ES2346199T3 - Pala de turbina eolica con punta de fibra de carbono. - Google Patents
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Abstract
Pala (14) de turbina eólica de polímero reforzado con fibras, que se caracteriza porque está dividida en una porción extrema interior (15) que incluye la raíz de la pala y que está fabricada sustancialmente de polímero reforzado con fibra de vidrio, y una porción extrema exterior (17) que incluye la punta de la pala y que está fabricada sustancialmente de polímero reforzado con fibra de carbono.
Description
Pala de turbina eólica con punta de fibra de
carbono.
La invención se refiere a una pala de turbina
eólica de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
Las palas de las turbinas eólicas se hacen
típicamente a partir de dos mitades de carcasa de pala fabricadas
de polímero reforzado con fibras. Cuando se moldean, las dos mitades
son pegadas una a la otra a lo largo de los bordes y por medio de
dos tirantes, que con anterioridad a esta operación han sido pegados
a la cara interior de una de las mitades de carcasa de pala. La
otra mitad de carcasa de pala se dispone entonces en la parte
superior de los tirantes y se pega allí y a lo largo de los
bordes.
Las mitades de carcasa de pala por sí mismas se
fabrican típicamente por medio de infusión al vacío, en la que las
fibras distribuidas uniformemente, mechas que son haces de fibras,
bandas de mechas o fieltros que pueden ser fieltros de fibras
únicas o fieltros tejidos de mechas de fibras, son colocadas por
capas en una porción de molde y cubiertas con una bolsa de vacío.
Mediante la creación de vacío (normalmente 80 - 90%) en la cavidad
existente entre la cara interior de la porción de molde y la bolsa
de vacío, la resina es aspirada y llena la cavidad que contiene el
material de fibras. Con el fin de obtener la distribución óptima de
la resina, a menudo son utilizados las denominadas capas de
distribución y canales de distribución entre la bolsa de vacío y el
material de fibras.
El polímero utilizado es típicamente poliéster o
epoxi, y el refuerzo de fibras generalmente se basa en las fibras
de vidrio. Sin embargo, también es conocida la utilización de fibras
de carbono que son más rígidas que las fibras de vidrio, pero que
tienen un menor alargamiento a la rotura que las fibras de vidrio.
Se pueden añadir fibras de carbono para obtener un mayor grado de
rigidez y/o un peso inferior. De esta manera, es posible formar una
porción del refuerzo de fibras que está formado por fibras de
carbono para reducir el peso de la pala sin que la pala pierda
demasiado de su rigidez. Sin embargo, las fibras de carbono son
perjudicadas por el inconveniente de ser significativamente más
caras que las fibras de vidrio, lo cual es una de las razones por
las que no se utilizan ampliamente las palas de turbina eólica
fabricadas de un polímero reforzado con fibra de carbono.
Por medio del documento número WO 00114405 se
conoce reforzar una pala de turbina eólica de polímero de fibra de
vidrio con bandas longitudinales de polímero reforzado con fibra de
carbono.
El documento norteamericano US 6.287.122 desvela
la fabricación de productos compuestos alargados, en los que se
obtiene una variación en la rigidez del producto a lo largo de su
longitud alterando el contenido de fibras o la orientación angular
de las fibras trenzadas.
El documento norteamericano US 5.520.532 desvela
una porción de molde de polímero reforzado con fibra de rigidez
variable, siendo obtenida la citada rigidez variando el número de
capas del fieltro de fibras.
El documento norteamericano US 4.077,740 desvela
una pala de de rotor de un helicóptero de un material compuesto de
fibras, variando la rigidez de la pala cuando se visualiza en la
dirección longitudinal. Esta característica se obtiene variando la
orientación de las fibras con el fin de obtener una amortiguación
mejorada de las vibraciones.
El peso muerto de las modernas palas de fibra de
vidrio constituye un problema puesto que un peso muerto elevado
requiere una alta resistencia a la fatiga en la dirección del borde
de la pala. Este problema aumenta con la longitud de las palas.
