Implementación de nuevos composites basados en resinas termoplásticas fácilmente reciclables en palas de aerogeneradores

[ES] Los primeros parques eólicos instalados en España están llegando al final de su vida útil, después de 20-25 años en funcionamiento, y se sabe que entre un 85-90% del peso de un aerogenerador es viable su reciclaje o su reutilización. Uno de los hándicaps que se han detectado es la dificultad de...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Carnicero Gómez, Rafael
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2025
País:España
Institución:Universitat Politècnica de València (UPV)
Repositorio:RiuNet. Repositorio Institucional de la Universitat Politécnica de Valéncia
Idioma:español
OAI Identifier:oai:riunet.upv.es:10251/231302
Acceso en línea:https://riunet.upv.es/handle/10251/231302
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Wind turbine blade
Thermoplastic resin
Composites
Structural testing
Manufacturing
07.- Asegurar el acceso a energías asequibles, fiables, sostenibles y modernas para todos
12.- Garantizar las pautas de consumo y de producción sostenibles
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Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeroespacial y Diseño Industrial
Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales
Instituto de Diseño para la Fabricación y Producción Automatizada
Agencia Estatal de Investigación
Ministerio de Ciencia e Innovación
Repositorio Institucional de la Universitat Politècnica de València Riunet
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description [ES] Los primeros parques eólicos instalados en España están llegando al final de su vida útil, después de 20-25 años en funcionamiento, y se sabe que entre un 85-90% del peso de un aerogenerador es viable su reciclaje o su reutilización. Uno de los hándicaps que se han detectado es la dificultad de reciclar las palas de los aerogeneradores, debido a su composición de materiales compuestos, principalmente con fibras de vidrio y matrices poliméricas del tipo termoestables. Estas resinas termoestables hacen difícil el reciclaje de los materiales compuestos. Esta tesis doctoral trata de introducir una matriz polimérica del tipo termoplástica llamada Akelite, desarrollada y patentada por ICTP-CSIC, en la fabricación de palas de aerogeneradores, en sustitución de las actuales matrices poliméricas termoestables. Teniendo en cuenta que las propiedades mecánicas de los materiales compuestos fabricados con fibras de vidrio y resina termoestable son similares a los fabricados con resinas termoplásticas, estas últimas gozan de otras cualidades como son su fácil reciclabilidad, unión de composites aplicándoles calor y presión, etc. Durante el trabajo de investigación desarrollado, se ha diseñado una pala de 2 metros de longitud y se ha realizado simulaciones numéricas de su comportamiento mediante el método de elementos finitos para la previsión de las tensiones y deformaciones internas. Después se ha diseñado el molde de la pala, se ha fabricado mediante impresión aditiva 3d y después se ha mecanizado mediante control numérico. Posteriormente se han fabricado una pala con fibra de vidrio y resina epoxi (pala referencia) y otra pala con fibra de vidrio y resina termoplástica (pala estudio) mediante VARI (Vacuum Assited Resin Infusion). Para ello se ha utilizado un sistema de vacío y estufa industrial. A continuación, se han ensayado dichas palas para estudiar su comportamiento, utilizándose equipos de medida de extensometría y vibraciones, mediante ensayos de propiedades, estáticos y fatiga de acuerdo a la norma IEC 61400-23. Finalmente se ha diseñado un proceso de reciclaje de la pala termoplástica, que posteriormente ha sido optimizado para recuperar los principales componentes de la pala (fibra y resina). Tras la realización de todas estas tareas de investigación, se ha conseguido demostrar que el comportamiento mecánico de la pala de referencia (fabricada con resina termoestable comercial) y la pala de estudio (fabricada con resina termoplástica Akelite) es similar y comparable. Además, se ha conseguido desarrollar un proceso de reciclaje de la pala termoplástica y de recuperación de las principales materias primas usadas en la fabricación de la pala eólica, volviendo a fabricar una pala de segunda generación usando las fibras recuperadas durante el reciclaje.
