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ES2639119T3 - Sistema de protección contra rayos para una pala de turbina eólica - Google Patents

Sistema de protección contra rayos para una pala de turbina eólica Download PDF

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Publication number
ES2639119T3
ES2639119T3 ES06818138.7T ES06818138T ES2639119T3 ES 2639119 T3 ES2639119 T3 ES 2639119T3 ES 06818138 T ES06818138 T ES 06818138T ES 2639119 T3 ES2639119 T3 ES 2639119T3
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ES
Spain
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lightning
receiver
blade
wind turbine
turbine blade
Prior art date
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Active
Application number
ES06818138.7T
Other languages
English (en)
Inventor
Lars Bo Hansen
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LM WP Patent Holdings AS
Original Assignee
LM WP Patent Holdings AS
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Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=37735795&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=ES2639119(T3) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
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Active legal-status Critical Current
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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
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/30—Lightning protection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05B2240/307—Blade tip, e.g. winglets
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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Abstract

Una pala de turbina eólica con un sistema de protección contra rayos (1, 101, 201), en donde la pala (1, 101, 201) es un cuerpo de carcasa hecho de un material compuesto y que comprende un área base y un extremo en punta y en donde el sistema de protección contra rayos comprende: - al menos un receptor de rayos (3, 103, 203) dispuesto de modo libremente accesible en o sobre la superficie de la unidad de revestimiento en la punta de la pala (1, 101, 201) o en la proximidad inmediata de la misma, y - un pararrayos (2, 102, 202) hecho de un material eléctricamente conductor que se extiende dentro del cuerpo de carcasa sustancialmente a lo largo de toda la dirección longitudinal de la pala (1, 101, 201), y en donde - el receptor de rayos (3, 103, 203) y el pararrayos (2, 102, 202) están conectados eléctricamente por medio de un área de conexión, caracterizada porque el pararrayos (2, 102, 202) en toda su dirección longitudinal, como así también el área de conexión entre el pararrayos (2, 102, 202) y el receptor de rayos (3, 103, 203) están eléctricamente aislados con el fin de prevenir la aparición de descargas precursoras y/o líderes.

Description

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DESCRIPCION
Sistema de proteccion contra rayos para una pala de turbina eolica Campo tecnico
La presente invencion se relaciona con una pala de turbina eolica que tiene un sistema de proteccion contra rayos, en donde la pala es un cuerpo de carcasa hecho de un material compuesto que comprende un area base y un extremo en punta, y en donde el sistema de proteccion contra rayos comprende al menos un receptor de rayos dispuesto de modo libremente accesible en o sobre la superficie del cuerpo de carcasa en la punta de la pala o en la proximidad inmediata de la misma, y un pararrayos hecho de un material electricamente conductor que se extiende dentro del cuerpo de carcasa sustancialmente a lo largo de toda la direccion longitudinal de la pala, y en donde el receptor de rayos y el pararrayos estan conectados electricamente por medio de un area de conexion.
Antecedentes de la tecnica
Es conocida la provision de palas con sistemas de proteccion contra rayos para protegerlas contra la calda de rayos. Como un ejemplo, WO 96/07825 divulga un sistema de proteccion contra rayos, en el que la punta de la pala esta provista de un as! denominado receptor de rayos hecho de un material electricamente conductor. Este receptor de rayos puede "capturar" la descarga de un rayo y conducir la corriente a traves de un pararrayos, donde el conductor de dicho pararrayos se extiende en la direccion longitudinal de la pala y esta conectado a tierra a traves del cubo del rotor de la turbina eolica. Con frecuencia se ha demostrado que este sistema provee una proteccion satisfactoria contra la calda de rayos.
Sin embargo, existe el riesgo de una descarga disruptiva o formacion de arco desde el receptor de rayos o desde el pararrayos a areas de la pala, donde se ha acumulado agua dado que el agua es electricamente conductora. En este caso, la corriente del rayo calienta el agua y puede causar una "explosion de vapor". Esto puede resultar en un aumento de presion que sea suficientemente elevado como para danar la pala. Las descargas disruptivas tambien se pueden producir a causa de depositos, por ejemplo, de partlculas del aire, sales o insectos en la superficie de las palas. Los danos debidos a las descargas disruptivas tienen como resultado que hay que reparar la pala o en el peor de los casos hay que cambiarla y estos son procesos consumidores de tiempo y costosos, ya que es complicado reparar o cambiar las palas, especialmente en plantas de energla eolica en alta mar.
