PT1485611E - Pá DE TURBINA DE VENTO COM A PONTA EM FIBRA DE CARBONO - Google Patents
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Description
1
DESCRIÇÃO "PÁ DE TURBINA DE VENTO COM A PONTA EM FIBRA DE CARBONO"
Campo Técnico A invenção refere-se a uma pá de turbina de vento de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1.
As pás das turbinas de vento são habitualmente feitas por intermédio de duas metades de revestimentos de pás de um polímero reforçado com fibra. Quando estão moldadas, as duas metades são coladas uma à outra ao longo das orlas e através de duas ligações, gue foram previamente coladas à superfície interna de uma das metades do revestimento da pá. A outra metade do revestimento da pá é então disposta no topo das ligações e colada às mesmas e ao longo das orlas.
As metades de revestimento das pás são, por si, feitas habitualmente por infusão de vácuo, em que as fibras, os feixes, que não conjuntos de fibras, as faixas de feixes ou de tapetes que podem ser tapetes de fibras simples ou tapetes tecidos de feixes de fibras, se encontram dispostos em camadas numa parte do molde e que são cobertos por um saco de vácuo. Ao criar-se um vácuo (tipicamente de 80-90%) na cavidade entre a superfície interna da parte do molde e o saco de vácuo, a resina do saco é sugada para o interior e enche a cavidade que contém o material de fibra. De modo a obter a distribuição óptima da resina, as designadas camadas de distribuição e os designados canais de distribuição são muitas vezes usados entre o saco de vácuo e o material de fibra. 2 0 polímero usado é habitualmente poliéster ou epóxido, e o reforço de fibra é habitualmente baseado em fibra de vidro. É, no entanto, também conhecido o uso de fibras de carbono que são mais duras do que as fibras de vidro, mas que apresentam um menor alongamento no ponto de ruptura do que as fibras de vidro. As fibras de carbono podem ser adicionadas de modo a que se obtenha um grau mais elevado de dureza e/ou um peso menor. É, deste modo, possível deixar que se forme uma porção das fibras de reforço a partir das fibras de carbono de modo a reduzir o peso da pá sem que a pá perca muita da sua rigidez. As fibras de carbono apresentam, no entanto, o inconveniente de serem significativamente mais caras do que as fibras de vidro, o que é uma das razões pelas quais as pás das turbinas de vento feitas de um polímero de carbono reforçado com fibras não são amplamente usadas. Técnicas Anteriores
No documento WO 00/14405 é revelado um reforço para uma pá de uma turbina de vento de polímero de fibra de vidro com faixas horizontais de um polímero de fibra de carbono reforçado. O documento US 6,287,122 revela o fabrico de produtos compostos alongados, em que uma variação da dureza do produto ao longo da sua extensão é obtida através da alteração do teor de fibras ou do ângulo de orientação das fibras entrançadas. O documento US 5,520,532 revela uma porção de molde com um polímero de fibra reforçado com uma rigidez variável, em que a referida rigidez é obtida fazendo variar o número de camadas de tapete de fibras. 3 0 documento US 4, 077, 740 revela uma pá de um rotor de um helicóptero de um material de fibra composto, em que a rigidez da pá varia quando é vista na direcção longitudinal. Esta caracteristica é obtida fazendo variar a orientação das fibras de modo a obter um amortecimento acrescido das vibrações. A carga permanente das pás modernas de fibra de vidro constitui um problema pois um elevado momento de carga permanente requer uma elevada resistência à fadiga na direcção da orla da pá. Este problema aumenta com o comprimento das pás.
Breve Descrição da Invenção O objecto da presente invenção é resolver o problema acima indicado de um modo simples e económico.
De acordo com a invenção o objecto é obtido por a pá ser dividida numa porção de extremidade interna que inclui a base da pá e que é feita substancialmente de um polímero reforçado de fibra de vidro e uma porção de extremidade externa incluindo a ponta da pá, que é feita substancialmente de um polímero reforçado de fibra de vidro. 0 peso é, desde modo, reduzido na parte mais externa, pelo que o momento da carga permanente é minimizado. São, deste modo, necessários menos material e/ou uma secção em corte transversal menor na porção mais interna da pá, e a carga no cubo da turbina é reduzida. A porção mais externa da pá pode ainda estar dotada de uma rigidez acrescida, pelo que o risco de a pá se deflectir de um modo tão forte que a ponta da pá incida na torre da turbina é reduzida. Uma tal pá de uma turbina de vento é 4 menos dispendiosa de produzir do que uma pá feita somente de um polímero reforçado de fibra de carbono.
