SISTEMA PARARRAYOS PARA PALA DE AEROGENERADOR CON LAMINADOS DE FIBRA DE CARBONO

[1] Objeto de la patente

[2] El objeto de la patente es un sistema de pararrayos para transmisión y recepción de rayos en palas de aerogeneradores. Se da la característica importante de que parte de la pala es un laminado de fibra de carbono.

[3] Antecedentes de la invención

[4] La inclusión de fibra de carbono en la fabricación de palas de aerogenerador es bastante reciente y aunque ya está bastante extendida entre las empresas más im¬ portantes del sector, la experiencia en cuanto a la forma de protección contra rayo es aún muy limitada y no existe conocimiento generalizado de ninguna técnica cuya eficacia esté probada.

[5] Tanto en la normativa aplicable a aerogeneradores como en la bibliografía existente, se recoge que una forma eficaz de proteger las palas de fibra de vidrio contra los rayos consiste en un sistema pararrayos basado en receptores puntuales situados a lo largo de la pala y un cable que conecta dichos receptores con la raíz de la pala y que discurre por el interior de la misma.

[6] En ese sentido puede citarse la patente WO 96/07825 donde se presenta un

'Pararrayos para palas de aerogenerador' constituido por un conductor eléctrico que se extiende desde la punta de la pala transcurriendo por el interior de la misma y fi¬ nalizando en la raíz de la pala en un eje de espiga que permite el giro de la pala. El conductor estará con o sin revestimiento aislante y contribuye a la propia sujeción de la pala.

[7] Por la WO 0177527 se conoce una pala que presentan una protección contra rayo con conductores internos y externos, conectados entre si y distribuidos por toda la pala. También presenta una serie de puntos de penetración y un par de configuraciones para punta y resto de la pala.

[8] La US 6.612.810 presenta una protección donde la pala comprende un par de conductores extendidos longitudinalmente por la superficie de la pala (también incorpora elementos calentadores anti-hielo). La punta de la pala tiene un receptor de impacto conectado a un tercer conductor que discurre por el interior de la pala. Todos los conductores y calentadores están conectados entre sí.

[9] En la bibliografía existente sobre impactos de rayos se recoge también la necesidad de equipotencializar el objeto que va a recibir el impacto con el sistema pararrayos. Es decir, para que todos los elementos estén al mismo potencial deberán ser conectados

eléctricamente mediante conductores situados en la zona a proteger.

[10] La fibra de carbono, como material conductor, deberá ser equipotencializada con el sistema pararrayos. El problema de dejar elementos conductores aislados es 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. Esta diferencia de potencial puede dar lugar a un salto del arco, lo que en el caso concreto que nos ocupa en el que el laminado de fibra de carbono constituye la parte resistente principal de la pala, un fallo de este tipo sería fatal.

[11] Existen diversas formas basadas en mallas metálicas que tratan de evitar la intervención del compuesto de fibra de carbono en el problema de la aparición de la diferencia de potencial pero ninguna de ellas ha demostrado eficacia en la resolución del problema.

[12] Descripción

[13] El sistema pararrayos en pala con laminados de fibra de carbono objeto de la invención emplea el sistema pararrayos basado en un cable principal al que adi- cionalmente se dota de unas derivaciones para conectarlo directamente con los laminados de fibra de carbono, de esta forma aseguramos que ambos sistemas se hallan al mismo potencial.

[14] También es objeto de esta invención presentar una nueva forma de mejorar las características eléctricas de las conexiones existentes en el sistema pararrayos de una pala entre el cable principal de bajada y los laminados de fibra de carbono de la pala. El método consiste en la aplicación de resina conductora basada en nanocomposites en las inmediaciones o proximidades de la conexión de forma controlada. De esta forma se consiguen unas características eléctricas en la conexión óptimas para el buen fun¬ cionamiento del sistema de protección antirrayos de la pala.