Ademas, existe el riesgo de descarga de rayos (o descargas disruptivas) sobre el pararrayos a traves de la superficie de la pala, que en el mejor de los casos solo crea un pequeno orificio a traves de la superficie de la pala, pero con frecuencia causa un dano mayor a la pala. Para un mejor control de la corriente del rayo a traves de la pala sin que se dane la misma, el sistema de proteccion contra rayos puede estar provisto de varios receptores de rayos (multireceptores) o conductores de rayos a lo largo de la direccion longitudinal de la pala. Preferentemente, los receptores de rayos estan dispuestos en un intervalo maximo de cinco metros para asegurar que no haya descarga de rayos (o descargas disruptivas) a traves de la superficie de la pala. Sin embargo, esta es una solucion comparativamente costosa y complicada.
Divulgacion de la invencion
El objeto de la invencion es proveer un nuevo y mejorado sistema de proteccion contra rayos para turbinas eolicas.
De acuerdo con la invencion, este objeto se logra por medio del pararrayos en toda su direccion longitudinal, como as! tambien el area de conexion entre el pararrayos y el receptor de rayos que estan electricamente aislados con el fin de prevenir la aparicion de descargas precursoras (streamer) y/o llderes. Tales descargas precursoras y llderes son etapas previas a la descarga de rayos y por lo tanto, la prevencion de su aparicion tambien previene la calda de rayos. Esto produce una eficiencia mejorada en comparacion con los sistemas de proteccion contra rayos existentes, que mas frecuentemente emplean pararrayos no aislados. Es mas, no se necesitan multireceptores.
En su extremo base, el pararrayos preferentemente se conecta a tierra a traves del cubo de manera que la corriente de una descarga de rayo se conduce de forma segura desde el receptor de rayos al pararrayos y finalmente a tierra. Sin embargo, puede ser suficiente con un descargador de chispas entre el pararrayos y el cubo.
De acuerdo con una forma de realizacion particular de la invencion, el pararrayos y/o el receptor de rayos estan aislados electricamente al menos hasta el cuerpo de carcasa de la pala y preferentemente al menos parcialmente a traves del cuerpo de carcasa. Por lo tanto, se minimiza el riesgo de danos por calda de rayos o descargas disruptivas en el extremo en punta de la pala.
De acuerdo con una forma de realizacion preferida del sistema de proteccion contra rayos de acuerdo con la invencion, el pararrayos comprende un conductor interno hecho de un material electricamente conductor, tal como
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cobre o aluminio, y una aislacion base hecha de polietileno, preferentemente HDPE (high density polyethylene, polietileno de alta densidad). Sorprendentemente, se ha encontrado que esta composicion es particularmente resistente a la calda de rayos o descargas disruptivas a traves de la superficie de la pala. Preferentemente, el conductor interno tiene un diametro en el rango de 3 - 30 mm, 5 - 15 mm o 7,5 - 12 mm y la aislacion base tiene un espesor de 2 - 15 mm, 3 - 10 mm o 4 - 7 mm. Se ha encontrado que estas dimensiones son suficientes para prevenir la descarga de rayos a traves de la superficie de la pala, como as! tambien para conducir la corriente de una descarga de rayo a traves del pararrayos.
De acuerdo con una forma de realizacion apropiada, se provee una capa de material semiconductor entre el conductor interno y la aislacion base. Preferentemente, este material semiconductor tiene un espesor de 0,5 - 1 mm. El material semiconductor provee protection adicional contra las descargas disruptivas al minimizar las concentraciones del campo electrico en el conductor.
De acuerdo con una forma de realizacion particular, el receptor de rayos y el area de conexion entre el receptor de rayos y el pararrayos estan aislados por medio de un material de aislacion que esta separado del material base. Este material de aislacion puede ser, por ejemplo, un manguito retractil o silicona. El material de aislacion adicional minimiza el riesgo de una descarga de rayo o descarga disruptiva en el area de conexion entre el receptor de rayos y el pararrayos.
