FABRICACION DE PALA DE GENERADOR EÓLICO DE BAJA POTENCIA PARA ZONAS DE VIENTOS LEVES

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1 Primer Congreso Argentino de Ingeniería Aeronáutica, CAIA 1 - La Plata, Argentina, 3-5 de diciembre de 2008 FABRICACION DE PALA DE GENERADOR EÓLICO DE BAJA POTENCIA PARA ZONAS DE VIENTOS LEVES E. Peralta Porcel a, C. Gomez Valdez a y G. Jeandrevin a a Dpto. Mecánica Aeronáutica Facultad de Ingeniería Instituto Universitario Aeronáutico Av. Fuerza Aérea km 6 ½ Córdoba- X5010JMX - Argentina eperaltaporcel@gmail.com RESUMEN En este trabajo se presenta el proceso fabricación de la pala de un generador eólico utilizando materiales compuestos. El método se basa en el empleo de un molde abierto construido a partir de un modelo patrón que reproduce el extradós y el intradós. Se describe también la construcción del modelo patrón, la obtención de las matrices y el proceso de laminado de la pala propiamente dicha. Se explica el armado de los elementos de refuerzo y se detallan las tareas de ajuste necesarias. Finalmente se presenta la secuencia de armado y los procedimientos de acabado superficial empleados. El producto obtenido con el proceso descrito es una pieza que cumple con las dimensiones de plano, es decir, no presenta distorsiones geométricas apreciables, y presenta buena terminación superficial. Esto convierte al método de fabricación en adecuado para la fabricación de palas para aerogeneradores pequeños. Palabras clave: pala generador eólico, material compuesto, matrices de pala, modelo patrón. INTRODUCCIÓN Este trabajo es parte del proyecto Factibilidad Técnica, Económica y Ambiental de la Producción de Hidrógeno en la Provincia de Córdoba en Base a Recursos Eólicos Evaluada a Partir de Mediciones de Campo, seleccionado en la convocatoria 2004 PICTOR II realizada por la ex Agencia Córdoba Ciencia. Dicha convocatoria fue abierta para abordar temas-problemas definidos en el ámbito de la Provincia de Córdoba y el proyecto se presentó en la sección Crisis del Sector Energético Nacional y sus Políticas a Largo Plazo: Sistemas Alternativos de Generación Energética para la Provincia de Córdoba. El equipo de trabajo está constituido por una red interdisciplinaria de investigadores pertenecientes a la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Nacional de Córdoba, la Universidad Empresarial Siglo 21 y la Facultad de Ingeniería del Instituto Universitario Aeronáutico (IUA). El objetivo específico del IUA en el marco del proyecto es la construcción de un generador eólico prototipo de 2kW de potencia diseñado para operar en (5 a 6 m/s). El aerogenerador será utilizado en la provisión de energía eléctrica al dispositivo que producirá hidrógeno. En este contexto es que se desarrolla el trabajo presentado, cuyo objetivo es la fabricación de las palas en material compuesto. Son varias las técnicas constructivas para la fabricación de elementos en de materiales compuestos, entre ellas la que consiste en generar un modelo patrón, matrices a partir de este para dar lugar al producto final es la mas utilizada, y es la seleccionada en este caso. La evolución en la construcción de palas de generadores eólicos ha partido desde los métodos artesanales en que se fabricaban las primera palas hasta la técnica de infusión e inyección de materiales poliméricos. Actualmente, la industrialización en la fabricación de palas de aerogeneradores estandarizó el uso de fibras de vidrio y resinas poliéster o epoxi con técnicas de infusión como lo hace la fábrica LM Glas fiber ( En ente caso por tratarse de un prototipo, la técnica seleccionada para la fabricación de la pala es la de molde abierto, técnica muy utilizada hoy en el desarrollo de elementos no seriados.

