FR3018558A1 - METHOD OF PROPORTIONAL RADIAL DIFFUSION OF HEAT ON A WINDMILL BLADE - Google Patents
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Abstract
L'objet de l'invention est un procédé de diffusion proportionnelle, radiale de la chaleur sur une pale d'éolienne, comprenant un revêtement d'un matériau conducteur formant résistance électrique sur une zone longitudinale, deux électrodes E1 et E2, écartées d'une valeur X noyées sur les bords dudit revêtement, et alimentées en énergie électrique, caractérisé en ce que le revêtement a une épaisseur ε qui varie longitudinalement et/ou transversalement. L'invention couvre aussi les agencements adaptés pour la mise en œuvre du procédé.The object of the invention is a radial proportional diffusion method of heat on a wind turbine blade, comprising a coating of a conductive material forming an electrical resistance on a longitudinal zone, two electrodes E1 and E2, separated from each other. a value X embedded on the edges of said coating, and supplied with electrical energy, characterized in that the coating has a thickness ε which varies longitudinally and / or transversely. The invention also covers the arrangements adapted for the implementation of the method.
Description
PROCEDE DE DIFFUSION PROPORTIONNELLE, RADIALE DE LA CHALEUR SUR UNE PALE D'EOLIENNE La présente invention concerne un procédé de diffusion proportionnelle, radiale de la chaleur sur une pale d'éolienne. La présente invention vise aussi les agencements correspondants. Les éoliennes suivant leurs lieux d'implantation sont amenées à être immobilisées du fait d'une couche de glace qui recouvre les pales, durant la période hivernale. La mise en rotation des pales pourrait conduire à la rupture mais aussi à la projection de plaques de glace. La mise en service d'éoliennes lors de la prise en glace est exclue, sauf à prévoir un fonctionnement en mode réduit, un tel mode occasionnant néanmoins des risques et restant susceptible de provoquer des dégradations. Ceci conduit à une perte de rendement du parc si plusieurs éoliennes sont poussées à l'arrêt. De même, le bord d'attaque des pales peut aussi givrer durant le fonctionnement du fait de l'accumulation d'une couche de glace au cours de la rotation. Le bord d'attaque des pales est tout à fait analogue à celui des bord d'attaque d'ailes d'avion, donc soumis à des zones de pressions/dépressions susceptibles d'engendrer de telles formations de couches de glace, préjudiciables au bon fonctionnement ou tout au moins à un fonctionnement sécuritaire. Il a déjà été envisagé des moyens mécaniques de dégivrage, mais ces systèmes sont complexes, lourds, requièrent de l'entretien et leur présence à demeure grève le rendement durant les périodes hors givre. Il existe un autre moyen qui consiste à chauffer les pales, pour le moins le bord d'attaque des pales. L'art antérieur a proposé de noyer des fils électriques dans la matrice polymère des pales. Cet agencement est délicat à mettre en oeuvre car la diffusion surfacique à partir de fils nécessite des nappes de fils faute de quoi l'émission de calories serait trop localisée et il est rappelé que la matrice en polymère n'est que très peu conductrice.The present invention relates to a radial proportional diffusion method of heat on a wind turbine blade. The present invention also relates to the corresponding arrangements. Wind turbines depending on their location are likely to be immobilized due to a layer of ice that covers the blades, during the winter period. Rotation of the blades could lead to rupture but also to the projection of ice sheets. The commissioning of wind turbines during icing is excluded, except to provide a reduced mode operation, such a mode nevertheless causing risks and remaining liable to cause damage. This leads to a loss of efficiency of the park if several wind turbines are pushed to a standstill. Similarly, the leading edge of the blades can also frost during operation due to the accumulation of a layer of ice during rotation. The leading edge of the blades is quite similar to that of the leading edge of aircraft wings, and therefore subject to areas of pressure / depression likely to cause such formations of layers of ice, detrimental to the good functioning or at least safe operation. Mechanical de-icing equipment has already been considered, but these systems are complex, heavy, require maintenance, and their presence permanently strains performance during frost-free periods. There is another way to heat the blades, at least the leading edge of the blades. The prior art has proposed drowning electric wires in the polymer matrix of the blades. This arrangement is difficult to implement because the surface diffusion from son requires son plies otherwise the emission of calories would be too localized and it is recalled that the polymer matrix is only very little conductor.
