ES2968230T3

ES2968230T3 - Pala para una turbina eólica

Info

Publication number: ES2968230T3
Application number: ES20150748T
Authority: ES
Inventors: Sri Markandeya Rajesh Ponnada
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy AS
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2024-05-08
Anticipated expiration: 2040-01-08
Also published as: US20210207575A1; DK3848572T3; EP3848572A1; FI3848572T3; EP3848572B1; CN113090443A; US11542916B2

Abstract

Una pala (20) para una turbina eólica (10) incluye una estructura (40) que tiene: un lado de succión (25) y un lado de presión (26) que se extienden entre un borde de ataque (41) y el borde de salida (31), - un elemento conductor o semiconductor (50, 70, 80). La pala (20) incluye además: - un aislamiento eléctrico térmicamente conductor (60), al menos parcialmente en contacto con la estructura (40). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Pala para una turbina eólica

Campo de la invención

La presente invención se refiere a una pala de una turbina eólica.

Más en particular, la presente invención se refiere a una protección eléctrica y/o contra rayos y/o a una disposición de calefacción/deshielo para una pala de una turbina eólica.

Antecedentes de la técnica

Las palas de rotor, al ser la parte más expuesta de la turbina eólica, están expuestas con frecuencia a impactos de rayos. La probabilidad de recibir impactos es más alta en el extremo de la punta y disminuye a medida que se avanza hacia la raíz. La adición de elementos metálicos, de carbono u otros elementos conductores (o semiconductores) en el exterior (o hacia el exterior) de la superficie de la pala, por ejemplo, como parte de un sistema de calentamiento resistivo o inductivo para el deshielo, o componentes estructurales (p. ej., refuerzos de larguero de carbono) aumenta el riesgo de atracción de rayos. Esto puede dañar no solo los elementos conductores sino también la estructura de la pala. Por ello, una medida que se adopta es, por ejemplo, retirar elementos conductores de la punta de la pala. Otros elementos conductores también pueden situarse convenientemente lejos del borde posterior donde se espera que el rayo permanezca durante un tiempo prolongado. Se proporcionan uniones equipotenciales entre diferentes elementos conductores o semiconductores para la ecualización de voltaje, que de otro modo darían lugar a descargas eléctricas dentro de la pala.

Pueden encontrarse ejemplos de la técnica anterior en el documento DE 102008 006427 A1 y EP 3530936 A1. Es deseable proporcionar una pala para una turbina eólica que permita que los componentes conductores se sitúen en cualquier lugar a lo largo de la pala con riesgo reducido o nulo de atracción de rayos o de deflagraciones internas.

Sumario de la invención

Esta necesidad y otras, como se aclara mejor a continuación, pueden ser satisfechas por el objeto según la reivindicación independiente.

Las realizaciones ventajosas de la presente invención se describen en las reivindicaciones dependientes.

Según la presente invención, se proporciona una pala para una turbina eólica que incluye una estructura que tiene: - un lado de succión y un lado de presión que se extienden entre un borde anterior y el borde posterior, - un elemento conductor o semiconductor.

La pala incluye además un aislamiento eléctrico conductor del calor, al menos parcialmente en contacto con la estructura. Según realizaciones de la presente invención, el aislamiento eléctrico conductor del calor está al menos parcialmente en contacto con el elemento conductor o semiconductor.

La disposición descrita anteriormente permite situar componentes conductores en cualquier posición a lo largo de la pala entre la punta y la raíz. Los componentes conductores en contacto con el elemento conductor o semiconductor pueden situarse también cerca del borde posterior. La disposición descrita anteriormente reduce o impide el riesgo de atracción de rayos, permitiendo también una transferencia de calor satisfactoria.

Según realizaciones de la presente invención, el elemento conductor o semiconductor es un elemento calefactor resistivo o inductivo para calentar la pala, utilizado por ejemplo para el deshielo. Por lo tanto, puede conseguirse el deshielo con alta eficiencia y seguridad. La presente invención permite calentar zonas donde no pueden permitirse elementos de deshielo tradicionales, por ejemplo debido al riesgo de erosión o descarga de alta tensión, mejorando por tanto la flexibilidad y la eficiencia.

Según la presente invención, el elemento conductor o semiconductor es un elemento estructural de la pala. Por ejemplo, el elemento estructural puede ser un refuerzo de larguero. En particular, el elemento estructural puede ser un refuerzo de larguero utilizado como elementos calefactores de pala.

