Componentes de pala de rotor de aerogenerador y métodos para fabricar los mismos.

Un elemento estructural para una pala (20) de aerogenerador que comprende:

una viga compuesta (127) configurada para extenderse a lo largo de al menos una porción de un perfil aerodinámico (100) de la pala de aerogenerador;

incluyendo la viga compuesta múltiples capas de preforma (300A, 300B), incluyendo cada capa de preforma múltiples varillas de resistencia (202) alargadas dispuestas longitudinalmente en relación unas con otras en una única capa, estando dispuesta cada varilla de resistencia adyacente a y separada de al menos una varilla de resistencia adyacente;

incluyendo cada varilla de resistencia múltiples fibras estructurales colimadas, unidireccionales y sustancialmente rectas fijadas en una resina de matriz solidificada de manera que cada varilla de resistencia es rígida y define una geometría terminada incluyendo una longitud y anchura seleccionadas y un perfil seleccionado;

incluyendo cada capa de preforma al menos una capa de soporte (312) a la que se unen las múltiples varillas de resistencia mediante un adhesivo aplicado a al menos una de la capa de soporte y las varillas de resistencia; apilándose cada capa de preforma con una o más de otras capas de preforma; y

en el que la capa de soporte de al menos una capa de preforma incluye uno o más materiales permeables adecuados para facilitar la impregnación y penetración para permitir el flujo de resina líquida de unión entre las capas de preforma apiladas; y

en el que múltiples capas de preforma apiladas definen una anchura transversal (W) y un espesor (T) de la viga compuesta.

Componentes de pala de rotor de aerogenerador y métodos para fabricar los mismos SOLICITUDES RELACIONADAS

Esta solicitud de patente no provisional reclama la prioridad de la solicitud de patente provisional de Estados Unidos con n° de serie 61/295.6 presentada el 14 de enero de 21.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere generalmente a palas de rotor de aerogenerador. La invención también se refiere a capas de preforma estructurales de múltiples elementos o varillas rígidas de resistencia para su uso al fabricar componentes de palas eóllcas.

ANTECEDENTES

Los avances tecnológicos en los aerogeneradores han continuado demostrando que la energía a partir de la potencia eóllca ofrece una fuente de energía alternativa comercialmente viable. Las mejoras en el diseño han permitido incrementos en los tamaños de los aerogeneradores y las palas de rotor de manera que estos incrementos en la salida de energía se han realizado. Sin embargo, los costes de fabricación presentan desafíos en cuanto al desarrollo de la tecnología de energía eólica como una fuente de energía alternativa competitiva. En particular, los factores que contribuyen a los costes de fabricación y la eficacia de energía de los aerogeneradores incluyen el diseño y construcción de las palas de rotor.

Los incrementos del tamaño de la pala de rotor han demostrado incrementos en la producción de energía. Los grandes aerogeneradores comerciales Incluyen a menudo palas de rotor con envergaduras de 4 a 45 metros o más. La energía extraída a partir de aerogeneradores depende del área del círculo del movimiento circular de la pala de rotor o diámetro del rotor desde una punta de la pala a otra punta de la pala. En particular, los Incrementos en la longitud de la pala incrementan el área del círculo del movimiento circular de la pala que puede tener como resultado capturar más potencia eólica e incrementar la salida de energía. Por ejemplo, el área del círculo del movimiento circular de la pala es proporcional al cuadrado de la longitud de la pala, de manera que un 1% de incremento en la longitud de la pala de rotor puede tener como resultado un incremento del 2% en la salida de energía del aerogenerador.

Sin embargo, aumentar el tamaño de la pala de rotor y, en particular, la longitud de la pala tiene como resultado un correspondiente incremento en el peso y espesor de la pala, así como un incremento en los requisitos de resistencia de la pala. El peso de la pala es un factor limitativo clave en el diseño de la pala por el que un incremento del tamaño de la pala provoca que el peso de la pala se incremente más rápido que el correspondiente incremento de la salida de energía de la turbina. En particular, los incrementos en la longitud de la pala pueden tener como resultado incrementos exponenciales en el peso de la pala mediante un factor de 2,5 a 3 debido al incremento en la masa y el área de la pala. Los costes de fabricación consecuentes serían proporcionales a las cantidades incrementadas de materiales consumidos al fabricar palas más grandes y, por tanto, pueden ser desproporcionadamente altos en relación con los incrementos realizados en la salida de energía, provocando rentabilidades decrecientes en tamaños de pala más grandes. Las mejoras tecnológicas han ayudado a mitigar incrementos en el peso de la pala como resultado de los incrementos en el tamaño de la pala. Sin embargo, el peso de la pala sigue siendo un factor limitativo con respecto a mejorar la salida y eficacia de energía de la turbina. De esta manera, incrementar la producción de energía de la turbina a través del tamaño de la pala y, específicamente, a través de la longitud de la pala presenta los desafíos de equilibrar la longitud, peso, resistencia y costes de fabricación de la pala para producir palas que incrementen la salida de energía de manera rentable.