Dans la demande de brevet français FR 2984418 au nom du même demandeur, il a été proposé de chauffer les pales par apposition d'un revêtement formant résistance et susceptible d'émettre des calories lorsqu'il est traversé par un courant électrique. L'avantage est que ce courant est directement produit par l'éolienne elle-même et que le revêtement est surfacique, ce qui permet une diffusion surfacique. En cas de démarrage à partir d'une position arrêtée, le dégivrage préalable est assuré avec une consommation directement à partir du réseau. La mise en place de ce revêtement est réalisée, comme pour la couche externe généralement de type gel-coat, de peintures polyuréthanes ou de peintures époxy, soit intégrée lors du moulage soit en apport sur la surface extérieure. Lorsque le revêtement chauffant est rapporté sur la surface extérieure, il est généralement protégé avec une couche spécifique, notamment du gel-coat de façon à résister aux phénomènes d'abrasion et à protéger ledit revêtement des rayonnements ultraviolets. Un tel revêtement est de faible surpoids comparé aux moyens mécaniques, y compris durant les périodes hors givre. Il est nécessaire d'alimenter ce revêtement et des connexions électriques sont prévues. En plus de ces connexions, il faut prévoir un pilotage de façon à contrôler l'apport d'énergie électrique en fonction des besoins. La détection du givre et la mesure des paramètres extérieurs tels que les conditions climatiques ne font pas partie de la présente invention. Une fois le pilotage acquis, il reste un problème qui est celui de la diffusion de l'énergie sur la pale de façon à obtenir le dégivrage des zones visées. En effet, l'alimentation électrique est réalisée en un point proche du pied des pales et le revêtement reçoit la puissance en pied de pale tandis que l'extrémité de la pale reçoit une faible puissance car celle-ci a été consommée en majeure partie préalablement. Or il est rappelé que la vitesse est plus importante en extrémité de pales et que les problèmes de givrage sont encore plus sensibles en extrémité. Il conviendrait de pouvoir alimenter les pales en différents points espacés radialement mais il subsiste le problème du cheminement des câbles électriques le long de la pale.In the French patent application FR 2984418 in the name of the same applicant, it has been proposed to heat the blades by affixing a coating forming resistance and capable of emitting calories when it is crossed by an electric current. The advantage is that this current is directly produced by the wind turbine itself and that the coating is surface, which allows a surface diffusion. When starting from a stopped position, the pre-defrost is ensured with consumption directly from the network. The implementation of this coating is carried out, as for the outer layer generally of gel-coat type, polyurethane paints or epoxy paints, either integrated during molding or in addition to the outer surface. When the heating coating is attached to the outer surface, it is generally protected with a specific layer, including gel-coat so as to withstand abrasion phenomena and protect said coating of ultraviolet radiation. Such a coating is of low overweight compared to mechanical means, including during frost-free periods. It is necessary to feed this coating and electrical connections are planned. In addition to these connections, it is necessary to provide control so as to control the supply of electrical energy as needed. Frost detection and measurement of external parameters such as climatic conditions are not part of the present invention. Once the piloting acquired, there remains a problem which is that of the diffusion of the energy on the blade so as to obtain the defrosting of the targeted zones. Indeed, the power supply is made at a point close to the blade root and the coating receives power at the blade foot while the end of the blade receives a low power because it has been consumed for the most part previously . However, it is recalled that the speed is greater at the end of the blades and the icing problems are even more sensitive end. It should be possible to feed the blades at different points radially spaced but there remains the problem of routing electric cables along the blade.
La présente invention vise donc à pallier ce problème de l'art antérieur, en proposant des agencements de chauffage qui recourent à des revêtements utilisant des compositions polymères chauffantes.The present invention therefore aims to overcome this problem of the prior art, by providing heating arrangements that use coatings using heating polymer compositions.