Según realizaciones de la presente invención, el elemento conductor o semiconductor es un elemento de detección, accionamiento o comunicaciones o una parte del mismo.

Según realizaciones de la presente invención, el elemento conductor o semiconductor es un componente de un sistema de protección contra rayos. Los elementos conductores que se introducen en la pala y se extienden paralelos a un conductor descendente del sistema de protección contra rayos (Lightning Protection System - LPS), debe proporcionarse un medio de igualación de tensión entre los elementos conductores y el conductor descendente mediante uniones equipotenciales, que, de no existir, supone un elevado riesgo de descargas internas que producen daños estructurales. Tales uniones equipotenciales, especialmente cuando se realizan entre materiales diferentes (p. ej., metal y carbono), es una zona débil que puede ser destruida fácilmente por el calor producido mientras se transfieren corrientes de rayos. El uso de un aislamiento eléctrico conductor del calor en la unión y/o en el conductor descendente y/o en los elementos conductores o semiconductores proporciona la necesaria disipación de calor.

Según realizaciones de la presente invención, el aislamiento eléctrico conductor del calor se proporciona en forma de una capa sobre el elemento calefactor conductor o semiconductor. El uso de una capa puede ser preferible cuando el aislamiento eléctrico es muy crítico. Puede aplicarse una capa de aislamiento eléctrico conductor del calor durante el moldeo de la pala o posteriormente. Puede aplicarse una capa continua de un aislamiento eléctrico conductor del calor mediante adhesión, pulverización en frío, rodillo o recubrimiento por inmersión, etc. Puede incorporarse una capa continua de un aislamiento eléctrico conductor de calor como una capa intercalada durante el moldeo (o premoldeo) de palas.

Según otras realizaciones de la presente invención, el aislamiento eléctrico conductor del calor se proporciona de forma discontinua. Una capa discontinua de un aislamiento eléctrico conductor del calor puede aplicarse mediante los métodos mencionados anteriormente. Además, puede realizarse el refuerzo del material estructural de la pala con partículas de aislamiento eléctrico conductoras del calor, fibras, esterillas, etc.

Según realizaciones de la presente invención, el aislamiento eléctrico conductor del calor puede proporcionarse como una superficie interior o como una superficie exterior del lado de succión y/o el lado de presión de la pala.

Según realizaciones de la presente invención, el aislamiento eléctrico conductor del calor comprende nitruro de aluminio o nitruro de boro o una mezcla de los mismos. En particular, puede utilizarse nitruro de boro hexagonal (>99 %, autounido).

Los aspectos definidos anteriormente y otros aspectos de la presente invención se infieren de los ejemplos de realización que se describirán a continuación y se explican con referencia a los ejemplos de realización. La invención se describirá con más detalle a continuación en la memoria haciendo referencia a ejemplos de realización, no estando la invención limitada a los mismos.

Breve descripción de las figuras

La Figura 1 muestra una turbina eólica.

La Figura 2 muestra una pala de rotor de una turbina eólica.

La Figura 3 muestra una vista en sección de una primera realización de una pala de rotor según la presente invención.

La Figura 4 muestra una vista en sección de una segunda realización de una pala de rotor según la presente invención.

La Figura 5 muestra una vista en sección de una tercera realización de una pala de rotor según la presente invención.

La Figura 6 muestra una vista en sección de una cuarta realización de una pala de rotor según la presente invención.

La Figura 7 muestra una vista ampliada del detalle VII de las figuras 3 y 4.

La Figura 8 muestra una vista ampliada del detalle VIII de la figura 5.

La Figura 9 muestra una vista ampliada del detalle IX de la figura 6.

La Figura 10 muestra una vista esquemática de una quinta realización de una pala de rotor según la presente invención.

Descripción detallada

Los dibujos están en forma esquemática. Elementos similares o idénticos se indican mediante los mismos o diferentes signos de referencia.

LaFigura 1muestra una turbina eólica 10 convencional para generar electricidad. La turbina eólica 10 comprende una torre 11 que está montada sobre el terreno 16 en un extremo. En el extremo opuesto de la torre 11 hay montada una góndola 12. La góndola 12 está montada de forma giratoria sobre la torre 11, que comprende un eje de guiñada sustancialmente perpendicular al suelo 16. La góndola 12 normalmente aloja el generador de la turbina eólica y el engranaje (si la turbina eólica es una turbina con engranaje). Además, la turbina eólica 10 comprende un cubo 13 que puede girar alrededor de un eje Y de rotor. Cuando no se especifican de forma distinta, los términos axial, radial y circunferencial utilizados a continuación hacen referencia al eje Y de rotor. El cubo 13 se describe a menudo como una parte de un rotor de turbina eólica, en donde el rotor de turbina eólica es capaz de rotar alrededor del eje Y de rotor y transferir la energía de rotación a un generador eléctrico (no mostrado).

