Nueva generación de cuchillas eólicas

La industria eólica busca continuamente formas de reducir el costo de energía nivelado (LCOE). Un enfoque es aumentar la energía capturada por el molino de viento. Esa energía depende del área barrida de la pala del rotor de viento y, por lo tanto, fundamentalmente de la longitud de la pala. Por otro lado, a medida que aumenta la longitud de la cuchilla, su peso, costo de instalación y desviación de la punta aumentan, lo que limita el progreso. La clave para equilibrar estas tendencias de contrarrestación es bajar el peso y aumentar la rigidez. La tapa rociadora es la estructura principal de transporte de carga en la cuchilla y desempeña un papel clave en este equilibrio. La Figura 1 es una representación gráfica de los elementos clave que constituyen una cuchilla eólica. La optimización de la relación entre la rigidez y el peso se logra mediante el uso de fibra de carbono en la tapa espaciadora. El módulo más alto y la densidad más baja de la fibra de carbono ofrecen una relación única entre rigidez y peso en comparación con la fibra de vidrio. Dadas las ventajas de costo/rendimiento, la fibra de carbono está encontrando un mayor uso en la nueva generación de palas eólicas. 

Los refuerzos para las palas eólicas han estado pasando de tubos de espaciador de fibra de vidrio epoxi a tapas de espaciador de epoxi de fibra de carbono preimpregnadas. Esta evolución se proporciona esquemáticamente en la Figura 2. Los preimpregnados de fibra de carbono compitieron con los tubos de espada de fibra de vidrio aplicados tempranamente. Un estudio realizado por Wetzel Engineering Inc. informó una relación rigidez-peso 4X mayor de preimpregnación de carbono en comparación con la fibra de vidrio E infundida a nivel de compuesto. Esto evaluado en una paleta eólica de 57 m de longitud representa una reducción de peso del 27 %^[1] . Sin embargo, el enfoque más reciente de la industria de energía eólica se plantea en la aplicación de laminados de Pultrusión de fibra de carbono como alternativa a los preimpregnados como constituyentes de las tapas dentadas en la nueva generación de sus paletas eólicas.

La pultrusión ofrece claras ventajas sobre los preimpregnados como mayor contenido de fibra y mejor alineación de la fibra, lo que resulta en un rendimiento mecánico superior. La pultrusión es un proceso automatizado continuo que permite una calidad más consistente de las piezas, mayor productividad y mayor volumen de fabricación. Los perfiles pultrudidos pueden hacerse en cualquier longitud y enrollarse al final de la línea de pultrusión con la ayuda de una unidad bobinadora, hasta la longitud requerida por el usuario final. ¡El perfil de carbono pultruido está completamente curado y listo para usarse al llegar a la instalación de fabricación de cuchillas! Las bobinas pueden desenrollarse, las partes cortadas a la longitud deseada, estabilizadas con precisión a lo largo de la longitud de la cuchilla adyacente a los otros materiales estructurales. Una sola etapa de infusión une el perfil de carbono junto con todos los demás elementos estructurales de la cuchilla. La Figura 3 es una representación gráfica de las etapas mencionadas requeridas para la fabricación de tapas de asa por Pultrusión.

La simplificación del proceso representa una ventaja adicional sobre los preimpregnados, que deben mantenerse refrigerados durante el suministro y el almacenamiento; se somete a un paso costoso y lento en el proceso de curado al vacío que requiere un molde dedicado. La eliminación del paso de fabricación de curado al vacío conduce a una reducción del 25 % en el costo de capital cuando se utiliza Pultrusión basada en estimaciones internas de DowAksa.

Como se mencionó en la sección anterior, la pultrusión es un proceso continuo para producir compuestos de alto contenido de fibra de sección transversal constante y un diseño de línea clásico se representa en la Figura 4. El proceso se basa en un sistema de traccionador/abrazadera para tirar de varios cientos de remolques de fibras de alta resistencia desde el arroyo hacia un baño de impregnación, donde la resina termoestable se infiltra en el grupo de filamentos. Las fibras húmedas se comprimen mediante una placa de entrada especialmente diseñada y luego se introducen en un dado de acero calentado donde la resina se cura y solidifica al separarse de la pared del dado. La sección transversal del perfil se define por la geometría del troquel. El material que sale del troquel es agarrado por el sistema de tracción, que lo tira continuamente. En una etapa final, una estación de sierra de corte cortó el perfil a la longitud deseada. 

