NREL explora un enfoque de fabricación novedoso para palas de turbinas eólicas de próxima generación

Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL, Golden, Colorado, EE. UU.), Dirigido por el ingeniero senior de tecnología eólica de NREL, Derek Berry, continúa avanzando en sus técnicas novedosas para fabricar palas de turbinas eólicas avanzadas al promover su combinación de termoplásticos reciclables y fabricación aditiva (AM). El avance fue posible gracias a la financiación de la Oficina de Fabricación Avanzada del Departamento de Energía de EE. UU., Premios diseñados para estimular la innovación tecnológica, mejorar la productividad energética de la fabricación de EE. UU. Y permitir la fabricación de productos de vanguardia.

Hoy en día, la mayoría de las palas de las turbinas eólicas a escala de servicios públicos tienen el mismo diseño de concha:dos capas de fibra de vidrio se unen con adhesivo y utilizan uno o varios componentes de refuerzo compuestos llamados bandas de corte, un proceso optimizado para la eficiencia durante los últimos 25 años. Sin embargo, para hacer que las palas de las turbinas eólicas sean más livianas, más largas, menos costosas y más eficientes en la captura de energía eólica, mejoras críticas para el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en parte mediante el aumento de la producción de energía eólica, los investigadores deben repensar por completo la concha convencional, algo que es el enfoque principal del equipo de NREL.

Para empezar, el equipo de NREL se centra en el material de la matriz de resina. Los diseños actuales se basan en sistemas de resinas termoendurecibles como epoxis, poliésteres y ésteres de vinilo, polímeros que, una vez curados, se reticulan como zarzas.

“Una vez que produce una hoja con un sistema de resina termoestable, no puede revertir el proceso”, dice Berry. "Eso [también] hace que la hoja sea difícil de reciclar".

Trabajando con el Instituto para la Innovación en la Fabricación de Compuestos Avanzados (IACMI, Knoxville, Tennessee, EE. UU.) En la Instalación de Educación y Tecnología de Fabricación de Compuestos (CoMET) de NREL, el equipo de múltiples instituciones desarrolló sistemas que utilizan termoplásticos, que, a diferencia de los materiales termoendurecibles, pueden ser se calienta para separar los polímeros originales, lo que permite la reciclabilidad al final de su vida útil (EOL).

Las piezas termoplásticas de la hoja también se pueden unir mediante un proceso de soldadura térmica que podría eliminar la necesidad de adhesivos, a menudo materiales pesados ​​y costosos, mejorando aún más la reciclabilidad de la hoja.

"Con dos componentes termoplásticos de la hoja, tiene la capacidad de unirlos y, mediante la aplicación de calor y presión, unirlos", dice Berry. "No se puede hacer eso con materiales termoendurecibles".

En el futuro, NREL, junto con los socios del proyecto TPI Composites (Scottsdale, Arizona, EE. UU.), Additive Engineering Solutions (Akron, Ohio, EE. UU.), Ingersoll Machine Tools (Rockford, Ill., EE. UU.), Vanderbilt University (Knoxville) e IACMI , desarrollará estructuras de núcleo de palas innovadoras para permitir la producción rentable de palas muy largas y de alto rendimiento (más de 100 metros de longitud) que tienen un peso relativamente bajo.

Mediante el uso de la impresión 3D, el equipo de investigación dice que puede producir los tipos de diseños necesarios para modernizar las palas de la turbina con núcleos estructurales en forma de red altamente diseñados de diferentes densidades y geometrías entre las capas estructurales de la pala de la turbina. Las pieles de las cuchillas se infundirán mediante un sistema de resina termoplástica.

Si tienen éxito, el equipo reducirá el peso y el costo de las palas de la turbina en un 10% (o más) y el tiempo del ciclo de producción en al menos un 15%.

Además del premio principal AMO FOA para estructuras de palas de turbinas eólicas termoplásticas AM, dos proyectos de subvención también explorarán técnicas avanzadas de fabricación de turbinas eólicas. La Universidad Estatal de Colorado (Fort Collins) está liderando un proyecto que también utiliza la impresión 3D para fabricar compuestos reforzados con fibra para nuevas estructuras internas de palas de viento, con Owens Corning (Toledo, Ohio, EE. UU.), NREL, Arkema Inc. (King of Prussa, EE. UU.) Pensilvania, EE. UU.) Y Vestas Blades America (Brighton, Colorado, EE. UU.) Como socios. El segundo proyecto, dirigido por GE Research (Niskayuna, N.Y., EE. UU.), Se denomina AMÉRICA:Aspas de rotor habilitadas para aditivos y modulares y ensamblaje de compuestos integrados. Asociados con GE Research están Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, EE. UU.), NREL, LM Wind Power (Kolding, Dinamarca) y GE Renewable Energy (París, Francia).