ES2952372T3 - Diseño de pala de aerogenerador - Google Patents
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Abstract
Una pluralidad de palas o porciones de pala de turbina eólica tienen sustancialmente el mismo tamaño y forma geométrica exterior, y las capas correspondientes de las palas o porciones de pala que tienen la misma posición dentro de las respectivas palas o porciones de pala de turbina eólica tienen diferentes ángulos de orientación de las fibras con respecto a un paso. eje de la respectiva pala o porción de pala de turbina eólica. Cambiando los ángulos de orientación de las fibras de las capas correspondientes se puede variar un acoplamiento de curvatura a torsión de la cuchilla o porciones de cuchilla entre la pluralidad de cuchillas o porciones de cuchilla. Las palas pueden entonces adaptarse según su ubicación dentro o sobre un parque de turbinas eólicas. Se puede utilizar una forma de molde común en la pluralidad de palas o porciones de palas de turbina eólica, junto con un proceso de diseño de palas más simplificado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Diseño de pala de aerogenerador
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un kit de piezas para una pluralidad de palas o partes de pala de aerogenerador, una pluralidad de palas o rotores de aerogenerador formados a partir del kit de piezas, un parque de aerogeneradores que incluye aerogeneradores que tienen los rotores de aerogenerador, y un método para formar una pluralidad de palas o partes de pala de aerogenerador.
Antecedentes de la invención
Las palas de aerogenerador existentes tienen sus propias geometrías específicas y propiedades estructurales específicas. Por lo tanto, el procedimiento de diseño completo para una pala de aerogenerador requiere una cantidad significativa de tiempo de diseño y recursos computacionales. Por lo tanto, una vez que se ha diseñado una pala de aerogenerador, el diseño general se acatará durante toda la fabricación de la pala.
En general, un proceso de diseño produce solamente un diseño de pala de una geometría y estructura dadas, y todos los rotores de aerogenerador, incluyendo las palas, hechos según el diseño de pala, son sustancialmente idénticos.
El documento US2006/133937A1 describe una pala de aerogenerador que incluye un revestimiento exterior y una estructura de soporte interna, la estructura de soporte interna que incluye al menos un miembro de soporte de carga de corte orientado longitudinalmente a lo largo de la pala y configurado para colocar un centro de corte y un centro de carga de presión aerodinámica de la pala en diferentes ubicaciones unas con relación a otras. Aeroelastic Tailoring in Wind-Turbine Blade Applications - Veers et al. revisa los problemas relacionados con la adaptación aeroelástica de palas de aerogenerador para dar forma a la curva de potencia y reducir las cargas en la pala de manera pasiva.
Compendio de la invención
Un primer aspecto de la invención proporciona un kit de piezas para una pluralidad de palas de aerogenerador, que comprende una pluralidad de palas de aerogenerador o una pluralidad de partes de pala de aerogenerador cada una que tiene: una pluralidad de capas compuestas, cada capa que tiene una posición dentro de la respectiva pala de aerogenerador o la respectiva parte de pala de aerogenerador y un ángulo de orientación de fibras con relación a un eje de paso de la respectiva pala de aerogenerador o la respectiva parte de pala de aerogenerador, en donde cada una de las palas de aerogenerador o cada una de las partes de pala de aerogenerador tienen sustancialmente el mismo tamaño y forma geométrica externa y ejes de paso correspondientes, y en donde al menos una capa de cada una de las respectivas palas de aerogenerador o cada una de las respectivas partes de pala de aerogenerador, cuyas capas correspondientes tienen la misma posición dentro de las respectivas palas de aerogenerador o partes de pala de aerogenerador y tienen diferentes ángulos de orientación de fibras, de manera que las palas de aerogenerador o las partes de pala de aerogenerador tengan acoplamientos de curva a giro diferentes.
Con tal disposición, se proporciona una pluralidad de palas de aerogenerador o partes de pala de aerogenerador que tienen un 'acoplamiento de curva a giro' diferente y la misma forma externa geométrica. El acoplamiento de curva a giro se refiere al acoplamiento entre la carga de aleta de la pala (o desviación) y el giro de la pala. En otras palabras, la carga de pala a modo de aleta hace que la pala gire alrededor de un eje longitudinal de la pala. Este acoplamiento tendrá un efecto de alivio de carga si se implementa en una dirección favorable debido a que cualquier desviación de la pala, por ejemplo, las ráfagas de viento harán que la pala gire hacia ángulos de ataque más bajos, lo que alivia la carga de aleta sobre la pala. Este efecto de alivio de carga es pasivo y se puede usar para proporcionar cargas de fatiga menores sobre las palas, el eje principal, el bastidor principal, la torre y la base para el mismo nivel de producción anual de energía (AEP), lo que da como resultado reducciones de costes de componentes correspondientes.
Cambiando el ángulo de orientación de fibras de una o más capas en la disposición de capas, pero manteniendo igual la geometría externa, se puede producir un conjunto de palas o partes de pala con diferentes acoplamientos de curva a giro. Por lo tanto, las palas se pueden diseñar para una mayor gama de aplicaciones con menos tiempo y menos recursos requeridos. También existe la ventaja adicional de que se pueden usar los mismos moldes para fabricar un conjunto de palas o partes de pala de aerogenerador con diferentes propiedades.
Si bien, por supuesto, es posible hacer otros cambios en la estructura de pala, por ejemplo, cambiar el grosor de la pila de capas para variar la rigidez de la pala en la dirección a lo ancho, así como cambiar el ángulo de orientación de fibras de una o más capas en la disposición de capas, es particularmente ventajoso cambiar solamente el ángulo de orientación de fibras de una o más capas en la disposición de capas para cambiar el acoplamiento de curva a giro de la pala.