De acuerdo con una forma de realizacion alternativa de la invention, la punta de la pala esta conformada como un cuerpo sustancialmente solido de material de aislacion. Preferentemente, este material de aislacion es un material plastico, tal como PVC (Polyvinyl Chloride, Cloruro de Polivinilo), pollmero o poliuretano (PUR, Thermoset Polyurethane, Poliuretano Termoendurecible) reforzado con fibras, por ejemplo, espuma PUR. Esto provee una forma de realizacion particularmente simple, donde se minimiza el riesgo de calda de rayos en el area de conexion entre el receptor de rayos y el pararrayos.
De acuerdo con una forma de realizacion apropiada de la invencion, el pararrayos esta provisto de un medio de conexion, por ejemplo, una rosca en su extremo externo para conectar dicho conductor de pararrayos con un correspondiente medio en el receptor de rayos. El receptor de rayos, por ejemplo, puede estar adaptado para incluir una rosca interna de modo que el receptor de rayos y el pararrayos se pueden atornillar entre si. De acuerdo con otra forma de realizacion apropiada, el receptor de rayos esta provisto de una pieza de conexion que tiene una rosca externa, mientras que el pararrayos incluye una rosca interna, por ejemplo, que entrecorta el revestimiento aislante hecho de HDPE.
De acuerdo con una forma de realizacion de la invencion, el receptor de rayos se ubica en el borde posterior de la pala. Por lo tanto, se pueden reducir las emisiones sonoras de la pala. Puede ser ventajoso proveer la superficie de la pala con un desviador de manera que el rayo que cae en el borde delantero de la pala es conducido al receptor de rayos.
De acuerdo con una forma de realizacion particularmente apropiada, al menos un orificio de drenaje esta ademas dispuesto en la punta de la pala o en la proximidad inmediata de la misma y opcionalmente un desviador extendiendose sustancialmente entre la ubicacion del orificio de drenaje y la ubicacion del receptor de rayos esta ubicado en la superficie de la pala. El orificio de drenaje asegura que no se forman acumulaciones de agua dentro de la pala, las que aumentan el riesgo de descargas disruptivas desde el pararrayos hacia dichas acumulaciones de agua. El desviador asegura que el rayo que cae en un orificio de drenaje es conducido hacia el receptor de rayos a traves del desviador y finalmente hacia tierra a traves del pararrayos. Ademas, un filtro de recoleccion de partlculas esta preferentemente dispuesto dentro de la pala de manera que dichas partlculas no bloquean el orificio de drenaje.
De acuerdo con una forma de realizacion preferida, el receptor de rayos tiene la forma de una punta Franklin o sustancialmente tiene la forma de un huevo. Esta forma asegura que el receptor de rayos no tiene bordes "afilados" que pueden ser alcanzados por un rayo y quedar danados, por ejemplo, por fusion. Una superficie receptora redondeada prolonga la vida util del receptor, ya que su geometrla es solo mlnimamente alterada por la descarga de un rayo.
De acuerdo con una forma de realizacion alternativa de la invencion, una parte de la punta de la pala esta adaptada para ser el receptor de rayos y esta hecha, por ejemplo, de tungsteno, cobre o bronce. Esto provee una forma de realizacion particularmente sencilla de la punta de la pala. Preferentemente, el receptor de rayos es aerodinamico de modo que coincida con la punta de la pala.
Breve description de las figuras
La invencion se explica a continuation con mayor detalle por medio de las formas de realizacion que se muestran en las figuras, en las que
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la Figura 1a es una vista esquematica de una pala de acuerdo con una primera forma de realizacion de la invention, vista hacia el borde posterior de la pala,
la Figura 1 b es una vista superior de la misma pala,
la Figura 1c muestra un detalle ampliado de la pala mostrada en la Figura 1b,
la Figura 2a es una vista en corte esquematica a lo largo de la llnea de Ilb-IIb de la Figura 2b de una parte de una pala de acuerdo con otra forma de realizacion de la invencion,
la Figura 2b es una vista parcialmente en corte de la misma pala a lo largo de la llnea lla-lla de la Figura 2a,
la Figura 3 es una vista esquematica superior parcialmente en corte de una parte de una pala de acuerdo con una tercera forma de realizacion de la invencion, y
la Figura 4 es una vista en corte a traves de un pararrayos, de acuerdo con la invencion.
