WO2024062139A1 - Dispositivo para protección de rayo en una pala modular - Google Patents

Dispositivo para protección de rayo en una pala modular Download PDF

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WO2024062139A1
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lightning protection
lightning
carbon fiber
modular blade
blade according
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PCT/ES2022/070598
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Inventor
Eneko Sanz Pascual
Javier MONREAL LESMES
Ion Arocena DE LA RÚA
Arantxa Esparza Zabalza
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Nabrawind Technologies, S.L.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/30—Lightning protection

Definitions

  • a lightning protection device for the metal joint of a modular blade composed of two parts: the tip area or outboard module, where the lightning strikes and is conducted to the blade joint, and the root area or inboard module through which The beam is conducted from the joint to the hub of the wind turbine.
  • the parts of the blade to be joined are made of composite material, inside which are housed inserts that are glued into holes previously machined in the composite material laminates.
  • One or more intermediate metal elements anchored to the inserts by one or more bolts completes the union.
  • the composite material where the metal inserts are housed is fiberglass
  • lightning transmission is simple, since fiberglass is not electrically conductive.
  • the composite material is carbon fiber
  • lightning transmission is complicated, since the carbon fiber is electrically conductive and is separated from the inserts only by the thin layer of adhesive (non-conductive) that is used for gluing.
  • the blades have several connections between the carbon fiber laminates and the down conductor, there is a risk that part of the lightning current transmitted by the carbon laminate will pass through the thin layer of adhesive and be conducted to the metal insert. .
  • the waveform of the Lightning current has a first phase where the current grows at high speed, so it tries to conduct itself, not along the path of least resistance (the connection between the carbon and the cable), but along the path of least inductance (the connection between the laminate and the insert, once the dielectric strength of the adhesive is broken). Passing through the adhesive can generate an increase in its temperature and affect its properties. Once the peak of the waveform is reached, the current drops at a slower rate, so it will preferentially pass through the path of least resistance (the connection between the carbon and the wire).
  • Patent W02022042809A1 deals with electrically connecting the metal insert and the electrically conductive blade laminate. By forming the electrical path between the metal insert and the electrically conductive material on the surface of the hole, a clear path for current is generated that prevents uncontrolled passage through the adhesive.
  • Another novel way to maintain the integrity of the joint is by using a device that prevents deterioration of the adhesive used to bond the insert.
  • Said device is arranged between the conductive laminate of the inboard module and the intermediate metallic element and between the intermediate metallic element and the conductive laminate of the outboard module. Both in the upper shell of the blade and in the lower one.
  • the present invention complements the lightning protection system of a blade with conductive laminates connected at various points to a down conductor cable, with a device that conducts the small percentage of the current transmitted by the conductive laminates of the blade that is not diverted to the cable. during the high intensity peaks reached at the beginning of the impact and continues through the carbon fiber and through the metallic bond.
  • the claimed device is an elastic element with greater electrical conductivity than that of the adhesive used to glue the inserts to the carbon fiber of the modular blade.
  • the device is arranged in the gap formed between the conductive laminate of the blade and the intermediate elements of the metal joint, surrounding the inserts with its toroidal shape.
  • Figure 1 represents the outline of a modular blade with the two parts to be joined: the outboard and the inboard.
  • Figure 2 shows a detail of the union of a modular blade.
  • Figure 3 shows a section of one of the metal elements that constitutes the joint, accompanied by the lightning cable and its intermediate connection points.
  • Figure 4 is the section of the previous figure with a detail of the device of the invention on a practical embodiment of a specific metallic joint.