El objeto de la invención es resolver el
problema anterior de una manera simple y barata.
De acuerdo con la invención, se alcanza el
objeto puesto que la pala se divide en una porción extrema interior
que incluye la raíz de la pala y que está hecha substancialmente de
polímero reforzado con fibra de vidrio y una porción extrema
exterior que incluye la punta de la pala y que está hecha
sustancialmente de polímero reforzado con fibra de carbono. De esta
manera, el peso se reduce en la parte más exterior, con lo cual el
momento producido por el peso muerto se reduce al mínimo. Por lo
tanto, se requiere menor cantidad de material y una sección
transversal más pequeña en la porción más interior de la pala y la
carga sobre el cubo de la turbina se reduce. La porción más
exterior de la pala, además, podría tener una rigidez incrementada,
de manera que se reduce el riesgo de que la pala deflecte tan
fuertemente para que la punta de la pala golpee la torre de la
turbina. Esta pala de turbina eólica es más barata de producir que
una pala fabricada exclusivamente de polímero reforzado con fibra
de carbono.
En un cierto grado de rigidez, el peso muerto se
puede reducir mediante el uso de fibras de carbono en la porción
extrema exterior, con lo cual las cargas dinámicas en la carcasa de
la pala y en la raíz de la pala también se pueden reducir, siendo
especialmente sensibles las citadas partes a las cargas
dinámicas.
Al cambiar el contenido de fibras de carbono en
la porción extrema exterior o la longitud de las mismas, la rigidez
así como las frecuencias propias pueden ser variadas. Por lo tanto,
la rigidez y las frecuencias propias pueden ser optimizadas para
las condiciones específicas.
Una porción extrema exterior comparativamente
rígida y una porción extrema interior comparativamente menos rígida
producen una forma de deflexión ventajosa en lo que se refiere a la
amortiguación aerodinámica, dependiendo la amortiguación de la
deflexión integrada a lo largo de la pala durante una vibración. Una
amortiguación aerodinámica incrementada tiene la ventaja de que la
carga aerodinámica se reduce como consecuencia.
En comparación con una pala fabricada
exclusivamente de polímero reforzado con fibra de vidrio o una pala
fabricada exclusivamente de polímero reforzado con fibra de carbono,
una pala de acuerdo con la invención ofrece una relación óptima de
rigidez con respecto a los costes.
De acuerdo con una realización, la porción
extrema exterior puede constituir entre el 25% y el 50% de la
longitud completa de la pala.
Sin embargo, la porción extrema exterior puede
constituir el 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%,
60%, 65%, 70%, 75%, 80%, 85% o incluso el 90% de la longitud de la
pala.
De acuerdo con una realización preferida, la
porción extrema exterior opuesta a la punta de la pala puede
incluir una zona de transición en la cual las fibras de carbono son
reemplazadas progresivamente por fibras de vidrio. Como resultado,
se evita un cambio abrupto en la rigidez de la pala en el área de
transición entre las fibras de carbono y las fibras de vidrio. Con
tensiones dinámicas o estáticas fuertes, una transición abrupta
entre las fibras de carbono y las fibras de vidrio provoca una
concentración de esfuerzos, siendo típicamente las fibras de
carbono 34 veces más rígidas que las fibras de vidrio. Esto puede
implicar un riesgo de destrucción de la pala. Mediante el uso de
una zona de transición de este tipo, se evita una concentración de
tensiones fuertes en la superficie límite entre las fibras de
carbono y las fibras de vidrio.
De acuerdo con una realización, la longitud de
la zona de transición puede ser de entre 0,5 m y 1 m. No obstante,
una longitud de hasta 10 m o incluso más de 10 m también podría ser
preferida.
