ES2894272T3 - Pala de turbina eólica y turbina eólica - Google Patents
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Abstract
Pala (5) de turbina eólica para una turbina (1) eólica, comprendiendo la pala (5) de turbina eólica un elemento (19) de soporte que tiene primeras fibras (31) que son eléctricamente conductoras, y un material (25) de fibra que tiene segundas fibras (27) que son eléctricamente conductoras, en la que el material (25) de fibra tiene una parte (53) libre y una parte (32) de solapamiento que está al menos parcialmente unida y eléctricamente conectada al elemento (19) de soporte, en la que la dirección de extensión (V) de las segundas fibras (27) cambia a lo largo de una trayectoria (52) de extensión de las segundas fibras (27), en la que se proporciona un primer ángulo (α1) entre las segundas fibras (27) en la parte (32) de solapamiento y las primeras fibras (31), en la que se proporciona un segundo ángulo (α2) entre las segundas fibras (27) en la parte (53) libre y las primeras fibras (31), y en la que el segundo ángulo (α2) es mayor que el primer ángulo (α1), caracterizada porque el primer ángulo (α1) es de entre 0 y 50º y las fibras (27, 31) primera y segunda son fibras de carbono unidireccionales.
Description
DESCRIPCIÓN
Pala de turbina eólica y turbina eólica
La presente invención se refiere a una pala de turbina eólica para una turbina eólica y a una turbina eólica que comprende una pala de turbina eólica de este tipo.
Las palas de rotor de turbina eólica modernas se construyen a partir de plásticos reforzados con fibra. Una pala de rotor comprende normalmente un perfil aerodinámico que tiene un borde de ataque redondeado y un borde de salida afilado. La pala de rotor se conecta con su raíz de pala a un buje de la turbina eólica. Además, la pala de rotor se conecta al buje por medio de un cojinete de paso que permite un movimiento de paso de la pala de rotor. Las palas de rotor largas experimentan grandes fuerzas de viento.
Las palas de rotor pueden estar compuestas por dos semicarcasas conectadas entre sí. Además, puede estar dispuesta un alma, en particular un alma de cizalladura, entre las dos semicarcasas para reforzar la pala de rotor. El alma de cizalladura puede estar dispuesta entre dos vigas o tapas de larguero y puede estar conectada a las mismas. El alma de cizalladura, las vigas y/o las tapas de larguero pueden extenderse en una dirección longitudinal de la pala de turbina eólica y pueden comprender fibras de carbono.
Las palas de rotor son la parte más expuesta de la turbina eólica con respecto a impactos de rayos. Por tanto, pueden proporcionarse sistemas de protección contra rayos (LPS). Un sistema de protección contra rayos puede comprender un conductor de bajada eléctrico que puede estar conectado al alma y que puede extenderse a lo largo de la dirección longitudinal del alma. El conductor de bajada puede estar conectado eléctricamente a un sistema de puesta a tierra de la pala de turbina eólica. Además, pueden estar dispuestos receptores a lo largo de una superficie de pala y pueden estar conectados eléctricamente al conductor de bajada. Cuando los receptores interceptan un impacto de rayo, la corriente eléctrica se transfiere al sistema de puesta a tierra por medio del conductor de bajada. El documento EP 2 930 355 A1 muestra una pala de turbina eólica que tiene una viga de carbono, un conductor eléctrico y mallas de cobre que conectan eléctricamente el conductor eléctrico a la viga de carbono
El documento WO 2005/050808 A1 da a conocer una pala de turbina eólica según el preámbulo de la reivindicación 1.
Un objeto de la presente invención es proporcionar una pala de turbina eólica mejorada.
Por consiguiente, una pala de turbina eólica para una turbina eólica, comprendiendo la pala de turbina eólica un elemento de soporte que tiene primeras fibras que son eléctricamente conductoras, y un material de fibra que tiene segundas fibras que son eléctricamente conductoras, en la que el material de fibra tiene una parte libre y una parte de solapamiento que está al menos parcialmente unida y eléctricamente conectada al elemento de soporte, en la que la dirección de extensión de las segundas fibras cambia a lo largo de una trayectoria de extensión de las segundas fibras, en la que se proporciona un primer ángulo entre las segundas fibras en la parte de solapamiento y las primeras fibras, en la que se proporciona un segundo ángulo entre las segundas fibras en la parte libre y las primeras fibras, y en la que el segundo ángulo es mayor que el primer ángulo.
El inventor encontró que las transiciones de material forman puntos críticos cuando se conduce corriente de un material a otro material. Estos puntos críticos pueden surgir debido a diferentes conductividades o diferentes anisotropías de conductividad de los materiales en la parte de solapamiento. La parte de solapamiento propuesta entre el elemento de soporte y el material de fibra evita la formación de arcos o chispas y, por tanto, la delaminación en el elemento de soporte cuando se conduce una corriente, por ejemplo, que tiene 86 kA. Por tanto, pueden evitarse daños de la pala de turbina eólica cuando la pala de turbina eólica intercepta un impacto de rayo.
Preferiblemente, se disminuye la discontinuidad de conductividad eléctrica en la parte de solapamiento, en particular en una superficie de unión y/o junta entre la parte de solapamiento y el elemento de soporte. Esto significa que las conductividades eléctricas anisotrópicas del elemento de soporte y el material de fibra se adaptan entre sí. Por tanto, se mejora la transferencia de corriente a través de la superficie de unión y/o junta. El efecto puede ser una reducción de la anisotropía de conductividad en la superficie de unión y/o junta, ya que la conductividad a lo largo de la trayectoria o dirección de extensión de las fibras es mucho mayor en comparación con otras direcciones.