Mejores modos de llevar a cabo la invencion
Preferentemente, la invencion se relaciona con turbinas eolicas del tipo conocido en la industria, tal como las turbinas eolicas de acuerdo con el concepto danes. Tlpicamente, una tal turbina eolica consiste en una torre, una gondola con engranaje y un generador y un rotor que consiste en un cubo y tres palas, donde el eje del rotor es sustancialmente horizontal.
Los sistemas existentes de protection contra rayos en las palas de una turbina eolica, de acuerdo con el concepto danes, con frecuencia utilizan una construction en la que un as! denominado receptor de rayos esta hecho de un material electricamente conductor que se provee en la punta de la pala. Este receptor de rayos puede "capturar" la descarga de un rayo y conducir la corriente a traves de un pararrayos, donde el conductor de dicho pararrayos se extiende en la direction longitudinal de la pala y se conecta a tierra a traves del cubo. Tlpicamente, el receptor esta conectado con un lado de un bloque de anclaje, mientras que el pararrayos esta conectado con el otro lado del mismo bloque de anclaje. Se ha descubierto que esta construccion provee una proteccion eficaz contra la calda de rayos, sin embargo, tambien se ha encontrado que es vulnerable a la descarga de rayos a traves de la superficie de la pala - especialmente en situaciones en las que las caldas de rayos se producen mientras la pala esta en una position aproximadamente horizontal durante la rotation del rotor. Es mas, el bloque de anclaje es con frecuencia rectangular y tiene bordes afilados, lo que aumenta la probabilidad de la aparicion de una descarga precursora en dichos bordes afilados y por lo tanto la probabilidad de la calda de un rayo o descarga disruptiva.
Para un mejor control de la corriente del rayo a traves de la pala sin danar la misma, el sistema de proteccion contra rayos de la pala puede estar provisto de varios receptores de rayos o pararrayos a lo largo de la direccion longitudinal de la pala. Preferentemente, los receptores de rayos estan dispuestos en un intervalo maximo de cinco metros para asegurar que no hay descarga de rayos a traves de la superficie de la pala. Sin embargo, esta es una solution comparativamente costosa y complicada.
La Figura 1 muestra una primera forma de realizacion de una pala 1 de acuerdo con la invencion. De acuerdo con esta forma de realizacion, un receptor de rayos 3 esta posicionado en el extremo en punta de la pala 1, donde dicho receptor de rayos preferentemente, pero no necesariamente, tiene predominantemente forma de huevo o esta conformado como una as! denominada punta Franklin. El receptor de rayos 3 se conecta con un pararrayos 2 que sustancialmente se extiende en toda la direccion longitudinal de la pala 1 desde el receptor de rayos 3 en la punta de la pala 1 hasta el area base de la pala 1 en el cubo del rotor. Preferentemente, la portion de pararrayos esta conectada electricamente con el cubo y la corriente del rayo que cae sobre el receptor de rayos 3 puede entonces ser conducida a tierra a traves del pararrayos 2 y el cubo, donde el cubo se conecta a tierra a traves de un segundo pararrayos (que no se muestra) que se conecta con una varilla de puesta a tierra por medio, por ejemplo, de la torre y la gondola. Ademas, se pueden proveer uno o mas descargadores de chispas entre el pararrayos 2 y el cubo o entre el pararrayos 2 y la torre. Los conductores de rayos y la varilla de puesta a tierra pueden ser conductores de cobre o pueden estar hechos de cualquier otro material electricamente conductor.
El pararrayos 2 esta sustancialmente aislado en toda su direccion longitudinal desde el area base de la pala 1 hasta el area de conexion entre el pararrayos 2 y el receptor de rayos 3. La pala 1 esta hecha por un cuerpo de carcasa preferentemente hecho de pollmero reforzado con fibras, de modo que la pala 1 comprende un revestimiento laminado 6 y una cavidad 9 en el interior de la pala 1, respectivamente. El pararrayos 2 y el receptor de rayos 3 se conectan, por ejemplo, por medio de una rosca de tornillo, donde el receptor de rayos 3 preferentemente se provee con una rosca interna. Sin embargo, tambien es concebible proveer una forma de realizacion en la que el receptor 3 esta provisto de una pieza de conexion que tiene una rosca externa, donde dicha pieza de conexion se atornilla junto con una rosca interna del pararrayos 2.
