Pala de turbina eólica.

Una pala de turbina eólica (10) (30) que tiene un extremo de punta y un extremo de raíz y que comprende al menos un componente (16,

18, 20) (32, 34) formado de material compuesto fibroso que incluye dos o más tipos diferentes de fibras de carbono que tienen un módulo de elasticidad diferente entre sí, en la que las proporciones de los diferentes tipos de fibras de carbono en el al menos un componente (16, 18, 20) varían en la dirección longitudinal de la pala (10) (30), de tal manera que el módulo de elasticidad del material compuesto fibroso aumenta hacia el extremo de la punta de la pala.

Pala de turbina eólica La presente invención se refiere a una pala para una turbina eólica. En particular, la invención se refiere a una pala que tiene al menos un componente formado de un material compuesto reforzado con dos o más tipos diferentes de fibras de carbono que tienen un módulo de elasticidad diferente entre sí.

Con el desarrollo de turbinas eólicas cada vez más grandes, existe una necesidad de palas de turbina eólica de mayor longitud. Sin embargo, el uso de palas más largas plantea una serie de problemas. Uno de tales problemas es que, a medida que las palas se hacen más largas, la flexión en el plano de la punta de la pala durante el uso se incrementa, por lo que existe un mayor riesgo de que la punta de la pala choque con la torre de la turbina eólica durante vientos fuertes. Con el fin de asegurar que haya suficiente espacio entre las palas y la torre en todo momento, es necesario ya sea montar las palas a una distancia mayor desde la torre de la turbina, o alternativamente, aumentar la rigidez de las puntas de la pala de tal manera que la desviación se reduzca. La última de estas soluciones se prefiere, ya que la primera solución se sabe que aumenta los costes de la turbina eólica en su conjunto.

También se ha reconocido que es ventajoso reducir la cuerda de la punta de las palas de turbina eólica tanto como sea posible. Las palas con una cuerda de punta más estrecha ofrecen una serie de ventajas sobre las palas estándar, incluyendo cargas y coste reducidos para el resto de la turbina. Sin embargo, el problema de la desviación de la punta, como se ha descrito anteriormente, se hace mayor cuando la porción de punta de la pala se hace más estrecha. La mayor parte de la desviación de la punta se genera en la parte exterior de la pala hacia el extremo de la punta donde hay menos material. Las palas con una cuerda de punta reducida, por lo tanto, sólo son viables si pueden formarse de materiales que tienen un nivel suficientemente elevado de rigidez, para compensar la rigidez reducida de la porción de punta de la pala resultante de la sección transversal más pequeña. Generalmente, es económicamente más viable endurecer la pala hacia el extremo de la punta, donde hay menos material.

Convencionalmente, se han utilizado materiales compuestos reforzados con fibras de vidrio para producir palas de turbinas eólicas. Sin embargo, para obtener el nivel más alto de rigidez requerido para palas más largas y/o más estrechas, se requieren cantidades aumentadas de fibras de vidrio. Esto resulta en una pala más pesada y menos eficiente.

Las fibras de carbono también se utilizan en materiales compuestos para su uso en palas de turbinas eólicas a pesar de sus costes más altos de materias primas, ya que son más ligeras y más rígidas que las fibras de vidrio y por tanto, ofrecen un refuerzo mejorado. Los documentos WO-A-03/078832 y WO-A-03/078833 divulgan ambos una pala de turbina eólica que tiene una porción de extremo de la punta hecha sustancialmente de polímero reforzado con fibra de carbono y una porción de extremo de raíz hecho sustancialmente de polímero reforzado con fibra de vidrio. Además, el documento EP 1 746 284 divulga una pala de turbina eólica en la que las mitades de la carcasa exterior están reforzadas por la inclusión de tiras prefabricadas de fibras de carbono.

Sería deseable proporcionar una pala de turbina eólica mejorada, que está formada de un material que optimiza la resistencia y rigidez de la pala, de tal manera que la desviación del extremo de la punta de la pala puede reducirse. Sería particularmente deseable proporcionar una pala con una rigidez suficiente en la punta de forma que la cuerda de la punta podría reducirse considerablemente, sin el problema de la desviación de la punta. También sería deseable proporcionar una pala de turbina eólica de mayor longitud en comparación con las palas estándar, que es a la vez eficaz y económica.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona una turbina eólica que tiene un extremo de la punta y un extremo de raíz y que comprende al menos un componente formado de material compuesto fibroso que incluye dos o más tipos diferentes de fibras de carbono que tienen un módulo de elasticidad diferente entre sí, en la que las proporciones de los diferentes tipos de fibras de carbono en el al menos un componente varían en la dirección longitudinal de la pala, de tal manera que el módulo de elasticidad del material compuesto fibroso aumenta hacia el extremo de la punta de la pala.