La présente invention permet de répartir l'énergie sur la longueur de la pale, radialement, en excluant le cheminement de câbles électriques supplémentaires, en limitant les zones de surchauffe, en évitant tout surpoids, en conservant la même facilité de fabrication, en évitant des surcoûts de matériels, en conservant la fiabilité des produits existants dans le domaine de l'éolien. Le procédé selon la présente invention est maintenant décrit en regard des dessins qui vont suivre, en accord avec un mode de réalisation non limitatif et ses variantes, les différentes figures représentant : - Figure 1 : une vue d'une pale et de son revêtement polymère chauffant après mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, par variation longitudinale d'épaisseur de la couche résistante, - Figure 2 : une vue d'une pale et de son revêtement polymère chauffant après mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, par variation transversale d'épaisseur de la couche résistante, - Figure 3 : une vue d'une pale et de son revêtement polymère chauffant après mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, par variation d'écartement des électrodes, - Figure 4 : une vue d'une pale et de son revêtement polymère chauffant après mise en oeuvre du procédé selon une variante de réalisation, dite combinée, - Figure 5 : une vue d'un schéma de répartition de la puissance surfacique théorique et de l'émission de la puissance surfacique réellement émise dans le mode de réalisation de la figure 4, à savoir la variante combinée. Sur la figure 1, on a représenté une pale 10 d'éolienne sur laquelle, le bord d'attaque 12 est revêtu de façon schématique d'un revêtement 14 polymère chauffant par exemple de la polyaniline. Ce revêtement conducteur peut être protégé par une ou plusieurs couches de polymère de protection. Ce revêtement conducteur peut aussi être directement positionné sous le gelcoat ou la peinture dès la fabrication ou encore rapporté sur la pale finie, sous forme de patchs collés.The present invention makes it possible to distribute the energy over the length of the blade, radially, excluding the routing of additional electric cables, limiting the overheating zones, avoiding any excess weight, while maintaining the same ease of manufacture, avoiding additional equipment costs, maintaining the reliability of existing products in the field of wind. The method according to the present invention is now described with reference to the following drawings, in accordance with a non-limiting embodiment and its variants, the different figures representing: - Figure 1: a view of a blade and its polymer coating heating after implementation of the method according to the present invention, by longitudinal variation in thickness of the resistant layer, - Figure 2: a view of a blade and its heating polymer coating after implementation of the method according to the present invention, by transverse variation in the thickness of the resistant layer; FIG. 3: a view of a blade and its heating polymer coating after implementation of the method according to the present invention, by variation of the spacing of the electrodes, FIG. a view of a blade and its heating polymer coating after implementation of the method according to an embodiment variant, so-called combined, - Figure 5: a view of a sc the distribution of the theoretical pfd and the pfd emission actually emitted in the embodiment of FIG. 4, namely the combined variant. In Figure 1, there is shown a wind turbine blade 10 on which the leading edge 12 is schematically coated with a heating polymer coating 14 for example polyaniline. This conductive coating may be protected by one or more layers of protective polymer. This conductive coating can also be directly positioned under the gelcoat or paint during manufacture or added to the finished blade in the form of glued patches.
Deux électrodes sont disposées le long de ce revêtement conducteur, le revêtement jouant le rôle de résistance entre ces deux électrodes. Lorsque les électrodes sont alimentées en énergie électrique, le revêtement conducteur assure le rôle de résistance et monte en température. Ce revêtement conducteur a une résistance sensiblement proportionnelle à son épaisseur et à l'écartement entre les électrodes.Two electrodes are arranged along this conductive coating, the coating acting as a resistor between these two electrodes. When the electrodes are supplied with electrical energy, the conductive coating assumes the role of resistance and rises in temperature. This conductive coating has a resistance substantially proportional to its thickness and to the spacing between the electrodes.
Plus l'épaisseur du revêtement est importante, plus l'inertie est importante et moins la puissance électrique est consommée localement. A contrario, plus l'épaisseur est mince et moins l'inertie est élevée si bien que la puissance électrique est rapidement transformée en chaleur sur la longueur de chauffage concernée. Plus les électrodes sont écartées l'une de l'autre et plus l'inertie est importante, plus les électrodes sont rapprochées et moins l'inertie est importante. Sur la figure 1, à titre d'exemple uniquement, sans que ces données puissent être considérées comme une quelconque limitation, on considère une pale d'éolienne d'une longueur L. avec un revêtement à base de polyaniline. La partie de la pale concernée est le bord d'attaque qui est la zone la plus soumise aux actions du givre, comme les bords d'attaque des ailes d'aéronefs. Sur cette figure 1, la pale porte deux électrodes El et E2 parallèles, avec un écartement X disposées dans le sens longitudinal, c'est-à-dire sensiblement radialement par rapport au moyeu portant les pales. L'électrode El est