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ES2357063B2 - Sistema de protección de aerogeneradores frenta a descargas atmosféricas. - Google Patents

Sistema de protección de aerogeneradores frenta a descargas atmosféricas. Download PDF

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ES2357063B2 ES200930806A ES200930806A ES2357063B2 ES 2357063 B2 ES2357063 B2 ES 2357063B2 ES 200930806 A ES200930806 A ES 200930806A ES 200930806 A ES200930806 A ES 200930806A ES 2357063 B2 ES2357063 B2 ES 2357063B2
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Abstract

Sistema de protección de aerogeneradores frente a descargas atmosféricas.#El sistema de la invención, a través de una serie de parámetros recogidos por una pluralidad de sensores, permite, a través de una unidad central de control, dotada del complementario firmware de programación, activar un dispositivo compensador del campo eléctrico (7), en aquellos casos en los que exista riesgo de descarga de un rayo sobre el aerogenerador, de manera que en caso contrario dicho dispositivo permanece inoperante. El dispositivo compensador del campo eléctrico (7) está asociado tanto a la góndola (2), como a la torre (1), como a los álabes (4), de manera que entre el rotor (3) y la góndola (2) se establece una primera pareja de anillos (14), de naturaleza conductora, concéntricos, cuyo dieléctrico es el aire, mientras que en la zona inferior de la góndola (2), se establece una segunda pareja de anillos conductores (15), de similares características.

Description

la caída de rayos. Posiblemente, la caída de rayos y la
Sistema de protección de aerogeneradores frente a descargas atmosféricas. Objeto de la invención
La presente invención se refiere a un sistema que ha sido especialmente concebido para ser implantado en aerogeneradores, así como otros dispositivos sometidos a movimiento, en los que pueda existir la posibilidad de la caída de una descarga atmosférica, es decir, un rayo.
El objeto de la invención es proporcionar un sistema que evite que dicho rayo impacte sobre el elemento a proteger. Antecedentes de la invención
Como es sabido, en la última década se ha dado un fuerte crecimiento de los parques eólicos, tanto en España como en el extranjero. A título de ejemplo, a finales de 2007 España estaba situada como el tercer país en potencia instalada, por detrás tan sólo de Alemania y Estados Unidos, con aproximadamente 27.026 GWh de energía producida.
A nivel mundial es previsible que la potencia instalada aumente de forma muy relevante, con unas magnitudes de 170 GW en 2010, mientras que para España se prevén 20.155 MW en 2010 y 29.000 MW en 2016.
Este tipo de instalaciones se sitúan ubicadas fundamentalmente en lugares muy propensos a la caída de rayos. Así pues, en una sola décima de segundo, un rayo puede ocasionar graves daños en una turbina eólica.
Este daño ocurre fundamentalmente, al impactar una descarga atmosférica sobre los alabes o palas de las turbinas, por lo que es necesario que las turbinas cuenten con sistemas de protección eficaces contra los impactos de rayos.
En general los rayos aparecen entre los meses de abril a septiembre, estando la mayor proporción en elmes de agosto. Últimamente se han observado también caída de rayos en diciembre. Otro aspecto a destacar es que el número de rayos caídos a nivel mundial está aumentando. Así, si sobre el comienzo de la medida o cuenteo de rayos se toma 1960 como valor 0, en 1997 se estaría sobre 15 y en 2007 alrededor de 100. Estos valores indican que el número de rayos caídos en tierra ha aumentado en un orden de magnitud.
Por lo tanto, si el número de aerogeneradores esta aumentando en progresión geométrica y lo mismo lo hace el numero de rayos caídos, es de esperar un, cada vez, mayor número de impactos y, posiblemente, de siniestros en los parques eólicos.
Probablemente el segundo problema mas importante que poseen los parques eólicos y, en concreto, los aerogeneradores, es la caída de un rayo en cualquier parte de él, aunque mas específicamente en alguna de sus palas. Se ha estimado que el 20% de las roturas de los aerogeneradores, lo que supone algo mas del 25% del coste del mismo, se debe a la caída de rayos.