El rendimiento y las eficacias aerodinámicas de las palas de rotor también son un factor crítico para una producción eficaz y rentable de energía eólica. El rendimiento óptimo de las palas de rotor es esencialmente un compromiso en el diseño de la pala entre la forma de la pala y la resistencia de la pala. Una pala ideal define a lo largo de su envergadura una forma relativamente estrecha y retorcida para permitir un rendimiento aerodinámico eficaz, mientras que es relativamente gruesa cerca del pie de la pala o en el mismo para proporcionar a la pala suficiente resistencia para soportar cargas aerodinámicas. Los diseños de pala son normalmente más bulbosos cerca del pie de la pala para proporcionar un espesor y resistencia que compense la envergadura relativamente estrecha y ligera de la pala.

Las palas de rotor de la técnica anterior incluyen palas acopladas por flexión y torsión o palas acopladas por torsión que tienen una estructura que afecta de manera pasiva a las cargas aerodinámicas durante el funcionamiento de un aerogenerador. El diseño y construcción de la pala dictan el rendimiento aerodinámico y, en particular, las propiedades elásticas o de flexión que exhibe la pala cuando se somete a cargas y presiones aerodinámicas. Específicamente, tales propiedades mecánicas deseables pueden usarse para construir estructuras de pala a través de la forma o curvatura de la pala y materiales de fabricación de la pala. En términos generales, una pala acoplada

por torsión se dobla y gira en respuesta a cargas aerodinámicas para ajustar de manera pasiva su ángulo de ataque a lo largo de su longitud. El ángulo de ataque ajusta la carga de viento que actúa en la pala. Un ligero cabeceo pasivo, por ejemplo, de algunos o varios grados, hacia la posición estabilizada permite que la pala distribuya y reparta de manera pasiva cargas de viento durante el funcionamiento. El diseño de la pala, los materiales de fabricación y las técnicas de construcción pueden facilitar el alcance de acoplamiento del momento de flexión de la pala con su rotación de torsión y, por tanto, el nivel de control pasivo del ángulo de ataque que la pala puede lograr. Los altos niveles de acoplamiento del momento de flexión de la pala y la torsión demuestran reducciones en cargas aerodinámicas, particularmente, bajo extremas condiciones de viento, así como reducciones en las cargas de fatiga a través del rotor o aerogenerador. Además, el acoplamiento por flexión y torsión permite que las palas se ajusten constantemente y rápidamente a las ráfagas de viento y efectos rotativos. Como resultado, son posibles los incrementos en las salidas de energía y las disminuciones en los daños por fatiga del rotor y el aerogenerador.

El cabeceo pasivo es el resultado de, en parte, la deformación elástica y el acoplamiento por flexión y torsión en los laminados estructurales, compuestos, u otros materiales que construyen la pala, y en particular, que construyen las estructuras que soportan peso de la pala. Tales materiales sirven como componentes estructurales pasivos que afectan a la respuesta dinámica de la pala y las cargas aerodinámicas que actúan sobre la pala. Los estudios de los diseños de la pala sugieren que una reducción general de la carga puede depender de, entre otros factores, la cantidad de acoplamiento de materiales estructurales y su diseño y fabricación. Además, los materiales estructurales y su diseño pueden afectar al coste, rigidez, peso y resistencia de la pala, así como a la fatiga y vida operativa de la pala.

Los procesos de fabricación de compuestos de la técnica anterior limitan a menudo la rigidez, resistencia y vida de fatiga de los componentes estructurales de la pala, tales como perfiles de doble T, tapas de larguero y almas de esfuerzo cortante, a niveles máximos o por debajo de lo ideal. Las formas disponibles de fibras de refuerzo limitan las mejoras en estos procesos. Por ejemplo, la fibra de vidrio se suministra normalmente como un tela seca o sin relleno, una fibra para hilar o una tela impregnada. En cada caso, el material suministrado se enrolla en una bobina o rodillo para facilitar el manejo y el transporte. Sin embargo, enrollar una capa de material fibroso de un espesor finito en un rodillo propicia la ondulación de la fibra o la falta de colimación total de la fibra en la parte final, que puede no ser removible y que se ha mostrado que reduce la resistencia de compresión. Una reducción en la resistencia de compresión debe compensarse con más material, lo que fabrica un componente más grande, pesado y costoso de manera poco deseable.

