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.

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 el mes 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 la tecnología de palas y aerogeneradores está en evitar la caída de rayos. Posiblemente, la caída de rayos y la 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 rotor-álabes-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...

1. Sistema de protección de aerogeneradores frente a descargas atmosféricas, aerogeneradores en los que se define una torre (1), una góndola (2) auto-orientable, 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. 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. 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.