76b y de esta forma las base receptoras 72, 74 se localizan en una posición predeterminada contra una superficie de sotavento 14 y barlovento 16 respectiva de la pala 2.

El primer elemento receptor 80 conecta eléctricamente la capa de protección superficial 20 sobre la superficie de barlovento 16 a la primera base receptora 72. De forma similar a las realizaciones anteriormente analizadas, el elemento receptor 80 tiene la forma de un tornillo que tiene un vástago 80a y una cabeza 80b: extendiéndose el vástago 80a a través de la pala 2 y atornillado a la primera base receptora 72; disponiéndose la cabeza 80b para reposar enrasada con la superficie circundante de la capa de protección superficial 20. Se proporciona una disposición idéntica para acoplar la capa de protección superficial 20 sobre la superficie de sotavento 14 a la segunda base receptora 74.

Se proporciona un enlace conductor 82 para conectar eléctricamente la primera base receptora 72 a la segunda base receptora 74 y, en esta realización, el enlace conductor 82 es un cable trenzado de cobre recubierto de zinc. Aunque no es esencial un hilo trenzado, es útil desde una perspectiva de fabricación dado que es flexible y de ese modo puede adaptarse adecuadamente para extenderse entre la primera y segunda bases receptoras 72, 74 previamente al encapsulado.

El elemento aislante 76 está encajado entre un interior de la superficie de sotavento 14 y un interior de la superficie de barlovento 16. Se localiza un adhesivo (no mostrado) entre el elemento aislante 76 y los interiores de las superficies de sotavento y barlovento 14, 16 para unir el elemento aislante al interior de la pala. Debería apreciarse que la figura 5 muestra una sección transversal a través del elemento aislante 76 y que la primera base receptora 72, la segunda base receptora 74 y el enlace conductor 82 están totalmente encapsulados por el elemento aislante 76. El elemento aislante 76 puede tener un ancho en la dirección en el sentido de la envergadura de aproximadamente 15 cm.

Se realiza una conexión al sistema de conducción de bajada 26 mediante la soldadura de 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 patrón predeterminado con respecto a la primera y segunda bases receptoras 72, 74 y conectarse a ellas mediante soldadura exotérmica para asegurar la integridad eléctrica de la conexión previamente al fundido del elemento aislante 76 alrededor de los componentes. De esta manera, el componente receptor 70 se convierte en instalable como una unidad junto con el sistema de conducción de bajada 26. La soldadura es una opción para la conexión de los componentes eléctricos aunque son aceptables otras técnicas adecuadas tales como la fijación mecánica.

En una variación de esto, se concibe que el sistema de conducción de bajada 26 que incluye tanto el primer como el segundo conductores de bajada 28, 30 puede aislarse como una unidad con los componente receptores 50 asociados con la matriz receptora de punta 22 así como los componente receptores 70 asociados con la capa de protección superficial 20. La figura 6 ilustra esto y puede verse que el primer y segundo conductores de bajada 28, 30 y los componente receptores 50 asociados con la matriz receptora de punta 22 se encapsulan mediante un elemento aislante alargado 90 que forma una carcasa aislante unitaria. El elemento aislante 90 puede tomar el lugar de los elementos aislantes 58 de las bases receptoras 56, aunque actualmente se concibe que el elemento aislante 90 será una medida aislante adicional además de las bases receptoras encapsuladas 56 y también el apantallado de reducción de corona de los conductores de bajada 28, 30. En esta realización, por lo tanto, todo el sistema eléctrico dentro de la pala 2 puede estar totalmente encapsulado previamente a la instalación y puede instalarse como una única unidad, en lugar de como un juego de cables, en una semi-concha de pala durante la fase de tendido de la pala. El encapsulado del sistema de conducción de bajada 26 en un polímero eléctricamente aislante reduce la probabilidad de la atracción de la caída del rayo directamente a los conductores de bajada 28, 30 mediante el incremento de la resistencia de rotura dieléctrica del sistema.

El primer y segundo conductores de bajada 28, 30 son por sí mismos cables aislantes con cables de inhibición de corona de alta tensión, aislados con o bien un polímero reticulado o bien goma de silicona. Estos cables aislados se encapsulan a continuación dentro del elemento aislante alargado 90.

El elemento aislante 90 puede formarse de poliuretano. En una realización particular, la rigidez del poliuretano puede variarse a lo largo de la longitud de la pala de modo que el sistema de conducción de bajada 26 tenga más flexibilidad en algunas partes de la pala que en otras. Por ejemplo, es deseable que el elemento aislante 90 sea flexible en la región de punta de la pala en donde la pala flexiona lo máximo bajo cargas del viento, mientras que hacia la raíz de la pala el elemento aislante 90 puede ser más rígido.

El experto en la materia apreciará que pueden realizarse variaciones a las realizaciones ilustradas sin apartarse del concepto inventivo, tal como se describe por las reivindicaciones. Algunas variaciones a las realizaciones ilustradas se han explicado anteriormente. Otras se explicarán ahora.

La invención se describe en el contexto de una pala de turbina que tiene una denominada construcción de "concha estructural", en la que nervios o vigas de carbono longitudinales se integran dentro de las semi-conchas superior e inferior durante la fase de tendido. Sin embargo, la invención es aplicable también a palas construidas de acuerdo con una filosofía de diseño diferente tal como una construcción de larguero estructural.

