Revision as of 12:14, 9 March 2026

INTEGRACIÓN DE SISTEMAS DE SENSORES EMBEBIDOS PARA LA MONITORIZACIÓN ESTRUCTURAL DE COMPONENTES EN ENERGÍA EÓLICA

Palabras clave: (máximo 5): Sensores de fibra de CNTs, Sensores FBGs, Desarrollo de filamentos por extrusión, Monitorización de fabricación y condiciones en servicio

1. Introducción

Dentro de los retos que afronta actualmente el sector eólico el incremento en la capacidad de las turbinas (incluido repowering) y los avances tecnológicos para optimizar su instalación, operación y mantenimiento son claves para reducir progresivamente el coste. Por todo ello, el uso de sistemas de sensorizado avanzados para la monitorización de la fabricación (Process Health Monitoring, PHM) y la salud estructural (Structural Health Monitoring, SHM), así como de modelos de predicción de potenciales fallos, es clave para desarrollar estrategias de mantenimiento más eficaces que permitan prevenir daños, reducir tiempos fuera de servicio y extender la vida útil de componentes críticos logrando que se reduzcan los costes de operación y mantenimiento (O&M) y se optimice el rendimiento de los activos [1] [2] [3].

El presente estudio se enmarca en el proyecto SENECA en el que se pretende mejorar la O&M de estructuras en energía eólica mediante la generación y explotación de datos obtenidos a través de un nuevo sistema de monitorización basado en la combinación de sensores de fibra óptica tipo Fiber Bragg Grating (FBG) [4], [5]. y fibras piezorresistivas basadas en CNTs (Carbon Nano Tubes), que a su vez han sido recubiertos mediante un proceso de extrusión automatizado con materiales de matriz termoplástica, generando una nueva tecnología de Sensores UniFilares (SUFs) que serán embebidos en la durante la fabricación en la estructura de las palas eólicas con el fin de permitir obtener información durante la fabricación de este componente y así mismo, conocer su comportamiento estructural.

Este trabajo tiene por objetivo recoger los requerimientos y especificaciones de los SUFs y mejorar el conocimiento sobre diseño, fabricación y operación de estructuras eólicas avanzadas. A través de la generación de datos a lo largo de su ciclo de vida mediante la integración de las dos tipologías de sensores avanzados unifilares mínimamente invasivos en las fibras secas de carbono durante el proceso de fabricación por infusión.

2. Materiales y Desarrollo Experimental

2.1 Fundamentos de los SUFs

La nueva tecnología de sensores avanzados unifilares, SUFs, están basados en dos tipos de tecnologías de sensores que se han seleccionado para el desarrollo de un sistema de monitorización combinado y holístico, que combinará las ventajas de ambos sistemas: los sensores de fibra óptica tipo Fiber Bragg Grating (FBG) y los sensores de fibras piezorresistivas basadas en CNTs.

Este sistema de monitorización combinado se desarrollará teniendo en cuenta los procesos de recubrimiento por extrusión, las condiciones en servicio y la identificación de la mejor solución del material de recubrimiento de los SUFs, para garantizar adherencia durante la fabricación de preformas, así como la interacción con la resina de grado eólico. Para esta definición, se ha tenido en cuenta la precisión/sensibilidad de los sensores y los diámetros del recubrimiento generado en el proceso de extrusión (buscando el equilibrio entre facilidad de manipulación, robustez, mínimo carácter invasivo y sensibilidad del sensor).

2.1.1. Sensores SUFs basados en Fiber Grating, FBG

Están basado en sensores de fibra óptica tipo Fiber Bragg Grating (FBG), ofrecen una combinación única de robustez, precisión, ligereza, inmunidad electromagnética y capacidad de multiplexación, lo que los convierte en una opción ideal para la monitorización estructural de las palas eólicas, contribuyendo así a mejorar su rendimiento, seguridad y vida útil.

Los sensores FBG son los sensores de fibra óptica más utilizados en la industria gracias a su versatilidad, a sus propiedades mecánicas y térmicas, y a que son la tecnología en fibra óptica más madura. Un sensor FBG es un pequeño segmento de fibra óptica que presenta una variación periódica del índice de refracción en el núcleo de la fibra óptica, denominada red de Bragg o grating (en inglés), Figura 1.

