Design of a small sustainable wind blade

1. Introducción

Para conseguir una descarbonización del planeta, una condición necesaria es pasar de una economía lineal a una economía circular. Uno de los objetivos es que los productos tengan una mayor vida útil. Y cuando éstos lleguen al fin de su vida, los residuos generados sean mínimos, buscando una solución para que estos residuos pasen a ser materia prima de otros nuevos productos. Enfocándonos en la industria eólica, actualmente de un aerogenerador se recicla un importante porcentaje del mismo, cercano al 90%. Las palas de los aerogeneradores están fabricadas de composites formados por fibras (vidrio y carbono) y resinas termoestables (poliéster, viniléster o epoxi), que hacen que al final de su vida útil su reciclado sea costoso. Existen varias tecnologías de reciclaje con diferentes grados de desarrollo, como pueden ser trituración, pirolisis o solvólisis. Cada una de ellas cuenta con ventajas e inconvenientes, pero se está trabajando en obtener solución para poder alcanzar el 100% de reciclado de los aerogeneradores.

En este contexto, el trabajo que aquí se presenta pone el foco de la economía circular desde el diseño de las palas del aerogenerador, pensando en qué hacer con ellas al final de su vida útil, antes incluso de fabricarlas. Es decir, incluir el concepto de sostenibilidad desde el diseño inicial de la pala. Para ello se ha diseñado una pequeña pala de aerogenerador de pequeña potencia, sustituyendo la resina termoestable, material que nos dificulta el reciclado al final de la vida útil del aerogenerador, por una novedosa resina termoplástica. Al fabricar composites con resinas termoplásticas, se han conseguido recuperar las fibras y resinas mediante procesos más sencillos tecnológicamente y utilizando menores recursos energéticos a pequeña escala (1).

Esta modificación en el diseño de una pequeña pala eólica sostenible, hace que el volumen de residuo al final de la vida útil disminuya significativamente, y se recuperen la mayor parte de las materias primas usadas en la fabricación de la pala y puedan ser usado en la fabricación de nuevos composites.

2. Diseño de la pala

El primer paso ha sido realizar el diseño aerodinámico de una pala de 2m de longitud. Para ello se ha utilizado el software QBlade (2) para definir la pala a partir del perfil aerodinámico SG6043, desarrollado por Selig y Giguere (SG). Es un perfil que tiene un 5,1 % de altura máxima de la línea media, situado al 49,7 % del borde de ataque y con un espesor relativo del 10,0 %, situado al 32,1 % del borde de ataque. La raíz de la pala se ha definido de sección cilíndrica. Desde la raíz de la pala se ha interpolado el perfil SG6043 con otros dos perfiles intermedios hasta llegar a la zona aerodinámica de la pala, a partir del cual se ha usado únicamente el perfil SG definido. La Figura 1 muestra los cuatro perfiles usados para el diseño de la pala.

Figura 1 – Perfiles usados en el diseño de la pala a partir de perfil SG6043 (verde)

Posteriormente se ha usado el software SolidWorks (3) para el diseño CAD de la pala, usando los perfiles de las diferentes secciones obtenidos con Qblade.

Figura 2 – Pala diseñada con SolidWorks

El siguiente paso ha sido diseñar los diferentes tejidos que va a llevar la pala. Para ello se ha utilizado el software ANSYS Workbench (4). Se decide diseñar la pala con fibra de carbono. Se usarán tejidos unidireccionales TFX – 322 g/m^2, así como tejidos biaxiales a +- 45. La resina a utilizar es una resina termoplástica llamada Akelite (5), desarrollada y patentada por ITCP-CSIC. Puesto que en el momento no se disponía de las propiedades mecánicas provenientes de ensayo se usaron los valores estimados que se muestran en las Tablas 1 y 2.

Propiedad	Valor
Densidad [g/cm3]	1.49
E11 [GPa]	110.83
E22 [GPa]	5.07
E33 [GPa]	5.07
v12	0.31
v13	0.31
G12 [MPa]	3344
G23 [MPa]	3005
G13 [MPa]	3344

Tabla 1. Propiedades mecánicas estimadas para una lámina UD CFRP TFX – 322 g/m².

Propiedad	Valor
XT [MPa]	1979
YT [MPa]	26
ZT [MPa]	26
XC [MPa]	893
YC [MPa]	139
ZC [MPa]	139
Shear XY [MPa]	100
Shear YZ [MPa]	50
Shear XZ [MPa]	100

Tabla 2. Resistencias de una lámina UD CFRP TFX – 322 g/m².