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El receptor de rayos 3 esta ubicado en el revestimiento laminado 6 de la pala 1 de tal manera que una porcion del receptor 3 sobresale de la superficie de la pala 1 en su borde posterior donde el pararrayos 2 se hace pasar a traves de una porcion del revestimiento laminado 6. El pararrayos 2 que se muestra en la presente incluye una primera aislacion en la forma de una aislacion base o de recubrimiento. Ademas, el area de conexion entre el receptor 3 y el pararrayos 2 esta aislada electricamente por medio de una aislacion adicional 5 en la forma de un manguito retractil. El manguito retractil 5 se extiende una corta distancia en la aislacion base del pararrayos 2 y una corta distancia en el receptor 3. Por lo tanto, el pararrayos 2 esta completamente aislado hasta el receptor 3.
Ademas, la pala 1 esta provista de un orificio de drenaje 4 que tambien pasa a traves del laminado 6 y que se ubica en el borde posterior de la pala 1. El orificio de drenaje 4 se conecta con la cavidad 9, esta ultima se comunica entonces con el medio ambiente. De esta manera, en todo momento se evita la acumulacion de agua dentro de la pala 1, ya que el agua es vaciada de la pala 1 a traves del orificio de drenaje 4 por las fuerzas centrlfugas durante la rotacion del rotor. En forma simultanea, la pala 1 puede estar provista de un filtro 7 para recolectar polvo y otro tipo de suciedad que puede estar presente en el interior de la pala 1, de modo que la misma no es lanzada hacia el orificio de drenaje 4 y entonces no lo bloquea. Preferentemente, el filtro 7 se ubica a traves de toda la seccion transversal de la cavidad 9. Al posicionar el receptor 3 y el orificio de drenaje 4 en el borde posterior de la pala 1, se reduce el ruido resultante de la rotacion del rotor.
Ademas, la superficie de la pala 1 esta provista de un desviador 8 que se extiende desde un area adyacente al receptor 3 en el borde posterior de la pala 1 hasta un area en el borde delantero de la pala 1. Este desviador asegura que el rayo que cae sobre el borde delantero de la pala 1, mientras la pala 1 esta en una posicion sustancialmente horizontal, en la que el receptor 3 esta orientado hacia abajo, es conducido hacia el receptor 3 y a traves de este ultimo al receptor de rayos 2. El desviador 8 puede ser una banda continua de material electricamente conductor, pero tambien puede estar segmentada, donde llderes de aire ionizado se forman entre los segmentos individuales luego de la descarga de un rayo y de ese modo la corriente del rayo es conducida a lo largo del desviador 8 en su direccion longitudinal.
Tal como se muestra en la Figura 1c, el receptor 3 puede estar dividido en dos, de modo que una porcion del receptor se moldea en el revestimiento laminado 6 de la pala 1, mientras que la segunda porcion esta unida a la primera porcion, por ejemplo, por medio de una conexion roscada. Por lo tanto, es facil cambiar la porcion del receptor 3 que sobresale de la superficie de la pala 1, si dicha parte se desgasta o se dana despues de la calda de un rayo.
La Figura 2 muestra una segunda forma de realizacion de una pala 101 de acuerdo con la invencion. La pala 101 de acuerdo con esta forma de realizacion tiene una punta 105 conformada como un cuerpo solido, por ejemplo, de poliuretano, PVC o un pollmero reforzado con fibras. El resto de la pala 101 esta hecha de un cuerpo de carcasa que tiene un revestimiento laminado 106. Como en la forma de realizacion mostrada en la Figura 1, el sistema de proteccion contra rayos de la pala incluye un pararrayos 102 que sustancialmente se extiende en toda la direccion longitudinal de la pala 101 desde el extremo base en el cubo del rotor y hasta el extremo en punta. El pararrayos 102 es guiado hacia fuera de la cavidad de la pala 101 y dentro de un orificio creado en la punta 105 y que coincide con el pararrayos 102. El pararrayos puede estar adherido en este orificio. El pararrayos se conecta con un receptor de rayos sustancialmente con forma de huevo 103. El receptor de rayos 103 se ubica en la superficie de la punta 105 de modo que una pequena porcion de la misma sobresale desde la superficie. La posicion y la forma del receptor
103 estan adaptadas para que coincidan con las propiedades aerodinamicas deseadas de la punta 105 de la pala 101, mientras que simultaneamente tiene una gran superficie metalica que asegura una buena durabilidad y larga vida, ya que el receptor contiene una gran cantidad de material que se puede fundir tras la descarga de un rayo.