Esta perturbación hace que la fibra óptica que la contiene funcione como un filtro, reflejando una de las longitudes de onda que transporta y transmitiendo todas las demás. La longitud de onda reflejada se presenta como un pico muy estrecho (~0.2nm) y se llama longitud de onda de Bragg (λB). Este pico de luz varía si sobre la zona del grating se ejerce algún tipo de variación mecánica o térmica ya que la respuesta en longitud de onda que proporciona el sensor depende de dos factores: el período de la perturbación (Λ) y el índice de refracción efectivo de la fibra (neff). Cualquier cambio en alguno o ambos parámetros, modifica el espectro reflejado.

Figura 1. Esquema de un sensor FBG: Esquema para un sensor FBG simple, con un único grating (arriba). Esquema para una fibra óptica con 3 sensores FBG multiplexados (abajo).

2.1.2. Sensores SUFs basados en fibras de CNTs

Los nanotubos de carbono (CNTs) son considerados como uno de los materiales más avanzados y revolucionarios en diferentes sectores industriales tales como la medicina, la microelectrónica o las energías renovables. Se trata de láminas enrolladas de átomos de carbono que forman cilindros. La Figura 2. a) muestra las excepcionales propiedades físicas de estos materiales como la resistencia mecánica y la conductividad eléctrica y térmica tienen su origen en la estructura cristalina de las redes de átomos de carbono que las forman y en la elevada relación de aspecto (aspecto-ratio). La fotografía de microscopía electrónica de barrido (de sus siglas en inglés SEM) mostrada en la Figura 2 b) que muestra la morfología de este tipo de estructuras. Se han seleccionado los hilos de CNTs [6] de Dexmat que tienen un diámetro de 300µm y consta de varias fibras CNT retorcidas entre sí, Figura 3.

Figura 2. a) Imagen de la morfología de los CNTs^¹. b) Micrografía electrónica de barrido (SEM) de nanotubos de carbono cultivados sobre una superficie de disco de sílice^².

Figura 3. a) Fibra e hilo de CNTs de Dexmat respectivamente. b) Carrete de hilo de CNTs de Dexmat y c) Fotografía realizada por microscopía electrónica del hilo de CNTs de Dexmat.

Debido a la fuerte naturaleza piezoresistiva de los CNTs, su potencial de detección puede desarrollarse mediante la incorporación de sensores basados en fibras o hilos de CNTs en un material compuesto en las áreas de interés. Una carga aplicada en todo el sistema da como resultado un cambio en la resistencia del sensor y se pueden realizar mediciones consecutivas y monitorizar la evolución en paralelo de ambas magnitudes (deformación y resistencia) durante la carga para establecer una relación directa entre ambas señales.

2.2 Desarrollo y Fabricación de los SUFs mediante proceso de extrusión

Se desarrollará la estrategia de recubrimiento de ambos tipos de sensores con matrices poliméricas de naturaleza variada, con el objetivo de reforzar su robustez (maximizando su respuesta y minimizando su intrusión en el material compuesto), así como garantizar la compatibilidad y óptima transferencia de esfuerzos entre matriz termoestable (resina poliéster o epoxi como principal componente del material composite de las estructuras eólicas) y el sensor embebido, garantizando su máxima integración en la matriz de la pala.

Se han probado distintos polímeros termoplásticos como material de recubrimiento para el desarrollo de los SUFs, a saber: TPU, PEI, PSU y PLA. Finalmente, se ha seleccionado como material de es el PLA (ácido poliláctico) como el más adecuado, se han probado varios PLA comerciales obteniendo los mejores resultados con el PLA Luminy LX175³.