Esto puede significar una reducción de resistencia eléctrica en la parte de solapamiento, en particular en la superficie de unión y/o junta entre la parte de solapamiento y el elemento de soporte, en comparación con un estado en el que la dirección de extensión de las segundas fibras no cambia a lo largo de la trayectoria de extensión de las segundas fibras. Además, esto puede significar que en la parte de solapamiento, en particular en la superficie de unión y/o junta entre la parte de solapamiento y el elemento de soporte, puede reducirse o evitarse la formación de arco eléctrico.
El primer ángulo entre las primeras fibras y las segundas fibras se reduce en la parte de solapamiento en
comparación con el segundo ángulo en la parte libre. La parte libre y la parte de solapamiento son una sola pieza. En particular, la parte de solapamiento puede estar completamente unida y conectada eléctricamente al elemento de soporte. En particular, el elemento de soporte comprende una viga reforzada con fibra, que comprende en particular material compuesto que tiene fibras de carbono y una resina, en el que las fibras de carbono son eléctricamente conductoras.
Preferiblemente, el elemento de soporte tiene una longitud que es al menos el 20, el 30, el 40, el 50, el 60, el 70, el 80 o el 90% de la longitud de la pala de turbina eólica y es, por ejemplo, una estructura de soporte de la pala de turbina eólica que está configurada para impedir la torsión o el alabeo de la pala de turbina eólica. Además, puede evitarse la flexión excesiva de la pala de turbina eólica y, por tanto, las colisiones con la torre, ya que la rigidez aumenta por medio del elemento de soporte. La longitud de la pala de turbina eólica puede ser de entre 40 y 125 m, 40 y 90, o 40 y 70 m. Preferiblemente, la conductividad eléctrica del elemento de soporte es anisotrópica y, por ejemplo, diferente con respecto a todas las direcciones en el espacio.
Las primeras fibras están formadas preferiblemente por una pluralidad de primeras fibras o haces de fibras que, por ejemplo, están corregidas en una matriz y que, por ejemplo, están dispuestas en paralelo y en particular de manera continua. En particular, las primeras fibras son fibras de carbono. Preferiblemente, el elemento de soporte comprende una sección transversal rectangular o trapezoidal que tiene un lado ancho y un lado estrecho. También pueden ser posibles otras formas de la sección transversal. En particular, el elemento de soporte es un elemento plano.
El material de fibra, por ejemplo, es un material plano que tiene las segundas fibras que, por ejemplo, están formadas por una pluralidad de segundas fibras o haces de fibras que están dispuestas en paralelo. El material de fibra se solapa con el elemento de soporte y se une al mismo formando la parte de solapamiento. Preferiblemente, la conductividad eléctrica del material de fibra es anisotrópico y, por ejemplo, diferente con respecto a todas direcciones en el espacio. Preferiblemente, un ajuste de las segundas fibras se refiere a una vista desde arriba y/o una vista perpendicular en el lado ancho del elemento de soporte. Preferiblemente, la dirección de extensión de las segundas fibras se ajusta de manera que las segundas fibras cambian la orientación a lo largo de la trayectoria de extensión de las segundas fibras. Preferiblemente, la dirección de extensión de las segundas fibras cambia de manera que se reduce el primer ángulo.
Esto significa, por ejemplo, que el segundo ángulo entre las primeras fibras y las segundas fibras se reduce a lo largo de la trayectoria de extensión de las segundas fibras hacia el elemento de soporte. Preferiblemente, las segundas fibras se dirigen hacia el elemento de soporte y se alinean con las primeras fibras. Esto tiene la ventaja de que se simplifica la implementación en las palas de turbina eólica para palas de mariposa e integrales.
El primer ángulo es de entre 0 y 50°. Según una realización, el primer ángulo es de entre 0 y 35°, 0 y 20° o 0 y 10°, en particular 0°.
Por tanto, las segundas fibras, por ejemplo, pueden alinearse con las primeras fibras. Preferiblemente, la superficie de unión y/o junta entre la parte de solapamiento y el elemento de soporte comienza en la parte de solapamiento donde el material de fibra ya está totalmente dirigido, en particular donde el primer ángulo es de 0°. Por ejemplo, la superficie de unión y/o junta entre la parte de solapamiento y el elemento de soporte solo se proporciona en la parte de solapamiento donde el primer ángulo es de 0°. Por tanto, puede proporcionarse una conexión eléctrica eficaz. Según una realización adicional, el segundo ángulo entre las primeras fibras y las segundas fibras se reduce de manera continua en la parte libre hacia la parte de solapamiento.
Preferiblemente, el primer ángulo se reduce hacia un extremo del material de fibra que se solapa con el elemento de soporte. En particular, el primer ángulo y/o el segundo ángulo solo se reducen, es decir, no aumentan, hacia el extremo del material de fibra. En particular, las segundas fibras no se disponen de manera sinuosa ni se proporcionan como fibras serpenteantes. “De manera continua” significa, en particular, sin torsiones pronunciadas. Según una realización adicional, las segundas fibras tienen forma de arco cuando se mira en perpendicular sobre un lado ancho del elemento de soporte.