El ángulo de orientación de fibras aquí se usa para referirse al ángulo entre (una de) la dirección o direcciones de fibras de la capa y el eje de paso de la pala o parte de pala.
Los ángulos de orientación de fibras de las capas correspondientes pueden diferir en al menos 5°.
La orientación de fibras de las capas correspondientes puede diferir en menos de 35°.
Las capas correspondientes pueden ser capas unidireccionales, biaxiales o triaxiales.
Las capas correspondientes se pueden situar en partes del armazón de pala de las respectivas palas de aerogenerador o de las respectivas partes de pala de aerogenerador.
En un ejemplo, las palas de aerogenerador o las partes de pala de aerogenerador pueden tener acoplamientos de curva a giro diferentes.
Las capas correspondientes pueden tener sustancialmente el mismo grosor de capa, material de matriz y material de fibra. El material de matriz puede ser resina epoxi o poliéster, por ejemplo. El material de fibra puede ser vidrio o carbono, por ejemplo.
Las capas correspondientes pueden diferir en uno o más de sus grosores de capa, material de matriz o material de fibra.
Cada pala de aerogenerador o parte de pala de aerogenerador puede tener una pluralidad de capas que corresponden.
Las partes de pala de aerogenerador pueden ser partes de punta de pala de aerogenerador.
El kit de piezas puede comprender además una pluralidad de partes de raíz de pala de aerogenerador sustancialmente idénticas, en donde cada parte de punta de pala de aerogenerador es acoplable a una de las partes de raíz de pala de aerogenerador.
Según un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona una pluralidad de palas de aerogenerador formadas al menos parcialmente a partir del juego de piezas según el primer aspecto, con cada pala que comprende una de la pluralidad de palas de aerogenerador o una de la pluralidad de partes de pala de aerogenerador.
Según un tercer aspecto de la presente invención, se proporciona una pluralidad de rotores de aerogenerador, cada rotor que comprende una pluralidad de palas de aerogenerador, las palas de cada rotor que son sustancialmente idénticas, y las palas que se forman, al menos parcialmente, a partir del kit de piezas según el primer aspecto, y las palas de diferentes rotores que comprenden una respectiva de la pluralidad de palas de aerogenerador o una de las partes de pala de aerogenerador. Se puede decir que las palas del mismo rotor son sustancialmente idénticas si tienen sustancialmente el mismo diseño, forma, disposición, etc. y difieren solamente en pequeñas diferencias, por ejemplo, con respecto a las tolerancias de fabricación.
Según un cuarto aspecto de la invención, se proporciona un parque de aerogeneradores que comprende una pluralidad de aerogeneradores que comprenden la pluralidad de rotores de aerogenerador del tercer aspecto, cada aerogenerador que tiene uno de la pluralidad de rotores de aerogenerador, y un par adyacente de los aerogeneradores que están separados una distancia menor que 5 veces el diámetro de uno de los rotores de aerogenerador, preferiblemente menor que 3 veces el diámetro de uno de los rotores de aerogenerador. Con tal disposición, los aerogeneradores dentro del mismo parque se pueden formar teniendo palas de aerogenerador que se pueden fabricar sustancialmente por el mismo método, que puede tener su acoplamiento de curva a giro personalizado tal que sea específico del relleno.
El parque de aerogeneradores puede tener una dirección de viento predominante y un primer aerogenerador colocado con relación a un segundo aerogenerador en dirección contra el viento, según la dirección del viento predominante, puede tener palas que tengan un mayor acoplamiento de curva a giro que las palas del segundo aerogenerador.
Según un quinto aspecto de la invención, se proporciona un método de formación de una pluralidad de palas de aerogenerador o una pluralidad de partes de pala de aerogenerador, que comprende:
proporcionar un molde para formar una pala de aerogenerador o una parte de pala de aerogenerador que tiene un eje de paso; depositar una pluralidad de capas en el molde, cada capa que tiene una posición dentro de la pluralidad de capas y un ángulo de orientación de fibras con relación al eje de paso; formar una pala de aerogenerador o una parte de pala de aerogenerador a partir de las capas; retirar la pala de aerogenerador o la parte de pala de aerogenerador del molde; depositar una pluralidad de capas adicionales en el molde o un molde adicional para formar una pala de aerogenerador o una parte de pala de aerogenerador sustancialmente idéntica en forma y tamaño a la pala de aerogenerador o la parte de pala de aerogenerador, cada capa adicional que tiene una posición dentro de la pluralidad de capas adicionales y un ángulo de orientación de fibras con relación al eje de paso; y formar una pala de aerogenerador adicional o una parte de pala de aerogenerador adicional a partir de las capas
adicionales; en donde corresponde al menos una capa de cada una de las respectivas palas de aerogenerador o las respectivas partes de pala de aerogenerador, cuyas capas correspondientes tienen la misma posición dentro de las palas de aerogenerador o las partes de pala de aerogenerador y tienen diferentes ángulos de orientación de fibras de manera que las palas de aerogenerador o partes de pala de aerogenerador tengan diferentes acoplamientos de curva a giro.
Por consiguiente, se proporciona un método que permite que palas que tienen diferentes propiedades se produzcan sin que sea necesario ningún rediseño de un molde para las palas.
Se entenderá que el método puede usar o bien un único molde múltiples veces, o bien moldes múltiples, cada uno funcionando para producir palas de formas sustancialmente idénticas.