Los sensores unifilares propuestos recubiertos con PLA Luminy se fabrican utilizando una extrusora de doble husillo cónico HAAKE Rheomex CTW 100QC, (Figura 4). Los pellets de material termoplástico se introducen dentro del cilindro de la extrusora a través de una tolva. En la sección de alimentación, el material se mueve desde la tolva hasta el cilindro extrusor donde se mezcla y se funde. Se usa un cabezal adaptado (cabezal de coextrusión) que se monta en la salida del cilindro. Se agrega una cuarta zona de calentamiento entre la boquilla de la extrusora y la matriz para evitar la solidificación del polímero fundido antes de llegar a la matriz de recubrimiento. El troquel de recubrimiento tiene dos entradas, una por la que entra el polímero extruido y otra por la que pasa la fibra (Figura 4). La salida del troquel tiene una boquilla de diámetro controlable, que ayuda a producir un filamento de tamaño homogéneo.

Después de salir de la extrusora, el filamento pasa a través de un baño de refrigeración por agua que incluye rodillos para guiar el filamento dentro del baño. Luego, el filamento se enrolla mediante el sistema de bobinado a una velocidad seleccionada. Para lograr un filamento con una forma consistente y un diámetro constante, el sistema de producción debe ajustarse cuidadosamente. En la figura inferior a la derecha se muestran en la bobina ambos filamentos de SUFs tras su fabricación.

Figura 4. a) b) c) Extrusora de doble tornillo cónico HAAKE Rheomex CTW 100QC. d) Bobina de filamentos de SUF-FBGs y e) SUF-CNTs.

La Figura 5 muestra ambos sensores SUFs desarrollados sin y con el recubrimiento de PLA.

Draft Blanco Salgado 352056102-image6.png

Figura 5. Imágenes microscópicas de la FBG y del SUF-FBGs (izda.) y del CNT y del SUF-CNTs (dcha.).

3. Resultados y discusión

3.1 Optimización de la estrategia de los SUFs embebidos durante la fabricación de los laminados

El embebido de sensores en materiales compuestos implica la integración directa de los sensores durante el proceso de la fabricación del laminado. En el caso del proceso de infusión por vacío (VIP), las capas de fibra seca se apilan una sobre otra en el molde, y los sensores se colocan entre las capas específicas donde se desea monitorizar el PHM y/o SHM. Posteriormente, se coloca el material para realizar la infusión, como la malla de distribución de resina, película microperforada, peel ply, manta de absorción, canales de entrada de resina y de salida de vacío, cinta selladora y la bolsa de vacío. Se aplica vacío para evacuar el aire del sistema, creando una diferencia de presión que impulsa la resina líquida hacia el laminado, impregnando las fibras y consolidando la estructura.

Para el caso de los SUFs de FBGs debe tenerse en cuenta que las fibras ópticas serán más vulnerables en las regiones de entrada y salida del componente, ya sea que la fibra sobresalga a través de la superficie o emerja del borde del material compuesto. Es necesario que la fibra óptica tenga refuerzo en estas regiones de entrada/salida [7]. Para esa finalidad, típicamente se usan tubos de PTFE (politetrafluoroetileno) o termo-contraíbles, o se usan trenzas termoplásticas impregnadas de silicona. Es esencial que el extremo del tubo (incrustado) esté sellado, para que por capilaridad no se elimine resina del laminado por por el tubo. Cualquier exceso de resina que recubra la fibra la hace excepcionalmente vulnerable. Los puntos de entrada y salida de la fibra óptica en el material son ubicaciones críticas debido al gradiente de presión y, por lo tanto, a la flexión que experimenta la fibra.

Otro punto para tener en cuenta al incorporar sensores en materiales compuestos es el tamaño del sensor. A pesar de que la fibra óptica (125 µm) y las fibras de CNTs (300 µm) tienen un tamaño relativamente pequeño en comparación con sensores eléctricos como DC (típicamente de la orden de milímetros), tiene un tamaño bastante considerable en comparación con las fibras utilizadas para reforzar el material compuesto (aproximadamente ~16 µm para fibras de vidrio y ~8 µm para fibras de carbono). Por lo tanto, al ubicar cualquier tipo de sensores dentro del compuesto, se pueden introducir áreas de discontinuidad de refuerzo que son excesivamente llenas de resina, siendo conocidas como bolsillos de resina u ojos de resina [8].