[15] Una realización concreta puede consistir en dos conexiones a cada uno de los dos laminados, dichos laminados se encuentran dispuestos en las dos caras que se pegan enfrentadas a las conchas de la pala denominadas alas. Las conexiones se realizan una en la zona de la raíz de la viga y la otra en la zona de punta, de tal forma que las alas de la viga pasan a ser caminos alternativos del rayo.

[16] El sistema empleado tiene como característica diferenciadora la forma de realizar las conexiones entre el cable principal y los laminados de carbono, por medio de derivaciones del cable principal gracias a pequeños trozos de cable auxiliar conectados mediante unión atornillada a una pletina metálica. La pletina metálica es la encargada de realizar la conexión directa con el carbono. Las pletinas se colocan durante el proceso de laminación de la viga y en contacto directo con las sucesivas capas de fibra de carbono de la misma, siendo posteriormente cubiertas con las capas de fibra de vidrio empleadas en el laminado de las siguientes capas de fibra de vidrio. Las pletinas

se curan con el curado normal de dicha viga consiguiendo así una unión mecánicamente robusta con la viga y eléctricamente bien conectada con la fibra de carbono.

[17] La conexión eléctrica puede ser mejorada adicionalmente mediante el empleo de resina conductora en la zona de la unión. La resina conductora a emplear esta basada en la realización de una mezcla controlada de las resinas habitualmente empleadas en la fabricación de palas de aerogenerador con nanofibras o nanotubos de fibra de carbono. La adición de estas nanofibra o nanotubos de fibra de carbono confiere a la resina inicial unas propiedades eléctricas varios órdenes de magnitud diferentes a las propiedades iniciales.

[ 18] Una realización concreta de esta resina contempla la adición de un cierta cantidad de nanofibras o nanotubos de carbono, preferentemente en una proporción de entre un 3 y un 30%, a una resina de tipo epoxy, comúnmente empleada en la fabricación de palas eólicas. Posteriormente, esta resina conductora ya mezclada es aplicada en las in¬ mediaciones de la conexión del cable exterior al laminado de carbono.

[19] En el caso concreto en que la conexión al carbono se realiza mediante las pletinas metálicas, la aplicación de la resina conductora basada en nanocomposites entre la pieza metálica y el laminado de carbono a conectar, así como en las inmediaciones de la conexión durante la laminación de la pieza de compuesto, mejoran consider¬ ablemente las propiedades eléctricas de la conexión, ya que se mejora la forma en que la corriente se transmite desde la pieza metálica a cada una de las fibras de carbono del laminado.

[20] Otra aplicación de la resina conductora comprende la aplicación de esta resina conductora en aquellas zonas en las que interese disminuir la resistencia eléctrica del laminado, como por ejemplo la aplicación de la resina en toda la superficie exterior de la viga.

[21] Otra característica objeto de la invención es la determinación adecuada de los radios en los que se disponen las conexiones a la viga de la pala para facilitar una buena conexión eléctrica y evitar cualquier salto de arco debido a fenómenos de inducción.

[22] Descripción de las figuras

[23] La figura 1 representa la posición relativa entre las alas de carbono y el cable que discurre a través del alma en una sección de la pala.

[24] La figura 2 muestra la pletina que realiza la conexión con la fibra de carbono así como las derivaciones mediante cables auxiliares.

[25] La figura 3 muestra en detalle la conexión entre la pletina y la fibra de carbono y las derivaciones de los cables auxiliares al cable principal.

[26] La figura 4 muestra una sección de la pala en la que aparecen representados todos los componentes del sistema y las conexiones entre ellos.

[27] La figura 5 muestra la zona idónea para la aplicación de la resina conductora basada en nanocomposites con el fin de mejorar la conductividad de la conexión.

[28] Descripción de la realización preferencial

[29] Tal y como muestra la figura 1, el sistema pararrayos en pala (1) con laminados de fibra de carbono (2) objeto de la invención emplea el sistema pararrayos basado en un cable principal (6) al que adicionalmente se dota de unas derivaciones para conectarlo directamente con los laminados de fibra de carbono (2), de esta forma aseguramos que ambos sistemas se hallan al mismo potencial.