Según un sexto aspecto de la invención, se proporciona un kit de piezas para una pluralidad de palas de aerogenerador, que comprende una pluralidad de palas de aerogenerador o una pluralidad de partes de pala de aerogenerador, cada una que tiene: una pluralidad de capas compuestas, cada capa que tiene una posición dentro de la respectiva pala de aerogenerador o la respectiva parte de pala de aerogenerador, al menos una capa compuesta de la pluralidad de capas compuestas que es una capa multiaxial que tiene una pluralidad de fibras alineadas en múltiples direcciones axiales, en donde cada una de las palas de aerogenerador o cada una de las partes de pala de aerogenerador tiene sustancialmente la misma forma geométrica externa, y en donde corresponde al menos una capa multiaxial de cada una de las respectivas palas de aerogenerador o las respectivas partes de pala de aerogenerador, cuyas capas correspondientes tienen la misma posición dentro de las respectivas palas de aerogenerador o las respectivas partes de pala de aerogenerador y tienen una rigidez de fibra diferente en al menos una dirección axial correspondiente de manera que las palas de aerogenerador o las partes de pala de aerogenerador tengan diferentes acoplamientos de curva a giro.
Con tal disposición, se proporciona un kit de piezas para producir una pluralidad de palas de aerogenerador que tienen un acoplamiento de curva a giro diferente mientras que tienen la misma forma geométrica externa, el acoplamiento de curva a giro diferente que se logra mediante la rigidez de fibra diferente.
Breve descripción de los dibujos
Ahora se describirán realizaciones de la invención con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que: la figura 1 muestra un aerogenerador;
la figura 2 muestra una pala de aerogenerador;
la figura 3 muestra una pala de aerogenerador;
la figura 4 muestra un conjunto ejemplar de capas dentro de una disposición de fibras;
la figura 5 muestra ejemplos de diferentes capas;
la figura 6 muestra secciones de pala de aerogenerador que se pueden usar para formar una pala de aerogenerador;
la figura 7 muestra una vista en planta de un parque de aerogeneradores; y
la figura 8 muestra cómo se pueden disponer las capas dentro de un molde.
Descripción detallada de la realización o realizaciones
En esta especificación, se usan términos tales como borde de ataque, borde de salida, superficie de presión, superficie de succión, grosor, cuerda, eje longitudinal y de paso. Si bien estos términos son bien conocidos y entendidos por una persona experta en la técnica, se dan a continuación definiciones para evitar dudas.
El término borde de ataque se usa para referirse a un borde de la pala que estará en la parte delantera de la pala a medida que la pala gire en la dirección de rotación normal del rotor del aerogenerador.
El término borde de salida se usa para referirse a un borde de una pala de aerogenerador que estará en la parte posterior de la pala a medida que la pala gira en la dirección de rotación normal del rotor de aerogenerador.
La cuerda de una pala es la distancia en línea recta desde el borde de ataque hasta el borde de salida en una sección transversal dada, perpendicular a la dirección a lo ancho de la pala.
Una superficie de presión (o superficie de barlovento) de una pala de aerogenerador es una superficie entre el borde de ataque y el borde de salida que, cuando está en uso, tiene una presión más alta que una superficie de succión de la pala.
Una superficie de succión (o superficie de sotavento) de una pala de aerogenerador es una superficie entre el borde de ataque y el borde de salida, que tendrá una presión menor actuando sobre ella que la de una superficie de presión, cuando está en uso.
El grosor de una pala de aerogenerador se mide perpendicularmente a la cuerda de la pala y es la mayor distancia entre la superficie de presión y la superficie de succión en una sección transversal dada, perpendicular a la dirección a lo ancho de la pala.
El término a lo ancho se usa para referirse a una dirección desde el extremo de raíz de una pala de aerogenerador hasta el extremo de punta de la pala, o viceversa. Cuando se monta una pala de aerogenerador en un buje de aerogenerador, las direcciones a lo ancho y radial serán sustancialmente las mismas.
El término eje de paso se usa para referirse al eje de rotación de la pala de aerogenerador en una conexión de montaje de cojinete al buje. El eje de paso se extiende generalmente en la dirección a lo ancho de la pala. La rotación de la pala alrededor del eje de paso varía el ángulo de ataque de la pala.
La figura 1 muestra un aerogenerador 10 que incluye una torre 12 montada sobre una base y una góndola 14 dispuesta en el vértice de la torre 12. El aerogenerador 10 representado aquí es un aerogenerador terrestre de manera que la base está empotrada en el suelo, pero el aerogenerador 10 podría ser una instalación en alta mar, en cuyo caso la base se proporcionaría por una plataforma marina adecuada.
Un rotor 16 está acoplado operativamente a través de una caja de engranajes a un generador (no mostrado) alojado dentro de la góndola 14. El rotor 16 incluye un buje central 18 y una pluralidad de palas de rotor 20, que se proyectan hacia fuera desde el buje central 18. Se observará que el aerogenerador 10 es el tipo común de aerogenerador de eje horizontal (HAWT) de manera que el rotor 16 se monta en la góndola 12 para girar alrededor de un eje sustancialmente horizontal definido en el centro en el buje 18. Si bien el ejemplo mostrado en la figura 1 tiene tres palas, el experto en la técnica se dará cuenta de que son posibles otros números de palas.
Cuando el viento sopla contra el aerogenerador 10, las palas 20 generan una fuerza de sustentación que hace que el rotor 16 gire, lo que a su vez hace que el generador dentro de la góndola 14 genere energía eléctrica.
La figura 2 ilustra una de las palas de aerogenerador 20 para su uso en tal aerogenerador. Cada una de las palas 20 tiene un extremo de raíz 28 proximal al buje 18 y un extremo de punta 40 distal del buje 18. Un borde de ataque y un borde de salida se extienden entre el extremo de raíz 28 y el extremo de punta 40, y cada una de las palas 20 tiene una superficie aerodinámica de alta presión respectiva (es decir, la superficie de presión) y una superficie aerodinámica de baja presión (es decir, la superficie de succión) que se extiende entre los bordes de ataque y de salida de la pala 20.