La turbina eólica 1 comprende además al menos una pala 20 (en la realización de la Figura 1, el rotor eólico comprende tres palas 20, de las cuales solo dos palas 20 son visibles) montada en el cubo 13. Cada pala 20 de rotor se extiende de forma sustancialmente radial respecto al eje rotacional Y. Cada pala 20 de rotor está normalmente montada pivotante respecto al cubo 13, para que cabecee alrededor de los ejes X de cabeceo respectivos. Esto mejora el control de la turbina eólica y, en particular, de las palas de rotor por la posibilidad de modificar la dirección en la que el viento golpee las palas 20 de rotor. Cada pala 20 de rotor está montada en el cubo 13 en su sección 21 de raíz. La sección 21 de raíz es opuesta a la sección 22 de punta de la pala de rotor.

LaFigura 2ilustra con más detalle la pala 20 de rotor. Entre la sección 21 de raíz y la sección 22 de punta, la pala 20 de rotor comprende además una pluralidad de secciones 30 de perfil aerodinámico distribuidas entre la sección 21 de raíz y la sección 22 de punta para generar sustentación. Cada sección 30 de perfil aerodinámico comprende un lado 25 de succión y un lado 26 de presión. El lado 25 de succión está dividido o separado con respecto al lado 26 de presión por una línea 27 de cuerda que conecta un borde anterior 41 con un borde posterior 31 de la pala 20 de rotor. El lado 25 de succión y el lado 26 de presión pueden estar conectados por una o más almas 28 de cizallamiento transversal (un alma 28 de cizallamiento en la realización de la figura 3), que proporcionan un refuerzo donde la distancia entre el lado 25 de succión y el lado 26 de presión son mayores, es decir, en una posición intermedia a lo largo de la línea 27 de cuerda, entre el borde anterior 41 y el borde posterior 31.

LaFigura 3ilustra una sección 30 de perfil aerodinámico con mayor detalle. La sección 30 de perfil aerodinámico incluye una estructura básica 40 que comprende el lado 25 de succión, el lado 26 de presión y un alma 28 de cizallamiento. La estructura básica 40 puede fabricarse como un laminado de pala. En el borde 41 anterior, la sección 30 de perfil aerodinámico comprende un elemento calefactor 50 resistivo o inductivo en forma de una capa delgada a conectar a una fuente de energía eléctrica. Según otras realizaciones de la presente invención, el elemento calefactor 50 puede proporcionarse en una forma diferente de una capa delgada. El elemento calefactor 50 se extiende entre un primer extremo 51 y un segundo extremo 52 opuesto. El primer extremo 51 y el segundo extremo 52 opuesto pueden proporcionarse respectivamente en el lado 25 de succión y en el lado 26 de presión. El elemento calefactor 50 puede proporcionarse en la parte de la estructura básica 40 comprendida entre el borde anterior 41 y el alma 28 de cizallamiento. El elemento calefactor 50 puede proporcionarse también, o de forma alternativa, en la parte de la estructura básica 40 comprendida entre el borde 31 posterior y el alma 28 de cizallamiento. El elemento calefactor 50 puede estar configurado simétricamente con respecto a la línea 27 de cuerda. Según otras realizaciones de la presente invención, el elemento calefactor 50 puede no ser simétrico con respecto a la línea 27 de cuerda. Según las realizaciones de la presente invención, el elemento calefactor 50 puede proporcionarse completamente en el lado 25 de succión o en el lado 26 de presión. La sección 30 de perfil aerodinámico comprende además un aislamiento eléctrico 60 conductor del calor sobre el elemento calefactor resistivo 50. El aislamiento eléctrico 60 conductor del calor se proporciona como una capa delgada. Según otras realizaciones de la presente invención, el aislamiento eléctrico 60 conductor del calor puede proporcionarse en una forma diferente de una capa delgada. El aislamiento eléctrico 60 conductor del calor se extiende entre una primera sección terminal 61 y una segunda sección terminal 62 opuesta, cubriendo el primer extremo 51 y el segundo extremo 52 del elemento calefactor 50, respectivamente. La primera sección terminal 61 y la segunda sección terminal 62 se extienden respectivamente más allá del primer extremo 51 y del segundo extremo 52, como se muestra en la Figura 3. Según otras realizaciones de la presente invención (no mostradas), la primera sección terminal 61 y la segunda sección terminal 62 no se extienden más allá del primer extremo 51 y del segundo extremo 52.