En este sentido, los rayos tienden a caer en el punto mas alto de una zona determinada. Por esta razón, los aerogeneradores son un blanco natural debido tanto a su altura como a su ubicación elevada. Las palas son uno de los componentes mas caros del aerogenerador, y la caída de un rayo puede tener un efecto sumamente destructivo sobre la pala sin protección. Por este motivo, uno de los problemas mas importantes en formación de hielo son los desafíos más acuciantes en el campo de la energía eléctrica eólica.
Aunque los aerogeneradores modernos de tierra son cada vez más grandes, con el consiguiente aumento en el riesgo de ser impactados por un rayo, y los aerogeneradores offshore están aún mas expuestos a los rayos que los terrestres, sin embargo, todos los sistemas que lleven palas, por grandes o pequeños que sean, esta expuestos a la caída de un rayo en un momento dado.
Un impacto de rayo puede tener un alto efecto destructor en las palas si no existe protección de las mismas. Diferentes estudios han demostrado que los rayos suelen golpear la parte mas alejada de la raíz de la pala porque es el punto mas alto. En esos casos, se crea un arco eléctrico que se extiende desde el punto de contacto a través de otros componentes conductores hasta la brida y puede alcanzar una temperatura de 30.000ºC. El resultado es una expansión explosiva del aire contenido en la pala. Los efectos que esto produce incluyen daños en la superficie, daños por presión, de laminación, grietas en los bordes de seleccionado ataque y de salida, y derretimiento del pegado. Las caídas de rayos también pueden producir daños ocultos y causar graves problemas a largo plazo que reducen significativamente la vida útil de la pala.
Una pala sin protección es extremadamente vulnerable cuando impacta un rayo. Por ello, hasta ahora todas las palas de los aerogeneradores están protegidas frente al impacto de rayos. El sistema de protección está basado en el principio del pararrayos tipo Franklin, principio que se ha comentado anteriormente, si bien con una serie de mejoras en las que se han incluido nuevos materiales en el receptor del rayo de tal forma que, a menudo, las palas pueden resistir varias veces el impacto de un rayo antes de que sea necesario cambiar los materiales utilizados en el receptor.
En resumen, los diseños de palas de las tecnologías existentes hoy en día, se basan en el hecho de que el rayo normalmente impacta en la punta de la pala y este debe ser conducido a tierra para su eliminación. El sistema de protección consta de dos componentes principales: los receptores ubicados en la superficie de la pala y un sistema de cables interiores que conducen la energía del rayo. Al caer un rayo, los receptores lo interceptan y el sistema de cables transporta la carga eléctrica a través de la pala hasta la torre, y de ahí a tierra. Los receptores son precisamente los puntos de conducción donde el rayo impacta en la pala. Descripción de la invención
El sistema de protección de generadores eólicos que la invención propone resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, ya que en vez de reconducir la descarga del rayo a tierra a través del aerogenerador, simplemente permite inhibir dicha descarga.
Para ello, el sistema que se preconiza está constituido a partir de un dispositivo compensador de campo eléctrico, el cual estará conectado tanto a las palas del aerogenerador como al resto de la estructura, que está conectada a tierra a través de la torre del aerogenerador.
A dicho dispositivo compensador de campo eléctrico estarán asociados un sensor de campo eléctrico, un sensor de campo electromagnético, un sensor de humedad relativa del aire, así como sensores de temperatura y presión atmosférica.
A partir de estos sensores, se analizan aquellos parámetros que son necesarios para determinar la puesta en servicio del dispositivo compensador de campo eléctrico, así como su desconexión.
Entre los parámetros a analizar figura el nivel de carga eléctrica del entorno, el nivel de campo electromagnético igualmente del entorno, la detección anticipada del frente tormentoso de forma onmidireccional, la velocidad del viento, temperatura, humedad relativa del aire y presión atmosférica.
A partir de estos parámetros, y por medio de la correspondiente unidad central de control, dotada del complementario firmware de programación, el sistema activa/desactiva el dispositivo compensador de campo eléctrico, que será aplicado tanto a las palas como al rotor de la turbina eólica o dispositivo de que se trate, a través de unos elementos en forma de anillos concéntricos cuyo dieléctrico es el aire, presentando cada uno de estos anillos una conexión eléctrica con los elementos que forman parte de los elementos móviles del aerogenerador, es decir, el conjunto rotorálabes-góndola, y el conjunto góndola-torre, conectado a tierra.