Cada pala tiene una sección transversal que es sustancialmente circular cerca del extremo de raíz 28, porque la pala cerca de la raíz debe tener suficiente resistencia estructural para soportar la pala fuera de esa sección y transferir cargas hacia el buje 18. La pala 20 hace una transición de un perfil circular a un perfil aerodinámico que se mueve desde el extremo de raíz 28 de la pala hacia un “hombro” de la pala, que es la parte más ancha de la pala donde la pala tiene su cuerda máxima. La pala 20 tiene un perfil aerodinámico de grosor progresivamente decreciente en una parte exterior de la pala, que se extiende desde el hombro hasta el extremo de punta 22.
La pala de aerogenerador 20 puede ser una pala 'dividida' o 'segmentada' que comprende una pluralidad de partes de pala que se unen entre sí para formar la pala completa. En el ejemplo representado en la figura 2, la pala de aerogenerador 20 incluye una primera parte de pala de aerogenerador 22 y una segunda parte de pala de aerogenerador 24, que se pueden conectar en una interfaz de unión para formar la pala 20.
La primera parte de pala 22 incluye el extremo de raíz 28, un borde de ataque 30a, un borde de salida 32a, un lado de succión 34a y un lado de presión 36a. De manera similar, la segunda parte de pala 24 tiene el extremo de punta 40, un borde de ataque 30b, un borde de salida 32b, un lado de succión 34b y lado de presión 36b. Las dos partes de pala se pueden unir en una unión 26.
Aunque el ejemplo mostrado en la figura 2 tiene dos partes de pala, se entenderá que una pala puede tener tres o más partes de pala con una unión entre partes de pala adyacentes.
La pala de aerogenerador 20, o sus partes de pala, incluye un armazón de pala y una membrana de corte que se extiende internamente entre las partes superior e inferior del armazón de pala. El armazón de pala puede comprender dos medios armazones que se moldean por separado antes de ser unidos entre sí (en el borde de ataque y en el borde de salida) para formar la pala o parte de pala. Se apreciará que el armazón de pala no se necesita formar como dos medios armazones que posteriormente se unen entre sí, sino que se puede formar como una estructura de armazón unitaria, junto con la membrana de corte, en un proceso de armazón único de “una acción”. El armazón de pala puede incluir un material compuesto laminado tal como, por ejemplo, fibra de vidrio y/o fibra de carbono. La figura 3 muestra una pala compuesta 20 y una parte 200 del armazón compuesto de pala.
La figura 4 es una vista esquemática de una disposición de ejemplo a través de la parte 200 del armazón compuesto, que muestra tres de las capas 202, 204, 206. Por supuesto, la disposición puede incluir un mayor o menor número de capas y la ilustración mostrada es por facilidad de explicación. Cada una de las capas tiene un ángulo de orientación de fibras y cambiando el ángulo de orientación de fibras de una o más de las capas 202, 204, 206, la pala 20, o una parte de la misma, puede exhibir un acoplamiento de curva-torsión diferente en comparación con otra pala, o parte de pala en la que una capa o capas correspondientes tienen un ángulo de orientación de fibras diferente.
El término 'capas correspondientes' se refiere a la relación posicional de las capas que tienen los diferentes ángulos de orientación de fibras entre la pila de capas de la pluralidad de palas o partes de pala. Esta puede ser una relación uno a uno o una relación uno a muchos entre las capas que tienen diferentes ángulos de orientación de fibras. Por ejemplo, una única capa en una ubicación específica en la pila de capas puede tener un primer ángulo de orientación de fibras en una primera pala o parte de pala, y una única capa en la misma ubicación en la pila de capas en una segunda pala o parte de pala puede tener un segundo ángulo de orientación de fibras diferente del primer ángulo de orientación de fibras.
Alternativamente, un grupo de capas en una ubicación específica en la pila de capas puede tener un primer conjunto de ángulos de orientación de fibras en una primera pala o parte de pala, y un grupo de capas en la misma ubicación en la pila de capas en una segunda pala o parte de pala puede tener un segundo conjunto de ángulos de orientación de fibras diferente del primer conjunto de ángulos de orientación de fibras. El número y/o grosor de las capas en los grupos de capas puede ser igual o diferente entre la primera pala o parte de pala y la segunda pala o parte de pala. Aún más alternativamente, una única capa en una ubicación específica en la pila de capas puede tener un primer ángulo de orientación de fibras en una primera pala o parte de pala, y un grupo de capas en la misma ubicación en la pila de capas en una segunda pala o parte de pala puede tener un segundo conjunto de ángulos de orientación de fibras, al menos uno de los cuales es diferente del primer ángulo de orientación de fibras. El grosor de la única capa en la primera pala o parte de pala puede ser igual o diferente que el grosor del grupo de capas en la misma ubicación en la pila de capas en la segunda pala o parte de pala.
La figura 5 muestra tres tipos genéricos diferentes de capas usados comúnmente en disposiciones compuestas. La primera capa es una capa unidireccional 100, que tiene una serie de fibras 102 paralelas, todas alineadas paralelas a un eje primario A. En el caso de un preimpregnado, las fibras están incrustadas en un material de matriz 104. De otro modo, el material de matriz 104 se infunde posteriormente. Capas tales como la capa unidireccional 100 serán relativamente rígidas a lo largo de la longitud de las fibras 102 (aquí alineada con el eje primario A) pero relativamente flexibles en una dirección perpendicular a la dirección de las fibras 102, aquí la dirección perpendicular al eje A en el plano de la capa.