LaFigura 4ilustra otra realización de la sección 30 de perfil aerodinámico. Esta segunda realización se diferencia de la realización de la figura 3 en que se proporciona más de un elemento calefactor 50. Según tal realización, se proporcionan dos elementos calefactores 50 en la parte de la estructura básica 40 comprendida entre el borde anterior 41 y el alma 28 de cizallamiento, respectivamente en el lado 25 de succión y en el lado 26 de presión. Según otras realizaciones de la presente invención (no mostradas), los dos elementos calefactores 50 pueden proporcionarse en otras posiciones en la estructura básica 40. Según otras realizaciones de la presente invención (no mostradas), pueden proporcionarse más de dos elementos calefactores 50.

LaFigura 5ilustra otra realización de la sección 30 de perfil aerodinámico. En esta tercera realización, la sección 30 de perfil aerodinámico comprende dos refuerzos 70 de larguero en el lado 25 de succión y en el lado 26 de presión, en los dos extremos opuestos del alma 28 de cizallamiento. Los refuerzos 70 de larguero cooperan con el alma 28 de cizallamiento para proporcionar un refuerzo estructural a la sección 30 de perfil aerodinámico. Cada refuerzo 70 de larguero se extiende entre un primer extremo 71 y un segundo extremo opuesto 72. La sección 30 de perfil aerodinámico comprende además dos aislamientos eléctricos 60 conductores del calor sobre los dos refuerzos 70 de larguero, respectivamente, pero no en contacto con ellos. Los dos aislamientos eléctricos 60 conductores del calor se proporcionan respectivamente en superficies exteriores del lado 25 de succión y del lado 26 de presión. El aislamiento eléctrico 60 conductor del calor se proporciona como una capa delgada. Según otras realizaciones de la presente invención, el aislamiento eléctrico 60 conductor del calor puede proporcionarse en una forma diferente de una capa delgada. Cada aislamiento eléctrico 60 conductor del calor se extiende entre una primera sección terminal 61 y una segunda sección terminal 62 opuesta, cubriendo respectivamente el primer extremo 71 y el segundo extremo 72 de un refuerzo 70 de larguero respectivo.

LaFigura 6ilustra otra realización de la sección 30 de perfil aerodinámico. Esta cuarta realización se diferencia de la realización de la Figura 5 en que los dos aislamientos eléctricos 60 conductores del calor se proporcionan respectivamente sobre superficies internas del lado 25 de succión y el lado 26 de presión.

LaFigura 7ilustra más detalladamente, para las realizaciones de las figuras 3 y 4, los límites del aislamiento eléctrico 60 conductor del calor, es decir, cómo la primera sección terminal 61 y la segunda sección terminal 62 cubren el primer extremo 51 y el segundo extremo 52 del elemento calefactor 50. La primera sección terminal 61 y la segunda sección terminal 62 se extienden más allá del primer extremo 51 y el segundo extremo 52, es decir, la primera sección terminal 61 y la segunda sección terminal 62 están en contacto directo con la estructura básica 40. Esto permite difundir la energía térmica.

LasFiguras 8y9ilustran con más detalle, respectivamente, para las realizaciones de las Figuras 5 y 6, cómo se sitúa el aislamiento eléctrico 60 conductor del calor con respecto a los dos refuerzos 70 de larguero en el lado 25 de succión y en el lado 26 de presión. El aislamiento eléctrico 60 conductor del calor está en contacto directo con el lado 25 de succión y en el lado 26 de presión, pero distanciado de los dos refuerzos 70 de larguero. La primera sección terminal 61 y la segunda sección terminal 62 se extienden más allá del primer extremo 71 y del segundo extremo 72.