Com um determinado grau de rigidez, a carga permanente pode ser reduzida usando fibras de carbono na porção de extremidade externa, pelo que as cargas dinâmicas no revestimento da pá e na base da pá podem ser também reduzidas, sendo tais partes especialmente sensíveis às cargas dinâmicas.
Ao alterar-se o teor de fibra de carbono na porção de extremidade externa ou o seu comprimento, a rigidez e as frequências naturais podem ser feitas variar. A rigidez e as frequências naturais podem, deste modo, ser optimizadas para as condições específicas.
Uma porção de extremidade externa comparativamente mais rígida e uma porção de extremidade interna comparativamente menos rígida têm como resultado um formato de deflexão vantajoso em relação ao amortecimento aerodinâmico, dependendo o amortecimento da deflexão integrada ao longo da pá durante uma vibração. Um amortecimento aerodinâmico acrescido é vantajoso pois a carga aerodinâmica é, deste modo, reduzida.
Em comparação com uma pá feita unicamente de polímero reforçado de fibra de vidro ou uma pá feita unicamente de polímero reforçado de fibra de carbono, uma pá de acordo com a presente invenção proporciona uma relação óptima entre a rigidez e os custos. 5
De acordo com uma forma de realização, a porção de extremidade externa pode constituir entre 25% e 50% do comprimento total da pá. A porção de extremidade externa pode, no entanto, constituir 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85% ou mesmo 90% do comprimento da pá.
De acordo com uma forma de realização preferencial a porção de extremidade externa em frente da ponta da pá pode incluir uma zona de transição na qual as fibras de carbono são gradualmente substituídas por fibras de vidro. Como resultado, é evitada uma mudança repentina na rigidez das pás na área de transição entre as fibras de carbono e as fibras de vidro. Com elevadas tensões dinâmicas ou estáticas, uma transição abrupta entre as fibras de carbono e as fibras de vidro provoca uma concentração de tensões, sendo as fibras de carbono tipicamente 3-4 vezes mais rígidas do que as fibras de vidro. Isto pode implicar um risco de destruição da pá. Ao usar uma tal zona de transição é evitada uma pesada concentração de tensões na superfície de fronteira entre as fibras de carbono e as fibras de vidro.
De acordo com uma forma de realização, o comprimento da zona de transição pode ser de entre 0,5 e 1 metro. Um comprimento de até 10 metros ou ainda superior a 10 metros pode, no entanto, ser também preferido.
De acordo com a invenção os dois tipos de fibras podem ser distribuídos de um modo tal na matriz de polímero que as fibras de carbono ou os agrupamentos de fibras de carbono 6 de comprimentos variáveis se alongam desde uma primeira extremidade da zona de transição, e as fibras de vidro ou os agrupamentos de fibras de vidro se prolongam desde a extremidade oposta da zona de transição, pelo que se obtém uma transição de rigidez particularmente uniforme.
De acordo com uma outra forma de realização, a zona de transição pode ser formada de um laminado de várias camadas de fibras, em que cada camada de fibra tem uma superfície de fronteira numa posição na direcção longitudinal, em que a camada de fibra inclui fibras de carbono de um dos lados da superfície de fronteira e fibras de vidro no outro lado da face de fronteira, sendo as superfícies de fronteira de cada camada de fibra deslocadas em relação uma à outra na direcção longitudinal da pá. Como resultado obtém-se uma mudança gradual de rigidez na zona de transição, sendo essa mudança obtida de um modo particularmente simples.
De acordo com uma forma de realização, as superfícies de fronteira podem ser serrilhadas em corte transversal paralelo às camadas de fibra. Uma transição de rigidez ainda mais uniforme é, deste modo, obtida na zona de transição. As pontas das superfícies de fronteira serrilhadas podem ser deslocadas em relação umas às outras na direcção transversal da pá. Deste modo é obtida uma variação ainda mais uniforme da rigidez na zona de transição.
Breve Descrição dos Desenhos A presente invenção é abaixo explicada em maior detalhe por intermédio de várias formas de realização da invenção, que se encontram apresentadas em diagrama nos desenhos e em que 7 A Fig. 1 ilustra uma turbina de vento com três pás, A Fig. 2 ilustra uma pá de acordo com uma forma de realização da invenção, A Fig. 3 ilustra uma variação contínua da relação entre as fibras de carbono e as fibras de vidro de acordo com uma forma de realização especifica da invenção, A Fig. 4 ilustra uma variação contínua da relação quantitativa entre as fibras de carbono e as fibras de vidro de acordo com uma outra forma de realização específica da invenção, A Fig. 5 ilustra uma variação contínua da relação quantitativa entre as fibras de carbono e as fibras de vidro de acordo com uma terceira forma de realização específica da invenção, A Fig. 6 ilustra um diagrama que demonstra como as relações quantitativas entre as fibras de carbono e as fibras de vidro podem variar na zona de transição.