De acuerdo con la invención, los dos tipos de
fibras pueden ser distribuidos de manera que en la matriz
polimérica, las fibras de carbono o los haces de fibras de carbono
de diferentes longitudes se extiendan desde un primer extremo de la
zona de transición, y las fibras de vidrio o los haces de fibras de
vidrio se extiendan desde el extremo opuesto de la zona de
transición, con lo que se obtiene una transición particularmente
suave de la rigidez.
De acuerdo con otra realización, la zona de
transición puede estar formada por un laminado de varias capas de
fibras, en el que cada capa de fibras tiene una superficie límite en
una posición en la dirección longitudinal, incluyendo la capa de
fibras, fibras de carbono en un lado de la superficie límite y
fibras de vidrio en el otro lado de la superficie límite, estando
desplazadas las superficies límite en sus relaciones entre sí en la
dirección longitudinal de la pala. Como resultado, se obtiene un
cambio gradual de rigidez en la zona de transición de una manera
particularmente simple.
De acuerdo con una realización, las superficies
límite pueden tener bordes dentados en una vista seccionada
paralela a las capas de fibras. De esta manera se obtiene una
transición de rigidez incluso más suave en la zona de transición.
Las puntas de las superficies límite de bordes dentados pueden ser
desplazadas unas con respecto a las otras en la dirección
transversal de la pala. Como resultado, se obtiene una variación
adicional suave de la rigidez en la zona de transición.
La invención se explicará a continuación con más
detalle por medio de varias realizaciones de la invención en vistas
esquemáticas en los dibujos, en los
que:
que:
la figura 1 muestra una turbina eólica con tres
palas,
la figura 2 muestra una pala de acuerdo con una
realización de la invención,
la figura 3 muestra una variación continua de la
relación cuantitativa de las fibras de carbono con respecto a las
fibras de vidrio, de acuerdo con una realización particular de la
invención,
la figura 4 muestra una variación continua de la
relación cuantitativa de las fibras de carbono con respecto a las
fibras de vidrio, de acuerdo con otra realización particular de la
invención,
la figura 5 muestra una variación continua de la
relación cuantitativa de las fibras de carbono con respecto a las
fibras de vidrio, de acuerdo con una tercera realización particular
de la invención,
la figura 6 muestra diagramas que ilustran cómo
se puede variar la relación cuantitativa de las fibras de carbono
con respecto a las fibras de vidrio en la transición.
La figura 1 muestra una turbina eólica moderna
que incluye una torre 12 con un cubo 13 y tres palas 14 de turbina
eólica que se extienden desde el cubo.
La figura 2 ilustra una realización de una pala
de turbina eólica de acuerdo con la invención, en la cual una
porción extrema interior 15 que incluye la raíz de la pala se
fabrica sustancialmente a partir polímero reforzado con fibra de
vidrio, y en la que una porción extrema exterior 17 que incluye la
punta de la pala se fabrica sustancialmente de polímero reforzado
con fibra de carbono. Bordeando la porción extrema interior 15, la
porción extrema exterior 17 incluye una zona de transición 16, en la
que las fibras de carbono son sustituidas gradualmente por fibras
de vidrio, de tal manera que se obtiene un cambio gradual en la
rigidez de la pala.
La figura 3 es una vista seccionada de la zona
de transición, en la que la relación cuantitativa de las fibras de
carbono con respecto a las fibras de vidrio cambia gradualmente. Las
fibras de carbono 1 se extienden desde el lado izquierdo de la
vista en sección en forma de haces o de fibras individuales de
diferentes longitudes. Las fibras de vidrio 2 no son visibles en la
figura 3, pero complementan las fibras de carbono 1. La transición
entre los dos tipos de fibras es por lo tanto difusa, de tal manera
que se obtiene una transición suave desde la porción extrema
exterior 17, que está reforzada sustancialmente con fibras de
carbono 1, a la porción extrema interior 15, que está reforzada
sustancialmente con fibras de vidrio 2.