La segunda capa es una capa biaxial 110. La capa biaxial 110 tiene un primer conjunto de fibras 112 orientadas a 45° del eje primario A y un segundo conjunto de fibras 114 paralelas orientadas a 45° del eje A en la dirección opuesta. En el caso de un preimpregnado, las fibras 112, 114 se incrustan en un material de matriz 116. De otro modo, el material de matriz 116 se infunde posteriormente.
Se hará referencia habitualmente a la capa biaxial 110 como capa 45/-45, dado que los dos conjuntos paralelos de fibras 112, 114 están orientados cada uno a 45° del eje primario A en direcciones opuestas. También se conocen capas biaxiales donde las fibras no son perpendiculares, tales como capas biaxiales 30/-30 o las capas biaxiales 60/-60.
Las capas biaxiales exhibirán un menor grado de anisotropía que las capas unidireccionales. Para capas 45/-45, la capa exhibirá una alta rigidez en las direcciones tanto de 45° como de -45°. No obstante, en la dirección 0° a lo largo del eje primario A y la dirección 90° perpendicular al eje primario A, la capa tendrá una rigidez menor que en las direcciones 45° o -45°.
La tercera capa es una capa triaxial 120. La capa triaxial 120 de ejemplo tiene un primer conjunto de fibras 122 orientadas a 45° del eje primario A, un segundo conjunto de fibras 124 orientadas a 45° del primario A en la dirección opuesta, y un tercer conjunto de fibras 128 paralelas orientadas sustancialmente paralelas al eje primario A. La capa triaxial 120 será relativamente rígida en las direcciones a lo largo de las fibras (es decir, a 0°, 45°, -45°) pero puede ser más flexible en direcciones no a lo largo de las fibras, siendo lo más flexible a 90° del eje primario A. En el caso de un preimpregnado, las fibras de la capa triaxial 120 están incrustadas en un material de matriz 126. De otro modo, el material de matriz 126 se infunde posteriormente.
Una capa triaxial también puede tener fibras orientadas a 0°, 60°, -60°. Se puede hacer referencia a tal capa como cuasi-isotrópica. Esto significa que la capa tendrá una diferencia de flexibilidad menor entre sus ejes de mayor rigidez y los ejes de menor rigidez que otras capas, tales como capas unidireccionales. La orientación de tal capa cuasi-isotrópica puede tener un menor efecto en el acoplamiento de curva a giro de una pala que la orientación de una capa que tenga un mayor grado de anisotropía. Las capas biaxiales que tienen fibras a 45°, -45° también se pueden considerar como que son cuasi-isotrópicas.
Volviendo a la figura 4, la primera capa compuesta 202 puede ser una capa biaxial, tal como una capa 45/-45, como se indica por los ángulos a1 y a2 con relación al eje de paso P. Cuando a1 y a2 son ángulos iguales y opuestos, la capa biaxial tiene un eje primario A alineado con respecto al eje de paso P. No obstante, cuando a l y a2 no son ángulos iguales y opuestos, la capa biaxial tiene un eje primario A inclinado 'fuera del eje' con respecto al eje de paso P.
El ajuste de los ángulos de orientación de fibras a l y a2 de esta forma puede conducir a un cambio en el acoplamiento de curva a giro de la pala 20, o una parte de la misma. Igualmente, las fibras pueden estar dispuestas a 30°, -30°. Siempre que las fibras estén dispuestas en ángulos iguales y opuestos, se puede hacer referencia a la capa como “equilibrada” alrededor del eje de paso P.
La segunda capa compuesta 204 puede ser una capa unidireccional 204, con las fibras orientadas a lo largo del ángulo p1 con respecto al eje de paso P, donde p1 puede ser cero o distinto de cero. Cuando el ángulo de orientación de fibras p1 es cero, las fibras de la capa unidireccional están alineadas con el eje de paso P. Cuando el ángulo de orientación de fibras p1 no es cero, la dirección más rígida de la capa unidireccional 204 está inclinada con respecto al eje de paso P. Cambiar el ángulo de orientación de fibras p1 de manera que la dirección de mayor rigidez de la capa cambie con respecto al eje de paso P puede dar como resultado un cambio en el acoplamiento de curva a giro de la pala.
La tercera capa 206 puede ser otra capa biaxial 206, que tiene las fibras orientadas en ángulos y1 y Y2 con relación al eje de paso P. Los ángulos y1 y Y2 pueden ser idénticos a los ángulos a l y a2, o pueden ser diferentes.
Se entenderá que mientras que en los ejemplos anteriores el eje de paso P se usa como la referencia para el ángulo de orientación de fibras para las capas correspondientes, se puede tomar como el eje de referencia cualquier eje generalmente a lo ancho de las palas o partes de pala correspondientes. Por ejemplo, el borde de salida lineal de la pala exterior del hombro se puede tomar como eje de referencia alternativo adecuado, en la medida que será común entre una pluralidad de palas o partes de pala que tengan la misma forma.
La capacidad de cambiar el acoplamiento de curva a giro de una pala o parte de pala cambiando el ángulo de orientación de fibras de una o más de las capas abre varias posibilidades en términos de diseño de pala.
Una pluralidad de palas o partes de pala pueden tener sustancialmente el mismo tamaño y forma geométrica externa y ejes de paso correspondientes. Se pueden construir a partir de moldes iguales o de forma similar. La mayoría de las palas o partes de pala pueden permanecer sustancialmente idénticas entre la pluralidad de palas o partes de pala. Cambiando el ángulo de orientación de fibras de una o más de las capas para que estén 'fuera del eje' o inclinadas con respecto al eje de paso P significa que el acoplamiento de curva a giro se puede variar entre la pluralidad de palas o partes de pala.