Melhores Formas de Realização da Invenção A Fig. 1 ilustra uma moderna turbina de vento que inclui uma torre 12 com um cubo 13 e com três pás de turbinas de vento 14 que se prolongam a partir do cubo. A Fig. 2 ilustra uma forma de realização de uma pá de turbina de vento de acordo com a invenção, em que uma porção de extremidade interna 15, incluindo a base das pás, é feita essencialmente de um polímero de fibra de vidro reforçado, e em que uma porção de extremidade 17 que inclui 8 a ponta da pá é feita essencialmente de um polímero de fibra de carbono reforçado. A circundar a porção de extremidade interna 15, a porção de extremidade externa 17 inclui uma zona de transição 16 na qual as fibras de carbono são gradualmente substituídas por fibras de vidro de um modo tal que seja obtida uma mudança gradual na rigidez da pá. A Fig. 3 é uma vista em corte transversal da zona de transição, onde a relação quantitativa entre as fibras de carbono e as fibras de vidro muda de um modo gradual. As fibras de carbono 1 prolongam-se a partir do lado esquerdo da vista em corte transversal sob a forma de conjuntos de fibras ou de fibras isoladas de diferentes comprimentos. As fibras de vidro 2 não são visíveis na Fig. 3, mas complementam as fibras de carbono 1. A transição entre os dois tipos de fibras é, deste modo, difusa de modo a que se obtém uma transição uniforme desde a porção de extremidade externa 17, que é substancialmente reforçada com fibras de carbono 1, até à porção de extremidade interna 15, que é substancialmente reforçada com fibras de vidro 2. A Fig. 4 ilustra uma segunda forma de realização na qual os tapetes de fibras ou as fibras não tecidas, ou os conjuntos de fibras tecidas foram perfurados, pelo que se encontram dotados de zonas serrilhadas em uma das suas extremidades. Dois tapetes de fibras de carbono e de fibras de vidro, respectivamente, na mesma camada de fibras, apresentam zonas serrilhadas com formatos correspondentes e, deste modo, misturam-se um com o outro. Duas zonas serrilhadas com camadas de fibras empilhadas podem ser deslocadas uma em relação à outra, tal como se encontra ilustrado na Fig. 4, pelo que é obtida uma transição uniforme entre a rigidez 9 da área com fibras de carbono ilustrada do lado esquerdo e a rigidez na área com as fibras de vidro ilustrada no lado direito. A Fig. 4 é uma vista em diagrama de duas camadas 3, 4 de fibras de carbono empilhadas e das correspondentes camadas de fibra de vidro que se encontram presentes na área 5. Tal como se encontra também ilustrado na Fig. 4 as pontas 12 das serrilhas 11 das duas camadas 3, 4 de fibras de carbono encontram-se deslocadas na direcção transversal de modo a assegurar uma transição uniforme de rigidez. Uma zona de transição entre a área com as fibras de carbono e as áreas com as fibras de vidro é, deste modo, determinada pelo comprimento das serrilhas. Deste modo, a zona de transição pode variar de acordo com as necessidades ou alongando ou encurtando o comprimento das serrilhas. A Fig. 5 mostra uma possibilidade particularmente simples de uma zona de transição entre a porção de extremidade externa e a porção de extremidade interna. A Fig. 5 é uma vista em diagrama de quatro camadas de fibras empilhadas incluindo uma camada de fibra de carbono 6 e uma camada de fibra de vidro 7. Cada camada de fibra tem uma superfície de fronteira 10, onde as fibras de carbono são substituídas por fibras de vidro, sendo obtida uma zona de transição de algum comprimento, pois as faces da fronteira 10 são deslocadas uma em relação à outra. O comprimento da zona de transição pode, como é lógico, ser variado de acordo com as necessidades deslocando as faces de fronteira mais ou menos uma em relação à outra e/ou usando mais camadas de fibra. A Fig. 6 é uma vista em diagrama da relação quantitativa entre as fibras de carbono e as fibras de vidro na direcção longitudinal da pá. A primeira zona I corresponde à porção de extremidade externa 17 e a segunda zona III corresponde 10 à porção de extremidade interna 15 da pá. Uma zona de transição II é proporcionada entre as duas zonas, aumentando a relação de fibras de vidro 9 na referida zona de um modo constante desde o nível na primeira zona I até ao nível na segunda zona III. A Fig. 6a