A diferencia de las resinas epoxi o ésteres de vinilo, que pueden procesarse mediante el uso de una tecnología clásica de pultrusión de baño abierto, los poliuretanos requieren pultrusión de inyección cerrada. Esto se debe al hecho de que el poliol y el isocianato comienzan a reaccionar inmediatamente después de mezclarse, incluso a temperatura ambiente. Una máquina de inyección y mezcla de poliuretano estándar debe estar conectada a una caja de inyección de pultrusión especialmente modificada. Un diseño de caja de inyección adecuado requiere conocimientos considerables para permitir la infiltración adecuada del polímero a través de cientos de remolques que contienen miles de filamentos en un corto período de tiempo (tiempo de permanencia en la caja de inyección). La Figura 5 es una representación gráfica genérica que compara la disposición de la pultrusión de “baño abierto” convencional y el sistema de inyección estrecha requerido para procesar poliuretanos. 

Los requisitos críticos de rendimiento para la Pultrusión de inyección cerrada son la viscosidad inicial baja de la mezcla reactiva y no hay polimerización sustancial a temperatura ambiente. Por el contrario, requiere una tasa de polimerización muy rápida en el troquel de Pultrusión para alcanzar un alto grado de curado. Este concepto se denomina en la industria perfil de reactividad de “curado rápido” o “palo de hockey”. Si bien la inyección cerrada de fibra de vidrio de poliuretano se ha practicado durante los últimos 10 años, la Pultrusión de poliuretano de fibra de carbono tiene la complejidad adicional de un diámetro de filamento de fibra de carbono inferior. Un diámetro de filamento de fibra de vidrio está en el orden de 20-25 μm, mientras que un diámetro de fibra de carbono está en el intervalo de 5 a 7 μm. Esto hace que la estopa de fibra de carbono, que puede contener 24K o 50K de estos filamentos sea muy difícil de impregnar debido a la menor porosidad intra-remolque (ley de Darcy), un hecho que tiene una proliferación limitada de la pultrusión de carbono de poliuretano. El sistema de poliuretano de baja viscosidad recientemente desarrollado de Dow VORAFORCE™ TP1270EU/1300 se diseñó teniendo en cuenta estos requisitos críticos. De hecho, una mezcla adecuada de polioles y el uso de un isocianato de baja viscosidad lograron la viscosidad inicial baja requerida. Un estudio sistemático sobre diversos agentes desmoldantes y catalizadores y su interacción permitió a los científicos de Dow optimizar el perfil de reactividad del sistema de poliuretano para permitir la pultrusión de fibra de carbono.

Pero este desarrollo no solo se trata del diseño de resina. DowAksa con un fuerte respaldo de Dow se enfocó en la creación de un sistema de inyección cerrada disruptivo. La caja de inyección (I-Box) es una parte fundamental del sistema de inyección y su diseño requiere conocimientos considerables que sean uno de los elementos clave del proceso novedoso. Los parámetros de reología y cinética se determinaron en el sistema de resina desarrollado de Dow y fueron utilizados por los modeladores computacionales de Dow para simular la dinámica de fluidos en diferentes diseños de cajas de inyección y la cinética de curado en la matriz de pultrusión. Los modelos dinámicos de fluidos computacionales (CFD) y el análisis de elementos finitos (FEA) se calibraron frente a los datos del proceso y se utilizaron para predecir las velocidades y el grado de curado en diferentes condiciones^[2]La Figura 7 recrea la forma en que los ingenieros y científicos de Dow y DowAksa trabajaron en modelos predictivos y datos del proceso para diseñar un hardware óptimo para cumplir con los estrictos requisitos de impregnación de las fibras de las fibras de carbono mediante el uso de un sistema de caja de inyección cerrada.

El desafío significativo que Dow y DowAksa han superado se puede explicar en el siguiente ejemplo práctico. En un laminado pultrusionado para la tapa de espaciador que contiene alrededor de 70 % de fibra de carbono en volumen, hay más de 10 millones de filamentos de carbono simples. Estos filamentos se extraen continuamente a través de la caja de inyección donde se encuentran con la resina de poliuretano con un tiempo de permanencia en la caja de inyección de típicamente menos de un minuto. La impregnación debe ser perfecta; no se aceptan puntos secos para toda la longitud de la bobina, ya que estos podrían actuar como iniciadores de grietas. La longitud de las bobinas podría estar en el orden de 280-300 m y la demanda de rendimiento actual está en el orden de varios miles de kilómetros por semana. La Figura 8 muestra los cientos de bobinas de carbono que se desenrollan del arroyo y las remolques de carbono que se dirigen hacia la caja de inyección. La Figura 9 muestra las imágenes de Microscopía de electrones de barrido (Scanning Electroning Electron Microscopy, SEEM) ejecutadas en la sección cruzada de los perfiles que se confirman. El análisis no destructivo (NDT) en línea analiza continuamente la producción para detectar puntos secos, lo que confirma una excelente impregnación entregada de manera consistente en millones de medidores producidos hasta el momento. Esto le da un sabor al enorme desafío técnico que DowAksa y Dow resolvieron con la nueva tecnología.

