La investigación de palas termoplásticas de NREL se sumerge profundamente con las turbinas de energía mareomotriz de Verdant Power

Los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) han estado explorando el uso de materiales compuestos termoplásticos para turbinas eólicas durante varios años, pero apenas han comenzado a raspar la superficie de cómo se comportan estos materiales bajo el agua. Por primera vez en la historia, las palas de compuestos termoplásticos, que tienen el potencial de revolucionar la industria de la energía marina, se están probando en una turbina de energía mareomotriz a gran escala.

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Investigaciones previas a escala de laboratorio realizadas en el Institut Français de Recherche pour l’Exploitation de la Mer (IFREMER) demostraron cómo los materiales termoplásticos pueden mejorar el rendimiento a la fatiga, disminuyendo la probabilidad de fallas catastróficas de las palas y haciendo que las palas de las turbinas mareomotrices sean más sostenibles para aplicaciones de energía marina. El proceso de fabricación también es más rápido y más eficiente energéticamente. Además, los termoplásticos, que representan aproximadamente el 75% de la producción mundial de plástico, se pueden reciclar porque el material de polímero plástico se puede remodelar a altas temperaturas y volver a solidificarse al enfriarse.

Gracias a la financiación de la Oficina de Tecnologías de Energía Hidráulica del Departamento de Energía de EE. UU. Y una colaboración con Verdant Power, los investigadores de NREL han construido álabes de turbina utilizando materiales compuestos termoplásticos y ahora los están probando en una de las turbinas mareomotrices de Verdant Power, que actualmente se encuentran desplegadas en Nueva York. East River de la ciudad.

En octubre de 2020, Verdant Power instaló con éxito una serie de turbinas mareomotrices en el Proyecto de energía mareomotriz de Roosevelt Island en el East River de la ciudad de Nueva York. Foto cortesía de Paul Komosinski

La evaluación de las cargas y el rendimiento de las turbinas en el sitio del proyecto Roosevelt Island Tidal Energy (RITE) en Nueva York comenzó en octubre de 2020 con la instalación del soporte TriFrame de Verdant Power, que sostiene tres turbinas mareomotrices. Debido a las fuertes corrientes de marea que cambian de dirección varias veces al día, el East River es un lugar ideal para probar y validar el rendimiento de las turbinas de energía marina. Tanto las turbinas TriFrame como las de tres palas fueron diseñadas para ser modulares y escalables, lo que permite a los investigadores estudiar las turbinas de 5 metros (m) de diámetro y luego escalarlas a los sistemas de turbinas de clase de 10 a 15 m más económicamente viables. que es más probable que se utilicen en el campo.

Durante sus primeros 6 meses en el agua, las turbinas de marea, que inicialmente tenían palas de epoxi, generaron casi 200 megavatios-hora de energía, un récord de producción de energía marina en Estados Unidos. Después de un despliegue de 6 meses, en mayo de 2021, el equipo de Verdant Power realizó una operación de recuperación y reemplazo (R&R), intercambiando uno de los rotores de palas epoxi por un nuevo rotor fabricado por NREL con palas termoplásticas que son idénticas. a las palas epoxi originales excepto por su material.

Durante varios meses antes de la implementación de R&R, la ingeniera de investigación de NREL, Robynne Murray, y su equipo han estado aprovechando las capacidades de fabricación y caracterización de materiales en las instalaciones de educación y tecnología de fabricación de materiales compuestos (CoMET) de NREL. Allí, construyeron las palas de 2,5 m mediante un método de infusión al vacío con resina termoplástica Elium. Luego trabajaron para confirmar que estas palas tenían un rendimiento estructural similar a las palas tradicionales de resina epoxi antes del despliegue, validando estructuralmente las palas de turbinas de energía mareomotriz termoplásticas a gran escala que ahora están generando energía en el East River. Una vez que finalice su ejecución de prueba y las palas se recuperen a fines de 2021, el equipo medirá la respuesta estructural de las palas a las cargas aplicadas para cuantificar el impacto del agua de mar en estos materiales.

“Verdant Power proporcionó al equipo de NREL las herramientas de la hoja y los detalles de geometría para que pudiéramos producir hojas termoplásticas que son idénticas a las hojas epoxi que ya han fabricado, lo que nos permite hacer una comparación lado a lado con materiales tradicionales, —Dijo Murray. “Estamos realmente interesados ​​en utilizar estos materiales termoplásticos porque potencialmente podrían prolongar la vida útil de las palas y tienen propiedades estructurales mejoradas para aplicaciones marinas.

Un sistema de adquisición de datos construido por NREL se encuentra dentro del cono de cola de la turbina de marea recién instalada, lo que permite a los investigadores medir la tensión y la posición angular de las palas termoplásticas mientras están en acción en el East River. El proceso de diseño y validación del sistema de adquisición de datos, que incluyó sumergir el sistema en agua durante varios días, cumple con varios requisitos, incluida la capacidad de adquirir, medir y almacenar de manera continua y confiable todos los datos generados durante todo el período de implementación de la turbina, que se estima en ser de hasta 28 gigabytes.

24 de abril de 2021 – En abril de 2021, los trabajadores de Verdant Power instalaron el sistema de adquisición de datos de NREL (NDAQ) en el rotor de Verdant Power con palas termoplásticas de NREL. Las tres hojas se pintaron con un revestimiento antiincrustante para ayudar a prolongar la vida en el agua de mar. (Foto de David Dawkins)

“Este trabajo demostrará un material potencialmente revolucionario para aplicaciones marinas a una escala significativa”, dijo Murray. “También producirá datos de tensión y aceleración para turbinas a gran escala que podemos utilizar para validar herramientas de diseño y eliminar el riesgo de futuras implementaciones en toda la industria. La colaboración con Verdant Power y la capacidad de unirse a su innovadora operación de R&R ha sido clave para obtener estos datos que beneficiarán a la industria de la energía marina en los próximos años ”.

Los trabajadores instalan un sistema de adquisición de datos en una turbina de mareas

En abril de 2021, los trabajadores de Verdant Power instalaron el sistema de adquisición de datos de NREL en el rotor de Verdant Power con cuchillas termoplásticas de NREL. Las tres hojas se pintaron con un revestimiento antiincrustante para ayudar a prolongar la vida en el agua de mar. Foto cortesía de David Dawkins

Desde el R&R de mayo de 2021, la turbina de mareas de NREL ha estado produciendo energía para la red eléctrica de la ciudad de Nueva York e incluso experimentó algunas de las cargas más altas que verán las palas durante el despliegue. Esos datos serán particularmente útiles para examinar cómo funcionan estas turbinas durante las condiciones más extremas, agregando información clave para la comprensión cada vez mayor de los límites operativos de las turbinas y los materiales termoplásticos saturados y su promesa de resolver los desafíos de la energía marina del mañana.

Este verano, el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico realizará un estudio de las velocidades de flujo del TriFrame en el sitio del Proyecto RITE para obtener datos de flujo para las turbinas de marea operativas. Estos datos se utilizarán para validar los modelos de velocidad de flujo, que serán de acceso público para la industria de la energía marina.

Hasta que finaliza su despliegue, el equipo de NREL observa y espera mientras sus palas termoplásticas ayudan a generar energía de marea a escala por primera vez.

Más información sobre NREL Instalación CoMET y investigación en energía marina.

Artículo cortesía de NREL.