Se diseña el laminado a partir de tres zonas de igual longitud, buscando mantener la simetría en cada zona y la continuidad del mayor número de capas posible. Se considera un espesor de capa de 0.3 mm. El laminado propuesto para la pala de CFRP/Akelite se muestra en la Figura 3. Las capas ±45^o se modelan usando dos capas UD del material con propiedades mostradas en las Tablas 2 y 3, de manera que se obtengan unas propiedades equivalentes al tejido biaxial ± 45 BC-50K-300 - 305 g/m².

Figura 3 – Laminado para las palas de CFRP/Akelite

2.1. Casos de carga

Se evalúan las cargas definidas en UNE-EN 61400-2 (6), según metodología de cargas simplificadas. Se utilizan los parámetros de diseño mostrados en la Tabla 3.

Parámetro	Símbolo	Valor
Masa pala	mB [kg]	5.7
Distancia entre CdG pala y CdG rotor	Rcog [m]	0,86
Velocidad del rotor de diseño	n,design [rpm]	250
Velocidad del rotor máxima	n,max [rpm]	350
Par rotor de diseño	Qdesign (Nm)	164
Número de palas	B (-)	3
Gravedad	g (m/s2)	9,81
Radio rotor	R (m)	2,135
Velocidad del viento de diseño	V,design (m/s)	10,5
Distancia centro rotor a eje orientación	Lrt [m]	0,26
Distancia centro rotor y primer cojinete	Lrb [m]	0,28
Densidad del aire	Ρ [kg/m3]	1,225
Área de pala proyectada en plano perpendicular	Aproj,B [m2]	0,35
Coeficiente de empuje	CT [-]	0,5
Velocidad del viento media anual	Vave [m/s]	3,941

Tabla 3. Parámetros de diseño de la pala

Los casos de carga más desfavorables se recogen en la Tabla 4, sombreados en gris. El caso que produce un mayor momento flector es el C (error de orientación). A partir de éste se propone el ensayo con dos cargas de 500 N situadas a 0,66m y 1,44m de la raíz, que produce un momento flector y unas solicitaciones similares a los casos de carga más desfavorables.

	Cargas
Hipótesis	Fx [N]	Fy [N]	Fz [N]	Mx [N·m]	My [N·m]	Mz [N·m]
A: Operación normal	6720,73	0	0	0	-150,8607	-291,0045
B: Orientación	0	0	0	0	0	-174,880
C: Error orientación	0	0	0	0	0	-904,0493
D: empuje máximo	0	-476,7770	0	0	0	0
E: Velocidad rotación máxima	6586,319	0	0	0	0	0
F: cortocircuito	0	0	0	0	-194,76	0
G: desconexión	0	0	0	0	-125,62	0
H: carga extrema de viento	0	0	0	0	0	-679,8018
I: Inmovilización	N/A	N/A	N/A	N/A	N/A	N/A
J: Transporte	N/A	N/A	N/A	N/A	N/A	N/A
Cargas de ensayo*	-	-1000	-	-	-	-

*2 cargas de 500 N situadas en dos secciones situadas a 0,66m y 1,44m de la longitud de la pala.

Tabla 4. Casos de carga

2.2. Modelo de elementos finitos

Se crea un modelo de elementos finitos usando ANSYS Workbench, definiendo los laminados de la Figura 3 usando el módulo ACP. Se añade la masa del adhesivo (0.7 kg) repartido en las aristas de unión entre la cara superior y la inferior (o extrados e intrados). La pala resultante tiene una masa de 4.23 kg, ligeramente inferior a la considerada en el cálculo de las cargas. Se utilizan 7410 elementos Shell cuadráticos, de tamaño medio 10 mm y verificando la calidad del mallado. Únicamente se tienen 11 elementos con calidad inferior a 0.7 y 23 con aspecto ratio superior a 2. El mallado se muestra en la Figura 4. La pala se empotra por la raíz y se aplican las cargas definidas en la Tabla 4.

Figura 4 – Imagen general mallado

2.3. Resultados de los casos de carga

Se evalúan las deflexiones en cada una de las tres direcciones y los criterios de fallo de Hashin y Puck.

Hipótesis	δx [mm]	δy [mm]	δz [mm]	SF (Hashin)	SF (Puck)
A: Operación normal	-0.65	-47.25	9.71	4.73	4.73
C: Error orientación	1	-139.03	21.63	1.90	1.90
D: empuje máximo	0.36	-27.317	4.88	4.47	4.47
J: Cargas de ensayo*	-1.85	-136.17	22.21	1.49	1.49

Tabla 5 – Resultados de deflexión (δ) y factor de seguridad (SF) para cada caso de carga.

