Materiales compuestos utilizados en la fabricación de palas eólicas

EMMANUEL FAGUAGA; PABLO FAYÓ; ROMINA OLLIER; VERA ALVAREZ; EXEQUIEL RODRIGUEZ

Mar del Plata

Workshop; III Workshop sobre Materia Blanda; 2010

El uso de turbinas de viento para la generación de energía ha crecido notablemente en los últimos años debido a que producen energía limpia utilizando un recurso libre y renovable. Poseen como ventajas adicionales bajos costos de instalación y un fácil mantenimiento. La utilización de la energía eólica contribuye a la disminución del calentamiento global disminuyendo el consumo de combustibles fósiles y consecuentemente la emisión de gases contaminantes. Por otra parte, la principal desventaja de esta industria es la naturaleza temporaria del flujo de viento, por lo que es necesario utilizar equipamiento confiable y eficiente para obtener la mayor cantidad de energía posible durante los períodos de tiempo en los que el viento sopla fuertemente. El componente más importante de las turbinas de viento son las palas que actualmente se diseñan de acuerdo a requerimientos aerodinámicos estrictos. Los materiales compuestos satisfacen estos requerimientos y poseen bajo peso y alta rigidez al mismo tiempo que presentan buena resistencia tanto a las cargas estáticas como a la fatiga. Estos materiales han permitido incrementar el tamaño de las palas (las actuales llegan a los 50 m de largo) y de esa forma la potencia entregada por las turbinas. Por lo tanto es importante preservar la integridad estructural de las piezas y asegurar que sus propiedades mecánicas se conserven en el tiempo. Como estas palas están expuestas a condiciones ambientales, es importante estudiar el efecto de la humedad sobre las propiedades de las mismas. Por otro lado, la fabricación de palas de grandes dimensiones ha sido posible gracias a la utilización de nuevas técnicas de procesamiento en molde cerrado. En este trabajo se resumen las investigaciones y desarrollos efectuados en el área de los materiales compuestos de matriz polimérica utilizados en la fabricación de palas eólicas. Parte de las investigaciones fue dirigida a incrementar la resistencia a la degradación de dichos materiales, mejorando su desempeño mecánico en ambientes degradantes (alta humedad, cambios de temperatura). Para ello se analizaron los efectos del agregado de nanopartículas (bentonita de origen nacional en una concentración del 5% en peso) sobre las propiedades mecánicas de los materiales de partida (resina poliéster). Luego, los nanocompuestos obtenidos se utilizaron con como matriz de materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio para la fabricación de palas eólicas con mayores propiedades mecánicas y mejor resistencia a la humedad. Se obtuvieron curvas que relacionaron el tiempo de exposición con las propiedades del material, extrapolándolas a tiempos largos acelerando los ensayos mediante el aumento de la temperatura de ensayo. Estas curvas servirán para predecir el módulo de los compuestos luego de un tiempo de exposición (se prevé que las mismas puedan ser utilizadas a futuro por los fabricantes de las palas). También se trabajo en conjunto con la empresa IMPSA Wind, para realizar la selección de la resina más adecuada para fabricar las palas. Para ellos se evaluaron las propiedades mecánicas de las resina, de las fibras y de los compuestos resultantes. También se desarrolló una técnica para medir la adhesión entre las fibras y la matriz. Las técnicas convencionales no resultaban efectivas por el bajo diámetro de las fibras, que generaba la rotura de las mismas antes del de la matriz. A fin de poseer prototipos donde probar los desarrollos efectuados en materiales compuestos, se realizó el diseño y se construyó un molde para procesar palas de dos metros de longitud. A partir de un escalado de la pala de un molino de grandes dimensiones, se realizó el diseño CAD con el que se obtuvieron cortes transversales de la geometría de las palas. Con esos cortes se obtuvo un modelo en positivo, con el que se fabricó el molde (con resina vinilester y fibra de vidrio). Luego por la técnica de infusión por vacío se procesaron los prototipos.