Además, la dirección de los sensores con relación a las fibras del composite es de mucha importancia en lo que respecta a la integridad estructural del composite. Por ejemplo, para las fibras de refuerzo unidireccionales, se ha verificado que embeber fibra óptica en paralelo a la dirección de las fibras de refuerzo, permite que quede mejor integrada y con menor ojo de resina en el laminado, comparado con el caso en el que se embebe la fibra óptica perpendicular a la dirección de las fibras de refuerzo.

De tal modo que estos SUFs serán sensores de FBG y de CNTs recubiertos de un material termoplástico, PLA, con una buena compatibilidad con la resina epoxi CeTepox AM 3325 que es utilizada para la fabricación de las palas eólicas. De tal modo que a la hora de integrar los SUFs parte del recubrimiento termoplástico se funda y, por un lado, asegure la integración de los sensores de fibra óptica/CNTs con el material termoestable, su robustez, y por otro, tenga muy buena adherencia con la resina, generando la mínima invasión.

Con el objetivo de evaluar la viabilidad de la integración de los sensores, se llevó a cabo un amplio rango de pruebas de infusión empleando distintas estrategias de integración para ambos tipos de SUFs desarrollados en este trabajo. En particular, se analizaron diferentes configuraciones de posicionamiento de los sensores dentro de la preforma de fibra seca, así como distintas estrategias de guiado y extracción del sensor hacia el exterior del laminado, incluyendo configuraciones con salida próxima a los bordes y a través de la zona central de las probetas a extraer del laminado. Asimismo, se ensayaron diferentes sistemas de protección y fijación de los sensores durante las etapas de fabricación, con el objetivo de minimizar posibles daños durante el proceso de infusión, el curado y las etapas posteriores de mecanizado. Estas estrategias incluyeron el uso de materiales de protección local, configuraciones específicas de posicionamiento dentro del apilado de fibras y diferentes soluciones de guiado del sensor. Dado que para extraer las probetas los laminados deben ser mecanizados por todas sus caras tras el curado, la robustez del sensor embebido constituye un aspecto clave para garantizar su integridad y funcionalidad durante las etapas finales del proceso de fabricación.

Además de los SUFs se han integrado sensores comerciales como termopares y sensores DC, en preformas secas estudiando su respuesta, sensibilidad y detección de las diferentes fases del proceso de infusión (vacío, infusión, flujo de resina, curado resina, etc.) y para su vida en servicio. La Tabla 1 recoge los materiales utilizados y los parámetros seleccionados para realizar el estudio y optimización del proceso de integración de los SUFs.

Resina	CeTePox AM 3325
Fibra	SAERTEX U-C-704g/m²-825mm MagicFlow
Presión de compactación (bar)	- 0,9
Presión de infusión (bar)	- 0,6
Presión de curado (bar)	- 0,6
Temperatura de infusión (°C)	25
Temperatura de curado (°C)	80
Tiempo de curado (h)	5
Post-curado	No

Tabla 1. Materiales seleccionados y parámetros de fabricación por infusión de los laminados.

3.2 Evaluación del efecto de los SUFs integrados en los laminados

Uno de los aspectos clave en la integración de sensores embebidos en materiales compuestos es evaluar su impacto sobre el comportamiento estructural del laminado. Específicamente, se pretende determinar en qué medida la presencia del sensor puede alterar las propiedades funcionales del material compuesto.

En este trabajo, se han llevado a cabo ensayos experimentales para evaluar el efecto de la integración de dos tipos de sensores SUFs embebidos sobre la integridad estructural y el rendimiento mecánico del laminado. Para ello, se han comparado los resultados obtenidos de laminados con y sin SUFs, analizando diversas variables a través de métodos mecánicos, análisis térmicos y microscópicos.

3.2.1 Interacción mecánica

Con el objetivo de analizar si la incorporación del sensor durante la fabricación genera discontinuidades o zonas débiles que actúen como iniciadores de falla o delaminación bajo cargas mecánicas o térmicas.

Se han realizado ensayos de tracción basados en la norma UNE-EN ISO 527-5:2022. Para ello se han apilado cuatro capas de fibra de carbono con orientación a 0° utilizando los parámetros descritos en la Tabla 1. Se mecanizaron los laminados y se extrajeron probetas de 250mmx25mmx2,7mm, con y sin sensor, con el fin de comparar sus propiedades mecánicas y el modo de fallo. La Tabla 2 recopila los resultados.