En un ejemplo, y haciendo referencia a la figura 4, una primera pala o parte de pala puede tener una primera y tercera capas 202 y 206 idénticas con una segunda pala o parte de pala pero las segundas capas 204 tienen diferentes ángulos de orientación de fibras p1 entre la primera pala o parte de pala y la segunda pala o parte de pala. Los diferentes ángulos p1 pueden dar lugar al acoplamiento de curva a giro diferente entre las palas o partes de pala.
Se entenderá que las segundas capas 204 de diferentes palas 20 se podrían identificar como 'capas correspondientes' debido a sus posiciones similares dentro de la disposición compuesta.
En otro ejemplo, en una primera pala o parte de pala, la capa unidireccional 204 se puede sustituir en una segunda pala o parte de pala por una capa biaxial o una capa triaxial. Todavía se reconocerá que la capa de la segunda pala o parte de pala estaría en la misma posición en la disposición que la capa 204 de la primera pala o parte de pala y, por lo tanto, se vería como correspondiente. Se ha de observar que el eje primario de la capa unidireccional en la primera pala o parte de pala y el eje primario de la capa biaxial o triaxial en la segunda pala o parte de pala pueden estar alineados uno con otro y/o pueden estar alineados con el eje de paso de las respectivas palas o partes de pala; o pueden estar inclinados en un ángulo uno con otro y/o pueden estar inclinados en un ángulo con los respectivos ejes de paso.
En un ejemplo, el ángulo de orientación de fibras de solamente una única capa podría diferir entre las dos palas o partes de pala, o el ángulo de orientación de fibras de más de una capa puede diferir entre las palas. Por ejemplo, una capa se puede sustituir por dos capas para lograr diferentes ángulos de orientación de fibras entre las dos palas o partes de pala, por ejemplo, la primera capa biaxial 45/-45202 se podría sustituir por dos capas unidireccionales orientadas a 60° y -30° del eje de paso P, dando el resultado de que la dirección general de mayor rigidez como resultado de que las dos capas están desplazadas del eje de paso P y, así, puede dar lugar a un cambio en el acoplamiento de curva a giro para la pala o parte de pala.
En un ejemplo, una única capa triaxial en la disposición del armazón de pala se reorienta en la fabricación del armazón de pala para proporcionar un ángulo de orientación de fibras diferente entre una pluralidad de palas para lograr la variación en el acoplamiento de curva a giro a través de la pluralidad de palas. Desplazar la orientación de
fibras de una única capa con respecto al eje de paso no tiene un impacto beneficioso en el diseño del molde ni en el procedimiento de producción real y los materiales cuando se logra manipulando la disposición de fibras.
En un ejemplo, se forman partes de pala de una pala dividida o segmentada, que incluyen, por ejemplo, una primera parte que se extiende desde el extremo de raíz hasta el punto medio de la pala y una segunda parte que se extiende desde el punto medio de la pala hasta el extremo de punta.
El número de permutaciones para el diseño de las palas o partes de pala como resultado de los diferentes ángulos de orientación de fibras que dan lugar a diferentes acoplamientos de curva a giro se limita preferiblemente a un número predefinido de disposiciones que se pueden prefabricar fácilmente durante la fase de diseño de pala para asegurar la estabilidad y la solidez estructural. El número de permutaciones se podría limitar, por ejemplo, a un conjunto de acoplamientos de curva a giro permanentes, por ejemplo, mínimo, medio y extremo a elegir, limitando de este modo la cantidad de opciones a evaluar durante el proceso de diseño de pala.
La figura 6 muestra cómo se puede formar una pluralidad de partes de pala. Se muestran una primera, segunda y tercera partes de punta de pala 302, 304, 306 y una primera, segunda y tercera partes de raíz de pala 312, 314, 316. Formando las partes de punta y raíz por separado, se pueden hacer coincidir con el fin de proporcionar palas personalizables. Por ejemplo, la primera, segunda y tercera partes de raíz 312, 314, 316 pueden ser sustancialmente idénticas, mientras que las partes de punta 302, 304, 306 pueden tener diferentes grados de acoplamiento de curva a giro. Por lo tanto, cuando las respectivas primeras partes de punta y de raíz 302, 312, las segundas partes de punta y raíz, 304, 314 y las respectivas terceras partes de punta y raíz 306, 316 se conectan, se pueden formar tres palas que tienen diferentes grados de acoplamiento de curva a giro mientras que tienen secciones de raíz sustancialmente idénticas y tamaño total de pala, forma geométrica externa y ejes de paso sustancialmente idénticos. Por lo tanto, la cantidad de rediseño requerida para personalizar una pala se reduce significativamente.
Alternativamente, las partes de raíz 312, 314, 316 se pueden personalizar para tener diferentes grados de acoplamiento de curva a giro para acoplarse con un conjunto de secciones de punta 302, 304, 306 sustancialmente idénticas. Alternativamente, aún además, un conjunto de módulos de extensión de raíz se puede personalizar para tener diferentes grados de acoplamiento de curva a giro para acoplarse con un conjunto de partes de pala sustancialmente idénticas.
Usando las palas descritas anteriormente, los aerogeneradores se pueden personalizar a su posición o sitio particular para parques de aerogeneradores específicos o posiciones de plataformas específicas dentro de parques de aerogeneradores.
La figura 7 muestra una vista en planta de un parque de aerogeneradores que tiene cuatro aerogeneradores 402, 404, 406, 408, los aerogeneradores 402, 404, 406, 408 que producen las respectivas estelas 412, 414, 416, 418 debido a la dirección del viento W predominante. Los aerogeneradores están separados una distancia D.
