Integridad estructural del rotor de una turbina eólica de eje vertical hecho de material bio-compuesto
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Date
2021-11-14
Authors
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Publisher
Universidad Industrial de Santander
Abstract
La búsqueda de soluciones energéticas sostenibles ha llevado a la exploración de nuevos materiales para la construcción de las palas de aerogeneradores. Esta investigación se adentra en la caracterización mecánica y el análisis estructural de un material bio-compuesto compuesto por fibras de fique y resina epoxi a base de biopolímeros (Biopoxy 36) para su potencial aplicación en las palas del rotor de un aerogenerador de eje vertical (VAWT, por sus siglas en inglés).
Se emplearon técnicas de laminación manual y laminado al vacío para lograr fracciones de volumen de fibra óptimas. Se llevan a cabo caracterizaciones estáticas a bio-compuestos con fibras de fique, jute y lino. El compuesto jute-biopoxy se descartó por sus propiedades mecánicas y el lino se usó como fibra de referencia. Se realizó caracterización dinámica al compuesto fique-biopoxy, obteniendo la curva deformación-vida y facilitando la identificación de límites de fatiga adecuados.
Se empleó el método de elementos finitos (FEM, por sus siglas en inglés) para analizar el comportamiento estructural del álabe del aerogenerador de material bio-compuesto. Se incorporan modelos isotrópicos y anisótropos, evaluando la orientación de las capas y la posición de las costillas internas para mejorar la rigidez y reducir las concentraciones de sefuerzo. Los modelos computacionales se validan mediante pruebas de flexión y correlación digital de imágenes logrando diferencias de 0.68% entre los modelos experimental y numérico.
Los resultados revelan mejoras significativas en las propiedades mecánicas logradas mediante la integración de fibras de fique y lino. Mejoras en el módulo de Young del 27.0% y 43.7%, respectivamente, validan el éxito del proceso de fabricación. El comportamiento de fatiga del bio-compuesto se analiza de manera exhaustiva, encontrando valores para la ecuación de Coffin-Manson de σ_f^'=12.1, ε_f^'=0.020, b=-0.804 y c=-0.054. El análisis de la integridad estructural confirma la idoneidad de la pala del VAWT rediseñada, mostrando un factor de seguridad de 2.01 en comparación con la resistencia última, con vida infinita respecto a las deformaciones encontradas.
Description
Keywords
Bio-compuesto, Rotor de turbina eólica, Fibras naturales, Análisis estructural, Método de los elementos finitos