El dispositivo compensador de campo eléctrico, tendrá como misión reducir el gradiente de tensión entre la activación eléctrica próxima al aerogenerador provocada por la actividad tormentosa y los elementos que forman parte del elemento a proteger.
Por último, cabe destacar que, los niveles de compensación desde el punto de vista eléctrico medidos por los diferentes equipos auxiliares son parametrizados por la unidad central asociada al dispositivo compensador de campo eléctrico. Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.-Muestra una vista en alzado de un aerogenerador provisto de un sistema de protección de generadores eólicos realizado de acuerdo con el objeto de la presente invención.
La figura 2.-Muestra una vista de perfil del dispositivo representado en la figura anterior.
La figura 3.-Muestra un detalle en perspectiva antero-lateral de la góndola del aerogenerador de las figuras anteriores.
La figura 4.-Muestra una vista en perspectiva postero-lateral-superior del conjunto formado por la góndola y las palas, en la que la góndola aparece desprovista de su semi-carcasa superior.
La figura 5.-Muestra, una vista en perspectiva postero-lateral-inferior del conjunto representado en la figura anterior.
La figura 6.-Muestra, finalmente, un diagrama de bloques del dispositivo. Realización preferente de la invención
A la vista de las figuras reseñadas puede observarse como la invención parte de la estructura convencional de cualquier aerogenerador, en el que se define una torre (1), una góndola (2) auto-orientable, y un rotor (3) al que están asociados una serie de álabes (4), góndola en cuyo seno se incluyen los clásicos mecanismos de transmisión (5) y transformación (6) de la energía cinética del rotor en energía eléctrica.
Pues bien, a partir de esta estructuración convencional, se ha previsto que en el seno de la góndola se establezca una unidad central de control, dotada del complementario firmware de programación, a la que está asociada el dispositivo compensador del campo eléctrico (7), unidad a la que están asociados eléctricamente una serie de dispositivos a través de los cuales se programa la activación/desactivación del dispositivo compensador de campo eléctrico (7).
De forma más concreta, dichos dispositivos se materializan en un sensor de campo eléctrico (8), un sensor de campo electromagnético (9), un anemómetro (10), un sensor de humedad relativa del aire (11) y un sensor de temperatura y presión atmosférica (12). Todos estos elemento estará situados exteriormente sobre la superficie superior de la carcasa de la góndola (2), y conectados a dicha unidad de control, para analizar los datos meteorológicos, y detectar con tiempo suficiente la formación de frentes tormentosos, de manera que ante la mas mínima posible existencia de peligro de descarga de un rayo, la unidad activará previamente el dispositivo compensador del campo eléctrico (7) inhibiendo dicha descarga.
Para ello, se ha previsto que dicho dispositivo esté asociado tanto a la góndola (2), como a la torre (1) como a los álabes (4). De forma más concreta, se ha previsto que entre la superficie conductora (13) que se establece en los álabes y que se comunica con el rotor (3) y la góndola (2) se establezca una primera pareja de anillos (14), de naturaleza conductora, concéntricos, cuyo dieléctrico es el aire, mientras que en la zona inferior de la góndola (2), en correspondencia con los medios de basculación de la misma con la torre (1), se establece una segunda pareja de anillos conductores (15), cuyo dieléctrico igualmente es el aire.
De forma más concreta, y tal y como se puede observar en el esquema de la figura 6, el dispositivo compensador de campo eléctrico se compone de una serie de circuitos electrónicos activos que permiten generar impulsos con forma, amplitud y polaridad de acuerdo con un programa previamente cargado en el dispositivo, teniendo en cuenta las informaciones recibidas de los diferentes sensores dispuestos sobre el aerogenerador, permitiendo un equilibrio de cargas entre el citado aerogenerador y el campo eléctrico circundante al mismo tanto en polaridad como en tensión, evitando de este modo la aparición de una descarga atmosférica sobre el aerogenerador.
Asimismo, el sistema permite compensar la electricidad estática generada por el aerogenerador por rozamiento de las palas con el aire.
Para la realización de los circuitos de referencia a tierra del sistema se utilizarán elementos inductivos construidos sobre materiales aislantes de altas prestaciones dieléctricas.
