Los aerogeneradores son dispositivos que extraen la energía cinética del viento y la convierten en energía mecánica, que a su vez se transforma en la forma más utilizable de energía eléctrica.
La energía aprovechada por el viento proporciona en la actualidad aproximadamente el 10% del suministro energético mundial, y se prevé que su presencia en el sector de las energías renovables aumente a medida que se aproveche su potencial. Para seguir siendo competitivos con las tecnologías existentes, la optimización de la eficiencia de los aerogeneradores es crucial y viene dictada por un diseño de ingeniería complementado con una elección juiciosa de los materiales. Además, los materiales deben ser duraderos, idealmente reciclables, y de bajo coste de fabricación para no contrarrestar el impacto ambiental positivo y las ventajas económicas de la energía eólica.
Un aerogenerador consta de tres componentes principales: la torre, la góndola y las palas del rotor.
Fig 1. Dinamarca es un gran defensor de la energía eólica, con turbinas eólicas que incluso aparecen en las Islas Feroe.
Torre
La torre proporciona un soporte estructural sobre el que se apoyan la góndola y las palas del rotor y está hecha de acero tubular, hormigón o celosía de acero. Naturalmente, los materiales deben ser resistentes y robustos para soportar las duras condiciones ambientales y los fuertes vientos.
- Barra laminada (barra de refuerzo del hormigón) de grado 230S
Góndola
La góndola alberga la maquinaria interna, incluido el generador, que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Como la góndola contiene la mayoría de las partes mecánicas del funcionamiento del aerogenerador, los materiales no están especialmente sujetos a muchas desviaciones y variaciones.
Fig 2. Interior de los componentes mecánicos de la góndola de un aerogenerador.
Palas del rotor
El rotor genera un par aerodinámico a partir del viento con su movimiento de rotación al girar las palas. La optimización de la forma y el material de las palas debe permitir que la pala gire más rápido y capture el viento a menor velocidad para aumentar la eficiencia de la turbina. La forma de la pala del rotor debe ser aerodinámica, como las alas de un avión. El material de las palas debe mejorar su aerodinámica en lugar de entorpecerla y cumplir los siguientes criterios: alta rigidez para una aerodinámica óptima, baja densidad para reducir las fuerzas gravitatorias y larga vida útil a la fatiga para reducir la degradación del material. Una vida útil de 20 años suele ser la norma de la industria para una larga vida a la fatiga, que sostiene 108-109 ciclos de tensión que el material puede soportar antes de fallar.
Al evaluar las amplias categorías de materiales disponibles, se eliminan las espumas, los polímeros y los cauchos debido a su rigidez y densidad inadecuadas para una viga en voladizo que sirve de modelo para la pala del rotor. La cerámica no resiste bien las cargas de fatiga de larga duración, lo que significa que puede fracturarse fácilmente. Por lo tanto, sólo quedan las maderas y los materiales compuestos que satisfacen estos requisitos. La madera es una opción respetuosa con el medio ambiente y tiene la ventaja de tener bajas densidades. Sin embargo, su baja rigidez hace que el material sea susceptible a la flexión y a las deformaciones del viento, lo que compromete gravemente la eficiencia global de la turbina. Los materiales compuestos siguen siendo la opción más práctica y extendida. Dentro de esta familia de materiales, se explora una rica variedad de posibilidades innovadoras.
Fig 3. Palas de rotor preparándose para su montaje.
Fibras
Los materiales fibrosos se caracterizan por ser significativamente más largos que anchos. La excepcional resistencia y rigidez de las fibras las convierten en excelentes candidatos para los materiales de los álabes de las turbinas, donde las fibras largas proporcionan rigidez longitudinal cuando se alinean en paralelo a lo largo del álabe. Las fibras suelen ser frágiles y pueden romperse con facilidad, por lo que no se utilizan solas como material, sino como refuerzos aditivos.