2 El empleo de materiales compuestos en este tipo de piezas se fundamenta en las características propias de los materiales compuestos, que resultan adecuadas del punto de vista mecánico, óptimas propiedades y facilidad constructiva. Al ser las palas un componente estructural dentro del generador eólico es necesario conseguir repetitividad en los procesos de fabricación para asegurar uniformidad en las propiedades del material compuesto. DESCRIPCION GENERAL Y MÉTODO DE FABRICACIÓN Descripción de la Pala del Generador Eólico Cada pala tiene una longitud de 3000 mm y está diseñada con el mismo perfil aerodinámico S822 (NREL) en toda su longitud, desde la zona de puntera hasta el inicio a la zona de transición. La cuerda puntera tiene una dimensión de 200 mm y la cuerda máxima de 503 mm. La pala está dividida en tres zonas, la zona operativa de 2470 mm, la zona de transición de 320 mm y la zona de la toma de 160 mm que finaliza en un cono de 30 mm. La toma de la pala tiene una sección circular de 90 mm de diámetro y termina en un cono de 125 mm de diámetro como se muestra en la Figura 1. Figura 1. Esquema 2D y 3D de la Pala. Método de Fabricación Dentro de los métodos conocidos para la construcción de palas plásticas con las dimensiones específicas, es comúnmente utilizado la técnica que consiste en la construcción de un modelo patrón, matrices y pieza final. Figura 2. Vista explotada de mesa de modelo intradós y extradós, plantillas y pala. El modelo patrón debe ser réplica exacta de la pieza que se desea construir, si bien son varias las formas de obtenerlo, siempre se trata de una tarea artesanal a menos que se disponga de máquinas de control numérico. Particularmente para el caso de la pala en cuestión, el modelo patrón se construye en dos mitades, una reproduce el intradós y la otra el extradós. Con estos modelos se fabrica una matriz abierta para cada mitad. La construcción de cada medio modelo se lleva a cabo cortando plantillas de forma para un gran número de estaciones a lo largo de la pala como se muestra en la Figura 2.

3 FABRICACIÓN Para alcanzar el objetivo final, el proceso de fabricación se dividió en cinco etapas que se describen a continuación: FABRICACIÓN DE MODELO PATRÓN Cada modelo esta formado por una base a la cual se le colocan plantillas de forma. Seguidamente se rellena el alojamiento entre ellas y por último, se realiza el acabado superficial. Los pasos planteados se exponen en la Figura 3 y a continuación se detallan las sucesivas etapas. Modelos Fabricar Plantillas Fabricar Bases Integrar Componentes Rellenar Alojamientos Colocar Masilla Acabado Superficial Figura 3. Diagrama de Fabricación de Modelos. Fabricación de plantillas Las planillas son construidas a partir de una placa de aluminio de 3 mm de espesor. La geometría de referencia de cada plantilla es transferida a la placa mediante el empleo de papel impreso. Se corta cada una sierra caladora de mano y se realiza su acabado final a limas. A cada plantilla terminada se le realiza su correspondiente control dimensional utilizando un plano impreso de referencia. Fabricación de Bases de Modelos La confección de la base para el modelo se realiza en madera fibro fácil de 3100 mm de largo, 800 mm de ancho y 18 mm de espesor, a la cual se le adicionan refuerzos longitudinales con el objetivo de rigidizar la estructura. Los refuerzos son tubos rectangulares de acero de 50 x 30 mm y espesor de 1,5 mm. Luego del armado de la base se impermeabiliza la misma para evitar el deterioro por contacto directo con distintos fluidos. El posicionamiento de las plantillas se realiza en base a una grilla de referencia trazada sobre la base de modelo, líneas de referencia y líneas de ubicación de plantillas. Integración de Componentes La distribución de las plantillas en la base es realizada con un utillaje de montaje fijándolas a la base con soportes L y tornillos auto perforantes. Finalizado el montaje se adicionan paredes laterales a fin de contener el material de relleno. Relleno Se rellenan los alojamientos entre plantillas con materiales livianos, poliestireno expandido de alta densidad (telgopor) y poliuretano expandido, y una capa superficial de masilla poliéster. El material liviano tiene el fin de ocupar volumen a bajo peso y la capa de masilla proporcionar una superficie dura la cual permita dar forma y terminación al modelo. Acabado Superficial El acabado superficial es la última etapa en la construcción del modelo patrón y requiere una especial dedicación. La tarea consiste en desbastar el exceso de masilla y rellenar con masilla fina los valles o imperfecciones superficiales que pudieran encontrarse. Es un proceso que se repite tantas veces como es necesario para alcanzar el nivel de terminación deseado. Conseguida la terminación deseada se aplica una capa de pintura con una pistola de baja presión de admisión por gravedad a fin de resaltar pequeños detalles que deben ser corregidos siguiendo la secuencia de tareas mencionada.