En particular, el material de fibra tiene forma de arco cuando se mira en perpendicular sobre un lado ancho del elemento de soporte. Por ejemplo, el lado ancho es el lado más ancho del elemento de soporte. Preferiblemente, las segundas fibras son simplemente una sola curva, es decir, se flexionan solo alrededor de una dirección y no tienen forma de meandro. Las segundas fibras tienen forma de arco para alinearse con las primeras fibras.
Según una realización adicional, el material de fibra comprende un hilo de trama que se extiende a modo de onda a lo largo de la dirección de extensión de las segundas fibras para mantener juntas las segundas fibras.
Esto significa que el hilo de trama se proporciona a modo de onda y adicionalmente en forma de arco. Preferiblemente, los hilos de trama agrupan las segundas fibras entre sí. En particular, los hilos de trama se
proporcionan como al menos un haz de fibras, en particular haz de fibras de carbono o haz de fibras de vidrio. Alternativamente, el haz de fibras puede comprender poliéster o uretano.
Las primeras fibras son fibras de carbono unidireccionales y en las que las segundas fibras son fibras de carbono unidireccionales.
Las primeras fibras y las segundas fibras se proporcionan como fibras o haces de fibras de tipo idéntico. Por tanto, las conductividades en la parte de solapamiento pueden igualarse al menos en una dirección. Preferiblemente, el material de fibra no comprende fibras cortas distribuidas aleatoriamente. En particular, el material de fibra y el elemento de soporte están compuestos por el mismo material.
Según una realización adicional, el elemento de soporte es una tapa de larguero que comprende material polimérico reforzado con fibra de carbono y/o el material de fibra es una estera dirigida de fibras de carbono.
En particular, la tapa de larguero está conectada a la carcasa de pala y/o conectada a un alma de cizalladura. Preferiblemente, la estera dirigida de fibras de carbono tiene forma de arco cuando se mira sobre un lado plano de la estera dirigida.
Según una realización adicional, la pala de turbina eólica comprende además un conductor eléctrico, en la que el material de fibra tiene una parte de solapamiento adicional que está unida y conectada eléctricamente al conductor eléctrico, en la que las segundas fibras se extienden desde la parte de solapamiento adicional hacia la parte de solapamiento.
Esto tiene la ventaja de que puede proporcionarse una conexión eléctrica fiable entre el conductor eléctrico y el elemento de soporte, ya que el material de fibra es conductor eléctrico sin interrupción debido a las segundas fibras. La parte de solapamiento adicional es una parte de solapamiento entre el material de fibra y el conductor eléctrico. En particular, la conexión eléctrica entre el elemento de soporte y el conductor eléctrico se realiza sin cobre ni mallas de cobre, en particular sin metal. Preferiblemente, la pala de turbina eólica comprende receptores para impactos de rayos. En particular, los receptores están conectados eléctricamente al conductor eléctrico.
El conductor eléctrico tiene una distancia hasta el elemento de soporte y, por tanto, está conectado eléctricamente al elemento de soporte simplemente por medio del material de fibra o varios de tales materiales de fibra. Por tanto, la parte de solapamiento adicional que tiende más a la formación de arcos y chispas debido a las diferentes propiedades de conductividad tiene una distancia hasta el elemento de soporte. Por tanto, el elemento de soporte está protegido. Además, es más probable que las fallas en la conexión adicional se conecten y se reparen antes de que se produzca un colapso en la estructura. Además, la conexión adicional puede diseñarse para resistir la formación de arcos y chispas.
Según una realización adicional, el conductor eléctrico comprende una dirección de extensión, en la que el ángulo entre las segundas fibras y la dirección de extensión del conductor eléctrico en la parte de solapamiento adicional es de entre 0 y 90°, 30 y 90°, 45 y 90°, 60 y 90°, o 75 y 90°, en particular 90°.
Según una realización adicional, el material de fibra se comba o dobla alrededor del conductor eléctrico.
Esto tiene la ventaja de que puede proporcionarse una superficie de unión suficiente entre el material de fibra y el conductor eléctrico. Por tanto, puede evitarse o reducirse la formación de arcos en la parte de conexión adicional y adyacente a la misma.
Según una realización adicional, la pala de turbina eólica comprende además un conductor eléctrico adicional y un material de fibra adicional, en la que el material de fibra adicional está unido y conectado eléctricamente al elemento de soporte y al conductor eléctrico adicional o al conductor eléctrico.
Preferiblemente, el material de fibra adicional y el material de fibra son de un tipo idéntico. En particular, el material de fibra adicional se conecta al conductor eléctrico adicional tal como se describe para el material de fibra y el conductor eléctrico formando una segunda conexión eléctrica con el elemento de soporte.
Preferiblemente, pueden proporcionarse tres o más de tales materiales de fibra y tales conductores eléctricos. El conductor eléctrico y el conductor eléctrico adicional pueden proporcionarse como un conductor eléctrico que se extiende en la dirección longitudinal de la pala de turbina eólica. Por tanto, es posible aumentar el número de conexiones entre el elemento de soporte y el conductor o los conductores eléctricos proporcionando un sistema redundante.
Según una realización adicional, el conductor eléctrico y el material de fibra están dispuestos en una raíz de pala y el conductor eléctrico adicional y el material de fibra adicional están dispuestos en una punta de pala.
Preferiblemente, un tercer material de fibra está conectado (como material de fibra) al elemento de soporte y un
tercer conductor eléctrico, en el que el tercer material de fibra y el tercer conductor eléctrico están dispuestos entre el material de fibra y el material de fibra adicional.