La dirección del viento W predominante para cada parque de aerogeneradores 400 es una consideración primaria cuando se construye un parque de aerogeneradores. Considerando la dirección del viento W predominante, se entenderá que el aerogenerador 408 está contra el viento del aerogenerador 406 y el aerogenerador 404 está contra el viento del aerogenerador 402. Por lo tanto, la estela 418 producida por el aerogenerador 408 reducirá la velocidad efectiva del viento encontrada por el aerogenerador 406 y la estela 414 producida por el aerogenerador 404 reducirá la velocidad del viento encontrada por el aerogenerador 402.
Con el fin de reducir el efecto de cada estela en el aerogenerador aguas abajo del mismo, los aerogeneradores que están contra el viento pueden estar equipados con palas de aerogenerador que tengan un mayor grado de acoplamiento de curva a giro que los aerogeneradores a favor del viento.
Un problema común encontrado por los aerogeneradores contra el viento en un parque de aerogeneradores 400 es que la velocidad del viento puede exceder más frecuentemente la velocidad del viento de corte operativo para que los aerogeneradores operen y, así, los aerogeneradores se deben detener con el fin de evitar daños. No obstante, usando palas que tienen un mayor acoplamiento de curva a giro, los aerogeneradores contra el viento se pueden adaptar para operar a mayores velocidades del viento. Una segunda ventaja relacionada es que, a altas velocidades del viento, las turbinas contra el viento pueden producir estelas más pequeñas, de manera que se pueda producir más energía por las turbinas a favor del viento.
Se entenderá que las turbinas a favor del viento podrían no estar exactamente a favor del viento de las turbinas contra el viento en la dirección predominante del viento predominante, sino que aún se pueden ver sustancialmente afectadas por la estela de la turbina contra el viento cuando el viento está soplando en la dirección predominante. De manera similar, los aerogeneradores que tienen diferentes acoplamientos de curva a giro se pueden situar cuando no están separados en la dirección de barlovento, tal como si la velocidad del viento no fuera uniforme a lo largo de un parque de aerogeneradores en una dirección normal a la dirección del viento.
La figura 8 muestra esquemáticamente cómo una serie de capas 504, 506, 508 se pueden depositar dentro del molde 502 en un método de formación de una pala de aerogenerador o una parte de pala de aerogenerador.
En un método, dado solamente a modo de ejemplo, la capa 504 se puede depositar en el molde 502, seguida por la capa 506 y 508. Las capas 504, 506, 508 luego se pueden infundir con un material de resina y se puede formar una pala de aerogenerador. Después de que la pala del aerogenerador se libera del molde 502, otra capa idéntica a la capa 504 se puede depositar dentro del molde y se puede depositar una capa 506 con fibras orientadas en un ángulo diferente al de la capa 506 usada para fabricar la primera pala en la parte superior de la capa 504 con una capa 508 colocada en la parte superior de la segunda capa 506. Estas capas luego se pueden infundir con un material de resina y retirar. De este modo, dos palas de aerogenerador diferentes, que tengan diferentes características estructurales, se pueden formar mediante el mismo molde 502. Por supuesto, si se usan capas preimpregnadas, entonces se puede omitir el paso de infusión.
Una ventaja del método para fabricar las palas de aerogenerador o las partes de pala de aerogenerador descrito anteriormente es que se puede usar el mismo molde 502, o una serie de moldes sustancialmente idénticos en forma al molde 502, con el fin de fabricar palas de aerogenerador utilizables en un mayor número de situaciones. Cuando se usan una serie de moldes de forma sustancialmente idéntica, esto todavía tiene la ventaja de que solamente se necesita un único zócalo de herramienta, por lo que es mucho más económico que fabricar palas usando una serie de moldes de formas diferentes.
Las ventajas del ajuste fino del acoplamiento de curva a giro de palas, partes de pala o rotores incluyen: adaptación fina de los aerogeneradores a las condiciones específicas del sitio o a las condiciones específicas de la plataforma; adaptación fina del AEP empleando la cantidad correcta de acoplamiento de curva a giro para cada plataforma; y adaptación fina de turbinas individuales por fila para explotar completamente la reducción de empuje implicada por los altos niveles de acoplamiento de curva a giro que conducen a un aumento de potencia para aerogeneradores a favor del viento.
Aunque la invención se ha descrito anteriormente con referencia a una o más realizaciones preferidas, se apreciará que se pueden hacer diversos cambios o modificaciones sin apartarse del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (15)
1. Un kit de piezas para una pluralidad de palas de aerogenerador, que comprende una pluralidad de palas de aerogenerador (20) o una pluralidad de partes de pala de aerogenerador (22, 24), cada una que tiene:
una pluralidad de capas compuestas (202, 204, 206), cada capa que tiene una posición dentro de la respectiva pala de aerogenerador o la respectiva parte de pala de aerogenerador y un ángulo de orientación de fibras (al, a2, p1, Yl, y2) con relación a un eje de paso (P) de la respectiva pala de aerogenerador o la respectiva parte de pala de aerogenerador,
en donde cada una de las palas de aerogenerador o cada una de las partes de pala de aerogenerador tiene sustancialmente el mismo tamaño y forma geométrica externa y ejes de paso correspondientes, y
en donde corresponde al menos una capa de cada una de las respectivas palas de aerogenerador o las respectivas partes de pala de aerogenerador, cuyas capas correspondientes tienen la misma posición dentro de las respectivas palas de aerogenerador o partes de pala de aerogenerador y tienen diferentes ángulos de orientación de fibras, de manera que las palas de aerogenerador o partes de pala de aerogenerador tengan diferentes acoplamientos de curva a giro.