  • Figure 5 and Figure 6 show two possible sections of the device of the invention using different materials.
  • the modular blade (100) comprises a joining area (1) that separates the blade into two parts: the tip of the blade (2) or outboard module and the root of the blade ( 3) or inboard module.
  • the modularization of blades is applied to large blades where the transportation of the entire blade becomes very complex or practically impossible.
  • the joining area (1) is very small so as not to penalize the modular blade (100) with more weight than due.
  • the blade has an internal structure formed by two wings (cap) and one or two souls (web) of composite material, which make up an internal beam on which the upper and lower shells are arranged.
  • Figure 2 shows the intermediate metal elements (4) that make up the union of this modular blade (100). Said intermediate metal elements (4) are arranged in the upper cap (5) and in the lower cap (not visible in the figure).
  • the material used for the cap laminates in the joint area (1) is carbon fiber (6), a highly resistant and electrically conductive composite material.
  • the modular blades have a cable to transmit the lightning, but part of their Current is also transmitted through the laminates of the carbon fiber cap, which are connected to the cable at various points. Part of this current transmitted by the laminates of the carbon fiber cap can pass through the metal joint.
  • FIG. 3 shows the section of the blade joint connection.
  • the metal joint is made up of a metal element (4) that includes one or more bolts (10) screwed to their corresponding inserts (11), which in turn are glued by means of a non-conductive adhesive (12) to the carbon fiber.
  • each joining element has a spark gap (7) between the carbon fiber (6) of the inboard (2) and the metal element (4) and another spark gap. (7) between the metal element (4) and the carbon fiber (6) of the outboard. These spark gaps (7) are placed during the assembly of the metal joint and are mounted on both the upper cap (5) and the lower one.
  • the conductive laminates of said cap (5) have several joining points (8) that allow their connection to the lightning transmitting cable (9).
  • Said cable (9) is responsible for receiving the lightning strike on the outboard (2) through a receiver at the tip of a blade and transferring it to its exit to the hub through the inboard (3).
  • the cable (9) can also be connected to the metal element (4) through another connection point (8') for equipotentialization.
  • the section in Figure 4 is made on a specific metal joint.
  • a single bolt (10') is used screwed between an insert (11) of the outboard module (2) and an insert
  • (I I) of the inboard module (3) adding a metal wedge element to the gap formed between the blade modules as a simple prestressing machine.
  • Said element is composed of lateral washers (13) and a central wedge (14) crossed by their corresponding transverse screws (not shown in the figure), whose tightening achieves prestressing. Both the washers (13) and the central wedges (14) have their faces inclined oppositely.
  • the insert (11) has a threaded area (15) where the single bolt (10'), after slightly widening its diameter, is threaded and fixed. Said insert (11) protrudes from the carbon fiber (6) that houses it, forming a small gap between the cap (5) and the washer (13) where the spark gap (7) is arranged. The smooth face of the washer (13) contacts the spark gap (7) and the inclined face contacts the central wedge (14).
  • the spark gap (7) is an elastomer that has a toroidal shape, is electrically conductive and is assembled during the blade assembly process, surrounding each and every one of the elements that form the metal joint.
  • the spark gap (7) can be made of a conductive elastomeric material, manufactured by doping with small amounts of conductive material, or alternatively in a metallic material with a geometry that allows it to achieve elasticity.
  • the spark gap (7) has a section with a preferably toroidal shape. As shown in Figures 5 and 6, it can have other sections and other materials that improve contact with the composite material and with the metallic part of the joint.
  • the first figure shows a double ring (7') of elastomeric material with an inclined step between both heights.
  • the ring with the largest diameter is the thinnest and is in contact with the carbon fiber (6) of the cap (5) and the inner ring, with a smaller diameter, is in contact with the washer.
  • the second figure describes the alternative of using a metallic material formed by two C-shaped rings facing and overlapping, with an internal spring (7”) that gives it the required elasticity.

