Estudo comparativo de pás para aerogeradores de grande porte fabricadas em materiais compósitos reforçadas com fibra de carbono ou fibra de vidro

The research and development of wind turbine blades are essential to keep pace with worldwide growth in the renewable energy sector. Although currently blades are typically produced using glass fiber reinforced composite materials, the tendency for larger size blades, particularly for offshore applications, has increased the interest on carbon fiber reinforced composites because of the potential for increased stiffness and weight reduction. In this study a model of blade designed for large generators (5 MW) was studied on a small scale. A numerical simulation was performed to determine the aerodynamic loading using a Computational Fluid Dynamics (CFD) software. Two blades were then designed and manufactured using epoxy matrix composites: one reinforced with glass fibers and the other with carbon fibers. For the structural calculations, maximum stress failure criterion was adopted. The blades were manufactured by Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM), typical for this type of component. A weight comparison of the two blades was performed and the weight of the carbon fiber blade was approximately 45% of the weight of the fiberglass reinforced blade. Static bending tests were carried out on the blades for various percentages of the design load and deflections measurements were compared with the values obtained from finite element simulations. A good agreement was observed between the measured and calculated deflections. In summary, the results of this study confirm that the low density combined with high mechanical properties of carbon fibers are particularly attractive for the production of large size wind turbine blades

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

A pesquisa e desenvolvimento de pás de aerogeradores são fundamentais para acompanhar o crescimento no setor de energias renováveis em todo mundo. Apesar das pás atualmente serem produzidas tipicamente com materiais compósitos reforçados com fibras de vidro, a tendência de aumento no tamanho das pás, especialmente no setor offshore, cresce também o interesse por materiais compósitos reforçados com fibras de carbono, devido às suas propriedades, como elevado módulo de elasticidade combinado com baixa densidade. Nesse trabalho um modelo de pá desenvolvido para geradores de grande porte (5 MW) foi estudado em escala reduzida. Foram realizados estudos numéricos empregando técnicas de Computational Fluid Dynamics (CFD) para determinar o carregamento aerodinâmico na pá. Foram projetadas e fabricadas duas pás com materiais compósitos de matriz epóxi, sendo uma pá com reforço de fibras de vidro e outra com fibras de carbono. Para os cálculos estruturais, foi adotado o critério de falha por tensão máxima. As pás foram fabricadas pelo processo de Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM), típico para este tipo de componente. Uma comparação do peso das duas pás foi realizada, e a pá de fibra de carbono apresentou 45% do peso da pá de fibra de vidro. Ensaios estáticos de flexão foram realizados nas pás para vários percentuais do carregamento de projeto e as deflexões medidas foram comparadas com os valores obtidos nas simulações numéricas por elementos finitos. Uma boa concordância foi observada entre os valores de deflexão medidos e calculados. Em resumo, os resultados obtidos neste trabalho confirmam que a baixa densidade combinada com elevadas propriedades mecânicas das fibras de carbono são atrativas para a produção de pás de aerogeradores de grande porte