Pultrusión de inyección cerrada de poliuretano VORAFORCE™ TP1270EU/1300 combinado con fibra de carbono que ofrece las mejores propiedades mecánicas y el mejor equilibrio de productividad. Los ensayos en una línea de pultrusión a escala comercial, en condiciones controladas, fueron realizados por Dow y DowAksa para fines de evaluación comparativa. El poliuretano VORAFORCE™ TP1270EU /1300 se comparó con los mejores grados de epoxi y éster de vinilo para la pulptrusión. El contenido de fibra de carbono se fijó a una fracción de volumen de fibra de 62 % para todas las corridas. El epoxi y el éster de vinilo se ejecutaron a una velocidad de 1X en una configuración de baño abierto clásica, mientras que VORAFORCE™ TP1270/1300 se ejecutaron con la configuración de inyección cerrada a más de 3X veces la velocidad de los controles. La Figura 10 resume los resultados en una parcela de araña. Las propiedades mecánicas^[3]donde se normalizaron a los resultados de VORAFORCE™ TP1270/1300 , las propiedades probadas transversalmente a la dirección de la fibra se indican con un símbolo de 90 grados, mientras que las probadas a lo largo de la dirección de la fibra se marcan como 0 grados.

Las propiedades del epoxi caen en alrededor del 80 % de las de VORAFORCE™ 1270/1300, pero con la ejecución posterior 3X más rápida en la línea de Pultrusión. En comparación con un control de viniléster de grado comercial, VORAFORCE™ TP1270EU/1300 demostró claramente propiedades mecánicas muy superiores, especialmente en dirección transversal donde la resina tiene más impacto. Además, el poliuretano está libre de estireno, lo que genera un entorno de trabajo más saludable. La Pultrusión de inyección cerrada limita las emisiones de Compuestos orgánicos volátiles y contribuye a un proceso muy limpio en términos de higiene industrial.

Ensayos de campo posteriores confirmaron, en buen acuerdo con las predicciones de modelado^[2], VORAFORCE TP1270EU /1300 alcanza más del 90 % del grado de curado a altas velocidades de pultrusión^[2] lo que demuestra que la cinética de curado de VORAFORCE TP1270/1300 no será un factor limitante para continuar aumentando la tasa de productividad, desbloqueando la restricción de velocidad histórica de epoxis. Esto posiciona a DowAksa y a la tecnología de Dow como una solución extremadamente competitiva para satisfacer la creciente demanda de tapas dentadas para la industria eólica.

Como consecuencia de los avances colaborativos de Dow y DowAksa, surgió una nueva tecnología para ayudar a promover la nueva generación de diseño de paletas eólicas. El producto obtenido ofrece la mejor relación de productividad/rendimiento mecánico y simplifica el procesamiento en comparación con las tecnologías y los productos existentes para el uso en la aplicación de tapas de aspas de paletas eólicas.

Esta tecnología novedosa requirió desarrollos a lo largo de la cadena de procesos, desde química hasta hardware para permitir un procesamiento estable y un producto de alta calidad. El perfil de pultrusión DowAksa aprobó los rigurosos requisitos de producto de Vestas Wind Power AS, un fabricante global clave de molinos de viento, que obtuvo su calificación completa en 2019, convirtiéndose en el primer compuesto a base de poliuretano disponible comercialmente en el mundo producido por Pultrusion para aplicaciones de tapas de aspas eólicas. Hasta el momento, millones de metros de perfiles pultrudidos se han entregado con éxito a Vestas al más alto nivel de calidad, lo que demuestra la solidez de la tecnología recientemente desarrollada. Este proyecto satisface la creciente demanda de instalaciones de energía eólica al proporcionar un producto confiable e innovador fabricado por una tecnología de procesamiento avanzada para ofrecer una mejor eficiencia de la turbina. Este material recién molido ejemplifica el poder de Science y su potencial ilimitado para ayudar a construir un futuro mejor.