El "al menos un componente" puede ser cualquier elemento de la pala, incluyendo, pero no limitado a, la viga interior o almas, las tapas de larguero, las porciones de carcasa exterior, o un elemento de conexión entre dos elementos de la pala.

El término "material compuesto fibroso" se refiere a un material que comprende una resina a través de la cual han sido distribuidas las fibras de refuerzo.

El término "fibras" se utiliza para referirse a partículas que tienen una relación de aspecto (longitud/diámetro equivalente) de más de 10. Por diámetro equivalente se entiende el diámetro de un círculo que tiene la misma área que el área de sección transversal de la partícula.

El "módulo de elasticidad" de un material se define como la pendiente de la curva tensión-deformación del material en la

región de deformación elástica y es una medida de la rigidez del material. La unidad de módulo de elasticidad es el Pascal (Pa) . Los materiales más rígidos tienen valores más altos de módulo de elasticidad. La rigidez de una pala de turbina eólica en cualquier punto a lo largo de su longitud dependerá del módulo de elasticidad del material compuesto fibroso y el área de sección transversal en ese punto. El módulo de elasticidad es también conocido como el "módulo de elasticidad"

o "módulo de Young".

La proporción de cada tipo de fibra de carbono en un componente de la pala en cualquier punto a lo largo de la longitud de la pala es igual a la fracción de ese tipo de fibra en la cantidad total de fibras de carbono que se incorpora en el componente en ese punto.

Las fibras de carbono son fibras en las que el constituyente principal es el carbono. Por ejemplo, las fibras de carbono incluyen fibras que contienen grafito, carbono amorfo o nanotubos de carbono. Las fibras de carbono pueden producirse a partir de precursores de poliacrilonitrilo (PAN) , brea o rayón.

Ventajosamente, las fibras de carbono tienen una relación rigidez respecto a densidad significativamente mayor que la de las fibras de vidrio y, por lo tanto, pueden proporcionar el mismo o un mayor valor de módulo de elasticidad que un material compuesto como fibras de vidrio con un peso mucho menor de fibras. A pesar de que el coste por unidad de masa de carbono es mayor que el del vidrio, dado que se requiere un menor peso de carbono que el vidrio para proporcionar el módulo de elasticidad requerido, el coste total de las palas de acuerdo con la invención no tiene que ser mucho más alto que el de las palas estándar de longitud correspondiente.

Una ventaja adicional del uso de fibras de carbono en lugar de fibras de vidrio en una pala de turbina eólica es que el peso total de la pala se reduce significativamente. Como resultado, la carga sobre la viga interior y otras partes de la turbina también se reduce.

Están disponibles fibras de carbono que tienen una amplia variedad de diferentes niveles de módulo de elasticidad y esto significa que existe una excelente flexibilidad en el diseño de palas de acuerdo con la invención y, en particular, en la variación del módulo de elasticidad del material compuesto fibroso que forma los componentes de la turbina eólica. Las fibras de carbono de módulo estándar tienen un módulo de elasticidad de aproximadamente 230 GPa mientras que las fibras de carbono de módulo más alto pueden tener un módulo de elasticidad de hasta 800 GPa. También están disponibles muchos tipos diferentes de fibras de carbono que tienen un valor intermedio de módulo de elasticidad entre estos dos valores. Preferentemente, las palas de acuerdo con la invención incluyen al menos un tipo de fibras de carbono que tienen un módulo de elasticidad mayor de 230 GPa y, más preferentemente, la pala incluye al menos un tipo que tiene un módulo de elasticidad mayor de 280 GPa.