4 b. Base de Modelo a. Cortado de Plantillas de Aluminio d. Plantillas y Paredes Laterales c. Montaje de Plantillas de Aluminio c. Montaje de Plantillas de Aluminio e. Relleno de Poliestireno y Poliuretano f. Modelo Terminado Figura 4. Fabricación de Modelo Patrón. FABRICACIÓN DE MATRICES Las matrices plásticas se obtienen a partir del modelo patrón y son fabricadas en material compuesto. Como técnica de fabricación se utiliza el método de moldeo de laminado a mano por contacto. Este es el método más simple para la fabricación de piezas reforzadas con fibra. La técnica está basada en la combinación de un material sólido de refuerzo, como el mat o fieltro de hilos cortados y/o tejidos de fibras en todas sus direcciones y un material líquido, como las resinas. El endurecimiento de esta última se consigue a través de una reacción química iniciada por un sistema catalítico, catalizador y acelerante. La pieza se logra por el impregnado de las fibras con la resina.

5 En este caso se utiliza como matriz resina viniléster y como refuerzo mat de hilos cortados y tejido en fibra de vidrio. Este proceso de fabricación se detalla en el diagrama de flujo presentado en la Figura 5. Matrices Fabricar Soportes Preparar Modelo Laminado del Compuesto Colocar Soporte Figura 5. Diagrama de Fabricación de Matriz. Cortar Excedente Acabado Superficial Preparación de Modelo Las características adhesivas de la matriz polimérica hace necesario aplicar un separador físico entre la superficie del modelo patrón y el laminado. En consecuencia, la superficie a moldear debe estar libre de poros, por lo tanto, el acabado y la limpieza deben realizarse lo mejor posible, y obtener el mayor brillo mediante el lustrado de la misma. b. Laminado de matriz a. Laminado de matriz d. Soporte de matriz c. Recorte de excedente e. Matriz terminada Figura 6. Fabricación de Matriz. Como desmoldantes se aplican cera y alcohol polivinílico. La cera es un material resinoso vegetal y sólido, se aplica a la superficie del molde mediante paños limpios y suaves. El alcohol polivinílico es un desmoldante formador de película, su aplicación se realiza mojando la superficie con una esponja.

6 Construcción de Soportes de Matrices Debido a que la matriz presenta una baja rigidez es necesario construir una estructura soporte. La misma se compone de plantillas guía externas y refuerzos longitudinales. Las plantillas se realizan de madera fibro fácil de 5 mm de espesor mediante un método similar al empleado para la confección de las plantillas del modelo. Estas se vinculan a los refuerzos longitudinales (tubos rectangulares de acero de 50 x 30 mm de 1,5 mm de espesor) por medio de soportes angulares L y tornillería general. Laminado del Compuesto de la Matriz El método de fabricación de las matrices se basa en un proceso de laminado manual sobre el modelo patrón. El laminado comienza colocando una primer capa de resina pigmentada (gel coat) que proporciona buena capacidad de copiado, además de otorgar la dureza suficiente para garantizar la producción de varias piezas. Sobre esta se aplica el velo de superficie, que es una manta de fibra de vidrio (mat) de baja masa superficial, para evitar la formación de burbujas entre la capa de gel coat y el resto del laminado. Posteriormente se lamina la matriz agregando diferentes capas de fibra de vidrio formadas por mat 450gr/m 2 y tejido de 220gr/m 2, con orientación 0 /90 y ±45. Integración En esta etapa del proceso se procede a la unión de la matriz plástica con el soporte. En primera instancia se corta el excedente del laminado con la utilización de una sierra caladora de mano y un mini torno con disco de corte diamantado. Concluida esta tarea, se sigue con el montaje del soporte de matriz a la matriz propiamente dicha, vinculándolo mediante resina con carga. Ver detalles del proceso en Figura 6. FABRICACIÓN DE LA PIEZA FINAL La pieza final esta constituida por cuatro elementos: la cáscara de extradós, la cáscara de intradós, un larguero de refuerzo y un labio de pegado. El diagrama de proceso de la Figura 7 presenta la secuencia de pasos a seguir, necesarios para obtener el producto final. Pala Preparación de Matriz Laminado Partes Cortar Excedente Fabricar Refuerzos Internos Fabricar Matriz Labio de Pegado Laminado Integración Final Larguero Acabado Superficial Figura 7. Diagrama de Fabricación de Pala. A continuación se detallan los procesos de fabricación utilizados para la construcción de cada parte componente de la pieza final. Fabricación de Refuerzos Internos Larguero El larguero de refuerzo colabora con las cáscaras plásticas en resistir las solicitaciones de flexión y corte, producida por los distintos estados de carga. La pieza se compone por placas longitudinales en madera (pino misionero) de diferentes dimensiones, permitiendo adaptar la altura del larguero en forma discreta a la geometría interna de la pala. Las diferentes láminas se pegan con adhesivo epoxi (Araldit 2011) formando una estructura sándwich. El pegado se realiza a una temperatura de 60 C según la curva de curado especificada por el fabricante. Adicionalmente, con objeto de lograr espesores adecuados de pegamento, el proceso de pegado se lleva a cabo prensando el paquete de maderas. Ver Figura 8.