Se verifica que la pala cumple los requisitos de solicitaciones estáticas y que el ensayo propuesto reproduce las condiciones más desfavorables.

2.4. Análisis modal

Para el análisis modal se impiden todos los grados de libertad en la raíz de la pala. Previamente al cálculo definitivo, se analizó la sensibilidad al mallado y se concluyó que con el mismo usado para el análisis estructural se obtienen resultados con suficiente precisión. Se calculan los 10 primeros modos usando el método de Lanczos.

Tamaño elemento (mm)	Frecuencia (Hz)	Modo vibración
10	12.90	Flapwise
	31.32	Edgewise

Tabla 6 – Resultados análisis modal

Figura 5 – Formas de los modos de vibración: Flapwise (arriba), Edgewise (abajo)

3. Fabricación y ensayo de la pala

Se ha fabricado una pala de fibra de carbono y resina termoplástica Akelite, con el laminado de fibras de carbono definido en la Figura 3 del apartado anterior. Se ha realizado el proceso de infusión de las dos valvas de la pala y posteriormente se han pegado dichas valvas mediante adhesivo estructural. La zona cercana a la raíz de la pala contiene 13 capas de fibra de carbono con diferentes direcciones de 0, 45 y 90º, obteniendo un espesor de 3.54mm. La zona intermedia central de la pala está formada por 9 tejidos de fibra de carbono, con un espesor total de 2.34mm. Por último, la zona de la punta de la pala lleva 5 tejidos de fibra de carbono, y un espesor de 1.74mm.

Figura 6 – Pala de fibra de carbono fabricada con resina termoplástica Akelite

El último paso ha sido el ensayo de la pala. Para ello se ha realizado el ensayo de propiedades de la pala según la norma IEC 61400-23, midiendo el peso, el centro de gravedad y las frecuencias naturales.

Peso (kg)	Centro de gravedad (mm)	Frecuencia Flapwise (Hz)	Frecuencia Edgewise (Hz)
3.48	807	12.50	24.14

Tabla 7 – Resultados del ensayo de propiedades

Figura 7 – Medida de las frecuencias naturales de la pala CFRP + Akelite

4. Conclusiones

En el presente artículo se ha mostrado el diseño de una pequeña pala eólica sostenible, definiendo desde la fase de diseño el uso de una resina termoplástica para el uso en la fabricación de palas eólicas. Posteriormente se han hecho las simulaciones para calcular las cargas estáticas de ensayo y el análisis modal de las frecuencias naturales de la pala. El siguiente paso ha sido la fabricación de la pala según el diseño previamente establecido. Y finalmente se ha realizado el ensayo de propiedades de la pala para comprobar las posibles desviaciones del modelo.

Comparando los valores de las frecuencias naturales de la pala, se puede observar que la desviación de la frecuencia de flapwise está muy cercana a lo previsto en el diseño, con una desviación de 3.1%; mientras que para la frecuencia en edgewise el desvío ha sido mayor, con una desviación de 22.9%. Obtenidos estos valores, se entiende que es necesario ajustar el modelo para disminuir este error en la frecuencia en edgewise, antes de realizar el ensayo estático de la pala, ya que las cargas de diseño han de ser ajustadas. Por otro lado, la desviación del centro de gravedad de la pala respecto al valor de diseño ha sido del 6.16%. Los resultados obtenidos son bastante prometedores, pero se necesita seguir dando pasos en el desarrollo de esta novedosa resina termoplástica Akelite para implementarla en la fabricación de palas eólicas de mayor envergadura.

5. Bibliografía

1. Lessons learned from the sustainable recycling process of a wind blade made with a new thermoplastic resin. Carnicero R., Cano L., Cruz I. s.l. : IOP, Journal of Physics: Conference Series, 2024.

2. Marten, David. QBlade: A modern tool for the aero elastic simulation of wind turbines. 2020.

3. https://www.solidworks.com/. [En línea]

4. https://www.ansys.com/products/ansys-workbench. [En línea]

5. Verdejo R., López-Manchado M.A. ES2906674B2. España, 2021.

6. AENOR. UNE-EN 61400-2: Aerogeneradores. Parte 2: Aerogeneradores pequeños.

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(¹) Se utilizan datos de ["https://globalwindatlas.info/en/ "https://globalwindatlas.info/en/]area/Spain/ para emplazamiento en Soria