La figura 4 ilustra una segunda realización en
la cual los fieltros de fibra de fibras no tejidas o los haces de
fibra de punto han sido perforados, debido a lo cual se proporcionan
bordes dentados en uno de sus extremos. Dos fieltros de fibra de
carbono y de fibra de vidrio, respectivamente, en la misma capa de
fibras tienen bordes dentados de forma correspondiente y por lo
tanto encajan entre sí. Dos bordes dentados de capas de fibras
apiladas pueden ser desplazados uno en relación con el otro, como se
muestra en la figura 4, con lo cual se obtiene una transición suave
entre la rigidez en la zona con fibra de carbono que se muestra en
el lado izquierdo y la rigidez en la zona con fibra de vidrio que
se muestra en el lado derecho. La figura 4 es una vista esquemática
de dos capas de fibra de carbono apiladas 3, 4 y las capas de fibra
de vidrio correspondientes se proporcionan en el área 5. Como
también se muestra en la figura 4, las puntas 12 de los bordes
dentados 11 de las dos capas de fibra de carbono 3, 4 se encuentran
desplazadas en sentido transversal para asegurar una transición
suave de la rigidez. Una zona de transición entre el área con fibra
de carbono y las áreas con fibra de vidrio está determinada de esta
manera por la longitud de los bordes dentados. En consecuencia, la
zona de transición puede variar de acuerdo con las necesidades, ya
sea acortando o prolongando la longitud de los bordes dentados.
La figura 5 muestra una disposición
particularmente simple de la zona de transición entre la porción
extrema exterior y la porción extrema interior. La figura 5 es una
vista esquemática de cuatro capas de fibras apiladas que incluyen
una capa de fibra de carbono 6 y una capa de fibra de vidrio 7. Cada
capa de fibras tiene una superficie límite 10, en las que las fibra
de carbono son reemplazadas por fibra de vidrio, obteniéndose una
zona de transición de una cierta longitud puesto que las caras
límites 10 se desplazan una en relación con la otra. La longitud de
la zona de transición, por supuesto, puede variar de acuerdo con las
necesidades desplazando las caras límite más o menos una en
relación con la otra y/o utilizando más capas de fibras.
La figura 6 es una vista esquemática de la
relación cuantitativa de las fibras de carbono con respecto a las
fibras de vidrio en la dirección longitudinal de la pala. La primera
zona I corresponde a la porción extrema exterior 17 y la segunda
zona III corresponde a la porción extrema interior 15 de la pala.
Una zona de transición II se proporciona entre las dos zonas, la
relación de fibra de vidrio 9 en la citada zona se incrementa
constantemente desde el nivel en la primera zona I al nivel en la
segunda zona III.
La figura 6a muestra de esta manera una
realización, en la cual la primera zona I está formada únicamente
por fibra de carbono 8 y la segunda zona III está formada únicamente
por fibra de vidrio 9.
La figura 6b muestra una realización, en la cual
la primera zona I está formada únicamente por fibra de carbono 8 y
la segunda zona III incluye una cantidad minoritaria constante de
fibra de carbono 8 y una cantidad mayoritaria constante de fibra de
vidrio 9.
La figura 6c muestra una realización en la que
la primera zona I incluye una cantidad mayoritaria constante de
fibra de carbono 8 y una cantidad minoritaria constante de fibra de
vidrio 9, y en la que la segunda zona III está formado únicamente
de fibra de vidrio 9.
La figura 6d muestra una realización en la que
la primera zona I incluye una cantidad mayoritaria constante de
fibra de carbono 8 y una cantidad minoritaria constante de fibra de
vidrio 9, y en la que la segunda zona III incluye una pequeña
cantidad constante de fibra de carbono y una gran cantidad constante
de fibra de vidrio 9.
