As turbinas eólicas são dispositivos que extraem a energia cinética do vento e a convertem em energia mecânica, que é depois convertida na forma mais utilizável de energia eléctrica.
Energy harnessed from the wind fornece actualmente cerca de 10% do fornecimento de energia do mundo, com a sua presença no sector das energias renováveis apenas projectada para aumentar à medida que o seu potencial é realizado. A fim de permanecer competitivo com as tecnologias existentes, a otimização da eficiência das turbinas eólicas é crucial e ditada pelo projeto de engenharia complementado pela escolha criteriosa dos materiais. Além disso, os materiais devem ser duráveis, idealmente recicláveis e de baixo custo em termos de fabricação, para não compensar o impacto ambiental positivo e as vantagens econômicas da energia eólica.
Um aerogerador consiste em três componentes principais: a torre, nacela e pás do rotor.
Fig 1. A Dinamarca é um forte defensor da energia eólica, com turbinas eólicas aparecendo mesmo nas Ilhas Faroe.
Tower
A torre fornece suporte estrutural sobre o qual a nacela e as pás do rotor e é feita de aço tubular, concreto, ou treliça de aço. Naturalmente, os materiais devem ser fortes e robustos na natureza para suportar condições ambientais adversas e ventos fortes.
- AS 1302 Grau 230S laminado (barra de reforço de concreto) barra
Nacele
A nacele abriga a maquinaria interna incluindo o gerador, que converte a energia mecânica em energia elétrica. Como a nacele contém principalmente partes mecânicas do funcionamento do aerogerador, os materiais não estão particularmente sujeitos a muitos desvios e variações.
Fig 2. Dentro dos componentes mecânicos da nacela de uma turbina eólica.
Pás do motor
O rotor gera torque aerodinâmico a partir do vento com o seu movimento de rotação à medida que as pás giram. A otimização da forma e do material das pás deve permitir que a pá gire mais rápido e capture o vento a velocidades mais baixas para aumentar a eficiência da turbina. A forma da pá do rotor deve ser aerodinâmica, muito parecida com as asas de um avião. O material das pás deve melhorar em vez de dificultar sua aerodinâmica e cumprir os seguintes critérios: alta rigidez para uma aerodinâmica ótima, baixa densidade para reduzir as forças gravitacionais e longa vida útil de fadiga para reduzir a degradação do material. Uma vida útil de 20 anos é geralmente o padrão da indústria para uma longa vida de fadiga, que sustenta 108-109 ciclos de tensão que o material pode suportar antes da falha.
Ao avaliar as amplas categorias de materiais disponíveis, espumas, polímeros e borrachas são eliminados devido à sua rigidez e densidade inadequadas para uma viga cantilever servindo como modelo para a pá do rotor. As cerâmicas não suportam bem cargas de fadiga de longa duração, o que significa que elas podem se fraturar facilmente. Isto deixa madeiras e compósitos que satisfazem estes requisitos de material. A madeira é uma opção amiga do ambiente com a vantagem de ter densidades baixas. No entanto, a sua baixa rigidez torna o material susceptível a flexões e deflexões no vento, comprometendo gravemente a eficiência global da turbina. Os materiais compósitos continuam a ser a escolha mais prática e prevalecente. Dentro desta família de materiais, uma rica variedade de possibilidades inovadoras é explorada.
Fig 3. As pás do rotor que se preparam para ser montadas.
Fibras
Materiais fibrosos são caracterizados pelo facto de serem significativamente mais compridos do que largos. A excepcional resistência e rigidez das fibras as torna excelentes candidatas a materiais de lâminas de turbina, onde as fibras longas proporcionam rigidez longitudinal quando alinhadas paralelamente ao longo do comprimento da lâmina. As fibras são frequentemente quebradiças e podem quebrar facilmente, por isso não são utilizadas sozinhas como material, mas sim como reforços aditivos.