El ensamblaje de punta de pala 24 se ha descrito incluyendo un módulo de punta de pala 32 de metal macizo. Aunque esto se prefiere por razones de conductividad y resistencia a las caídas en la pala, podría también formarse a partir de un núcleo no conductor que tenga una capa exterior conductora, aunque la robustez pueda quedar adversamente afectada.

En la disposición aislante anteriormente descrita, el elemento de inserción 34 se describe como una pieza única. Sin embargo, debería apreciarse que también podría fabricarse de múltiples piezas.

En las realizaciones anteriores, se ha descrito que la pala se divide en tres zonas, A, B y C, con finalidades de protección contra rayos. Se apreciará que esto es meramente un ejemplo de cómo puede configurarse una pala para protección contra rayos y no se pretende que esté limitado. Por ejemplo, una pala puede configurarse de modo que se omita la zona A. En efecto, por lo tanto, la pala se protege a lo largo de toda su longitud en lugar de dejar una zona relativamente desprotegida frente a caídas de rayos.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Una pala de aerogenerador (2) que tiene una disposición receptora (40), comprendiendo la disposición receptora (40) una pluralidad de componentes receptores (56, 72, 74) separados a lo largo de una longitud en el sentido de la envergadura de la pala y conectados a un conductor de bajada (28, 30) de un sistema de protección contra rayos (3),

en el que los componentes receptores se encapsulan mediante un elemento aislante (76, 90),

en el que el conductor de bajada (28, 30) y la pluralidad de componentes receptores (56, 72, 74) están contenidos dentro de una carcasa aislante (90),

en el que la carcasa aislante (90) se define por el elemento aislante (76, 90) que encapsula los componente receptores (56, 72, 74) y que también encapsula el conductor de bajada (28, 30),

y en el que la carcasa aislante es una pieza polimérica que se moldea sustancialmente para encapsular los componentes receptores (56, 72, 74) y el conductor de bajada (28, 30).

2. La pala de aerogenerador de la reivindicación 1, en la que el elemento aislante (90) es polimérico.

3. La pala de aerogenerador de la reivindicación 1 o 2, en la que los componente receptores (56, 72, 74) incluyen una base receptora para recibir un primer elemento receptor (44, 52, 54) que se extiende hasta una superficie externa de la pala.

4. La disposición receptora de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el componente receptor incluye una base receptora para recibir un primer elemento receptor (44, 52, 54) y un segundo elemento receptor (44, 52, 54) que se extienden hasta una superficie externa de la pala.

5. La pala de aerogenerador de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el componente receptor incluye una primera base receptora (72) asociada con una primera región superficial de pala y una segunda base receptora (74) asociada con una segunda región superficial de pala, en la que la primera base receptora (72) y la segunda base receptora (72) están encapsuladas por el elemento aislante (76, 90).

6. La pala de aerogenerador de las reivindicaciones 1 a 5, en la que el elemento aislante es anular.

7. La pala de aerogenerador de la reivindicación 6, en la que la primera base receptora (72) y la segunda base receptora (74) se conectan mediante un enlace eléctrico (82).

8. La pala de aerogenerador de la reivindicación 7, en la que el enlace eléctrico (82) se extiende dentro del elemento aislante (76).

9. La pala de aerogenerador de las reivindicaciones 1 a 8, en la que el componente receptor se suelda exotérmicamente al conductor de bajada.

10. La pala de aerogenerador de las reivindicaciones 1 a 9, en la que la carcasa aislante (90) comprende el elemento aislante (76) y es común a la pluralidad de componentes receptores (56, 72, 74) y al conductor de bajada (28, 30).

11. La pala de aerogenerador de las reivindicaciones 1 a 10, que comprende una concha de barlovento que tiene una superficie de barlovento (16) y una concha de sotavento que tiene una superficie de sotavento (14), un primer elemento receptor (54) asociado con la superficie de barlovento (16) y un segundo elemento receptor (52) asociado con la superficie de sotavento (14), en el que el primer elemento receptor (54) se conecta al componente receptor (56) y en la que el segundo elemento receptor (52) se conecta al componente receptor (56).

12. La pala de aerogenerador de la reivindicación 11, en la que el elemento aislante se extiende desde la concha de barlovento a la concha de sotavento.

13. La pala de aerogenerador de las reivindicaciones 12, en la que el elemento aislante se une a una parte inferior de la concha de barlovento (16) y de la concha de sotavento (14).

14. Un método de ensamblaje de un aparato de protección contra rayos para una pala de aerogenerador que comprende:

disponer de una pluralidad de bases receptoras (56, 72, 74) en un patrón predeterminado espaciado a lo largo de una longitud en el sentido de la envergadura de una pala de aerogenerador (2);

conectar la pluralidad de bases receptoras (56, 72, 74) a un conductor de bajada (28, 30); y

aislar la pluralidad de bases receptoras y el conductor de bajada mediante el moldeo de una carcasa aislante unitaria (90) alrededor de la pluralidad de bases receptoras (56, 72, 74) y del conductor de bajada (28, 30).

15. El método de la reivindicación 14, que incluye encapsular la pluralidad de bases receptoras (56, 72, 74) en un elemento aislante respectivo (58, 76) antes de que se moldee la carcasa unitaria.