mostra, deste modo, uma forma de realização em que a primeira zona I é formada unicamente por fibras de carbono 8 e a segunda zona III é formada unicamente por fibras de vidro 9. A Fig. 6b ilustra uma forma de realização na qual a primeira zona I é formada unicamente por fibras de carbono 8 e a segunda zona III inclui uma quantidade minoritária constante de fibras de carbono 8 e uma quantidade maioritária constante de fibras de vidro 9. A Fig. 6c ilustra uma forma de realização na qual a primeira zona I inclui uma quantidade maioritária constante de fibras de carbono 8 e uma quantidade minoritária constante de fibras de vidro 9, e em que a segunda zona III é unicamente formada por fibras de vidro 9. A Fig. 6d ilustra uma forma de realização na qual a primeira zona I inclui uma quantidade maioritária constante de fibras de carbono 8 e uma quantidade minoritária constante de fibras de vidro 9, e em que a segunda zona III inclui uma pequena quantidade constante de fibras de carbono e uma grande quantidade constante de fibras de vidro 9. A Fig. 6a mostra, deste modo, em diagrama uma forma de realização preferencial de uma pá de turbina de vento em 11 que a primeira zona I corresponde à porção de extremidade externa da pá, incluindo a ponta da pá, e em que a segunda zona III corresponde à porção de extremidade interna da pá, incluindo a base da pá. 0 material de reforço para a porção de extremidade externa é, deste modo, feita unicamente de fibras de carbono, em que a porção de extremidade interna da base da pá é feita unicamente de fibra de vidro. Deste modo, a porção de extremidade externa pode incluir uma zona de transição II na qual as fibras de carbono e as fibras de vidro gradualmente se substituem umas às outras. Esta zona de transição II pode ter um comprimento restrito de, por exemplo, 0,5-1 metro. A pá pode, no entanto, estar também dotada com as formas de realização ilustradas nas Figs. 6b-6d.
Pode estar presente uma zona de transição na pá durante o assentamento das fibras nas partes do molde. É, no entanto, também possível usar laminados previamente fabricados transitórios produzidos de acordo com os princípios ilustrados nas Figs. 3, 4 e 5. Tais laminados transitórios previamente fabricados são vantajosos em relação à produção pois o processo de assentamento das fibras é substancialmente o mesmo que na produção de pás de turbinas de vento convencionais pois é usado o mesmo material na totalidade da direcção longitudinal da pá.
Se uma pá de turbina de vento existente se destinar a ser dotada de pás mais longas isto pode ser obtido através da substituição da parte mais externa da pá por uma zona de transição que inclui um ou mais laminados transitórios e uma ponta de fibra de carvão. O peso da pá não aumenta, ou aumenta somente muito levemente, quando comparado com as pás originais feitas completamente de material de polímero 12 de fibra de vidro reforçado. De um modo opcional podem ser feitas pás completamente novas para uma turbina de vento existente ou a porção mais externa das pás pode ser cortada e substituída por uma ponta de fibra de carbono com ou sem uma zona de transição.
As vantagens de acordo com a invenção são em especial obtidas fazendo as porções de suporte de carga na porção de extremidade externa substancialmente num polímero de fibra de carbono reforçada. As porções de suporte de carga incluem os laminados principais sob a forma de faixas longitudinais reforçadas com fibras nas áreas de sucção e nos lados de pressão do revestimento das pás que se encontram mais afastados do centro da secção em corte transversal. Os laminados que reforçam a pá na direcção da orla nos bordos de ataque e de fuga podem ser de preferência feitos de um polímero de fibra de carbono reforçado na porção de extremidade externa da pá.
Os laminados principais podem de preferência ser fornecidos como tapetes híbridos em que os conjuntos de fibras de vidro ou de carbono se encontram distribuídos ao longo da área em corte transversal.
Por razões que se prendem com a iluminação pode ser vantajoso fazer a parte mais externa da ponta da pá totalmente de fibra de vidro de modo a assegurar que os raios atinjam um pára-raios construído de propósito e não o material de fibra de carbono condutor de electricidade.