De forma más concreta, los sensores de campo eléctrico (8), de campo electromagnético (9), anemómetro (10), sensor de humedad relativa del aire (11) y sensor de temperatura y presión atmosférica (12), se conectan a un convertidor analógico digital (16) para su interpretación por un microcontrolador (17), el cual puede incorporar una interfaz de control (18) vía radio, microcontrolador (17) a cuya salida se conecta un adaptador (19), conectado a una pareja de generadores de campo eléctrico (20) que en colaboración con un acoplador (21) se conectan a través de la salida
(22) a la estructura del aerogenerador tal y como se ha comentado anteriormente.
De esta manera se puede compensar el campo eléctrico generado por los álabes en su rozamiento con el aire, así como del conjunto completo formado por el aerogenerador, únicamente en los momentos en los que sea necesario, obviamente por motivos económicos, es decir, en aquellas situaciones en las que exista riesgo de descarga de rayos, permaneciendo el dispositivo compensador del campo eléctrico (7) inoperante durante los largos periodos de tiempo en los que no existe riesgo de tormenta eléctrica.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Sistema de protección de aerogeneradores frente a descargas atmosféricas, aerogeneradores en los que se define una torre (1), una góndola (2) autoorientable, y un rotor (3) con sus correspondientes álabes (4), góndola en cuyo seno se incluyen los clásicos mecanismos de transmisión (5) y transformación
    (6) de la energía cinética del rotor en energía eléctrica, caracterizado porque en el seno de la góndola se establezca una unidad central de control, dotada del complementario firmware de programación, a la que se conecta un dispositivo compensador del campo eléctrico (7), unidad a la que están asociados eléctricamente un sensor de campo eléctrico (8), un sensor de campo electromagnético (9), un anemómetro (10), un sensor de humedad relativa del aire (11) y un sensor de temperatura y presión atmosférica (12), habiéndose previsto que el dispositivo compensador del campo eléctrico (7) esté asociado tanto a la góndola (2), a la torre (1), como a los álabes (4), de manera que entre el rotor (3), el cual está asociado a una superficie conductora (13) establecida sobre la superficie de los álabes, y la góndola (2), se establece una primera pareja de anillos (14), de naturaleza conductora, concéntricos, cuyo dieléctrico es el aire, mientras que en la zona inferior de la góndola (2), en correspondencia con los medios de basculación de la misma con la torre (1), se establece una segunda pareja de anillos conductores (15), cuyo dieléctrico igualmente es el aire.
  2. 2.
    Sistema de protección de aerogeneradores frente a descargas atmosféricas, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el dispositivo compensador del campo eléctrico (7) está constituido a partir de un microcontrolador (17), al que se conectan los sensores de campo eléctrico (8), de campo electromagnético (9), anemómetro (10), sensor de humedad relativa del aire (11) y sensor de temperatura y presión atmosférica (12), a través del correspondiente convertidor analógico digital (16), microcontrolador (17) a cuya salida se conecta un adaptador (19), conectado a una pareja de generadores de campo eléctrico (20) que en colaboración con un acoplador (21) se conectan a través de la salida (22) a la estructura del aerogenerador.
  3. 3.