La figura 6a de esta manera ilustra
esquemáticamente una realización preferida de una pala de turbina
eólica, en la cual la primera zona I corresponde a la porción
extrema exterior de la pala que incluye la punta de la pala y en la
que la segunda zona III corresponde a la porción extrema interior de
la pala que incluye la raíz de la pala. De esta manera, el material
de refuerzo para la porción extrema exterior está fabricado,
exclusivamente, de fibra de carbono, mientras que la porción extrema
interior de la raíz de la pala está fabricada, exclusivamente, de
fibra de vidrio. Como consecuencia, la porción extrema exterior
puede incluir una zona de transición II, en la cual las fibras de
carbono y las fibras de vidrio se sustituyen gradualmente unas a
las otras. Esta zona de transición II puede tener una longitud
restringida de por ejemplo 0,5 m a 1 m. Sin embargo, la pala puede
estar provista también de las realizaciones que se muestran en las
figuras 6b - 6d.
Una zona de transición puede estar provista en
la pala durante la acumulación por sí mismas de las fibras en las
partes del molde. Sin embargo, también es posible usar laminados
prefabricados de transición producidos de acuerdo con los
principios mostrados en las figuras 3, 4 y 5. Tales láminas
prefabricadas de transición son ventajosas en relación con la
producción puesto que el tiempo de proceso de la acumulación de las
fibras es sustancialmente el mismo que la producción de palas de
turbina eólicas convencionales, en el que se utiliza el mismo
material en la dirección longitudinal total de la pala.
Si una turbina eólica existente debe ser
provista de palas más largas, esto se puede obtener reemplazando la
porción más exterior de la pala por una zona de transición, que
incluye una o más láminas de transición y una punta de fibra de
carbono. El peso de la pala no es incrementado, o solamente es
incrementado ligeramente en comparación con las láminas originales
fabricadas completamente de polímero reforzado con fibra de vidrio.
Opcionalmente se podrán hacer palas completamente nuevas para una
turbina eólica existente o las palas de la porción más exterior se
pueden cortar y sustituir por una punta de fibra de carbono con o
sin una zona de transición.
Las ventajas de acuerdo con la invención se
obtienen particularmente fabricando las porciones de soporte de
carga de la porción extrema exterior sustancialmente de polímero
reforzado con fibra de carbono. Las porciones de soporte de carga
incluyen los laminados principales en forma de bandas de polímero
reforzado con fibras longitudinales dispuestas en las áreas de
aspiración y en los lados de presión de la carcasa de la pala que
está más alejada del centro de la sección transversal de la pala.
Los laminados que refuerzan la pala en la dirección periférica en
los bordes anterior y posterior de la pala también pueden ser
ventajosamente de polímero reforzado con fibra de carbono en la
porción extrema exterior de la pala.
Los laminados principales pueden estar provistos
ventajosamente como fieltros híbridos en los cuales se distribuyen
uniformemente mechas o haces de fibra de vidrio o de fibra de
carbono sobre el área de sección transversal.
Por razones de caídas de rayos, puede ser
ventajoso hacer la porción más exterior de la punta de la pala
completamente de fibra de vidrio con el fin de garantizar que las
caídas de rayos impacten contra un receptor de rayos construido
especialmente y no contra un material de fibra de carbono que es
conductor de la electricidad.
Las pruebas han demostrado que las porciones más
exteriores de las fibras de carbono en la zona de transición se
pueden romper por deflexión en la zona de transición, pero esto no
es un efecto totalmente indeseable, ya que contribuye a una mayor
suavización de la transición de la rigidez. La frecuencia de las
fibras rotas por lo tanto puede ser alta pero no crítica, puesto
que están rodeadas por fibras de vidrio más deformables. Sin
embargo, las fibras rotas siguen contribuyendo a la reducción de la
deflexión y por lo tanto a la reducción de la rotura de fibras
adicionales. La transición gradual y uniforme entre las propiedades
del material compuesto, que se basa en fibras de vidrio y en fibras
de carbono, se obtiene así por medio de dos factores. El primer
factor es la distribución de fibras rígidas y deformables para
obtener una transición entre el área rígida y la deformable. El
segundo factor es la rotura no crítica, que suaviza adicionalmente
la transición. Una realización adicional, que no se muestra, de una
pala de turbina eólica de acuerdo con la invención puede ser
obtenida por medio del denominado proceso de aerosol. En este
proceso, se utiliza una pistola de atomización para el material
polímero y una mezcla de fibras cortadas de los dos tipos es
expulsada en un flujo de resina y pulverizada en el molde. Variando
la proporción de mezcla durante el proceso de pulverización, se
puede obtener la zona de transición pretendida.
