WO2015136219A1 - Procédé de diffusion proportionnelle, radiale de la chaleur sur une pale d'éolienne - Google Patents

Procédé de diffusion proportionnelle, radiale de la chaleur sur une pale d'éolienne Download PDF

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Bastien Cyrille GAILLARDON
Serge Christian Daniel GRACIA
Benjamin FEYTOUT
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • 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 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.
  • 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.
  • the heating coating 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.
  • 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 .
  • the present invention therefore aims to overcome this problem of the prior art, by providing heating arrangements that use coatings using heating polymer compositions.
  • 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.
  • FIG. 1 a view of a blade and its heating polymer coating after implementation of the process according to the present invention, by longitudinal variation in thickness of the resistant layer,
  • FIG. 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. 4 a view of a blade and its heating polymer coating after implementation of the method according to an embodiment variant, referred to as a combination,
  • FIG. 5 a view of a distribution scheme of the theoretical pfd and the emission of the pfd actually emitted in the embodiment of FIG. 4, namely the combined variant.
  • FIG 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.
  • 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 gel-coat or the paint during manufacture or added to the finished blade in the form of glued patches.
  • Electrodes are arranged along this conductive coating, the coating acting as a resistor between these two electrodes.
  • the conductive coating assures 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.
  • 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 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.
  • 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 E1 is positioned on the upper surface of the blade and the electrode E2 is positioned on the underside, close to the leading edge, to give an idea, over a distance corresponding to 20% of the width of the blade.
  • a layer of conductive coating is disposed between the electrodes, embedding the electrodes on the edges of said layer. For a blade of 50m, we arrive at a heating surface of 10 to 20m 2 .
  • this layer C has a variable thickness over the length of the blade.
  • the thickness is ⁇ on length L1 and ⁇ 2 on length L2.
  • L is the total length of the blade.
  • the length on which the conductive layer L1 + L2 is deposited may be less than the total length L
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the thickness may be constant over the entire length L or variable as previously with at least two zones L1 and L2 of variable thickness, and has a decrease in thickness transversely.
  • 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 band of a width I, a thickness ⁇ 3 ⁇ 1 over the entire length of L.
  • 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.
  • FIG. 3 shows the illustration of another embodiment of a wind turbine blade enabling the radial proportional diffusion method to be implemented according to the present invention, but by modifying the spacing of the electrodes. .
  • the conductor is of constant thickness ⁇ 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.
  • 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.
  • 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 schematically indicated in FIG.
  • the power flux density dissipated along the blade is represented, and, in discontinuous lines, the theoretical pfd power, this by an external environment with a temperature of -15 ° C.
  • the method according to the present invention consists in varying at least one of the parameters:
  • 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.

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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.

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 œuvre 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. 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.
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. 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 œuvre 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 œuvre 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 œuvre 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 œuvre 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 gel- coat ou la peinture dès la fabrication ou encore rapporté sur la pale finie, sous forme de patchs collés.
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.
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 E1 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 E1 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 Ç 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 εΐ sur la longueur L1 et ε2 sur la longueur L2.
L est la longueur totale de la pale.
Exemple de réalisation: L1 = L2 = L/2
Néanmoins, la longueur sur laquelle est déposée la couche conductrice à savoir L1 + 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 L1 de 20 m une épaisseur ε1 de 150μm et sur la longueur L2, une épaisseur ε2 de 100μm. 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.
Ainsi, l'épaisseur peut être constante sur toute la longueur L ou variable comme précédemment avec au moins deux zones L1 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 I, d'une épaisseur ε3 < ε1 sur toute la longueur de 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 ε1, ε2, il convient pour bénéficier d'un chauffage prépondérant au droit du nez du bord d'attaque sur la zone de largeur I de prévoir que ε3 < ε2 < ε1.
Sur la figure 3, on trouve l'illustration d'un autre mode de réalisation d'une pale d'éolienne permettant la mise en œuvre 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 E1 et E2, se prolongeant le long du bord d'attaque, une électrode El étant portée par l'extrados et l'autre électrode E1 étant portée par l'intrados. Les deux électrodes E1 et E2 sont reliées par le revêtement conducteur. Dans ce cas, le conducteur est d'épaisseur ε 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.
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.
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 œuvre 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 œuvre du procédé selon la présente invention est possible sur les parcs existants.

Claims

REVENDICATIONS
1. 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 l'on fait varier l'épaisseur ε du revêtement longitudinalement et/ou transversalement.
2. 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, noyées sur les bords dudit revêtement alimentées en énergie électrique, caractérisé en ce que l'on fait varier longitudinalement l'écartement X entre lesdites électrodes.
3. Procédé de diffusion proportionnelle, radiale de la chaleur sur une pale d'éolienne, suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, le matériau conducteur comprenant au moins une zone de largeur I, on réduit l'épaisseur dudit matériau conducteur au droit du nez du bord d'attaque de ladite pale.
4. Procédé de diffusion proportionnelle, radiale de la chaleur sur une pale d'éolienne, suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les zones sont des patchs rapportés sur la surface de ladite pale.
5. Agencement pour la mise en œuvre de la revendication 1, dans lequel sur une longueur L, l'épaisseur ε est de εΐ sur une longueur L1, et ε2 sur une longueur L2, avec ε2 <
6. Agencement pour la mise en œuvre de la revendication 1, dans lequel (L1 + L2) <
L
7. Agencement pour la mise en œuvre de la revendication 2, dans lequel le profil de variation de l'écartement X des électrodes E1 et E2 varie de façon linéaire jusqu'à une largeur x, avecx < X.
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