Al igual que en la forma de realizacion mostrada en la Figura 1, el pararrayos 102 y el receptor 103 estan preferentemente conectados por medio de una conexion roscada, donde el area de conexion entre el pararrayos 102 y el receptor 103 puede estar electricamente aislada por medio de una aislacion adicional que tiene la forma, por ejemplo, de un manguito retractil o silicona. Sin embargo, la punta solida 105 puede ser suficiente como para proveer la aislacion electrica deseada.
La punta 105 esta provista de una cavidad 109 que se conecta con dos orificios de drenaje 104 de manera que la cavidad se puede comunicar con el medio ambiente a traves de los orificios. Cuando el rotor gira, el agua que posiblemente se acumulo dentro de la pala 101 es entonces guiada a la cavidad 109 de la punta 105 y desde all! hacia afuera a traves de los orificios de drenaje 104 debido a las fuerzas centrlfugas. Preferentemente, la punta 105 esta ademas provista de un desviador que se extiende entre un area adyacente a los orificios de drenaje 104 y un area adyacente al receptor 103 en la superficie de la punta 105. Cualquier rayo que cae en los orificios de drenaje
104 es entonces conducido a traves del desviador hacia el receptor 103 y a traves de este ultimo al pararrayos 102 y finalmente a tierra a traves del cubo, la torre o similar. La punta 105 se fija en el resto de la pala 101 por medio de un empalme de adhesion 108.
La Figura 3 muestra una tercera forma de realizacion de una pala 201 de acuerdo con la invencion. La pala 201 de
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acuerdo con esta forma de realization tiene una punta 205 conformada como un cuerpo sustancialmente solido, por ejemplo, de poliuretano, PVC o un polimero reforzado con fibras, tal como en la forma de realization mostrada en la Figura 2. El resto de la pala 201 esta hecho de un cuerpo de carcasa que tiene un revestimiento laminado 206. Como en las formas de realization mostradas en la Figura 1 y en la Figura 2, el sistema de protection contra rayos de la pala 201 incluye un pararrayos 202 que sustancialmente se extiende en toda la direction longitudinal de la pala 201 desde el extremo base en el cubo del rotor y hasta el extremo en punta. El pararrayos 202 es guiado hacia fuera de la cavidad de la pala 201 y dentro de un orificio creado en la punta 205 que se ajusta a la forma del pararrayos 202.
El pararrayos 202 se conecta con un receptor de rayos 203 que tiene una forma redondeada y que esta ubicado en el vertice de la punta 205. El receptor de rayos 203 esta adaptado como para que haya una transition sustancialmente suave entre la punta 205 y el receptor 203 y de modo que tenga las propiedades aerodinamicas deseadas de la punta 201. En otras palabras, el receptor 203, de acuerdo con esta forma de realization, es una parte de la punta de la pala 201.
Al igual que en las formas de realization mostradas en la Figura 1 y la Figura 2, el pararrayos 202 y el receptor 203 se conectan por medio de una conexion grapada o una conexion roscada 211. Es mas, el pararrayos esta anclado en la punta 205 por medio de dos varillas de plastico 210 con una rosca externa y dos orificios roscados en el receptor 203. El area de conexion entre el pararrayos 202 y el receptor 203 esta aislada electricamente por medio de una aislacion adicional en la forma, por ejemplo, de un material retractil o silicona. Sin embargo, la punta solida 205 puede ser suficiente como para proveer la aislacion electrica deseada.
