REFORZAR LAS PALAS DE LAS TURBINAS EÓLICAS CON MATERIALES COMPUESTOS MEDIANTE PERFILES PLANOS DE CARBONO

La energía eólica representó el 17 % de la electricidad consumida en Europa en 2022, 41 años después de que en 1981 se pusiera en marcha «Towards 2000», el primer parque eólico del mundo.

Durante estos años, los ingenieros han optimizado el diseño de las turbinas para producir mucha más energía que originalmente. En este artículo, el Dr. John Hartley, responsable mundial de I+D de energía eólica del fabricante de materiales compuestos Exel Composites y creador de la cubierta de viga de «perfil plano de carbono» para palas de turbinas mediante pultrusión, explica su papel en el desarrollo de la tecnología eólica para reducir la dependencia humana de los combustibles fósiles.

El Dr. Hartley trabaja en el sector de los materiales compuestos desde 1986, tras licenciarse en Ingeniería Mecánica por la Universidad Sheffield Hallam en 1982. Uno de sus primeros trabajos se desarrolló en la empresa John Shaw Wire Rope, donde creó una varilla de materiales compuestos pultrusionados que actuaba como elemento tensor de los cables de fibra óptica.

Mientras trabajaba para FibreForce, la rama comercial británica de Exel Composites, el Dr. Hartley dirigió el proyecto de diseño de un refuerzo estructural para palas de turbinas eólicas con el objetivo de alargar las palas para mejorar la eficiencia energética. El resultado fue el perfil plano de carbono, que soporta la tensión impuesta por la fuerza del viento e impide que la pala se flexione demasiado bajo la carga del viento y golpee la torre. En la actualidad, todas las turbinas eólicas modernas instaladas en alta mar, donde se encuentran las palas más largas, utilizan perfiles planos de carbono.

¿Cómo se diseñó el perfil plano de carbono?
La fibra de carbono es el mejor material para esta aplicación por su incomparable relación rigidez/peso. En concreto, la fibra de carbono producida mediante pultrusión presenta una elevada relación fibra/volumen, calidad uniforme y excelentes propiedades mecánicas. Estas propiedades en las cubiertas de las vigas permiten a los ingenieros de energía alargar las palas de las turbinas manteniendo un peso reducido y una gran rigidez, lo que se traduce en una mayor captación de energía.

En 2000, el proveedor de servicios de energías renovables NEG MICON, ahora Vestas Wind Systems, se puso en contacto con FibreForce. Solicitaba ayuda a FibreForce para desarrollar un rigidizador de material compuesto de carbono/madera, el predecesor de la «cubierta de viga». NEG Micon optó por FibreForce porque era la mayor empresa del Reino Unido que trabajaba en pultrusión y porque contaba con una experiencia en proyectos de I+D que se ajustaba a las necesidades de la empresa.

En los primeros pasos del proceso de desarrollo, el Dr. Hartley fue responsable de ventas, planificación técnica, operaciones diarias y gestión del proyecto. A pesar de la magnitud de la tarea, el desarrollo del producto fue relativamente rápido. FibreForce superó las fases de pruebas internas y desarrollo hasta la producción inicial en dos años. En 2002, el perfil plano de carbono estaba en plena producción en serie con múltiples máquinas y la empresa fabricaba unos 6000 metros de perfil plano de carbono al día.

El desarrollo del método de fabricación permitió esta rápida progresión del prototipo a plena producción. Bajo la dirección del Dr. Hartley, FibreForce pasó de una cadena de producción a tres y, finalmente, a seis, y sustituyó el corte manual por un sistema de sierra totalmente automatizado que realizaba el corte y el biselado en línea.

En un principio, el perfil plano de carbono consistía en una banda de fibra de carbono de 40x6 mm que pasó a 35x6 mm antes de que el equipo del Dr. Hartley y el cliente se decidieran por una placa de viniléster de carbono de 38x6 mm con tejido pelable (o «peel ply»). La producción continuó hasta 2009, cuando la introducción de una tecnología alternativa permitió al sector ir más allá de la pala de material compuesto de madera/carbono. En 2011, Mark Hancock, de Vestas Wind Systems, volvió a introducir los perfiles planos de carbono en las turbinas eólicas, esta vez sin madera, y se introdujo la «cubierta de viga», como se denomina en la actualidad.

Los diseñadores de productos y los ingenieros siguen utilizando esas medidas originales de rendimiento mecánico de los productos de 38x6 mm en las especificaciones técnicas, aunque se están acercando a su límite de rendimiento. En los diez últimos años, avances tecnológicos como el uso de resinas epoxi han permitido que las nuevas «cubiertas de viga» superen las limitaciones mecánicas anteriores. Ahora que esta tecnología se ha consolidado, las palas de las turbinas eólicas reciben mayor impulso y empuje, lo que se traduce en un aumento de la capacidad de producción y en un incremento continuo de la longitud de las palas.

El Dr. John Hartley desarrolla un papel activo en el proceso de expertos en I+D de Exel Composites. Exel Composites colabora estrechamente con el cliente en todas las fases de la investigación y el diseño para garantizar la entrega oportuna y rentable de sus proyectos. Como experto en pultrusión, el fabricante mundial puede aportar asesoramiento sobre todas las posibilidades que se ofrecen en diversas aplicaciones de los clientes.

Para conocer cómo la experiencia de Exel Composites puede ayudarle a alcanzar sus objetivos en materia de energía eólica, visite.

www.exelcomposites.com

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