Un componente más pesado puede requerir más trabajo. Fabricar tales componentes estructurales como, por ejemplo, una tapa de larguero con materiales fibrosos o fibras, por ejemplo, vidrio, compuestos, mallas, telas, capas y otros materiales, requiere a menudo volúmenes relativamente... [Seguir leyendo]

1. Un elemento estructural para una pala (2) de aerogenerador que comprende:

una viga compuesta (127) configurada para extenderse a lo largo de al menos una porción de un perfil aerodinámico (1) de la pala de aerogenerador;

incluyendo la viga compuesta múltiples capas de preforma (3A, 3B), incluyendo cada capa de preforma múltiples varillas de resistencia (22) alargadas dispuestas longitudinalmente en relación unas con otras en una única capa, estando dispuesta cada varilla de resistencia adyacente a y separada de al menos una varilla de resistencia adyacente;

incluyendo cada varilla de resistencia múltiples fibras estructurales colimadas, unidireccionales y sustancialmente rectas fijadas en una resina de matriz solidificada de manera que cada varilla de resistencia es rígida y define una geometría terminada incluyendo una longitud y anchura seleccionadas y un perfil seleccionado; incluyendo cada capa de preforma al menos una capa de soporte (312) a la que se unen las múltiples varillas de resistencia mediante un adhesivo aplicado a al menos una de la capa de soporte y las varillas de resistencia; apilándose cada capa de preforma con una o más de otras capas de preforma; y

en el que la capa de soporte de al menos una capa de preforma incluye uno o más materiales permeables adecuados para facilitar la impregnación y penetración para permitir el flujo de resina líquida de unión entre las capas de preforma apiladas; y

en el que múltiples capas de preforma apiladas definen una anchura transversal (W) y un espesor (T) de la viga compuesta.

2. El elemento estructural de la reivindicación 1, que comprende además una o más capas de material fibroso (62) apiladas con una o más capas de preforma.

3. Un elemento estructural para una pala (2) de aerogenerador que comprende:

una viga compuesta (127) configurada para extenderse a lo largo de al menos una porción de un perfil aerodinámico (1) de la pala de aerogenerador;

incluyendo la viga compuesta múltiples capas de preforma (3A, 3B), incluyendo cada capa de preforma múltiples varillas de resistencia (22) alargadas dispuestas longitudinalmente en relación unas con otras en una única capa, estando dispuesta cada varilla de resistencia adyacente a y separada de al menos una varilla de resistencia adyacente;

incluyendo cada varilla de resistencia múltiples fibras estructurales colimadas, unidireccionales y sustancialmente rectas fijadas en una resina de matriz solidificada de manera que cada varilla de resistencia es rígida y define una geometría terminada incluyendo una longitud y una anchura seleccionadas y un perfil seleccionado; incluyendo cada capa de preforma al menos una capa de soporte (312) a la que se unen las múltiples varillas de resistencia;

apilándose cada capa de preforma con una o más de otras capas de preforma; y

en el que las múltiples capas de preforma apiladas definen una anchura transversal (W) y un espesor (T) de la viga compuesta;

comprendiendo además una o más capas de al menos uno de un material tejido fibroso (62) y un material no tejido fibroso (62) apilado con las capas de preforma.

4. El elemento estructural de la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en el que el material fibroso se selecciona a partir de uno o más de: telas, mallas, fibras, hilos y/o fibras para hilar de vidrio; telas, mallas, fibras, hilos y/o fibras para hilar de carbono; telas, mallas, fibras, hilos y/o fibras para hilar de grafito; telas, mallas, fibras, hilos y/o fibras para hilar de basalto; y telas, mallas, fibras, hilos y/o fibras para hilar de cerámica,

y, opcionalmente, en el que el material fibroso comprende uno o más de: una tela no tejida cosida que comprende una tela biaxial o triaxial.

5. El elemento estructural de cualquier reivindicación anterior, en el que al menos uno de la anchura transversal y espesor de la viga compuesta es al menos uno de fijo o variable.

6. El elemento estructural de la reivindicación 1 o la reivindicación 3, en el que las múltiples capas de preforma apiladas o estratificadas se fijan en una resina líquida de unión que se solidifica o se cura para definir la viga compuesta,

y, opcionalmente, en el que la resina de matriz solidificada de varillas de resistencia comprende uno o más de: una resina curada con UV, una resina curada con rayos de electrón, una resina termoplástica, una resina curada con presión calentada y una resina termoestable o curada por calor.