As fibras de carbono têm propriedades mecânicas superiores com alta rigidez, alta resistência e baixa densidade, embora juntamente com custos mais elevados. Elas são compostas de átomos de carbono puro como unidades de repetição hexagonais em uma malha cristalográfica disposta uma sobre a outra em planos, com forças fortes dentro do plano e forças fracas entre elas. Isto dá origem a alta anisotropia com alta rigidez e propriedades de expansão térmica. A baixa densidade das pás de fibra de carbono oferece maior comprimento sem a carga de aumento de peso, aumentando assim a eficiência da turbina. Além disso, as lâminas mais leves reduzem o peso total e a tensão que a nacela carrega.
Fibras de vidro estão disponíveis a um custo menor em comparação com suas contrapartidas de carbono, e são, portanto, mais prevalentes na indústria. Elas são compostas principalmente de SiO2 e Al2O3, com outros óxidos presentes em pequenas quantidades. Como não há ordem cristalográfica, o material tem uma estrutura amorfa com propriedades isotrópicas. Isto significa que suas propriedades como rigidez e expansão térmica são consistentes ao longo e através da fibra. As fibras de vidro são de 10-20 μm de diâmetro e são de rigidez moderada, alta resistência e densidade moderada. Saiba mais sobre o vidro de aluminossilicato aqui.
- E-glass, ou vidro elétrico feito de alumino-borossilicato caracterizado por sua alta resistência elétrica.
- S-glass, ou vidro de alta resistência feito de aluminosilicato de magnésio, mas com custos mais altos.
Fibras de aramida são fibras sintéticas altamente resistentes ao calor, tornando-as adequadas para turbinas eólicas que operam em temperaturas extremas. As fibras são compostas por cadeias de poliamida aromática mantidas juntas por fortes ligações de hidrogênio que contribuem para a tenacidade da fibra.
Matriz de polímero
A matriz de polímero fornece suporte estrutural ligando as fibras entre si e consiste em duas classes principais: termofixos e termoplásticos. A principal diferença física entre eles é o seu comportamento em diferentes temperaturas. Você pode aprender mais sobre as diferenças aqui.
Os termoplásticos contêm polímeros fortemente reticulados entre si em ligações químicas irreversíveis. Isto torna-os resistentes a altas temperaturas e permanecem em um estado sólido permanente uma vez resfriados. Isto pode eventualmente dar origem a tensões internas na estrutura composta. Exemplos de polímeros termofixos são os seguintes:
- Poliésteres insaturados: Polietileno tereftalato geral, amorfo
- Viniléteres: Éster vinílico geral (VE)
- Epoxies: Epóxidos gerais; Epoxídicos (EP+GF25+MD45), (EP+GF30+MD20)
Termoplásticos contêm polímeros que carecem destas fortes ligações químicas para que as interacções sejam reversíveis. Eles amolecem quando reaquecidos, permitindo a possibilidade de remodelação e reparação quando necessário. No entanto, esta propriedade também os faz derreter sob altas temperaturas, tornando-os impraticáveis para algumas das condições adversas que as turbinas eólicas devem suportar.
- Acrilnitrilo-butadieno-estireno + Policarbonato (ASA+PC)
Quando combinados, as fibras e a matriz polimérica formam um material composto com propriedades químicas e físicas diferentes das dos seus constituintes individuais. O material resultante é reforçado com propriedades complementares que compensam os déficits no outro. Os materiais compósitos com fibras comuns usados nas lâminas das turbinas são com vidro e carbono. As fibras longas proporcionam rigidez e resistência, enquanto a matriz de polímero suporta as fibras, proporcionando resistência fora do plano, flexibilidade, resistência à fratura e maior rigidez. Em uma composição e combinação otimizadas, as lâminas resultantes são leves com excelentes propriedades mecânicas.
- Poliamida Geral 4T (PA4T+GF30), material composto reforçado com 30% de fibra de vidro