positionnée sur l'extrados de la pale et l'électrode E2 est positionnée sur l'intrados, à proximité du bord d'attaque, pour donner un ordre d'idée, sur une distance correspondant à 20% de la largeur de la pale. Une couche C de revêtement conducteur est disposée entre les électrodes, en noyant les électrodes sur les bords de ladite couche. Pour une pale de 50m, on arrive à une surface de chauffage de 10 à 20m2. Dans le mode de réalisation selon la présente invention, cette couche C a une épaisseur variable sur la longueur de la pale. Par exemple, l'épaisseur est El sur la longueur Ll et E2 sur la longueur L2. L est la longueur totale de la pale. Exemple de réalisation: Ll = L2 = L/2 Néanmoins, la longueur sur laquelle est déposée la couche conductrice à savoir Ll + L2 peut être inférieure à la longueur totale L. En effet, en extrémité, l'épaisseur de la pale se réduit, donc le rayon de courbure du bord d'attaque est plus prononcé et la glace peut avoir des difficultés à se maintenir surtout que la vitesse en extrémité de la pale peut atteindre des vitesses très élevées de plusieurs centaines de km/h. Dans ce cas, on peut avoir pour une pale d'une longueur de 50m, une longueur Ll de 20 m une épaisseur El de 150um et sur la longueur L2 une épaisseur E2 de 100u.m. avec de la polyaniline, on constate une puissance totale dissipée par pale de 20kW pour une température extérieure de - 15°C. Le procédé de diffusion proportionnelle, radiale, selon l'invention consiste donc à faire varier l'épaisseur du revêtement conducteur le long de la pale, c'est-à-dire suivant l'axe longitudinal, ceci de façon à faire évoluer l'inertie. Ainsi, l'extrémité de la pale reçoit encore une puissance électrique suffisante. Le procédé de diffusion proportionnelle, radiale, prévoit de réaliser au moins deux zones successives d'épaisseurs décroissantes, suivant l'axe longitudinal. De façon combinée ou indépendante de ce mode de réalisation, sur la figure 2, on a représenté un mode de réalisation dans lequel l'épaisseur varie transversalement.The greater the thickness of the coating, the greater the inertia and the less the electrical power is consumed locally. On the other hand, the thinner the thickness and the lower the inertia, so that the electrical power is rapidly transformed into heat over the heating length concerned. The more the electrodes are separated from each other and the greater the inertia is important, the closer the electrodes are and less inertia is important. In Figure 1, by way of example only, without these data can be considered as any limitation, we consider a wind turbine blade of length L. with a polyaniline coating. The part of the concerned blade is the leading edge which is the zone most subjected to the actions of the frost, like the leading edges of the wings of aircraft. In this FIG. 1, the blade carries two electrodes E1 and E2 parallel, with a spacing X arranged in the longitudinal direction, that is to say substantially radially relative to the hub carrying the blades. The electrode El is positioned on the extrados of the blade and the electrode E2 is positioned on the intrados, near the leading edge, to give an order of idea, over a distance corresponding to 20% of the width of the blade. A layer C of conductive coating is disposed between the electrodes, embedding the electrodes on the edges of said layer. For a 50m blade, we arrive at a heating surface of 10 to 20m2. In the embodiment according to the present invention, this layer C has a variable thickness over the length of the blade. For example, the thickness is El on the length L1 and E2 on the length L2. L is the total length of the blade. Exemplary embodiment: L1 = L2 = L / 2 Nevertheless, the length on which the conductive layer, namely L1 + L2, is deposited can be less than the total length L. In fact, at the end, the thickness of the blade is reduced , so the radius of curvature of the leading edge is more pronounced and the ice can have difficulties to maintain especially that the speed at the end of the blade can reach very high speeds of several hundred km / h. In this case, one can have for a blade of a length of 50m, a length Ll of 20 m a thickness El of 150um and on the length L2 a thickness E2 of 100u.m. with polyaniline, a total power dissipated per blade of 20kW is obtained for an outside temperature of -15 ° C. The proportional diffusion method, radial, according to the invention therefore consists in varying the thickness of the conductive coating along the blade, that is to say along the longitudinal axis, so as to change the inertia. Thus, the end of the blade still receives sufficient electrical power. The radial proportional diffusion method provides for producing at least two successive zones of decreasing thickness along the longitudinal axis. Combined or independent of this embodiment, in Figure 2, there is shown an embodiment in which the thickness varies transversely.
Ainsi, l'épaisseur peut être constante sur toute la longueur L ou variable comme précédemment avec au moins deux zones Ll et L2 d'épaisseur variable, et présente une diminution de l'épaisseur transversalement. Dans le cas retenu, l'épaisseur est El sur toute la longueur L mais exactement au droit du nez du bord d'attaque, il est prévu une bande d'une largeur!, d'une épaisseur E3 < El sur toute la longueur de L.Thus, the thickness may be constant over the entire length L or variable as previously with at least two areas L1 and L2 of variable thickness, and has a decrease in thickness transversely. In the selected case, the thickness is El over the entire length L but exactly to the right of the nose of the leading edge, there is provided a strip of a width !, a thickness E3 <El over the entire length of L.