El alargamiento a la rotura de las fibras de
vidrio es de alrededor del 4,8%, mientras que típicamente oscila
entre el 0,3% y el 1,4% en las fibras de carbono. El módulo de Young
de las fibras de vidrio es de aproximadamente 73.000 MPa, mientras
que el módulo de Young de las fibras de carbono (módulo medio) es de
típicamente aproximadamente 245.000 MPa. Las fibras de carbono son
típicamente 3 - 4 veces más rígidas que las fibras de vidrio. La
densidad del vidrio es de aproximadamente 2,54 g/cm^{3}, mientras
que la densidad del carbono es de aproximadamente 1,75
g/cm^{3}.
Claims (8)
1. Pala (14) de turbina eólica de polímero
reforzado con fibras, que se caracteriza porque está dividida
en una porción extrema interior (15) que incluye la raíz de la pala
y que está fabricada sustancialmente de polímero reforzado con
fibra de vidrio, y una porción extrema exterior (17) que incluye la
punta de la pala y que está fabricada sustancialmente de polímero
reforzado con fibra de carbono.
2. Pala (14) de turbina eólica de acuerdo con la
reivindicación 1, que se caracteriza porque la porción
extrema exterior (17) constituye entre el 25% y el 50% de la
longitud total de la pala (14).
3. Pala (14) de turbina eólica de acuerdo con
las reivindicaciones 1 ó 2, que se caracteriza porque la
porción extrema exterior (17) opuesta a la punta de la pala incluye
una zona de transición (16) en la que las fibras de carbono son
sustituidas gradualmente por fibras de vidrio.
4. Pala (14) de turbina eólica de acuerdo con la
reivindicación 3, en la que la longitud de la zona de transición
(16) está comprendida entre 0,5 m y 1 m.
5. Pala (14) de turbina eólica de acuerdo con
las reivindicaciones 3 ó 4, que se caracteriza porque los dos
tipos de fibras se distribuyen en la matriz polimérica de tal
manera que las fibras de carbono o los haces de fibra de carbono
(1) con diferentes longitudes se extienden desde un primer extremo
de la zona de transición (II) y las fibras de vidrio o los haces de
fibra de vidrio (2) se extienden desde el extremo opuesto de la zona
de transición (II).
6. Pala (14) de turbina eólica de acuerdo con
las reivindicaciones 3 ó 4, que se caracteriza porque la zona
de transición (II) está formada por un laminado de varias capas de
fibras (6, 7), en el que cada capa de fibras tiene una superficie
límite (10) en una posición en la dirección longitudinal, la capa de
fibras incluye fibras de carbono (6) en un lado de la superficie
límite y fibras de vidrio (7) en el otro lado de la cara límite,
las superficies límite (10) de cada una de las capas de fibras son
desplazadas una en relación con la otra en la dirección
longitudinal de la pala (14).
7. Pala de turbina eólica de acuerdo con la
reivindicación 6, en la que las superficies límite (11) tienen
bordes dentados en una vista seccionada paralela a las capas de
fibras (3, 4, 5).
8. Pala de turbina eólica, de acuerdo con la
reivindicación 7, en la que las puntas (12) de las superficies
límite (11) de bordes dentados se encuentran desplazadas una en
relación con la otra en la dirección transversal de la pala
(14).
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