2. El kit de piezas de la reivindicación 1, en donde los ángulos de orientación de fibras de las capas correspondientes difieren al menos 5°, y/o,
en donde los ángulos de orientación de fibras de las capas correspondientes difieren menos de 35°.
3. El kit de piezas de cualquier reivindicación anterior, en donde las capas correspondientes son capas unidireccionales (100), capas biaxiales (110) o capas triaxiales (120).
4. El kit de piezas de cualquier reivindicación anterior, en donde las capas correspondientes están situadas en partes del armazón de pala de las respectivas palas de aerogenerador o las respectivas partes de pala de aerogenerador.
5. El kit de piezas de cualquier reivindicación anterior, en donde las capas correspondientes tienen sustancialmente el mismo grosor de capa, material de matriz y material de fibra.
6. El kit de piezas de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde las capas correspondientes difieren en uno o más de sus grosores de capa, material de matriz o material de fibra.
7. El kit de piezas de cualquier reivindicación anterior, en donde cada pala de aerogenerador o cada parte de pala de aerogenerador tiene una pluralidad de capas que corresponden.
8. El kit de piezas de cualquier reivindicación anterior, en donde las partes de pala de aerogenerador son partes de punta de pala de aerogenerador (302, 304, 306).
9. El kit de piezas de la reivindicación 8, que comprende además una pluralidad de partes de raíz de pala de aerogenerador (312, 314, 316) sustancialmente idénticas, en donde cada parte de punta de pala de aerogenerador es acoplable a una de las partes de raíz de pala de aerogenerador.
10. Una pluralidad de palas de aerogenerador formadas al menos parcialmente a partir del kit de piezas de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, cada pala que comprende una de la pluralidad de palas de aerogenerador o una de la pluralidad de partes de pala de aerogenerador.
11. Una pluralidad de rotores de aerogenerador, cada rotor que comprende una pluralidad de palas de aerogenerador, las palas de cada rotor que son sustancialmente idénticas, y las palas que se forman, al menos parcialmente, a partir del kit de piezas de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, y las palas de diferentes rotores que comprenden una respectiva de la pluralidad de palas de aerogenerador o una de la pluralidad de partes de pala de aerogenerador.
12. Un parque de aerogeneradores (400), que comprende una pluralidad de aerogeneradores (402, 404, 406, 408) que comprende la pluralidad de rotores de aerogenerador de la reivindicación 11, cada aerogenerador que tiene uno de la pluralidad de rotores de aerogenerador, y un par adyacente de los aerogeneradores que está separado una distancia menor que 5 veces el diámetro de uno de los rotores de aerogenerador, preferiblemente menor que 3 veces el diámetro de uno de los rotores de aerogenerador.
13. El parque de aerogeneradores de la reivindicación 12, en donde el parque de aerogeneradores tiene una dirección del viento (W) predominante, y un primer aerogenerador se coloca en relación con un segundo aerogenerador en una dirección contra el viento, según la dirección del viento predominante, y en donde las palas del primer aerogenerador tienen un mayor acoplamiento de curva a giro que las palas del segundo aerogenerador.
14. Un método de formación de una pluralidad de palas de aerogenerador o partes de pala de aerogenerador, que comprende:
proporcionar un molde (502) para formar una pala de aerogenerador o una parte de pala de aerogenerador que tiene un eje de paso;
depositar una pluralidad de capas (504, 506, 508) en el molde, cada capa que tiene una posición dentro de la pluralidad de capas y un ángulo de orientación de fibras con relación al eje de paso;
formar una pala de aerogenerador o una parte de pala de aerogenerador a partir de las capas;
retirar la pala del aerogenerador o la parte de pala de aerogenerador del molde;
caracterizado por:
depositar una pluralidad de capas adicionales en el molde o un molde adicional para formar una pala de aerogenerador o una parte de pala de aerogenerador sustancialmente idéntica en forma y tamaño a la pala de aerogenerador o la parte de pala de aerogenerador, cada capa adicional que tiene una posición dentro de la pluralidad de capas adicionales y un ángulo de orientación de fibras con relación al eje de paso; y
formar una pala de aerogenerador adicional o una parte de pala de aerogenerador adicional a partir de las capas adicionales;
en donde corresponde al menos una capa de cada una de las respectivas palas de aerogenerador o las respectivas partes de pala de aerogenerador, cuyas capas correspondientes tienen la misma posición dentro de las palas de aerogenerador o las partes de pala de aerogenerador y tienen diferentes ángulos de orientación de fibras, de manera que las palas de aerogenerador o las partes de pala de aerogenerador tengan diferentes acoplamientos de curva a giro.
15. Un kit de piezas para una pluralidad de palas de aerogenerador, que comprende una pluralidad de palas de aerogenerador (20) o una pluralidad de partes de pala de aerogenerador (22, 24), cada una que tiene:
una pluralidad de capas compuestas (202, 204, 206), cada capa que tiene una posición dentro de la respectiva pala de aerogenerador o la respectiva parte de pala de aerogenerador, al menos una capa compuesta de la pluralidad de capas compuestas que es una capa multiaxial que tiene una pluralidad de fibras alineadas en múltiples direcciones axiales,
en donde cada una de las palas de aerogenerador o cada una de las partes de pala de aerogenerador tienen sustancialmente la misma forma geométrica externa, y
en donde corresponde al menos una capa multiaxial de cada una de las respectivas palas de aerogenerador o cada una de las respectivas partes de pala de aerogenerador, cuyas capas correspondientes tienen la misma posición dentro de las respectivas palas de aerogenerador o las respectivas partes de pala de aerogenerador y tienen diferentes rigideces de fibra en al menos una dirección axial correspondiente de manera que las palas de aerogenerador o las partes de pala de aerogenerador tengan diferentes acoplamientos de curva a giro.
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