Os testes demonstraram que as porções mais externas das fibras de carbono na zona de transição podem quebrar-se na deflexão da zona de transição, mas isto não é um efeito 13 totalmente indesejável pois contribui para uma uniformização adicional da transição de rigidez. A frequência das fibras quebradas pode, deste modo, ser elevada mas não é critica pois estão envolvidas por fibras de vidro mais flexíveis. No entanto, as fibras quebradas continuam a contribuir para reduzir a deflexão e deste modo a quebra das fibras adicionais. A transição gradual e uniforme entre as propriedades do material composto, que está baseado nas fibras de vidro e nas fibras de carbono, é deste modo obtida por meio de dois factores. 0 primeiro factor é a distribuição de fibras rígidas e de fibras flexíveis de modo a obter uma transição suave entre a área rígida e a área flexível. 0 segundo factor é a quebra não crítica, a qual torna adicionalmente suave a transição. Uma forma de realização adicional e não ilustrada de uma pá de turbina de vento de acordo com a invenção pode ser obtida por intermédio de um processo designado como processo de pulverização. Neste processo uma pistola de pulverização é usada para o material de polímero e uma mistura de fibras cortadas dos dois tipos é ejectada para cima de uma corrente de resina e pulverizada sobre o molde. Ao variar-se a relação da mistura durante o processo de pulverização pode ser obtida a zona de transição desejada. 0 alongamento no ponto de quebra para as fibras de vidro é habitualmente de cerca de 4,8%, enquanto que habitualmente varia entre 0,3% e 1,4% para as fibras de carbono. O Módulo de Young das fibras de vidro é de cerca de 73.000 Mpa, enquanto que o Módulo de Young das fibras de carbono (módulo médio) é de habitualmente cerca de 245.000 MPa. As fibras de carbono são habitualmente cerca de 3-4 vezes mais rígidas do que as fibras de vidro. A densidade do vidro é 14 de cerca de 2,54 g/cm3 enquanto que a densidade do carbono é de cerca 1,75 g/cm3.
Lisboa, 9 de Julho de 2010
Claims (5)
1 REIVINDICAÇÕES 1. Pá (14) de uma turbina de vento de polímero reforçado com fibra, caracterizado por estar dividida numa porção de extremidade interna (15) que inclui uma base de uma pá e feita substancialmente de polímero de fibra de vidro reforçado, e uma porção (17) de extremidade externa que inclui uma ponta da pá e feita substancialmente de um polímero de fibra de carbono reforçado.
2. Pá (14) de uma turbina de vento de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por a porção (17) de extremidade externa constituir entre 25 e 50% do comprimento total da pá (14).
3. Pá (14) de uma turbina de vento de acordo com a reivindicação 1 ou com a reivindicação 2, caracterizada por a porção (17) de extremidade externa que se encontra em frente da ponta da pá incluir uma zona de transição (16) na qual as fibras de carbono são gradualmente substituídas por fibras de vidro.
4. Pá (14) de uma turbina de vento de acordo com a reivindicação 3, em que o comprimento da zona de transição (16) é de entre 0,5 e 1 metro.
5. Pá (14) de uma turbina de vento de acordo com a reivindicação 3 ou com a reivindicação 4, caracterizada por os dois tipos de fibras poderem estar distribuídos na matriz de polímero de um modo tal que permite que as fibras de carbono ou que os agrupamentos de fibras de carbono (1) com um comprimento variável se prolonguem desde uma primeira extremidade da zona de transição (II) e as fibras 2 de vidro ou os agrupamentos de fibras de vidro (2) se prolonguem a partir da extremidade oposta da zona de transição (II) .
6. Pá (14) de uma turbina de vento de acordo com a reivindicação 3 ou com a reivindicação 4, caracterizada por a zona de transição (II) ser formada por um laminado de várias camadas (6, 7) de fibras, em que cada camada de fibra tem uma superfície de fronteira (10) numa posição na direcção longitudinal, em que a camada de fibra inclui fibras de carbono (6) num dos lados da superfície de fronteira e das fibras de vidro (7) no outro lado da face de fronteira, estando as superfícies de fronteira (10) de cada uma das camadas de fibra deslocada em relação à outra na direcção longitudinal da pá (14).
7. Pá de uma turbina de vento de acordo com a reivindicação 6, em que as superfícies de fronteira (11) são serrilhadas numa vista em corte paralelo relativamente às camadas de fibra (3, 4, 5).
8. Pá de uma turbina de vento de acordo com a reivindicação 7, em que as pontas (12) das superfícies (11) de fronteira serrilhada são deslocadas em relação uma à outra na direcção transversal da pá (14). Lisboa, 9 de Julho de 2010 11 1/2
Fig. 2 3 2/2
4
5 I II III Fig, 6
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