3.2.2 Integración estructural

La integridad estructural ha sido analizada a partir de análisis macro y microscópicos de secciones transversales del laminado. En la Figura 6 se muestran las imágenes microscópicas del corte trasversal de la probeta de composite con el SUF integrado en la segunda capa del laminado de fibra de carbono

Figura 6. Microscopía óptica de SUFs embebidos en el composite, SUF-FBGs (arriba) y SUF-CNTs (abajo).

3.2.3 Compatibilidad térmica y química

La compatibilidad térmica y química ha sido evaluada mediante análisis térmicos de DSC y TGA, con el objetivo de detectar posibles alteraciones en el curado o en la interacción matriz de la resina epoxi (matriz termoestable) con el sensor SUF recubierto con PLA (matriz termoplástica) para el laminado de referencia, es decir, sin sensores con los laminados con los SUFs embebidos. La Tabla 2 recopila los resultados.

Ensayo	Laminado sin sensores	Laminado con SUF-FBGs embebido	Laminado con SUF-CNTs embebido
Resistencia a la tracción (MPa)	1280,21 ± 110,99	1183,53 ± 93,17	1210,55 ± 78,45
Módulo de Elasticidad (GPa)	116,20 ± 2,47	112,77 ± 2,5	110,85 ± 1,97
Tg (°C)	86,9	86,1	87,1
Grado de curado, α (%)	99,5	98,9	99,0
FVF (%)	64,9	58,4	67,8
Tª ONSET (°C)	355.9	356,2	356,4
Tª Max. Descomp. (°C)	794.3	787,0	789,8

Tabla 2. Muestra el resumen y los resultados de la campaña de ensayos mecánicos.

4. Conclusiones

Este trabajo ha validado la integración de sensores unifilares (SUFs) basados en FBG y CNTs en laminados de materiales compuestos mediante el proceso de infusión por vacío (VIP). Los principales resultados permiten extraer las siguientes conclusiones:  Los SUFs recubiertos con PLA se integran adecuadamente en preformas de fibra seca, mostrando buena compatibilidad con la resina epoxi utilizada y facilitando su embebido sin necesidad de modificar el proceso de fabricación.  Los ensayos mecánicos y térmicos realizados indican que la presencia de los SUFs no altera significativamente las propiedades del laminado, confirmando un impacto estructural mínimo.  El sistema desarrollado permite monitorizar tanto la fabricación (PHM) como el estado en servicio (SHM), mostrando potencial para su aplicación en estrategias de mantenimiento predictivo en estructuras eólicas. Se seguirán investigando en este campo en SENECA.

5. Agradecimientos

Este artículo se basa en el trabajo realizado el proyecto SENECA "Sistema de sensores embebidos para la monitorización estructural de tecnologías avanzadas en energía eólica” CPP2022-009833. Los autores del artículo quieren agradecerle el apoyo prestado durante el desarrollo de este trabajo a Nabrawind Technologies como miembro del consorcio, así como a las entidades financiadoras del programa de financiación Proyectos de colaboración público-privada 2022 cuyos logos se muestran a continuación.

6. Bibliografía

[1] IRENA (2023). Innovation landscape for a renewable-powered future. International Renewable Energy Agency. https://www.irena.org.

[2] Carcangiu, C. E., et al. (2019). Advanced condition monitoring of wind turbines using fiber optic sensors. Sensors, 19(8), 1858. https://doi.org/10.3390/s19081858.

[3] Yang, W., et al. (2014). Condition monitoring and fault detection of wind turbines and related algorithms: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 33, 619–649. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.01.089.

[4] N. González-Castro, T. Grandal, AMR. Pinto, JMF. Montenegro, R. Ruiz-Lombera, E. Rodríquez-Senín, 6(1) ,86-94 URL https://www.scipedia.com/public/Gonzalez-Castro_et_al_2022a.

[5] T. Grandal, D. Pérez, S. Dasilva, R. Mano, S. Fraga, L. Mera and E. Rodriguez, Vol4 num2-20, Materiales Compuestos 2022. URL https://www.scipedia.com/public/Grandal_et_al_2022b.

