Integridad estructural del rotor de una turbina eólica de eje vertical hecho de material bio-compuesto

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dc.contributor.advisorPertuz Comas, Alberto
dc.contributor.advisorLeón, Juan Sebastián
dc.contributor.authorCastro Bermúdez, Juan Dayal
dc.contributor.evaluatorMartínez, Manuel del Jesús
dc.contributor.evaluatorNarváez Tobar, Carlos Alberto
dc.date.accessioned2023-11-23T21:06:32Z
dc.date.available2023-11-23T21:06:32Z
dc.date.created2023-11-14
dc.date.embargoEnd2028-11-14
dc.date.issued2021-11-14
dc.description.abstractLa 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.
dc.description.abstractenglishThe pursuit of sustainable energy solutions has led to the exploration of novel materials for wind turbine blade construction. This research delves into the mechanical characterization and structural analysis of a bio-composite material composed of fique fibers and bio-based epoxy resin (Biopoxy 36) for potential application in vertical axis wind turbine (VAWT) rotor blades. The manufacturing process involves both manual laminating and vacuum bagging techniques to achieve optimal fiber volume fractions. Jute, Flax and Fique were used for static characterizations. Jute-biopoxy was discarded due its mechanical properties and Flax was used as a reference fiber. Dynamic characterization was performed to fique-biopoxy composite. The strain-life curve was determined through dynamic tests, facilitating the identification of suitable fatigue limits. The finite element method (FEM) is employed to analyze the structural behavior of the bio-composite wind turbine blade. The study incorporates isotropic and anisotropic models, evaluating ply orientation and internal rib positioning to enhance stiffness and reduce stress concentrations. Computational models are validated through flexion tests and digital image correlation (DIC) achieving 0.68% difference between experimental and numerical model. Results reveal significant improvements in mechanical properties achieved through the integration of fique and flax fibers. Young modulus enhancements of 27.0% and 43.7%, respectively, validate the success of the manufacturing process. The fatigue behavior of the bio-composite is comprehensively analyzed, and the Coffin-Manson equation for fique-biopoxy get values of σ_f^'=12.1 , ε_f^'=0.020, b=-0.804 and c=-0.054. Structural integrity analysis confirms the suitability of the redesigned VAWT blade, showcasing a 2.01 safety factor against ultimate strength and infinite life under resulted strain
dc.description.degreelevelMaestría
dc.description.degreenameMagíster en Ingeniería Mecánica
dc.description.googlescholarhttps://scholar.google.com/citations?user=Uv8JjI4AAAAJ&hl=es
dc.description.orcidhttps://orcid.org/0000-0002-5127-4904
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.instnameUniversidad Industrial de Santander
dc.identifier.reponameUniversidad Industrial de Santander
dc.identifier.repourlhttps://noesis.uis.edu.co
dc.identifier.urihttps://noesis.uis.edu.co/handle/20.500.14071/15527
dc.language.isoeng
dc.publisherUniversidad Industrial de Santander
dc.publisher.facultyFacultad de Ingeníerias Fisicomecánicas
dc.publisher.programMaestría en Ingeniería Mecánica
dc.publisher.schoolEscuela de Ingeniería Mecánica
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/embargoedAccess
dc.rights.accessrightsinfo:eu-repo/semantics/openAccess
dc.rights.coarhttp://purl.org/coar/access_right/c_f1cf
dc.rights.creativecommonsAtribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
dc.rights.licenseAtribución-NoComercial-SinDerivadas 2.5 Colombia (CC BY-NC-ND 2.5 CO)
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectBio-compuesto
dc.subjectRotor de turbina eólica
dc.subjectFibras naturales
dc.subjectAnálisis estructural
dc.subjectMétodo de los elementos finitos
dc.subject.keywordBio-Composite
dc.subject.keywordWind Turbine Rotor
dc.subject.keywordNatural Fiber
dc.subject.keywordStructural Analysis
dc.subject.keywordFinite Element Method
dc.titleIntegridad estructural del rotor de una turbina eólica de eje vertical hecho de material bio-compuesto
dc.title.englishStructural Integrity of a VAWT Rotor Made of Bio-Composite Material
dc.type.coarhttp://purl.org/coar/resource_type/c_bdcc
dc.type.hasversionhttp://purl.org/coar/version/c_b1a7d7d4d402bcce
dc.type.localTesis/Trabajo de grado - Monografía - Maestría
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