Nova Geração de Lâminas Eólicas

A indústria eólica está continuamente buscando maneiras de reduzir o custo nivelado da energia (LCOE). Uma abordagem é aumentar a energia capturada pelo moinho de vento. Essa energia depende da área varrida da lâmina do rotor eólico e, portanto, fundamentalmente no comprimento da lâmina. Por outro lado, à medida que o comprimento da lâmina aumenta, seu peso, custo de instalação e deflexão da ponta aumentam, o que limita o progresso. A chave para equilibrar essas tendências de neutralização é diminuir o peso e aumentar a rigidez. A tampa do suporte é a principal estrutura de carga na lâmina e desempenha um papel fundamental nesse equilíbrio. A Figura 1 é uma representação pictórica dos elementos-chave que constituem uma lâmina eólica. A otimização da razão rigidez-peso é realizada pelo uso de fibra de carbono na tampa do suporte. O módulo mais alto e a densidade mais baixa da fibra de carbono oferece uma relação de rigidez/peso exclusiva quando comparada com a fibra de vidro. Dadas as vantagens de custo/desempenho, a fibra de carbono está encontrando maior uso na nova geração de lâminas eólicas. 

Os reforços para lâminas eólicas vêm fazendo a transição de tubos de fibra de vidro epóxi para tampas de fibra de carbono pré-preg epóxi. Esta evolução é dada esquematicamente na Figura 2. Os pré-pregs de fibra de carbono competiram com os tubos de fibra de vidro infundidos com aplicação inicial. Um estudo conduzido pela Wetzel Engineering Inc. relatou uma relação de rigidez em relação ao peso 4X maior de pré-preg de carbono em comparação com fibra de vidro E infundida no nível do composto. Isso avaliado em uma lâmina eólica de 57 m de comprimento representa uma redução de peso de 27%^[1]. No entanto, o foco mais recente da indústria de energia eólica é a aplicação de laminados de Pultrusão de fibra de carbono como alternativa aos pré-pregs como constituintes das tampas de proteção contra poeira na nova geração de suas lâminas eólicas.

A pulverização oferece vantagens claras em relação aos pré-pregs, como maior conteúdo de fibra e melhor alinhamento de fibra, resultando em desempenho mecânico superior. A pultrusão é um processo automatizado contínuo que permite uma qualidade mais consistente das peças, maior produtividade e maior volume de fabricação. Os perfis pultrudados podem ser feitos em qualquer comprimento e enrolados na extremidade da linha de Pultrusão com a ajuda de uma unidade de bobina, até o comprimento exigido pelo usuário final. O perfil de carbono pultrudido é totalmente curado e pronto para uso na chegada à instalação de fabricação de lâminas! As bobinas podem ser desenroladas, as peças cortadas no comprimento desejado, precisamente estacionadas ao longo do comprimento da lâmina adjacente aos outros materiais estruturais. Uma única etapa de infusão une o perfil de carbono juntamente com todos os outros elementos estruturais da lâmina. A Figura 3 é uma representação pictórica das etapas mencionadas necessárias para a fabricação de tampas esparsas por Pultrusão.

A simplificação do processo representa, então, uma vantagem adicional sobre os pré-impregnados, que devem ser mantidos refrigerados durante o fornecimento e armazenamento; passam por uma etapa cara e demorada no processo de cura a vácuo que requer um molde dedicado. A eliminação da etapa de fabricação de cura a vácuo leva a uma redução de 25% do custo de capital ao usar a Pultrusão com base nas estimativas internas da DowAksa.

Conforme mencionado na seção anterior, a Pultrusão é um processo contínuo para produzir compostos de alto teor de fibra de seção transversal constante e um layout de linha clássica é representado na Figura 4. O processo baseia-se em um sistema de extração/fixação para puxar várias centenas de fibras de alta resistência do suporte para um banho de impregnação, onde a resina termofixa se infiltra no feixe de filamentos. As fibras úmidas são comprimidas por uma placa de entrada especialmente projetada e depois introduzidas em uma matriz de aço aquecido, onde a resina cura e solidifica a separação da parede da matriz. A seção transversal do perfil é definida pela geometria da matriz. O material que sai da matriz é agarrado pelo sistema de tração, que o retira continuamente. Em um estágio final, uma estação de corte corta o perfil no comprimento desejado. 