Como el rayo "trata" de encontrar el camino mas corto a tierra, con frecuencia caen rayos sobre la pala del rotor que en el momento de la descarga se eleva lo mas alto posible en el aire. Sin embargo, tambien hay riesgo de caida de un rayo en la pala mientras la misma esta en una position sustancialmente horizontal durante la rotation del rotor. Esta es la situation que tiene mayor probabilidad de descarga de un rayo a traves del laminado de la pala o en los empalmes entre las mitades de la carcasa de la pala.
El actual solicitante ha realizado una serie de ensayos para examinar en los peores escenarios las palas con sistemas de protection contra rayos. Las asi denominadas simulaciones de conmutacion de alta tension y de impulso tipo rayo se llevaron a cabo mediante la suspension de una pala en una position horizontal por encima del suelo o superficie de un laboratorio, la que durante el ensayo simula una superficie equipotencial, antes de que ocurra la descarga de un rayo por encima de la pala y mientras esta cerca de la position horizontal. Un diferencial de potencial aparece entre la superficie de laboratorio y el sistema de protection contra rayos de la pala que provoca una descarga disruptiva entre el sistema de protection contra rayos de la pala y el suelo del laboratorio. Los ensayos se realizaron tanto con polaridad positiva como negativa, donde las descargas disruptivas con polaridad positiva se realizaron a 1050 kV, mientras que las descargas disruptivas con polaridad negativa se realizaron a 1400 kV.
Los ensayos se llevaron a cabo con diversas palas LM28.8P de LM Glasfiber con diferentes sistemas de protection contra rayos. Se demostro muy rapidamente que los sistemas de protection contra rayos tradicionales, donde el receptor y el pararrayos se conectan a un bloque de anclaje, previenen de manera insuficiente la descarga de rayos a traves del laminado de la pala o los empalmes de las mitades de la carcasa de la pala.
Cuando se probaron diferentes pararrayos de un sistema de protection contra rayos correspondiente al sistema de protection contra rayos que se muestra en la Figura 2, sorprendentemente se encontro que un pararrayos en la forma de un cable que tiene un nucleo de cobre y una aislacion de polietileno hecha de polietileno de alta densidad (HDPE) era particularmente eficaz en la prevention de la descarga del rayo a traves de la superficie de la pala. Despues de veintidos descargas de rayos simuladas con doce positivas y diez negativas, la pala no mostro dano visible u otros efectos negativos. Durante todas las descargas de rayos simuladas solo se observo la formation de descargas precursoras en el receptor de la pala.
Tal como se muestra en la Figura 4, el cable examinado se construyo con un nucleo 21 de 50 mm2 hecho de filamentos de cobre y un revestimiento aislante 22 de aproximadamente 4,5 mm de espesor hecho de HDPE. Entre el nucleo 21 y el revestimiento aislante 22, se provee un material semiconductor 23 que tiene como objeto minimizar las concentraciones del campo electrico en los cables de cobre individuales. Sin embargo, no es absolutamente necesario el material semiconductor para lograr el efecto deseado en el sistema de protection contra rayos. Se encontro que es suficiente utilizar una aislacion de HDPE relativamente delgada. Esto es ventajoso, ya que el cable no resulta en un aumento innecesariamente grande del peso de la pala. Es mas, este tipo de cable es muy economico. De este modo, el novedoso sistema de protection contra rayos no solo previene eficazmente las descargas de rayos a traves de la superficie de la pala, sino que tambien provee una construction mas simple y es menos costoso de fabricar que los sistemas tradicionales de protection contra rayos con o sin multireceptores.