LaFigura 10muestra el uso del aislamiento eléctrico 60 conductor del calor sobre un elemento calefactor. El elemento calefactor puede ser un refuerzo 70 de larguero o una sección del mismo. Se proporciona un conductor 80 en contacto con el refuerzo 70 de larguero y se conecta a una fuente 55 de corriente. El flujo de corriente a través del conductor 80 y el refuerzo 70 de larguero, que proporciona calentamiento a través del efecto Joule en una zona de alta temperatura debido a la conexión eléctrica entre materiales diferentes para la disipación de calor. Los aislamientos eléctricos 80 conductores del calor respectivos se proporcionan sobre los conductores 80 y las partes del refuerzo 70 de larguero adyacentes a los conductores 80, permitiendo por tanto la disipación de calor y evitando daños por exceso de calentamiento.

Según otras realizaciones de la presente invención (no mostradas), el aislamiento eléctrico 60 conductor del calor (Thermally Conducting Electrical Insulation - TCEI) se proporciona en una forma más discontinua que una capa delgada. Por ejemplo, el aislamiento eléctrico 60 conductor del calor puede proporcionarse como refuerzo o hibridación de la estructura básica 40. El aislamiento eléctrico 60 conductor del calor puede aplicarse durante el moldeo de palas o posteriormente. El aislamiento eléctrico 60 conductor del calor en forma de una capa puede aplicarse mediante adhesión, pulverización en frío, recubrimiento por rodillo o por inmersión u otras técnicas. El aislamiento eléctrico 60 conductor del calor en forma de una capa puede incorporarse en una estructura de capa intercalada durante el moldeo (o premoldeo) de palas. El aislamiento eléctrico 60 conductor del calor puede proporcionarse como una superficie interior o como una superficie exterior del lado 25 de succión y/o del lado 26 de presión. El aislamiento eléctrico 60 conductor del calor en una forma discontinua puede fabricarse utilizando los métodos descritos anteriormente (adhesión, pulverización en frío, rodillo, recubrimiento por inmersión, etc.). También puede llevarse a cabo el refuerzo de la estructura básica 40 con partículas de TCEI, fibras, esteras, etc.

El aislamiento eléctrico 60 conductor del calor puede estar hecho de nitruro de aluminio o nitruro de boro, en particular nitruro de boro hexagonal (>99 %, autounido). Además, los distintos materiales podrían utilizarse en tándem en una configuración estratificada o mixta.

Claims

REIVINDICACIONES

i. Una pala (20) para una turbina eólica (10) que incluye una estructura (40) que tiene:

- un lado (25) de succión y un lado (26) de presión que se extiende entre un borde anterior (41) y el borde posterior (31),

- un elemento (50, 70, 80) conductor o semiconductor, en donde la pala (20) incluye además: - un aislamiento eléctrico (60) conductor del calor, al menos parcialmente en contacto con la estructura (40),

caracterizado por queel

elemento (50, 70, 80) conductor o semiconductor es un elemento estructural de la pala (20).
2. La pala (20) según la reivindicación 1, en donde el aislamiento eléctrico (60) conductor del calor está al menos parcialmente en contacto con el elemento (50, 70, 80) conductor o semiconductor.
3. La pala (20) según la reivindicación 1 o 2, en donde el aislamiento eléctrico (60) conductor del calor se proporciona en forma de una capa sobre el elemento de calefactor (50, 70, 80) conductor o semiconductor.
4. La pala (20) según la reivindicación 3, en donde el aislamiento eléctrico (60) conductor del calor se proporciona como una superficie interior o como una superficie exterior del lado (25) de succión y/o del lado (26) de presión de la pala (20).
5. La pala (20) según la reivindicación 1 o 2, en donde el aislamiento eléctrico (60) conductor del calor se proporciona en una forma discontinua.
6. La pala (20) según la reivindicación 5, en donde el aislamiento eléctrico (60) conductor de calor se proporciona como refuerzo o hibridación del lado (25) de succión y/o del lado (26) de presión de la pala (20).
7. La pala (20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el elemento (50) conductor o semiconductor es un elemento calefactor resistivo o inductivo para calentar la pala (20).
8. La pala (20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el elemento (80) conductor o semiconductor es un componente de un sistema de protección contra rayos.
9. La pala (20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el aislamiento eléctrico (60) conductor del calor comprende nitruro de aluminio.
10. La pala (20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el aislamiento eléctrico (60) conductor del calor comprende nitruro de boro.
11. La pala (20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el elemento (50, 70, 80) conductor o semiconductor es un elemento de detección, accionamiento o de comunicaciones o una parte del mismo.
12. Turbina eólica (10) que incluye una pala (20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.