Las fibras de carbono tienen unas propiedades mecánicas superiores, con gran rigidez, alta resistencia y baja densidad, aunque con un coste más elevado. Están compuestas por átomos de carbono puro como unidades repetitivas hexagonales en una red cristalográfica dispuesta una encima de otra en planos, con fuerzas fuertes dentro del plano y fuerzas débiles entre ellos. Esto da lugar a una gran anisotropía con altas propiedades de rigidez y expansión térmica. La baja densidad de las palas de fibra de carbono ofrece una mayor longitud sin la carga de un mayor peso, lo que aumenta la eficiencia de la turbina. Además, los álabes más ligeros reducen el peso total y la tensión que soporta la góndola.
Las fibras de vidrio están disponibles a un coste menor en comparación con sus homólogas de carbono, por lo que son más frecuentes en la industria. Están compuestas principalmente por SiO2 y Al2O3, con otros óxidos presentes en pequeñas cantidades. Al no existir orden cristalográfico, el material tiene una estructura amorfa con propiedades isotrópicas. Esto significa que sus propiedades, como la rigidez y la expansión térmica, son constantes a lo largo y ancho de la fibra. Las fibras de vidrio tienen entre 10 y 20 μm de diámetro y son de rigidez moderada, alta resistencia y densidad moderada. Obtenga más información sobre el vidrio de aluminosilicato aquí.
- Vidrio E, o vidrio eléctrico hecho de aluminosilicato caracterizado por su alta resistencia eléctrica.
- Vidrio S, o vidrio de alta resistencia hecho de aluminosilicato de magnesio pero con costes más elevados.
Las fibras de aramida son fibras sintéticas muy resistentes al calor, lo que las hace adecuadas para las turbinas eólicas que operan en temperaturas extremas. Las fibras están compuestas por cadenas de poliamida aromática unidas por fuertes enlaces de hidrógeno que contribuyen a la tenacidad de la fibra.
Matriz polimérica
La matriz polimérica proporciona soporte estructural al unir las fibras y consta de dos clases principales: termoestables y termoplásticos. La principal diferencia física entre ellos es su comportamiento a diferentes temperaturas. Puede obtener más información sobre las diferencias aquí.
Los termoestables contienen polímeros fuertemente reticulados en enlaces químicos irreversibles. Esto los hace resistentes a las altas temperaturas y permanecen en un estado sólido permanente una vez enfriados. Esto puede dar lugar a tensiones internas en la estructura del compuesto. Los ejemplos de polímeros termoestables son los siguientes:
- Poliésteres no saturados: General Tereftalato de polietileno, amorfo
- Viniléteres: General Ésteres de vinilo (VE)
- Epoxis: General Epoxide; Epoxy (EP+GF25+MD45), (EP+GF30+MD20)
Los termoplásticos contienen polímeros que carecen de estos enlaces químicos fuertes, de modo que las interacciones son reversibles. Se ablandan cuando se recalientan, lo que permite la posibilidad de volver a moldear y reparar cuando sea necesario. Sin embargo, esta propiedad también hace que se fundan a altas temperaturas, lo que los hace poco prácticos para algunas de las duras condiciones que deben soportar los aerogeneradores.
- General Acrilonitrilo-butadieno-estireno + Policarbonato (ASA+PC)
Cuando se combinan, las fibras y la matriz polimérica forman un material compuesto con propiedades químicas y físicas diferentes a las de sus componentes individuales. El material resultante está reforzado con propiedades complementarias que compensan los déficits del otro. Los materiales compuestos que contienen fibras y que se utilizan habitualmente en los álabes de las turbinas son el vidrio y el carbono. Las fibras largas aportan rigidez y resistencia, mientras que la matriz polimérica apoya a las fibras aportando resistencia fuera del plano, flexibilidad, resistencia a la fractura y mayor rigidez. En una composición y combinación optimizadas, los álabes resultantes son ligeros con excelentes propiedades mecánicas.
- Poliamida general 4T (PA4T+GF30), material compuesto reforzado con un 30% de fibra de vidrio