Se ha descrito la invention con referencia a las formas de realization preferidas. Numerosas modificaciones son concebibles sin desviarse por ello del alcance de la invention. Se considera que las modificaciones y variaciones
que son evidentes para los expertos en la tecnica caen dentro del alcance de la presente invencion Lista de numeros de referencia
1, 101, 201
pala
2, 102, 202
pararrayos
5 3, 103, 203
receptor de rayos
4, 104, 204
orificio de drenaje
5
manguito o material retractil
105, 205
punta
6, 106, 206
revestimiento laminado
10 7
filtro
8
desviador
108, 208
empalme de adhesion
9, 109, 209
cavidad
21
conductor interno
15 22
aislacion base o de recubrimiento
23
material semiconductor
210
varilla de plastico
211
conexion roscada
212
orificio roscado
20

Claims (12)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    REIVINDICACIONES
    1. Una pala de turbina eolica con un sistema de proteccion contra rayos (1, 101, 201), en donde la pala (1, 101, 201) es un cuerpo de carcasa hecho de un material compuesto y que comprende un area base y un extremo en punta y en donde el sistema de proteccion contra rayos comprende:
    - al menos un receptor de rayos (3, 103, 203) dispuesto de modo libremente accesible en o sobre la superficie de la unidad de revestimiento en la punta de la pala (1, 101, 201) o en la proximidad inmediata de la misma, y
    - un pararrayos (2, 102, 202) hecho de un material electricamente conductor que se extiende dentro del cuerpo de carcasa sustancialmente a lo largo de toda la direccion longitudinal de la pala (1, 101,201), y en donde
    - el receptor de rayos (3, 103, 203) y el pararrayos (2, 102, 202) estan conectados electricamente por medio de un area de conexion,
    caracterizada porque
    el pararrayos (2, 102, 202) en toda su direccion longitudinal, como as! tambien el area de conexion entre el pararrayos (2, 102, 202) y el receptor de rayos (3, 103, 203) estan electricamente aislados con el fin de prevenir la aparicion de descargas precursoras y/o llderes.
  2. 2. Una pala de turbina eolica de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizada porque el pararrayos (2, 102, 202) y/o el receptor de rayos (3, 103, 203) estan aislados electricamente al menos hasta el cuerpo de carcasa de la pala (1, 101, 201) y preferentemente al menos parcialmente a traves del cuerpo de carcasa.
  3. 3. Una pala de turbina eolica de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, caracterizada porque el pararrayos (2, 102, 202) comprende un conductor interno (21) hecho de un material electricamente conductor, tal como cobre o aluminio y una aislacion base (22) hecha de polietileno, preferentemente HDPE.
  4. 4. Una pala de turbina eolica de acuerdo con la reivindicacion 3, caracterizada porque el conductor interno (21) tiene un diametro en el rango de 3 - 30 mm, 5 - 15 mm o 7,5 - 12 mm y la aislacion base (22) tiene un espesor de 2 - 15 mm, 3 - 10 mm o 4 - 7 mm.
  5. 5. Una pala de turbina eolica de acuerdo con la reivindicacion 3 o 4, caracterizada porque esta provista de una capa de material semiconductor (23) entre el conductor interno (21) y la aislacion base (22).
  6. 6. Una pala de turbina eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 - 5, caracterizada porque el receptor de rayos (3, 103, 203) y el area de conexion entre el receptor de rayos (3, 103, 203) y el pararrayos (2, 102, 202) estan aislados por medio de un material de aislacion que esta separado del material base.
  7. 7. Una pala de turbina eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 3 - 5, caracterizada porque la punta (105, 205) de la pala (1, 101, 201) esta conformada como un cuerpo sustancialmente solido de material de aislacion.
  8. 8. Una pala de turbina eolica de acuerdo con la reivindicacion 7, caracterizada porque el material de aislacion es un material plastico, tal como PVC, pollmero reforzado con fibras o poliuretano (PUR), por ejemplo, espuma PUR.
  9. 9. Una pala de turbina eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el pararrayos (2, 102, 202) esta provisto de un medio de conexion, por ejemplo, una rosca, en su extremo externo para conectar dicho conductor de pararrayos con un correspondiente medio en el receptor de rayos.
  10. 10. Una pala de turbina eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque ademas, al menos un orificio de drenaje (4, 104, 204) esta dispuesto en la punta de la pala (1, 101, 201) o en la proximidad inmediata de la misma y opcionalmente un desviador extendiendose sustancialmente entre la ubicacion del orificio de drenaje (4, 104, 204) y la ubicacion del receptor de rayos (3, 103, 203) esta ubicado en la superficie de la pala (1, 101, 201).
  11. 11. Una pala de turbina eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el receptor de rayos (3, 103, 203) tiene la forma de una punta Franklin o sustancialmente tiene la forma de un huevo.
  12. 12. Una pala de turbina eolica de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque una parte de la punta (205) de la pala (201) esta adaptada para ser el receptor de rayos (203) y esta hecha,
    por ejemplo, de tungsteno, cobre o bronce.
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