Según una realización adicional, la parte de solapamiento está intercalada entre el material de fibra adicional y el elemento de soporte.
En particular, el material de fibra y el material de fibra adicional tienen una forma curvada que tiene diferentes radios. Según una realización adicional, el conductor eléctrico y/o el conductor eléctrico adicional es un cable de metal. El conductor eléctrico es preferiblemente un cable trenzado o una tira de metal. En particular, el conductor eléctrico comprende aluminio, cobre, acero y/o titanio. Preferiblemente, el conductor eléctrico tiene una sección transversal rectangular y/o una sección transversal plana.
Además, se proporciona una turbina eólica que comprende una pala de turbina eólica de este tipo.
La presente turbina eólica se refiere a un aparato que convierte la energía cinética del viento en energía de rotación, que puede convertirse de nuevo en energía eléctrica mediante el aparato. Preferiblemente, la turbina eólica comprende tres o cuatro de tales palas de turbina eólica.
Posibles implementaciones o soluciones alternativas adicionales de la invención también abarcan combinaciones (que no se mencionan explícitamente en el presente documento) de características descritas anteriormente o a continuación con respecto a las realizaciones. El experto en la técnica también puede añadir características y aspectos individuales o aislados a la forma más básica de la invención.
Resultarán evidentes realizaciones, características y ventajas adicionales de la presente invención a partir de la siguiente descripción y las reivindicaciones dependientes, tomadas junto con los dibujos adjuntos, en los que: la figura 1 muestra una vista en perspectiva de una turbina eólica según una realización;
la figura 2 muestra una vista en perspectiva de una pala de turbina eólica de la turbina eólica según la figura 1; la figura 3 muestra esquemáticamente una vista en sección transversal MI-MI de la figura 2;
la figura 4 muestra esquemáticamente una vista en perspectiva de un material de fibra;
la figura 5 muestra esquemáticamente una vista desde arriba de un material de fibra dirigido;
la figura 6 muestra esquemáticamente una vista desde arriba de una disposición de conexión de la pala de turbina eólica según la figura 2;
la figura 7 muestra esquemáticamente una vista en perspectiva de una realización adicional de la disposición de conexión;
la figura 8 muestra esquemáticamente una vista en sección transversal VIII-VIII de la figura 7; y
la figura 9 muestra esquemáticamente una vista en perspectiva de una realización adicional de la disposición de conexión.
En las figuras, números de referencia similares designan elementos similares o funcionalmente equivalentes, a menos que se indique lo contrario.
La figura 1 muestra una turbina 1 eólica. La turbina 1 eólica comprende un rotor 2 conectado a un generador (no mostrado) dispuesto en el interior de una góndola 3. La góndola 3 está dispuesta en el extremo superior de una torre 4 de la turbina 1 eólica.
El rotor 2 comprende tres palas 5 de turbina eólica. Las palas 5 de turbina eólica están conectadas a un buje 6 de la turbina 1 eólica. Los rotores 2 de este tipo pueden tener diámetros que oscilan entre, por ejemplo, 30 y 200 metros o incluso más. Las palas 5 de turbina eólica están sometidas a grandes cargas de viento. Al mismo tiempo, es necesario que las palas 5 de turbina eólica sean ligeras. Por estos motivos, las palas 5 de turbina eólica en las turbinas 1 eólicas modernas están fabricadas de materiales compuestos reforzados con fibra. A menudo, se usan fibras de vidrio o carbono en forma de esteras de fibras unidireccionales.
La figura 2 muestra una pala 5 de turbina eólica. La pala 5 de turbina eólica comprende una parte 7 diseñada aerodinámicamente que está conformada para un aprovechamiento óptimo de la energía eólica y una raíz 8 de pala para conectar la pala 5 de turbina eólica al buje 6. Además, la pala 5 de turbina eólica comprende una punta 9 de
pala, en la que la raíz 8 de pala y la punta 9 de pala están orientadas hacia lados opuestos. La pala 5 de turbina eólica se extiende en una dirección longitudinal L. La pala 5 tiene una longitud M que puede ser, por ejemplo, de entre 15 y 125 m.
La figura 3 muestra esquemáticamente una vista en sección transversal MI-MI de la figura 2. Todos los elementos mostrados en la figura 3 se muestran de manera simplificada. Se entiende que pueden proporcionarse elementos intermedios, en particular elementos de conexión, elementos de refuerzo y carcasas adicionales.
La pala 5 de turbina eólica comprende una carcasa 10 de pala exterior que comprende una primera semicarcasa 11 y una segunda semicarcasa 12 que están conectadas entre sí en un lado 13 de la pala 5 de turbina eólica, en particular en un borde de salida, y en el otro lado 14 de la pala 5 de turbina eólica, en particular en un borde de ataque, para formar la carcasa 10 exterior de la pala 5 de turbina eólica.
Una línea de cuerda C interseca el borde de salida y el borde de ataque. La carcasa 10 de pala puede comprender material de fibra compuesto. Además, la primera semicarcasa 11 y la segunda semicarcasa 12 pueden estar unidas de manera adhesiva entre sí. Alternativamente, la carcasa 10 de pala puede proporcionarse como un elemento de una sola pieza. La primera semicarcasa 11 comprende una superficie 15 interior y la segunda semicarcasa 12 comprende una superficie 16 interior que son opuestas entre sí, en las que un espacio 17 interior de la pala 5 de turbina eólica está definido por las superficies 15, 16 interiores.