Abstract

Dispositivo para protección de rayo en una pala modular que une el módulo outboard (2), donde impacta el rayo, y el módulo inboard (3) por donde el rayo es conducido hasta el buje, y que se complementa con el cable bajante del rayo (9). Dicho dispositivo (7) es un elemento elástico con mayor conductividad eléctrica que la del adhesivo (12) utilizado para pegar los insertos (11) en orificios previamente taladrados en el interior de la fibra de carbono (6) y que componen la unión metálica (4) de la pala modular (100). El dispositivo (7) es un elastómero con forma preferentemente toroidal que rodea todos y cada uno de los elementos metálicos (4) que conforman la unión de la pala y cubre el hueco formado entre la fibra de carbono (6) del cap (5) y los citados elementos metálicos (4). Es posible la utilización de otras formas y de otros materiales conductores que permitan la elasticidad de su geometría.

Description

DISPOSITIVO PARA PROTECCIÓN DE RAYO EN UNA PALA MODULAR
DESCRIPCIÓN de la invención
Un dispositivo de protección de rayo para la unión metálica de una pala modular compuesta por dos partes: la zona de punta o módulo outboard, donde impacta el rayo y es conducido hasta la unión de pala, y la zona de raíz o módulo inboard por donde el rayo es conducido desde la unión hasta el buje del aerogenerador.
Antecedentes
Para que el sistema de protección contra la caída de los rayos en una pala de aerogenerador sea efectivo, todos los elementos conductores deben estar en conexión equipotencial, unidos eléctricamente al cable de transmisión del rayo. Tanto la fibra de carbono, que es material conductor, como la unión metálica también conductora, deberán ser equipotencializados. En caso de dejar elementos conductores aislados se tendrían vahos problemas, como la diferencia de potencial tan elevada que se crea entre los mismos debido a los fenómenos de inducción originados por el rayo a su paso por el sistema pararrayos, o la evacuación del rayo en el caso de impactar en un elemento conductor no conectado al cable bajante.
Las partes de la pala a unir están realizadas de material compuesto en cuyo interior se alojan unos insertos que se pegan en unos agujeros previamente mecanizados en los laminados de material compuesto. Uno o vahos elementos metálicos intermedios anclados a los insertos por uno o varios pernos completa la unión.
Cuando el material compuesto donde se alojan los insertos metálicos es fibra de vidrio, la transmisión de rayo es simple, ya que la fibra de vidrio no es conductora eléctrica. Pero cuando el material compuesto es fibra de carbono, la transmisión de rayo se complica, ya que la fibra de carbono es conductora eléctrica y queda separada de los insertos solo por la fina capa de adhesivo (no conductora) que se emplea para su pegado. A pesar de que las palas tienen vahas conexiones entre los laminados de fibra de carbono y el cable bajante, existe un riesgo de que parte de la corriente del rayo transmitida por el laminado de carbono atraviese la fina capa de adhesivo y sea conducida al inserto metálico. Esto puede producirse porque la forma de onda de la corriente de un rayo tiene una primera fase donde la corriente crece a gran velocidad, con lo que trata de conducirse, no por el camino de menor resistencia (la conexión entre el carbono y el cable), sino por el camino de menor inductancia (la conexión entre el laminado y el inserto, una vez rota la rigidez dieléctrica del adhesivo). El paso a través del adhesivo puede generar un aumento de su temperatura y una afección a sus propiedades. Una vez que se alcanza el pico de la forma de onda, la corriente desciende a menor velocidad, por lo que pasará preferentemente por el camino de menor resistencia (la conexión entre el carbono y el cable).
La patente W02022042809A1 trata de conectar eléctricamente el inserto metálico y el laminado de pala, conductor de la electricidad. Al formar el camino eléctrico entre el inserto de metal y el material eléctricamente conductor que se encuentra en la superficie del orificio, se genera un camino claro para la corriente que evita un paso incontrolado a través del adhesivo.
Otra forma novedosa de mantener la integridad de la unión es mediante el uso de un dispositivo que evite el deterioro del adhesivo empleado para pegar el inserto. Dicho dispositivo se dispone entre el laminado conductor del módulo inboard y el elemento metálico intermedio y entre el elemento metálico intermedio y el laminado conductor del módulo outboard. Tanto en la concha superior de la pala, como en la inferior.
Descripción
La presente invención complementa el sistema de protección de rayo de una pala con laminados conductores conectados en diversos puntos a un cable bajante, con un dispositivo que conduce el pequeño porcentaje de la corriente transmitida por los laminados conductores de la pala que no se deriva al cable durante los picos de alta intensidad alcanzados al comienzo del impacto y sigue por la fibra de carbono y atravesando la unión metálica.
Es un objeto de la invención que el dispositivo reivindicado sea un elemento elástico con mayor conductividad eléctrica que la del adhesivo utilizado para pegar los insertos a la fibra de carbono de la pala modular.
Y es otro objeto de la invención que el dispositivo se disponga en el hueco formado entre el laminado conductor de la pala y los elementos intermedios de la unión metálica, rodeando los insertos con su forma toroidal.
De lo descrito se desprenden las siguientes ventajas: evitar los daños en el adhesivo y en la fibra de carbono que alberga los insertos roscados, usando para ello un sistema fácil de colocar durante el proceso de montaje de la pala y que este dispositivo, al ser elástico, garantice el contacto durante el montaje y operación de la pala.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La figura 1 representa el contorno de una pala modular con las dos partes a unir: el outboard y el inboard.