Típicamente, el coste de las fibras de carbono aumenta a medida que aumenta el módulo de elasticidad. Por lo tanto, no es deseable desde un punto de vista económico utilizar... [Seguir leyendo]

1. Una pala de turbina eólica (10) (30) que tiene un extremo de punta y un extremo de raíz y que comprende al menos un componente (16, 18, 20) (32, 34) formado de material compuesto fibroso que incluye dos o más tipos diferentes de fibras de carbono que tienen un módulo de elasticidad diferente entre sí, en la que las proporciones de los diferentes tipos de fibras de carbono en el al menos un componente (16, 18, 20) varían en la dirección longitudinal de la pala (10) (30) , de tal manera que el módulo de elasticidad del material compuesto fibroso aumenta hacia el extremo de la punta de la pala.

2. Una pala de la turbina eólica (10) (30) según la reivindicación 1, en la que las proporciones de los diferentes tipos de fibras de carbono en el al menos un componente (16, 18, 20) (32, 34) varían en la dirección longitudinal de la pala de tal manera que a lo largo de al menos una parte de la pala, el aumento en el módulo de elasticidad del material compuesto fibroso es continuo.

3. Una pala de turbina eólica (10) (30) según la reivindicación 1, en la que el al menos un componente comprende dos o más porciones conectadas que tienen diferentes proporciones de los diferentes tipos de fibras de carbono entre sí, de tal manera que el módulo de elasticidad del material compuesto fibroso que forma cada una de las porciones es diferente.

4. Una pala de turbina eólica (10) (30) según la reivindicación 3, que comprende un elemento conector entre las dos o más porciones conectadas.

5. Una pala de turbina eólica (10) (30) según la reivindicación 4, en la que el elemento conector está formado de material compuesto fibroso que comprende dos o más tipos diferentes de fibras de carbono que tienen un módulo de elasticidad diferente entre sí.

6. Una pala de turbina eólica (10) (30) según cualquier reivindicación anterior, en la que las proporciones de los diferentes tipos de fibras de carbono en el al menos un componente (16, 18, 20) (32, 34) varían en la dirección longitudinal de la pala para proporcionar al menos dos regiones en las que el material compuesto fibroso tiene un mayor módulo de elasticidad que en el resto del componente.

7. Una pala de turbina eólica (10) (30) según cualquier reivindicación anterior, que comprende una viga (16) longitudinal interior que se extiende a través del centro de la pala, en la que la viga interior está formada de material compuesto fibroso que incluye dos o más tipos diferentes de fibras de carbono que tienen un módulo de elasticidad diferente entre sí, en la que las proporciones de los diferentes tipos de fibras varían en la dirección longitudinal de la viga (16) interior de tal manera que el módulo de elasticidad del material compuesto fibroso que forma la viga aumenta hacia el extremo de la punta de la pala.

8. Una pala de turbina eólica (10) (30) según la reivindicación 7, en la que la viga (16) interior comprende una porción de extremo de la punta y una porción de extremo de la raíz y en la que las proporciones de los diferentes tipos de fibras de carbono son diferentes en la porción de extremo de la punta y en la porción de extremo de la raíz, de tal manera que el módulo de elasticidad del material compuesto fibroso es mayor en la porción extrema de la punta que en la porción de extremo de la raíz.

9. Una pala de turbina eólica (10) (30) según la reivindicación 8, en la que las proporciones de los diferentes tipos de fibras de carbono dentro de cada una de la porción de extremo de la punta y la porción de extremo de la raíz varían en la dirección longitudinal de la pala.

10. Una pala de turbina eólica (10) (30) según cualquier reivindicación anterior, que comprende dos o más porciones de carcasa exterior (32, 34) , en la que cada una de las porciones de carcasa exterior está formada de material compuesto fibroso que comprende dos o más tipos diferentes de fibras de carbono que tienen un módulo de elasticidad diferente entre sí.

11. Una pala de turbina eólica (10) (30) según cualquier reivindicación anterior, en la que al menos uno de los diferentes tipos de fibras de carbono tiene un módulo de elasticidad mayor de 230 GPa.

12. Una pala de turbina eólica (10) (30) según cualquier reivindicación anterior, en la que al menos uno de los diferentes tipos de fibras de carbono tiene un módulo de elasticidad mayor de 280 GPa.

13. Una pala de turbina eólica (10) (30) según cualquier reivindicación anterior, que también comprende fibras que no son de carbono.

14. Un turbina eólica (1) , que comprende una o más palas (10) (30) según cualquier reivindicación anterior.

15. Uso de una pala de turbina eólica (10) (30) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 en una turbina eólica.