[30] Tal y como muestran las figuras 2 y 3, las derivaciones se realizan mediante dos conexiones a cada uno de los dos laminados de fibra de carbono (2), el correspondiente a la parte superior de la viga (10) y el correspondiente a la parte inferior de la misma, representados en la figura anterior. Dichos laminados se encuentran dispuestos en las dos caras que se pegan enfrentadas a las conchas de la pala denominadas alas (4). Las conexiones se realizan una en la zona de la raíz de la viga y otra en la zona de la punta, de tal forma que las alas (4) de la viga pasan a ser caminos alternativos del rayo. La característica diferenciadora del sistema empleado radica en la forma de realizar las conexiones entre el cable principal (6) y los laminados de carbono (2), esto se consigue por medio de derivaciones del cable principal (6) gracias a pequeños trozos de cable auxiliar (5) que son conectados mediante unión atornillada a una pletina (3) metálica. La pletina (3) metálica es la responsable de realizar la conexión directa con el carbono (2). Las pletinas (3) son colocadas durante el proceso de laminación de la viga sobre las capas de fibra de carbono de la viga y posteriormente son cubiertas con las capas de fibra de vidrio empleadas en el laminado posterior de la viga. Las pletinas (3) se curan con el curado normal de dicha viga consiguiendo así una unión mecánicamente robusta con la viga y eléctricamente bien conectada con la fibra de carbono (2). La conexión eléctrica puede ser mejorada adicionalmente mediante el empleo de resina conductora en la zona de la unión tal y como se aprecia en la figura 5.

[31] Tal y como se muestra en la figura 4, la punta de la pala (11) incorpora un receptor metálico (7) que se extiende a través del cable principal (6) por toda la longitud del alma (8) de la viga (10). Tal y como se ha mencionado con anterioridad las conexiones se realizan una en la raíz de la viga y otra en la zona de punta.

[32] Tal y como muestra la figura 5, la forma idónea para mejorar las características eléctricas de la unión consiste en la aplicación de resina conductora basada en nanofibras o nanotubos de carbono (11) tanto entre la pletina y la última capa de carbono como en las inmediaciones de la pletina de conexión. Tanto la resina conductora como las pletinas (3) se curan con el curado normal de dicha viga con¬ siguiendo así una unión mecánicamente robusta con la viga y eléctricamente bien conectada con la fibra de carbono (2). La conexión resultante tiene unas propiedades

eléctricas considerablemente mejores que si no se emplea la resina conductora.

[33] Para el caso en que se trate de un laminado híbrido alternando capas de fibra de carbono y capas de fibra de vidrio, la equipotencialización entre las distintas capas de fibra de carbono se consiguen gracias a ventanas, discontinuidades o huecos abiertos en las capas de fibra de vidrio del laminado híbrido. Alternativamente, la equipotencialización entre las distintas capas de fibra de carbono separadas por capas de fibra de vidrio se puede obtener mediante el empleo de resinas conductoras basadas en nanocomposites a lo largo de toda la capa de fibra de vidrio inicialmente aislante o en zonas discretas de la misma, como por ejemplo en la posición en la que se colocaban las ventanas.

[34] En una segunda realización práctica de la invención la equipotencialización del sistema pararrayos se lleva a cabo mediante derivaciones del cable principal (6) y gracias a cables auxiliares (5) conectados a pines metálicos de forma preferentemente cónica, que atraviesan el laminado híbrido con telas de fibra de vidrio y fibra de carbono, de tal forma que dichos pines establecen la conexión entre todas las capas de fibra de carbono. También en este caso la conexión eléctrica puede ser mejorada adi- cionalmente mediante el empleo de resina conductora basada en nanofibras o nanotubos de carbono. Esta segunda realización tiene además la ventaja de que en caso de tener un laminado híbrido que alterne capas de fibra de vidrio y capas de fibra de carbono, la equipotencialización entre las distintas capas de fibra de carbono se consigue gracias a los pines cónicos y no es necesario proveer ventanas, discon¬ tinuidades o huecos en las capas de fibra de vidrio.