De pie a cientos de pies sobre el suelo, las turbinas eólicas, como árboles altos, edificios y postes telefónicos, son blancos fáciles para los rayos. Solo en virtud de su altura, serán golpeados.
Existen sistemas de protección contra rayos para palas de aerogeneradores convencionales. Pero se necesitaba protección para las hojas fabricadas con un nuevo tipo de material, compuestos de resina termoplástica, y fabricados mediante un innovador proceso de soldadura térmica (a base de calor) desarrollado por científicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL).
Los materiales termoplásticos, como las botellas de plástico, pueden reciclarse más fácilmente que los materiales termoendurecibles que se utilizan comúnmente para fabricar palas de turbinas eólicas en la actualidad. Mientras que los materiales termoendurecibles deben calentarse para curar, los termoplásticos curan a temperatura ambiente, lo que reduce tanto los tiempos como los costos de fabricación de las cuchillas.
El proceso de soldadura térmica pendiente de patente de NREL para hojas termoplásticas permite estos beneficios e incluso se suma a ellos al reemplazar los adhesivos que se utilizan actualmente para unir los componentes de las hojas. El uso de soldadura en lugar de adhesivos elimina las desventajas del peso adicional y el potencial de agrietamiento.
Si bien la soldadura térmica ofrece beneficios, también requiere agregar dentro de la hoja un elemento calefactor de metal, que puede atraer rayos. Como resultado, un equipo de investigadores de NREL dirigido por Robynne Murray y apoyado por General Electric (GE) y LM Wind Power (una subsidiaria de GE) inventó un nuevo sistema de protección contra rayos para mantener seguros los nuevos materiales termoplásticos.
La soldadura térmica va por la patente
En 2018, Robynne Murray, una ingeniera de NREL que se especializa en métodos y materiales de fabricación avanzados para palas de turbinas eólicas, recibió un premio de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio NREL de dos años para investigar la soldadura térmica de palas de turbinas eólicas termoplásticas.
Para fabricar una de estas nuevas hojas, una aspiradora introduce resina termoplástica líquida en el material de fibra de vidrio que se coloca en un molde para cada mitad de la hoja. Para soldar las mitades de la hoja, los científicos intercalan un material conductor, como una lámina de metal expandido o fibra de carbono, entre los dos componentes de la hoja y unen un cable a una fuente de alimentación. Esto crea el elemento calefactor. A medida que la corriente fluye a través de este elemento, los materiales termoplásticos se funden. Una vez que se funden, la corriente se apaga y el enlace se enfría bajo presión.
La investigación de Murray demostró que la soldadura térmica puede unir eficazmente segmentos de palas de aerogeneradores termoplásticos. Presentó una solicitud de patente sobre el proceso en 2018.
Un camino para el rayo
Trabajos de soldadura térmica. Pero deja el elemento calefactor conductor, que puede atraer rayos, dentro de la hoja.
“La soldadura térmica es un paso importante en la progresión de la comercialización de materiales termoplásticos para palas eólicas, pero ¿qué sucede cuando un rayo golpea una cuchilla termosoldada? Esa fue una pregunta sin respuesta y una gran preocupación ”, dijo Murray. “Para que la soldadura térmica de hojas termoplásticas sea comercialmente viable, es fundamental que las líneas de unión conductoras estén protegidas de la caída de un rayo”.
En asociación con GE y LM Wind Power, Murray presentó una propuesta de investigación al Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) Fondo de Comercialización de Tecnología (TCF). Los premios TCF están diseñados para promover la tecnología desarrollada en laboratorios nacionales hacia la comercialización, al mismo tiempo que fomentan las asociaciones entre el laboratorio y la industria.
“Con nuestra asociación con GE, una empresa que puede llevar el proceso de soldadura térmica a la comercialización, nuestro TCF fue una propuesta sólida”, dijo Murray. “Juntos, queríamos determinar si podíamos proteger estas palas de los rayos y eliminar una gran razón que nos impide usar la tecnología”.
En 2019, el equipo recibió $ 150,000 en financiamiento TCF; GE igualó esa cantidad.
Los socios de investigación se instalaron en NREL’s Educación y tecnología de fabricación de materiales compuestos (CoMET) Instalación para demostrar que las hojas termoplásticas selladas mediante soldadura térmica pueden protegerse de los rayos.
El equipo infundió una lámina de aluminio expandido en la piel de la hoja para desviar la corriente del rayo lejos de los elementos calefactores metálicos. Luego completaron experimentos usando una simulación que mostró que un rayo no causaría fallas en la hoja con el sistema de protección contra rayos en su lugar.
Protección contra rayos Para construir un escudo contra rayos para su innovador diseño de pala de turbina eólica, el equipo de investigación agregó una capa de papel de aluminio expandido (izquierda) y un elemento calefactor de fibra de carbono en las líneas de unión (derecha) para permitir la soldadura térmica de las partes de la pala. Fotos de NREL
Rayo. Los investigadores utilizaron una técnica de simulación de rayos para ver dónde podían caer los rayos sobre la hoja y encontraron que, por lo general, la electricidad golpeaba la punta de la hoja o uno de los bordes, pero no dentro de la hoja o en las costuras soldadas donde podría causar un daño excesivo. Foto de NREL
Las pruebas de daño físico, que someten las palas a altas corrientes de electricidad, demostraron que aproximadamente el 80% de la corriente eléctrica entró en la capa de papel de aluminio expandido para protección contra rayos y no en la piel de la cuchilla. La fibra de carbono debajo del área dañada de la punta también resultó ilesa.
La investigación confirmó que el diseño puede proteger las palas de las turbinas eólicas contra fallas causadas por rayos.
“LM Wind Power y GE Research estaban entusiasmados de trabajar con NREL en el desarrollo de esta tecnología y apreciaron el apoyo del Fondo de Comercialización de Tecnología del DOE. La tecnología de soldadura térmica para palas eólicas termoplásticas y reciclables ofrece una oportunidad significativa para impactar la sostenibilidad y la huella de carbono de las estructuras de palas eólicas ”, dijo James Martin, director de despliegue de plataformas de palas para LM Wind Power. “El enfoque de NREL en mitigar los riesgos de daños por rayos asociados con los elementos conductores de electricidad en la unión soldada es un desafío clave que debe superarse, y su trabajo ha ayudado a madurar la tecnología hacia una posible comercialización”.
Aún quedan más preguntas por responder
El proyecto ya ha entregado dos golpes contra un rayo. Sin embargo, el trabajo de Murray en el desarrollo de un sistema de soldadura térmica listo para el mercado todavía está en marcha.
“Respondimos a la pregunta sobre los rayos. Pero hay más preguntas que responder y más trabajo por hacer ”, dijo Murray. “El siguiente paso para nosotros es realizar la validación estructural de las líneas de unión de las hojas y los segmentos de la punta de las hojas soldadas térmicamente. Espero que podamos hacer esto en el próximo año “.
Leer más sobre este proyecto en Ingeniería Eólica.
Artículo cortesía de NREL.
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Y, sin más enrollarme, nos vemos en una nueva noticia. ¡Nos vemos!