Un alma 18, en particular un alma de cizalladura, está ubicada dentro del espacio 17 interior que se extiende desde la superficie 15 interior de la primera semicarcasa 11 hasta la superficie 16 interior de la segunda semicarcasa 12. La pala 5 de turbina eólica comprende además un elemento 19 de soporte, en particular una primera viga de carbono reforzada con fibra y/o tapa de larguero, conectado a la primera semicarcasa 11 y un elemento 20 de carbono, en particular una segunda viga de carbono y/o tapa de larguero, conectado a la segunda semicarcasa 12. En particular, los elementos 19, 20 de soporte son eléctricamente conductores y se extienden a lo largo de la dirección longitudinal L. Preferiblemente, el alma 18 también se extiende a lo largo de la dirección longitudinal L. El alma 18 está ubicada entre el elemento 19 de soporte y el elemento 20 de soporte, en la que el alma 18 y los elementos 19, 20 de soporte están formando una sección transversal en forma de I. El alma 18 y los elementos 19, 20 de soporte están formando una estructura de soporte que impide la ruptura o el abarquillamiento de la pala 5 de turbina eólica. Alternativa, o adicionalmente, el elemento 19, 20 de soporte puede proporcionarse cerca del borde de salida o cerca del borde de ataque de la pala 5 de turbina eólica.
Además, se proporciona un pararrayos 21 que se extiende a lo largo de la dirección longitudinal L y que está unido al alma 18. El pararrayos 21 está dispuesto entre los elementos 19, 20 de soporte. Preferiblemente, el pararrayos 21 es un conductor de bajada. En particular, el pararrayos 21 es un cable de metal. Además, el pararrayos 21 está preferiblemente conectado a tierra.
Además, se proporciona un conductor 22 eléctrico que se extiende en la dirección longitudinal L dentro del espacio 17.
Preferiblemente, el conductor 22 eléctrico está conectado a la superficie 15 interior. En particular, un receptor 23 (barra de pararrayos o terminal de aire) está dispuesto en una superficie 24 exterior de la pala 5. El receptor 23 está conectado eléctricamente de manera directa o indirecta al conductor 22 eléctrico y al pararrayos 21 (conexión no mostrada). Preferiblemente, el conductor 22 eléctrico está conectado directamente y/o está conectado por medio de un cable adicional al pararrayos 21 (no mostrado).
Pueden proporcionarse una pluralidad de receptores 23 en la superficie 24 exterior. Los receptores 23 y el conductor 21 forman un sistema de protección frente a rayos. Además, se proporciona material 25 de fibra que es eléctricamente conductor. El material 25 de fibra está unido y, por tanto, conectado eléctricamente de manera directa al conductor 22 eléctrico.
Preferiblemente, el conductor 22 eléctrico es un cable de metal (por ejemplo, de cobre o aluminio). Además, el material 25 de fibra está unido y, por tanto, conectado eléctricamente de manera directa al elemento 19 de soporte. La figura 4 muestra esquemáticamente una vista en perspectiva del material 25 de fibra. El material 25 de fibra comprende una pluralidad de fibras 27 (también denominadas segundas fibras). En particular, las fibras 27 son fibras de carbono unidireccionales y, en particular, continuas. Preferiblemente, las fibras 27 están incrustadas en una matriz 28, por ejemplo, en material plástico, en particular resina. Las fibras 27 se extienden en paralelo a una dirección Z que es perpendicular a la dirección X y la dirección Y. Además, las fibras 27 discurren rectas. Cada fibra 27 puede ser una sola fibra o un haz de fibras. El grosor T del material 25 de fibra se extiende en la dirección Y. La anchura W del material 25 de fibra se extiende en la dirección X.
Una matriz de conductividad eléctrica ocfc de un material 25 de fibra de este tipo es en particular:
/88 0 0
a CFC = ( o 15 0 , JS/m
1 o 0 24000 ;
La conductividad eléctrica se indica en Siemens (S) por metro (m). Tal como se mostró anteriormente, la conductividad en la dirección Z, que es la dirección de extensión de las fibras 27 de carbono, es muchas veces mayor que las conductividades en la dirección X y la dirección Y. Esto ilustra una anisotropía del material 25 de fibra. Las fibras 27 son la razón principal de una conductividad eléctrica suficiente del material 25 de fibra. Preferiblemente, la conductividad en la dirección Z es de entre 20000 y 30000 S/m.
La figura 5 muestra esquemáticamente una vista desde arriba del material 25 de fibra que (en esta realización) se proporciona como un material de fibra dirigido. En particular, esto significa que las fibras 27 están curvadas con un radio de curvatura R, en particular de entre 100 y 1000 mm.
Las fibras 27 are, por ejemplo, hilos de urdimbre. El material 25 de fibra comprende además al menos un hilo 29 de trama que se extiende a modo de onda a lo largo de la forma curva de las fibras 27 para mantener juntas o agrupar las fibras 27. Los hilos 29 de trama están enroscados en perpendicular a través de las fibras 27. Preferiblemente, el al menos un hilo 29 de trama comprende fibras de vidrio o es un haz de fibras de vidrio. Alternativamente, el al menos un hilo 29 de trama comprende fibras de carbono o es un haz de fibras de carbono. En particular, el hilo 29 de trama es eléctricamente conductor.