On note que les au moins deux zones peuvent être distantes l'un de l'autre. On peut donc avoir en cas de zones multiples des patchs. Ceux-ci peuvent également être rapportés par collage. Dans le cas où il existe déjà au moins deux zones avec chacune une épaisseur donnée El E2, il convient pour bénéficier d'un chauffage prépondérant au droit du nez du bord d'attaque sur la zone de largeur Ide prévoir que E3 < E2 < El. Sur la figure 3, on trouve l'illustration d'un autre mode de réalisation d'une pale d'éolienne permettant la mise en oeuvre du procédé de diffusion proportionnelle, radiale selon la présente invention, mais par modification de l'écartement des électrodes. Sur cette figure, il est prévu deux électrodes radiales El et E2, se prolongeant le long du bord d'attaque, une électrode El étant portée par l'extrados et l'autre électrode El étant portée par l'intrados.It is noted that the at least two zones can be distant from each other. We can therefore have patches in multiple zones. These can also be reported by gluing. In the case where there are already at least two zones each with a given thickness E E E2, it is appropriate to benefit from a preponderant heating right of the leading edge of the nose over the width zone Idefense that E3 <E2 <E FIG. 3 shows the illustration of another embodiment of a wind turbine blade enabling the radial proportional diffusion method according to the present invention to be implemented, but by varying the spacing of the electrodes. In this figure, there are provided two radial electrodes El and E2, extending along the leading edge, an electrode El being carried by the extrados and the other electrode El being carried by the intrados.
Les deux électrodes El et E2 sont reliées par le revêtement conducteur. Dans ce cas, le conducteur est d'épaisseur E constante sur toute la longueur et il est prévu de faire varier l'écartement des électrodes en diminuant cet écartement le long de la longueur L, c'est-à-dire longitudinalement.The two electrodes E1 and E2 are connected by the conductive coating. In this case, the conductor is of constant thickness E over the entire length and it is intended to vary the spacing of the electrodes by decreasing this spacing along the length L, that is to say longitudinally.
Dans ce cas, l'écartement X varie et en extrémité devient x, avec x < X. Cette variation peut prendre la forme d'une droite ou d'une courbe en fonction du profil de la pale. Cet agencement à électrodes à écartement variable peut être combiné avec la présence d'une bande d'épaisseur réduite au droit du nez du bord d'attaque de façon à ce que la pale bénéficie d'une zone privilégiée de chauffage. C'est la variante représentée sur la figure 4. Le diagramme de chauffage est schématiquement indiqué sur la figure 5. En trait continu, on a représenté la puissance surfacique dissipée le long de la pale, et, en trait discontinu, la puissance surfacique théorique, ceci par une ambiance extérieure avec une température de -15°C.In this case, the spacing X varies and at the end becomes x, with x <X. This variation can take the form of a straight line or a curve depending on the profile of the blade. This variable gauge electrode arrangement can be combined with the presence of a reduced thickness band at the leading edge nose so that the blade has a preferred heating zone. This is the variant shown in FIG. 4. The heating diagram is diagrammatically indicated in FIG. 5. In solid line, the power flux-density dissipated along the blade is represented, and, in dashed lines, the theoretical pfd. , this by an external atmosphere with a temperature of -15 ° C.
On constate ainsi que le procédé selon la présente invention consiste à faire varier au moins un des paramètres : - épaisseur du revêtement conducteur, longitudinalement et/ou transversalement - écartement des électrodes, longitudinalement. Par la mise en oeuvre de ce procédé, il est possible de transmettre la puissance électrique sur toute la longueur du revêtement conducteur et de générer les températures recherchées dans certaines zones critiques. Le nombre d'électrodes reste limité à deux électrodes, ce qui facilite la réalisation, l'apposition de patchs conducteurs, la fabrication lorsque le revêtement est prévu dès la fabrication de ladite pale, qui limite les coûts de fabrication et qui permet de différencier les fabrications des pales en fonction des lieux d'implantations sans pour autant nécessiter des modifications importantes en fabrication comme en rétrofit. La mise en oeuvre du procédé selon la présente invention est possible sur les parcs existants.It is thus found that the method according to the present invention consists in varying at least one of the parameters: thickness of the conductive coating, longitudinally and / or transversely spacing of the electrodes, longitudinally. By implementing this method, it is possible to transmit the electrical power over the entire length of the conductive coating and to generate the desired temperatures in certain critical areas. The number of electrodes remains limited to two electrodes, which facilitates the production, the affixing of conductive patches, the manufacture when the coating is provided as soon as the manufacture of said blade, which limits the manufacturing costs and makes it possible to differentiate the manufacture of the blades according to the places of implantation without requiring important modifications in manufacturing as in retrofit. The implementation of the method according to the present invention is possible on the existing parks.
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