NREL explora uma nova abordagem de fabricação para pás de turbina eólica de próxima geração

Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL, Golden, Colorado, EUA), liderada pelo engenheiro sênior de tecnologia eólica do NREL Derek Berry, continua a avançar suas novas técnicas para fabricar pás de turbinas eólicas avançadas, promovendo sua combinação de termoplásticos recicláveis ​​e manufatura aditiva (AM). O avanço foi possível graças ao financiamento do Escritório de Manufatura Avançada do Departamento de Energia dos Estados Unidos - prêmios destinados a estimular a inovação tecnológica, melhorar a produtividade energética da manufatura dos Estados Unidos e permitir a fabricação de produtos de ponta.

Hoje, a maioria das pás de turbinas eólicas em escala de utilidade tem o mesmo design em concha:duas películas de fibra de vidro são unidas com adesivo e usam um ou vários componentes de reforço compostos chamados teias de cisalhamento, um processo otimizado para eficiência nos últimos 25 anos. No entanto, para tornar as pás das turbinas eólicas mais leves, mais longas, menos caras e mais eficientes na captura de energia eólica - melhorias críticas para o objetivo de reduzir as emissões de gases de efeito estufa em parte pelo aumento da produção de energia eólica - os pesquisadores devem repensar inteiramente a concha convencional, algo que é o foco principal da equipe NREL.

Para começar, a equipe do NREL está se concentrando no material de matriz de resina. Os projetos atuais dependem de sistemas de resina termofixa como epóxis, poliésteres e ésteres de vinil, polímeros que, uma vez curados, se reticulam como amoreiras.

“Depois de produzir uma lâmina com um sistema de resina termofixa, você não pode reverter o processo”, diz Berry. “Isso [também] torna a lâmina difícil de reciclar.”

Trabalhando com o Instituto de Inovação de Fabricação Avançada de Compósitos (IACMI, Knoxville, Tenn., EUA) nas Instalações de Educação e Tecnologia de Fabricação de Compósitos (CoMET) do NREL, a equipe multi-institucional desenvolveu sistemas que usam termoplásticos, que, ao contrário de materiais termofixos, podem ser aquecido para separar os polímeros originais, permitindo a reciclabilidade no fim da vida (EOL).

As peças da lâmina termoplástica também podem ser unidas usando um processo de soldagem térmica que pode eliminar a necessidade de adesivos - geralmente materiais pesados ​​e caros - aumentando ainda mais a reciclabilidade da lâmina.

“Com dois componentes de lâmina termoplástica, você tem a capacidade de juntá-los e, por meio da aplicação de calor e pressão, juntá-los”, diz Berry. “Você não pode fazer isso com materiais termofixos.”

Seguindo em frente, NREL, junto com os parceiros do projeto TPI Composites (Scottsdale, Arizona, EUA), Soluções de Engenharia Aditiva (Akron, Ohio, EUA), Ingersoll Machine Tools (Rockford, Illinois, EUA), Vanderbilt University (Knoxville) e IACMI , desenvolverá estruturas de núcleo de lâmina inovadoras para permitir a produção econômica de lâminas muito longas de alto desempenho - bem mais de 100 metros de comprimento - que têm peso relativamente baixo.

Ao usar a impressão 3D, a equipe de pesquisa diz que pode produzir os tipos de projetos necessários para modernizar as lâminas da turbina com núcleos estruturais altamente projetados e em forma de rede de densidades e geometrias variadas entre as camadas estruturais da lâmina da turbina. As películas das lâminas serão infundidas em sistema de resina termoplástica.

Se tiverem sucesso, a equipe reduzirá o peso e o custo das pás da turbina em 10% (ou mais) e o tempo do ciclo de produção em pelo menos 15%.

Além do prêmio AMO FOA principal para estruturas de pás termoplásticas de turbinas eólicas AM, dois projetos de sub-outorga também explorarão técnicas avançadas de fabricação de turbinas eólicas. Colorado State University (Fort Collins) está liderando um projeto que também usa impressão 3D para fazer compósitos reforçados com fibra para novas estruturas internas de pás eólicas, com a Owens Corning (Toledo, Ohio, EUA), NREL, Arkema Inc. (King of Prussa, Pa., EUA) e Vestas Blades America (Brighton, Colorado, EUA) como parceiros. O segundo projeto, liderado pela GE Research (Niskayuna, N.Y., EUA), é denominado AMÉRICA:Pás de Rotor com Habilitação Aditiva e Modular e Montagem de Compostos Integrados. Em parceria com a GE Research estão o Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tenn., EUA), NREL, LM Wind Power (Kolding, Dinamarca) e GE Renewable Energy (Paris, França).