Preferiblemente, los hilos 29 de trama también se proporcionan en el material de fibra mostrado en la figura 4. Por tanto, la conductividad eléctrica en la dirección X es mayor que en la dirección Y (véase la figura 4). Una pluralidad 30 de fibras 27 están dispuestas una al lado de la otra formando una dirección de extensión V principal curva del material 25 de fibra. Curvando la pluralidad 30 de fibras 27, puede proporcionarse una trayectoria curva que tiene conductividad eléctrica suficiente a lo largo de la trayectoria curva. Las fibras 27 están curvadas y son la razón principal de una conductividad eléctrica suficiente. Preferiblemente, la conductividad en la dirección V del material 25 de fibra es de entre 20000 y 30000 S/m.
La figura 6 muestra esquemáticamente una vista desde arriba de una disposición 26 de conexión de la pala 5 de turbina eólica según la figura 2. La disposición 26 de conexión comprende el elemento 19 de soporte que tiene fibras 31 (también denominadas primeras fibras) que son eléctricamente conductoras, y el material 25 de fibra que tiene las fibras 27 que son eléctricamente conductoras. El material 25 de fibra está unido y conectado eléctricamente al elemento 19 de soporte formando una parte 32 de solapamiento. Las fibras 27 se extienden hacia el elemento 19 de soporte y la dirección de extensión V de las fibras 27 se ajusta (cuando se mira desde una vista desde arriba y/o cuando se mira en perpendicular sobre un lado 33 ancho del elemento 19 de soporte) de manera que se reduce la discontinuidad de conductividad eléctrica a través de la parte 32 de solapamiento.
En particular, la dirección de extensión V de las fibras 27 cambia de manera que se reduce el ángulo a 1 (también denominado primer ángulo) entre las fibras 31 en la parte 32 de solapamiento y las fibras 27. Por ejemplo, el ángulo a 1 en la parte 32 de solapamiento es de entre 0 y 50°, 0 y 35°, 0 y 20° o 0 y 10°, en particular 0°. Esto significa que el ángulo a 1 entre las fibras 31 y las fibras 27 se reduce a lo largo de una trayectoria 52 de extensión de las fibras 27 hacia el elemento 19 de soporte. El ángulo a 1 disminuye, en particular de manera continua, a lo largo de la dirección de extensión V hacia un extremo 34 del material 25 de fibra que se solapa con el elemento 19 de soporte. Alternativamente, las fibras 27 pueden experimentar torsiones que tienen una torsión distintiva (no mostrado).
Además, el material 25 de fibra tiene una parte 53 libre que está conectada directamente a la parte 32 de solapamiento. La dirección de extensión V de las segundas fibras 27 cambia a lo largo de la trayectoria 52 de extensión de las segundas fibras 27. Se proporciona un ángulo a 2 (también denominado segundo ángulo) entre las segundas fibras 27 en la parte 53 libre y las primeras fibras 31. El ángulo a 2 es mayor que el ángulo a 1.
La disposición 26 comprende además un conductor 35 eléctrico, en el que el material 25 de fibra está unido y conectado eléctricamente al conductor 35 eléctrico formando una parte 36 de solapamiento adicional que está conectada directamente a la parte 53 libre. La parte 53 libre, la parte 32 de solapamiento y la parte 36 de solapamiento adicional son una sola pieza. Las fibras 27 se extienden desde la parte 36 de solapamiento adicional hasta la parte 32 de solapamiento.
Por ejemplo, el conductor 35 eléctrico puede ser el conductor 22 eléctrico de la figura 3. Las fibras 27 se extienden desde la parte 36 de solapamiento adicional hacia la parte 32 de solapamiento. Tal como se muestra en la figura 6, la parte 32 de solapamiento se solapa con el elemento 19 de soporte y la parte 36 de solapamiento adicional se solapa con el conductor 35 eléctrico. En particular, el conductor 35 eléctrico es un cable de metal. Por ejemplo, el ángulo a 2 se reduce de manera continua desde la parte 36 de solapamiento adicional hacia la parte 32 de solapamiento.
En particular, las segundas fibras 27 y el material 25 de fibra tienen forma de arco cuando se mira en perpendicular
sobre el lado 33 ancho del elemento 19 de soporte. Preferiblemente, las fibras 27 tienen una sola curva. El conductor 35 eléctrico comprende una dirección de extensión E. El ángulo p entre las fibras 27 y la dirección de extensión E del conductor 35 eléctrico en la parte 36 de solapamiento adicional es de entre 0 y 90°, 30 y 90°, 45 y 90°, 60 y 90°, o 75 y 90°, en particular 90°. En particular, las fibras 31 son fibras de carbono unidireccionales y las fibras 27 son fibras de carbono unidireccionales.
Preferiblemente, las fibras 31 y las fibras 27 son de un tipo idéntico que tienen la misma conductividad eléctrica. Esto tiene la ventaja de que la impedancia del elemento 19 de soporte y el material 25 de fibra está en el mismo intervalo y por tanto la corriente se transfiere de manera homogénea, es decir, no principalmente en los bordes de la conexión, desde el material 25 de fibra hasta el elemento 19 de carbono. Preferiblemente, el material 25 de fibra y el elemento 19 de soporte están compuestos por el mismo material.
La figura 7 muestra esquemáticamente una vista en perspectiva de una realización adicional de la disposición 26 de conexión. El elemento 19 de soporte es preferiblemente una tapa de larguero que comprende material polimérico reforzado con fibra de carbono (CFRP).