[6] Al-Gebory, Layth & Al-Zubaidi, Aseel & Al-Tabbakh, Ahmed. (2019). Production of Self-Cleaning SiO2/CNT Nanoparticles Substituted Cement Mortar. Engineering and Technology Journal. 38. 10.30684/etj.v38i3A.349.

[7] Ramakrishnan, M.; Rajan, G.; Semenova, Y.; Farrell, G. Overview of Fiber Optic Sensor Technologies for Strain/Temperature Sensing Applications in Composite Materials. Sensors 2016, 16, 99. https://doi.org/10.3390/s16010099

[8] Wojciech Błażejewski, Paweł Gąsior and Jerzy Kaleta (March 16th, 2011). Application of Optical Fibre Sensors to Measuring the Mechanical Properties of Composite Materials and Structures, Advances in Composite Materials - Ecodesign and Analysis, Brahim Attaf, IntechOpen, DOI: 10.5772/13954.

(¹) www.mccormick.northwestern.edu

(²) www.sciencephoto.com/media/874512/view/carbon-nanotubes-sem

(³) www.totalenergies-corbion.com

@@ Line 39: / Line 39: @@
 ==2.1.2. Sensores SUFs basados en fibras de CNTs==
 Los nanotubos de carbono (CNTs) son considerados como uno de los materiales más avanzados y revolucionarios en diferentes sectores industriales tales como la medicina, la microelectrónica o las energías renovables. Se trata de láminas enrolladas de átomos de carbono que forman cilindros. La <span id="cite-_Ref198026455"></span>[[#_Ref198026455|Figura 2]]. a) muestra las excepcionales propiedades físicas de estos materiales como la resistencia mecánica y la conductividad eléctrica y térmica tienen su origen en la estructura cristalina de las redes de átomos de carbono que las forman y en la elevada relación de aspecto (aspecto-ratio). La fotografía de microscopía electrónica de barrido (de sus siglas en inglés SEM) mostrada en la <span id="cite-_Ref198026455"></span>[[#_Ref198026455|Figura 2]] b) que muestra la morfología de este tipo de estructuras. Se han seleccionado los hilos de CNTs [6] de Dexmat que tienen un diámetro de 300µm y consta de varias fibras CNT retorcidas entre sí, [[#_Ref198026502|Figura 3]].<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;"><div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;"><div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;"><span id="cite-_Ref198026502"></span><div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
 <nowiki> </nowiki>[[Image:Draft_Blanco Salgado_352056102-image2.jpeg|294px]]
@@ Line 49: / Line 50: @@
 <div id="_Ref198026502" class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
-Figura 3. a) Fibra e hilo de CNTs de Dexmat respectivamente. b) Carrete de hilo de CNTs de Dexmat y c) Fotografía realizada por microscopía electrónica del hilo de CNTs de Dexmat.</div>Debido a la fuerte naturaleza piezoresistiva de los CNTs, su potencial de detección puede desarrollarse mediante la incorporación de sensores basados en fibras o hilos de CNTs en un material compuesto en las áreas de interés. Una carga aplicada en todo el sistema da como resultado un cambio en la resistencia del sensor y se pueden realizar mediciones consecutivas y monitorizar la evolución en paralelo de ambas magnitudes (deformación y resistencia) durante la carga para establecer una relación directa entre ambas señales.<div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;"><div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;"><div class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
+Figura 3. a) Fibra e hilo de CNTs de Dexmat respectivamente. b) Carrete de hilo de CNTs de Dexmat y c) Fotografía realizada por microscopía electrónica del hilo de CNTs de Dexmat.</div>Debido a la fuerte naturaleza piezoresistiva de los CNTs, su potencial de detección puede desarrollarse mediante la incorporación de sensores basados en fibras o hilos de CNTs en un material compuesto en las áreas de interés. Una carga aplicada en todo el sistema da como resultado un cambio en la resistencia del sensor y se pueden realizar mediciones consecutivas y monitorizar la evolución en paralelo de ambas magnitudes (deformación y resistencia) durante la carga para establecer una relación directa entre ambas señales.
 =2.2 Desarrollo y Fabricación de los SUFs mediante proceso de extrusión=