Diferentemente das resinas de epóxi ou éster de vinila, que podem ser processadas usando uma tecnologia clássica de pultrusão em banho aberto, os poliuretanos exigem pultrusão por injeção fechada. Isso se deve ao fato de que o poliol e o isocianato começam a reagir imediatamente após serem misturados, mesmo em temperatura ambiente. Uma máquina de mistura e injeção de poliuretano padrão deve ser conectada a uma caixa de injeção de pultrusão especialmente modificada. Um projeto adequado de caixa de injeção requer conhecimento substancial para permitir a infiltração adequada do polímero através de centenas de reboques contendo milhares de filamentos em um curto período de tempo (tempo de permanência na caixa de injeção). A Figura 5 é uma representação pictórica genérica comparando a disposição de pultrusão de “banho aberto” convencional e o sistema de injeção fechada necessário para o processamento de poliuretanos. 

Requisitos de desempenho críticos para injeção fechada A pultrusão é a baixa viscosidade inicial da mistura reativa e nenhuma polimerização substancial à temperatura ambiente. Pelo contrário, requer uma taxa de polimerização muito rápida na matriz de Pultrusão para alcançar um alto grau de cura. Esse conceito é chamado de perfil de reatividade de “cura por estacas” ou “vara de hóquei”. Embora a injeção fechada de fibra de vidro de poliuretano tenha sido praticada nos últimos 10 anos, a Pultrusão de poliuretano de fibra de carbono tem a complexidade adicional de um diâmetro de filamento de fibra de carbono mais baixo. Um diâmetro de filamento de fibra de vidro está na ordem de 20-25μm, enquanto um diâmetro de fibra de carbono está na faixa de 5 a 7μm. Isso torna a fibra de carbono estopa, que pode conter 24K ou 50K desses filamentos muito difícil de impregnar devido à menor porosidade intra-estopa (lei de Darcy), um fato que tem proliferação limitada de poliuretano e carbono e Pultrusão. O sistema de poliuretano de baixa viscosidade recém-desenvolvido da Dow VORAFORCE™ TP1270EU /1300 foi projetado com esses requisitos críticos em mente. Na verdade, uma mistura adequada de polióis e o uso de um isocianato de baixa viscosidade alcançaram a baixa viscosidade inicial necessária. Um estudo sistemático sobre diversos agentes de liberação de catalisadores e moldes e sua interação permitiu que os cientistas da Dow otimizassem o perfil de reatividade do sistema de poliuretano para permitir a Pultrusão de fibra de carbono.

Mas este desenvolvimento não se refere apenas ao design de resina. A DowAksa, com forte apoio da Dow, focou na criação de um sistema de injeção fechada disruptivo. A caixa de injeção (I-Box) é uma parte fundamental do sistema de injeção e seu projeto exige um know-how substancial, sendo um dos elementos-chave do novo processo. Os parâmetros de reologia e cinética foram determinados no sistema de resina desenvolvido pela Dow e usados pelos modeladores computacionais da Dow para simular a dinâmica do fluido em diferentes designs de caixa de injeção e a cinética de cura na matriz de Pultrusão. Modelos dinâmicos de fluido computacional (CFD) e análise de elementos finitos (FEA) foram calibrados vs. dados de processo e usados para previsão em velocidades e grau de cura sob diferentes condições^{[2] A}Figura 7 recria como os engenheiros e cientistas da Dow e da DowAksa trabalharam em modelos preditivos e dados de processo para projetar um hardware ideal para atender aos rigorosos requisitos de impregnação de fibras de carbono usando um sistema de caixa de injeção fechada.

O desafio significativo que a Dow e a DowAksa superaram pode ser explicado no exemplo prático a seguir. Em um laminado pultrudado para tampa de suporte contendo cerca de 70% de fibra de carbono em volume, há mais de 10 milhões de filamentos de carbono únicos. Esses filamentos são puxados continuamente através da caixa de injeção, onde se encontram com a resina de poliuretano com um tempo de permanência na caixa de injeção de tipicamente menos de um minuto. A impregnação deve ser perfeita; nenhum ponto seco é aceitável para todo o comprimento da bobina, pois pode atuar como iniciadores de rachaduras. O comprimento das bobinas pode ser na ordem de 280-300m e a demanda de rendimento atual é na ordem de vários milhares de quilômetros por semana. A Figura 8 mostra as várias centenas de bobinas de carbono que se desenrolam do creel e as fibras de carbono que estão sendo direcionadas para a caixa de injeção. A Figura 9 mostra as imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM) executadas na seção transversal dos perfis que confirmaram excelente umectação das fibras. A análise on-line não destrutiva (NDT) verifica continuamente a produção para detecção de ponto seco, confirmando a excelente impregnação fornecida consistentemente em milhões de metros produzidos até o momento. Isso dá apenas um sabor do enorme desafio técnico que a DowAksa e a Dow resolveram com a nova tecnologia.