A diferencia de la figura 6, la disposición 26 comprende un conductor 37 eléctrico (también denominado conductor eléctrico adicional) y un material 38 de fibra (también denominado material de fibra adicional), en la que el material 38 de fibra está unido y conectado eléctricamente al elemento 19 de soporte y al conductor 37 eléctrico. El conductor 35 eléctrico y el material 25 de fibra están dispuestos cerca de la raíz 8 de pala (véase la figura 2) y el conductor 37 eléctrico y el material 38 de fibra están dispuestos cerca de la punta 9 de pala (véase la figura 2).
Preferiblemente, el material 38 de fibra está dispuesto simétricamente en espejo con respecto al material 25 de fibra. Preferiblemente, una parte 40 de extremo del elemento 19 de soporte tiene forma de cuña. La parte 32 de solapamiento se proporciona en la parte 40 de extremo. En particular, otra parte 41 de extremo del elemento 19 de soporte también tiene forma de cuña. El material 38 de fibra está conectado a la otra parte 41 de extremo.
Además, se proporciona un conductor 39 eléctrico y un material 42 de fibra. El material 42 de fibra está unido y conectado eléctricamente al elemento 19 de soporte y al conductor 39 eléctrico. El conductor 39 eléctrico y el material 42 de fibra se proporcionan como una conexión intermedia dispuesta entre el material 25 de fibra y el material 38 de fibra. El conductor 35 eléctrico, el conductor 37 eléctrico y el conductor 39 eléctrico pueden proporcionarse como un conductor de una sola pieza, en particular un cable de LPS y/o el conductor 22 (véase la figura 3).
Alternativamente, los conductores 35, 37, 39 pueden proporcionarse como conductores independientes, en particular cables de LPS.
Los materiales 38, 42 de fibra pueden conectarse al elemento 19 de soporte tal como se describe para el material 25 de fibra. El lado 33 ancho puede proporcionarse como el lado más ancho del elemento 19 de soporte. El elemento 19 de soporte comprende además un lado 43 estrecho, en el que el lado 33 ancho es varias veces más grande que el lado estrecho. Por tanto, el elemento 19 de soporte se proporciona como un elemento plano. Preferiblemente, el elemento 19 de soporte tiene una forma de sección transversal rectangular.
Opcionalmente, puede proporcionarse una pieza 44 de inserción de núcleo que se une al lado 43 estrecho. El conductor 39 eléctrico está dispuesto en un plano P que se proporciona paralelo y desviado hacia el lado 33 ancho. En particular, la pieza 44 de inserción de núcleo proporciona una transición redondeada entre el lado 33 ancho y el plano P.
Preferiblemente, la pieza 44 de inserción de núcleo se proporciona a lo largo de toda la longitud del elemento 19 de soporte. Preferiblemente, los conductores 37, 39 eléctricos están conectados a los materiales 38, 42 de fibra tal como se describe para el conductor 35 eléctrico y el material 25 de fibra. En particular, el elemento 19 de soporte tiene una conductividad de entre 20000 y 30000 S/m, en particular de 24000 S/m, en la dirección longitudinal L. La figura 8 muestra esquemáticamente una vista en sección transversal VIII - VIII de la figura 7 que muestra una conexión 45 entre el conductor 39 eléctrico y el material 42 de fibra, en particular la parte 36 de solapamiento adicional. El material 42 de fibra se comba o dobla alrededor del conductor 39 eléctrico. El material 42 de fibra abarca el conductor 39 eléctrico, en el que una parte 46 de extremo del material 42 de fibra se solapa con una parte 47 intermedia del material 42 de fibra que se extiende hacia el conductor 39 eléctrico.
Alternativamente, el material 42 de fibra puede combarse alrededor del conductor 39 eléctrico sin formar una parte de solapamiento.
La figura 9 muestra esquemáticamente una realización adicional de la disposición 26 de conexión. A diferencia de la figura 7, el conductor 35 eléctrico está conectado eléctricamente al elemento 19 de soporte por medio de dos materiales 25, 48 de fibra que tienen diferentes radios R. Por tanto, puede proporcionarse una conexión redundante entre el conductor 35 eléctrico y el elemento 19 de soporte, en particular la parte 40 de extremo.
El material 48 de fibra comprende fibras 49 que se proporcionan tal como se describe para las fibras 27. El material 48 de fibra está unido y conectado eléctricamente a la parte 32 de solapamiento por medio de una parte 50 de solapamiento que se solapa con la parte 32 de solapamiento. En particular, el material 48 de fibra también está unido al elemento 19 de soporte.
Además, el material 48 de fibra está unido y conectado eléctricamente al conductor 35 eléctrico formando una parte 51 de solapamiento. La parte 32 de solapamiento está intercalada entre el elemento 19 de soporte, en particular la parte 40 de extremo, y el material 48 de fibra, en particular la parte 50 de solapamiento. Preferiblemente, la parte 51 de solapamiento se proporciona tal como se describe para la parte 36 de solapamiento. Las partes 36, 51 de solapamiento se proporcionan una al lado de la otra a lo largo de la dirección E.
Por ejemplo, cada material 25, 38, 27 de fibra mostrado en la figura 7 puede sustituirse por dos materiales 25, 48 de fibra tal como se muestra en la figura 9. Alternativamente, todos los materiales 25, 38, 27 de fibra mostrados en la figura 7 pueden sustituirse simplemente por dos materiales 25, 48 de fibra tal como se muestra en la figura 9.