7. El elemento estructural de la reivindicación 1 o la reivindicación 3, en el que las varillas de resistencia adyacentes de la capa de preforma definen espacios (5) sustancialmente uniformes entre las varillas de resistencia adyacentes, extendiéndose los espacios a lo largo de al menos una porción de la longitud de la capa de preforma de manera que las varillas de resistencia adyacentes de la capa de preforma no mantienen un contacto sustancial entre sí para facilitar el flujo sustancialmente sin impedimentos de la resina líquida de unión entre varillas de resistencia

adyacentes de una capa de preforma y entre la capa de preforma y la una o más otras capas de preforma o apiladas con la capa de preforma.

8. El elemento estructural de la reivindicación 1 o la reivindicación 3, en el que los extremos de cada capa de preforma se corresponden con estaciones de la capa de preforma y en el que las múltiples capas de preforma apiladas definen una o más longitudes (L) diferentes para definir la viga compuesta que tiene un espesor (T) de estrechamiento.

9. El elemento estructural de la reivindicación 1 o la reivindicación 3, en el que al menos una porción extrema de una o más capas de preforma termina en una zona extrema ahusada, estando el estrechamiento en un índice seleccionado de estrechamiento.

1. El elemento estructural de la reivindicación 1 o la reivindicación 3, en el que varillas de resistencia adyacentes de una determinada capa de preforma definen sustancialmente espacios que tienen una geometría y un tamaño suficiente para permitir el flujo de resina líquida de unión entre varillas de resistencia adyacentes.

11. El elemento estructural de la reivindicación 1 o la reivindicación 3, en el que las varillas de resistencia de una o más capas de preforma definen un espesor sustancialmente similar para que cada una de las una o más capas de preforma defina un espesor sustancialmente uniforme.

12. El elemento estructural de la reivindicación 1 o la reivindicación 3, en el que varillas de resistencia de una o más capas de preforma definen perfiles sustancialmente similares,

y, opcionalmente, en el que los perfiles son uno o más de perfiles rectangulares y circulares y, opcionalmente, en el que los perfiles rectangulares son perfiles rectangulares sustancialmente similares con bordes redondeados, y, más opclonalmente, en el que los bordes redondeados de varillas de resistencia apiladas adyacentes permiten el flujo de resina liquida de unión entre varillas de resistencia apiladas adyacentes y/o en el que cada borde de cada varilla de resistencia define un radio de curvatura del borde,

y, todavía más opcionalmente, en el que el radio de curvatura del borde es menor que un cuarto de un espesor de una varilla de resistencia y mayor que un cuarto del espacio entre las capas de preforma apiladas.

13. El elemento estructural de la reivindicación 1 o la reivindicación 3, en el que un adhesivo compatible con la resina de unión une la capa de soporte y las múltiples varillas de resistencia.

14. El elemento estructural de la reivindicación 1 o la reivindicación 3, en el que una de la capa de soporte y las varillas de resistencia incluye al menos una capa de adhesivo para unir las varillas de resistencia con la capa de soporte.

15. El elemento estructural de la reivindicación 1 o la reivindicación 3, en el que la capa de soporte de una capa de preforma determinada comprende al menos uno de un material no tejido y un material tejido que tiene una o más de: múltiples fibras, múltiples hilos y múltiples fibras para hilar sustancialmente unidireccionales dispuestas en una orientación sustancialmente transversal con relación al eje longitudinal de las varillas de resistencia.

16. El elemento estructural de la reivindicación 1 o la reivindicación 3, en el que bien

(a) dos o más capas de preforma se apilan de manera que al menos una varilla de resistencia de al menos una capa de preforma está dispuesta en una alineación sustancial y longitudinal con al menos una varilla de resistencia de al menos otra capa de preforma dispuesta por encima o por debajo de la una capa de preforma, formando el espacio entre capas de preforma y varillas de resistencia adyacentes pasos para permitir el flujo de resina de unión, o

(b) dos o más capas de preforma se apilan y en el que al menos una de las varillas de resistencia en una capa de preforma está dispuesta en una alineación sustancial y longitudinal con al menos una porción del espacio entre varillas de resistencia adyacentes de otra capa de preforma, o

(c) dos o más capas de preforma se apilan y en el que las varillas de resistencia de una capa de preforma están dispuestas de manera aleatoria con respecto a las varillas de resistencia de otra capa de preforma, pero alineadas a lo largo de sus ejes longitudinales.

17. El elemento estructural de la reivindicación 1 o la reivindicación 3, en el que el elemento estructural comprende uno o más de una tapa de larguero (126), un perfil de doble T, un alma de esfuerzo cortante, un borde delantero (112), un borde trasero (114) y otros componentes estructurales de pala de la pala de aerogenerador.

18. El elemento estructural de la reivindicación 6, en el que la resina de unión se solidifica usando uno o más de: curación a temperatura ambiente, curación química, curación ultravioleta, curación por rayos de electrón y curación mediante la aplicación de calor y presión.