Injeção fechada Pultrusão de poliuretano VORAFORCE™ TP1270EU /1300 combinado com fibra de carbono oferece as melhores propriedades mecânicas e equilíbrio de produtividade. Os ensaios em uma linha de Pultrusão em escala comercial, sob condições controladas, foram executados pela Dow e pela DowAksa para fins de benchmarking. O poliuretano VORAFORCE™ TP1270EU /1300 foi comparado com os melhores Graus de Epóxi e Poliuretano Ester Vinílico. O teor de fibra de carbono foi fixado em 62% de fração de volume de fibra para todas as execuções. Epóxi e éster de vinil foram executados a uma velocidade de 1X em uma configuração clássica de banho aberto, enquanto VORAFORCE™ TP1270/1300 foi executado com a configuração de injeção fechada em mais de 3X a velocidade dos controles. A Figura 9 resume os resultados em um gráfico de aranha. As propriedades mecânicas^[3]onde normalizadas para os resultados de VORAFORCE™ TP1270/1300 , propriedades testadas transversalmente para a direção da fibra são indicadas com um símbolo de 90 graus, enquanto as testadas ao longo da direção da fibra são marcadas como 0 graus.

As propriedades do epóxi caem em cerca de 80% daquelas do VORAFORCE™ 1270/1300, mas com o mais tarde operando 3X mais rápido na linha de Pultrusão. Quando comparado com um controle de éster vinílico de grau comercial, VORAFORCE™ TP1270EU /1300 demonstrou claramente propriedades mecânicas muito superiores, especialmente na direção transversal, onde a resina tem mais impacto. Além disso, o poliuretano é livre de estireno, o que torna um ambiente de trabalho mais saudável. Injeção fechada A pultrusão limita as emissões de compostos orgânicos voláteis e contribui para um processo muito limpo em termos de higiene industrial.

Testes de campo subsequentes confirmaram, de acordo com as previsões de modelagem^[2], que VORAFORCE TP1270EU /1300 atinge mais de 90% de cura em altas velocidades de Pultrusão^[2], demonstrando que a cinética de cura de VORAFORCE TP1270/1300 não será um fator limitante para manter a taxa de produtividade crescente, desbloqueando a restrição de velocidade histórica de Epóxis. Isso posiciona a DowAksa e a tecnologia da Dow como uma solução extremamente competitiva para satisfazer a crescente demanda de tampas de proteção contra raquetes para o setor de energia eólica.

Como consequência dos avanços colaborativos da Dow e da DowAksa, uma nova tecnologia nasceu para ajudar a promover a nova geração de design de lâminas eólicas. O produto obtido oferece a melhor relação desempenho/produtividade mecânica e simplifica o processamento quando comparado com as tecnologias e produtos estabelecidos para o uso na aplicação da tampa do suporte da lâmina eólica.

Essa nova tecnologia exigiu desenvolvimentos ao longo da cadeia de processos, da química ao hardware, para permitir um processamento estável e um produto de alta qualidade. O perfil pultrudido da DowAksa foi aprovado nos rigorosos requisitos de produto da Vestas Wind Power AS, uma importante fabricante global de moinhos de vento, obtendo sua qualificação completa em 2019, tornando-se o primeiro composto à base de poliuretano disponível comercialmente no mundo, produzido pela Pultrusion para aplicações de tampas esparsas de lâmina eólica. Até agora, milhões de metros de perfis pultrudados foram entregues com sucesso ao Vestas com o mais alto nível de qualidade, provando a robustez da tecnologia recém-desenvolvida. Este projeto atende à crescente demanda de instalações de energia eólica, fornecendo um produto confiável e inovador feito por uma tecnologia de processamento avançada para oferecer melhor eficiência da turbina. Este material recém-coberto exemplifica o poder da Ciência e seu potencial ilimitado em ajudar a construir um futuro melhor.