    Sistema de protección de aerogeneradores frente a descargas atmosféricas, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el dispositivo compensador del campo eléctrico (7) incorpora una interfaz de control
    (18) vía radio.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 200930806
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 06.10.2009
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : F03D11/00 (01.01.2006) H02G13/00 (01.01.2006)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    Y
    JP 2002141192 A (OTA GIJUTSU JIMUSHO KK) 17.05.2002, figuras & Resumen de la base de datos EPODOC. Recuperado de EPOQUE; Número de acceso 2002-552408. 1-3
    Y
    JP 2006070879 A (UNIV KANSAI) 16.03.2006, figuras & Resumen de la base de datos EPODOC. Recuperado de EPOQUE; Número de acceso 2006-208703. 1-3
    A
    CN 2308197 Y (LU JIAXIONG) 17.02.1999, figuras & Resumen de la base de datos EPODOC. Recuperado de EPOQUE. 1-3
    A
    EP 0320358 A1 (LEWINER JACQUES) 14.06.1989, todo el documento. 1-3
    A
    US 6407900 B1 (SHIRAKAWA SHINGO et al.) 18.06.2002, resumen; figuras 1-3; párrafos [0026-0030]. 1-3
    A
    US 7417843 B1 (FOWLER BENJAMIN P) 26.08.2008, columna 3, línea 17 – columna 4, línea 59; figuras 1-2. 1-3
    A
    US 2008017788 A1 ( KRAEMER SEBASTIAN) 24.01.2008, resumen; figuras 1-4; párrafos [0006-0007],[0014]. 1-3
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 28.02.2011
    Examinador O. Rucián Castellanos Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 200930806
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) F03D, H02G Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 200930806
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 28.02.2011
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-3 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-3 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 200930806
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    JP 2002141192 A (OTA GIJUTSU JIMUSHO KK) 17.05.2002
    D02
    JP 2006070879 A (UNIV KANSAI) 16.03.2006
  4. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    La presente invención se refiere a un sistema de protección de aerogeneradores frente a descargas atmosféricas, que dispone de una unidad de control, a la que se conecta un dispositivo compensador de campo eléctrico (7), al que están asociados varios sensores. El dispositivo compensador de campo eléctrico (7) está asociado tanto a la góndola (2), como a la torre (1) y los álabes (4). Sobre los álabes se dispone una superficie conductora (13), entre el rotor y los álabes se sitúa una primera pareja de anillos (14), de naturaleza conductora, concéntricos y cuyo dieléctrico es el aire, mientras que en la parte inferior de la góndola (2), se establece una segunda pareja de anillos conductores (15) (reivindicación 1). El dispositivo compensador de campo eléctrico (7), está formado por un microcontrolador (17), al que se conectan los sensores a través de un convertidor digital (16), a la salida del microcontrolador se conecta una pareja de generadores de campo eléctrico (20) con un adaptador (19), los generadores con un acoplador (21), se conectan a través de la salida (22) a la estructura del aerogenerador (reivindicación 2). El dispositivo compensador de campo eléctrico (7), incorpora una interfaz de control (18) vía radio.
    El documento D01 divulga un sistema de prevención de rayos en equipos de generación de energía eólica a través de iones, que compensan el campo eléctrico de la nube de la tormenta, reduciendo la diferencia de potencial electrostático en el cielo, con el fin de evitar el rayo.
    El documento D01 se considera el estado de la técnica más cercano al contenido de la reivindicación 1 de la solicitud. La diferencia entre el documento D01 y el objeto técnico de la reivindicación 1 de la solicitud es que por un lado, no dispone de sensores y por otro no dispone de una superficie conductora sobre los álabes, ni anillos conductores entre los álabes y el rotor, ni en la parte inferior de la góndola.
    El hecho de situar varios sensores en el aerogenerador, se considera una técnica muy conocida y por tanto obvia para un experto en la materia. Y por otro lado, el situar una superficie conductora en los álabes y anillos conductores, es una solución que se encuentra recogida ya en el documento D02, que divulga un aerogenerador con un sistema capaz de reducir el efecto de la caída de un rayo (las referencias en paréntesis se aplican a este documento), que dispone de un conductor (13) sobre los álabes y anillos conductores (12, 15), entre los álabes y el rotor y en la parte inferior de la góndola.
    Para un experto en la materia resultaría obvia la utilización de los elementos divulgados en D02, junto con el dispositivo compensador de campo eléctrico de D01, dando como resultado el objeto técnico recogido en la reivindicación 1 de la solicitud.
    Por tanto, la reivindicación 1 carece de actividad inventiva (Artículo 8.1 LP) con relación a lo divulgado en los documento D01 y D02.
    Por otra parte, con respecto a las reivindicaciones 2 y 3, el hecho de instalar un sistema de control y telemando en el sistema, se considera una opción normal de diseño, siendo una técnica conocida para un experto en la materia. Por consiguiente, las reivindicaciones 2 y 3, no implican actividad inventiva (Artículo 8.1 LP).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
ES200930806A 2009-10-06 2009-10-06 Sistema de protección de aerogeneradores frenta a descargas atmosféricas. Active ES2357063B2 (es)

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CA2768493A CA2768493C (en) 2009-10-06 2010-09-17 System for protecting wind turbines against atmospheric discharges
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