La figura 2 muestra un detalle de la unión de una pala modular.
La figura 3 muestra una sección de uno de los elementos metálicos que constituye la unión, acompañada del cable de rayo y sus puntos de toma intermedios.
La figura 4 es la sección de la figura anterior con un detalle del dispositivo de la invención sobre una realización práctica de una unión metálica concreta.
La figura 5 y la figura 6 muestran dos posibles secciones del dispositivo de la invención utilizando diferentes materiales.
Descripción detallada
Tal y como se muestra en la figura 1 , la pala modular (100) comprende una zona de unión (1 ) que separa la pala en dos partes: la punta de la pala (2) o módulo outboard y la raíz de la pala (3) o módulo inboard. La modularización de las palas se aplica a palas de gran tamaño donde el transporte de la pala enteriza se vuelve muy complejo o prácticamente imposible. Por el contrario, la zona de unión (1 ) es muy pequeña para no penalizar con más peso del debido a la pala modular (100). La pala tiene una estructura interna formada por dos alas (cap) y una o dos almas (web) de material compuesto, que configuran una viga interna sobre las que se disponen las conchas superior e inferior.
En la figura 2 se muestran los elementos metálicos intermedios (4) que conforman la unión de esta pala modular (100). Dichos elementos metálicos intermedios (4) se disponen en el cap superior (5) y en el cap inferior (no visible en la figura). El material utilizado para los laminados del cap en la zona de unión (1) es fibra de carbono (6), un material compuesto de gran resistencia y conductor eléctrico.
Las palas modulares disponen de un cable para transmitir el rayo, pero parte de su corriente se transmite también por los laminados del cap de fibra de carbono, que se encuentran conectadas al cable en varios puntos. Parte de esta corriente transmitida por los laminados del cap de fibra de carbono puede traspasar por la unión metálica.
En la figura 3, se muestra la sección de la conexión de la unión de la pala. La unión metálica se compone de un elemento metálico (4) que abarca uno o vahos pernos (10) atornillados a sus correspondientes insertos (11), que a su vez se encuentran pegados mediante un adhesivo no conductor (12) a la fibra de carbono (6) de la zona de unión
(I). Para evitar el deterioro del adhesivo (12), se dispone por cada elemento de unión de una vía de chispas (7) entre la fibra de carbono (6) del inboard (2) y el elemento metálico (4) y otra vía de chispas (7) entre el elemento metálico (4) y la fibra de carbono (6) del outboard. Estas vías de chispas (7) se colocan durante el montaje de la unión metálica y se montan tanto en el cap superior (5) como en el inferior.
Los laminados conductores de dicho cap (5) disponen de varios puntos de unión (8) que permiten su conexión al cable transmisor del rayo (9). Dicho cable (9) está encargado de recibir mediante un receptor en punta de pala el impacto de rayo en el outboard (2) y trasladarlo hasta su salida al buje por el inboard (3). El cable (9) también se puede conectar al elemento metálico (4) a través de otro punto de unión (8’) para su equipotencialización.
La sección de la figura 4 se realiza sobre una unión metálica concreta. Se utiliza un único perno (10’) atornillado entre un inserto (11) del módulo outboard (2) y un inserto
(I I ) del módulo inboard (3) añadiendo sobre el hueco formado entre los módulos de la pala un elemento metálico en cuña como máquina simple de pretensado. Dicho elemento está compuesto por unas arandelas laterales (13) y una cuña central (14) atravesadas por sus correspondientes tornillos transversales (no mostrados en la figura), cuyo apriete logra el pretensado. Tanto las arandelas (13) como las cuñas centrales (14) tienen sus caras inclinadas en forma opuesta.
Tal y como se muestra en el detalle de la figura 4, el inserto (11) tiene una zona roscada (15) donde el perno único (10’), tras ensanchar ligeramente su diámetro, se rosca y fija. Dicho inserto (11 ) sobresale de la fibra de carbono (6) que lo alberga formando un pequeño hueco entre el cap (5) y la arandela (13) donde se dispone la vía de chispas (7). La cara lisa de la arandela (13) contacta con la vía de chispas (7) y la cara inclinada contacta con la cuña central (14).
La vía de chispas (7) es un elastómero que tiene forma toroidal, es conductora de la electricidad y se monta durante el proceso de ensamblaje de la pala rodeando todos y cada uno de los elementos que forman la unión metálica. La vía de chipas (7) puede estar fabricada en un material elastómerico conductor, fabricando mediante el dopaje con pequeñas cantidades de material conductor, o alternativamente en un material metálico con una geometría que le permita conseguir elasticidad.
La vía de chispas (7) tiene una sección con forma preferentemente toroidal. Tal y como se muestra en las figuras 5 y 6, puede tener otras secciones y otros materiales que mejoren el contacto con el material compuesto y con la parte metálica de la unión.
- En la primera figura se presenta un doble anillo (7’) de material elastomérico con un escalón inclinado entre ambas alturas. El anillo de mayor diámetro es el más delgado y se dispone en contacto con la fibra de carbono (6) del cap (5) y el anillo interior, de menor diámetro, se dispone en contacto con la arandela
(13) de la unión metálica (4).
- En la segunda figura se describe la alternativa del uso de un material metálico formado por dos anillos con forma de C enfrentados y solapados, con un muelle interior (7”) que le confiera la elasticidad requerida.