7 Figura 8. Refuerzo interno. Labio de Pegado Debido a la baja superficie de contacto entre el extradós y el intradós, en la zona de borde de ataque, se confecciona un refuerzo interno que tiene como función aumentar el área de pegado, favorecer la transmisión de tensiones de corte y facilitar el montaje. La fabricación del labio se realiza a partir de una matriz obtenida de laminar sobre las cáscaras de la pala en la zona de borde de ataque, es decir, se utiliza a la pala como modelo patrón. La superficie se aísla con material vinílico para el posterior laminado manual. Una vez producido el curado se cortan los excedentes de material y se vinculan ambas partes con adhesivo epoxi. A esta matriz se le realiza un soporte con poliestireno expandido de alta densidad (telgopor) a fin de rigidizarla. Ver detalles en Figura 9. Figura 9. Labio de pegado. Preparación de la Matriz Como tarea previa al laminado de las palas se debe garantizar que la superficie de la matriz se encuentre libre de poros e impurezas. Luego, al igual que en el modelo patrón, se deben aplicar agentes de despegue para evitar la adhesión del laminado con la matriz. Laminado de Pala Mediante un diseño estructural calculado por medio de elemento finito se obtuvo la distribución de telas. Los tejidos utilizados son: tela balanceada de 220 gr/m 2 (T220) con orientación 0 /90 y ±45, y tela unidireccional de 460 gr/m 2 (UR460) a 0, de diferentes longitudes. La resina utilizada en el laminado es la misma que se usa en la matriz, con la diferencia que en las primeras cuatro capas se la pigmenta, con el objetivo de reemplazar la aplicación de gel coat. El método de fabricación es laminado manual a molde abierto y curado a temperatura ambiente. Finalizado el proceso de curado se desmolda y recortan los excedentes, mediante sierra caladora

8 manual y lijadora orbital, preparando las superficies para la correcta integración de las diferentes partes. Figura 10. Proceso de Laminado de Pala. Integración Final Las piezas terminadas se presentan en sus posiciones correspondientes para realizar el ajuste final, los excedentes se desbastan y se suplementan los vacíos. Luego, se procede al pegado del larguero sobre la cáscara del extradós, el labio de borde de ataque se adhiere a la cáscara del intradós y finalmente se unen ambos conjuntos aplicando en cada superficie de unión adhesivo epoxi (Araldit 2011). El montaje final se realiza fuera de la matriz empleando un utilaje de cierre. Acabado Superficial El último paso en el proceso de fabricación de la pala consiste en cubrir las imperfecciones superficiales con masilla plástica y lijar de los excedentes. Finalmente se pinta la pieza con pintura poliéster de color blanco por medio de pulverización de la misma con una pistola de baja presión de admisión por gravedad. Una vez seca la pintura se pule la pieza para que la misma presentase un acabado superficial agradable a la vista. CONCLUSIONES Se definió una secuencia ordenada de tareas que permite producir una pala plástica adecuada para los requerimientos del proyecto y de calidad satisfactoria para los métodos constructivos utilizados. El producto obtenido no presenta distorsiones geométricas significativas y posee un buen acabado superficial. El método seleccionado posee la ventaja de que la fabricación es flexible a posibles cambios de diseño tales como modificación de los espesores. AGRADECIMIENTOS Deseamos extender un especial reconocimiento a Teodoro Altinger y a Hugo Derrosa por compartir su enorme experiencia. A los alumnos Patricio Alberto, Sebastián Assain, Mariela Bertoncini, Jorge Bochiardo, Renzo Bozini, Juan Cavello, Juan Cervi, Lucas Deseta, Samuel Díaz, Mario Estigarribia, Franco Nieva, Rodrigo Odasso, Ezequiel Palavecino, Juan Pablo Perez Clavero, Rafael Reyes y Gonzalo Torres. Finalmente, a docentes y amigos que nos siguieron de cerca, Leandro Berrier, Andrés Liberatto, Ramiro Rodríguez y Germán Vartorelli REFERENCIAS 1. L. Aguirre: Curso de Materiales Compuestos, 2005, Instituto Universitario Aeronáutico. 2. Eric Greene Associates: Marine Composites, 2nd Edition, 1999, Eric Greene Associates Inc. 3. DNV and Riso: Guidelines for Design of Wind Turbines, Second Edition, 2002, Jydsk Centraltrykkeri, Denmark, 2002.