Aunque la presente invención se ha descrito según realizaciones preferidas, resulta obvio para el experto en la técnica que son posibles modificaciones en todas las realizaciones. El alma 18 (véase la figura 3), por ejemplo, puede tener una sección transversal en forma de armazón. En particular, puede proporcionarse un conductor eléctrico adicional en la superficie 16 que se conecta al elemento 20 de soporte por medio de materiales de fibra tal como se describió anteriormente.
Los materiales 25, 38, 42, 48 de fibra pueden proporcionarse tal como se describe con respecto a las figuras 5, 6 y/o 9. Las partes 36, 51 de conexión entre los conductores 35, 37, 39 y los materiales 25, 38, 42, 48 de fibra pueden proporcionarse tal como se describe con respecto a la figura 8. Las conductividades eléctricas explicadas con respecto a la figura 4 se aplican, cambiando lo que se deba cambiar, a todos los materiales 25, 38, 42, 48 de fibra.
Claims (13)
- REIVINDICACIONESi. Pala (5) de turbina eólica para una turbina (1) eólica, comprendiendo la pala (5) de turbina eólica un elemento (19) de soporte que tiene primeras fibras (31) que son eléctricamente conductoras, y un material (25) de fibra que tiene segundas fibras (27) que son eléctricamente conductoras, en la que el material (25) de fibra tiene una parte (53) libre y una parte (32) de solapamiento que está al menos parcialmente unida y eléctricamente conectada al elemento (19) de soporte, en la que la dirección de extensión (V) de las segundas fibras (27) cambia a lo largo de una trayectoria (52) de extensión de las segundas fibras (27), en la que se proporciona un primer ángulo (a 1) entre las segundas fibras (27) en la parte (32) de solapamiento y las primeras fibras (31), en la que se proporciona un segundo ángulo (a 2) entre las segundas fibras (27) en la parte (53) libre y las primeras fibras (31), y en la que el segundo ángulo (a 2) es mayor que el primer ángulo (a 1),caracterizada porque el primer ángulo (a 1) es de entre 0 y 50° y las fibras (27, 31) primera y segunda son fibras de carbono unidireccionales.
- 2. Pala de turbina eólica según la reivindicación 1,en la que el segundo ángulo (a 2) entre las primeras fibras (31) y las segundas fibras (27) se reduce de manera continua en la parte (53) libre hacia la parte (32) de solapamiento.
- 3. Pala de turbina eólica según la reivindicación 1 ó 2, en la que las segundas fibras (27) tienen forma de arco cuando se mira en perpendicular sobre un lado (33) ancho del elemento (19) de soporte.
- 4. Pala de turbina eólica según una de las reivindicaciones 1 - 3, en la que el material (25) de fibra comprende un hilo (29) de trama que se extiende a modo de onda a lo largo de la dirección de extensión (V) de las segundas fibras (27) para mantener juntas las segundas fibras (27).
- 5. Pala de turbina eólica según una de las reivindicaciones 1 - 4, en la que el elemento (19) de soporte es una tapa de larguero que comprende material polimérico reforzado con fibra de carbono y/o en la que el material (25) de fibra es una estera dirigida de fibras de carbono.
- 6. Pala de turbina eólica según una de las reivindicaciones 1 - 5, que comprende además un conductor (35) eléctrico, en la que el material (25) de fibra tiene una parte (36) de solapamiento adicional que está unida y conectada eléctricamente al conductor (35) eléctrico, en la que las segundas fibras (27) se extienden desde la parte (36) de solapamiento adicional hacia la parte (32) de solapamiento.
- 7. Pala de turbina eólica según la reivindicación 6,en la que el conductor (35) eléctrico comprende una dirección de extensión (E), y en la que el ángulo (P) entre las segundas fibras (27) y la dirección de extensión (E) del conductor (35) eléctrico en la parte (36) de solapamiento adicional es de entre 0 y 90°, 30 y 90°, 45 y 90°, 60 y 90°, o 75 y 90°, en particular 90°.
- 8. Pala de turbina eólica según la reivindicación 6 ó 7, en la que el material (25) de fibra se comba o dobla alrededor del conductor (35) eléctrico.
- 9. Pala de turbina eólica según una de las reivindicaciones 6 - 8, que comprende además un conductor (37) eléctrico adicional y un material (38, 48) de fibra adicional, en la que el material (38, 48) de fibra adicional está unido y conectado eléctricamente al elemento (19) de soporte y al conductor (37) eléctrico adicional o al conductor (35) eléctrico.
- 10. Pala de turbina eólica según la reivindicación 9,en la que el conductor (35) eléctrico y el material (25) de fibra están dispuestos en una raíz (8) de pala y en la que el conductor (37) eléctrico adicional y el material (38) de fibra adicional están dispuestos en una punta (9) de pala.
- 11. Pala de turbina eólica según la reivindicación 9,en la que la parte (32) de solapamiento está intercalada entre el material (48) de fibra adicional y el elemento (19) de soporte.
- 12. Pala de turbina eólica según una de las reivindicaciones 7 - 11, en la que el conductor (35) eléctrico y/o el conductor (37) eléctrico adicional es un cable de metal.
- 13. Turbina (1) eólica que comprende una pala (5) de turbina eólica según una de las reivindicaciones 1 - 12.
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