Claims

REIVINDICACIONES
1- Dispositivo para protección de rayo en una pala modular (100), donde los elementos de la unión metálica se disponen en el cap superior (5) y en el cap inferior, tanto en el lado del módulo outboard (2) como en el lado del módulo inboard (3) comprendiendo cada uno de los elementos metálicos de unión (4) uno o vahos pernos (10) pretensados, que están enroscados en insertos (11) que se pegan en orificios previamente taladrados en el interior del material compuesto de fibra de carbono (6) mediante un adhesivo (12), caracterizado porque comprende:
- una vía de chispas (7) que es un elemento elástico con mayor conductividad eléctrica que la del adhesivo (12) utilizado para pegar los insertos taladrados (11 ) en el interior de la fibra de carbono (6),
- la vía de chispas (7) está dispuesta entre el cap (5) y los elementos de la unión metálica
- la vía de chispas (7) es elástica, lo que permite asegurar el contacto con el cap (5) y los elementos de unión metálica durante el montaje y operación de la pala.
2- Dispositivo para protección de rayo en una pala modular según la reivindicación 1 , en donde cada vía de chispas (7) tiene forma toroidal y rodea todos y cada uno de los elementos que forman la unión metálica.
3- Dispositivo para protección de rayo en una pala modular según las reivindicaciones anteriores, en donde la vía de chispas (7) es un elastómero conductor y presenta una sección con protuberancias para mejorar el contacto con el material compuesto y con la parte metálica de la unión
4- Dispositivo para protección de rayo en una pala modular según las reivindicaciones anteriores, en donde la vía de chispas (7) está formada por un material metálico con una geometría que permite su elasticidad.
5- Dispositivo para protección de rayo en una pala modular según las reivindicaciones anteriores, en donde un perno único (10’) está atornillado en los insertos (11) del outboard (2) y del inboard (3) con un elemento metálico en cuña compuesto por unas arandelas (13) y una cuña central (14) atravesadas por sus correspondientes tornillos transversales cuyo apriete logra el pretensado y la vía de chispas (7) se dispone entre la cara lisa del casquillo (13) y la fibra de carbono (6).
6- Dispositivo para protección de rayo en una pala modular según las reivindicaciones anteriores, en donde se presenta un elastómero con un doble anillo y un escalón inclinado entre ambos (7’), donde el anillo de mayor diámetro es el más delgado y se dispone en contacto con la fibra de carbono (6) y el anillo interior, de menor diámetro, se dispone en contacto con la arandela (13).
7- Dispositivo para protección de rayo en una pala modular según las reivindicaciones anteriores, en donde presenta un material metálico formado por dos anillos con forma de C enfrentados y solapados, con un muelle interior (7”) que le confiera la elasticidad requerida y está dispuesto entre la fibra de carbono (6) y la arandela (13).
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