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Agencia Estatal de Investigación http://dx.doi.org/10.13039/501100011033 Proyectos de I+D+I (Generación de Conocimiento y Retos Investigación) PID2023-151110OB-I00 GENERACION DE TRAYECTORIAS OPTIMAS CON MACHINE LEARNING PARA FABRICACION ADITIVA Y SISTEMAS COMPLEJOS DE TRANSPORTE
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Esta tesis doctoral trata de introducir una matriz polimérica del tipo termoplástica llamada Akelite, desarrollada y patentada por ICTP-CSIC, en la fabricación de palas de aerogeneradores, en sustitución de las actuales matrices poliméricas termoestables. Teniendo en cuenta que las propiedades mecánicas de los materiales compuestos fabricados con fibras de vidrio y resina termoestable son similares a los fabricados con resinas termoplásticas, estas últimas gozan de otras cualidades como son su fácil reciclabilidad, unión de composites aplicándoles calor y presión, etc. Durante el trabajo de investigación desarrollado, se ha diseñado una pala de 2 metros de longitud y se ha realizado simulaciones numéricas de su comportamiento mediante el método de elementos finitos para la previsión de las tensiones y deformaciones internas. Después se ha diseñado el molde de la pala, se ha fabricado mediante impresión aditiva 3d y después se ha mecanizado mediante control numérico. Posteriormente se han fabricado una pala con fibra de vidrio y resina epoxi (pala referencia) y otra pala con fibra de vidrio y resina termoplástica (pala estudio) mediante VARI (Vacuum Assited Resin Infusion). Para ello se ha utilizado un sistema de vacío y estufa industrial. A continuación, se han ensayado dichas palas para estudiar su comportamiento, utilizándose equipos de medida de extensometría y vibraciones, mediante ensayos de propiedades, estáticos y fatiga de acuerdo a la norma IEC 61400-23. Finalmente se ha diseñado un proceso de reciclaje de la pala termoplástica, que posteriormente ha sido optimizado para recuperar los principales componentes de la pala (fibra y resina). Tras la realización de todas estas tareas de investigación, se ha conseguido demostrar que el comportamiento mecánico de la pala de referencia (fabricada con resina termoestable comercial) y la pala de estudio (fabricada con resina termoplástica Akelite) es similar y comparable. Además, se ha conseguido desarrollar un proceso de reciclaje de la pala termoplástica y de recuperación de las principales materias primas usadas en la fabricación de la pala eólica, volviendo a fabricar una pala de segunda generación usando las fibras recuperadas durante el reciclaje.[CA] Els primers parcs eòlics instal·lats a Espanya estan arribant al final de la seua vida útil, després de 20-25 anys en funcionament, i se sap que entre un 85-90% del pes d'un aerogenerador és viable el seu reciclatge o la seua reutilització. Un dels hàndicaps que s'han detectat és la dificultat de reciclar les pales dels aerogeneradors, a causa de la seua composició de materials compostos, principalment amb fibres de vidre i matrius polimèriques del tipus termoestables. Estes resines termoestables fan difícil el reciclatge dels materials compostos. Esta tesi doctoral tracta d'introduir una matriu polimèrica del tipus termoplàstica anomenada *Akelite, desenrotllada i patentada per *ICTP-CSIC, en la fabricació de pales d'aerogeneradors, en substitució de les actuals matrius polimèriques termoestables. Tenint en compte que les propietats mecàniques dels materials compostos fabricats amb fibres de vidre i resina termoestable són similars als fabricats amb resines termoplàstiques, estes últimes gaudixen d'altres qualitats com són la seua fàcil reciclabilitat, unió de compòsits aplicant-los calor i pressió, etc. Durant el treball d'investigació desenrotllat, s'ha dissenyat una pala de 2 metres de longitud i s'ha realitzat simulacions numèriques del seu comportament mitjançant el mètode d'elements finits per a la previsió de les tensions i deformacions internes. Després s'ha dissenyat el motle de la pala, s'ha fabricat mitjançant impressió additiva *3d i després s'ha mecanitzat mitjançant control numèric. Posteriorment s'han fabricat una pala amb fibra de vidre i resina epoxi (pala referencia) i una altra pala amb fibra de vidre i resina termoplàstica (pala estudie) mitjançant *VARI (*Vacuum *Assited *Resin *Infusion). Per a això s'ha utilitzat un sistema de buit i estufa industrial. A continuació, s'han assajat estes pales per a estudiar el seu comportament, utilitzant-se equips de mesura de *extensometría i vibracions, mitjançant assajos de propietats, estàtics i fatiga d'acord amb la norma IEC 61400-23. Finalment s'ha dissenyat un procés de reciclatge de la pala termoplàstica, que posteriorment ha sigut optimitzat per a recuperar els principals components de la pala (fibra i resina). Després de la realització de totes estes tasques d'investigació, s'ha aconseguit demostrar que el comportament mecànic de la pala de referència (fabricada amb resina termoestable comercial) i la pala d'estudi (fabricada amb resina termoplàstica *Akelite) és similar i comparable. A més, s'ha aconseguit desenrotllar un procés de reciclatge de la pala termoplàstica i de recuperació de les principals matèries primeres usades en la fabricació de la pala eòlica, tornant a fabricar una pala de segona generació usant les fibres recuperades durant el reciclatge.[EN] The first wind farms installed in Spain are reaching the end of their useful life, after 20-25 years of operation, and it is known that between 85-90% of a wind turbine's weight can be recycled or reused. One of the challenges identified is the difficulty in recycling wind turbine blades, due to their composite materials, primarily composed of glass fibres and thermosetting polymer matrix. These thermosetting resins make recycling composite materials difficult. This doctoral thesis seeks to introduce a thermoplastic polymer matrix called Akelite, developed and patented by ICTP-CSIC, into the manufacture of wind turbine blades, replacing the current thermosetting polymer matrix. Considering that the mechanical properties of composite materials made with glass fibres and thermosetting resin are similar to those made with thermoplastic resins, the latter boast other qualities such as easy recyclability, the ability to bond composites by applying heat and pressure, etc. During the research project, a 2-meter-long blade was designed, and numerical simulations of its behaviour were performed using the finite element method to predict internal stresses and deformations. The blade mould was then designed, manufactured using additive 3D printing, and then machined using numerical control CNC. A blade was subsequently manufactured with fiberglass and epoxy resin (the reference blade) and another blade with fiberglass and thermoplastic resin (the study blade) using VARI (Vacuum-Assisted Resin Infusion). This process involved using an industrial vacuum system and oven. These blades were then tested to study their behaviour using extensometer and vibration measurement equipment, using property, static, and fatigue tests in accordance with the IEC 61400-23 standard. Finally, a thermoplastic blade recycling process was designed and subsequently optimized to recover the blade's main components (fibre and resin). After completing all these research tasks, it was possible to demonstrate that the mechanical behaviour of the reference blade (made with commercial thermosetting resin) and the study blade (made with Akelite thermoplastic resin) are similar and comparable. Furthermore, a process was developed for recycling the thermoplastic blade and recovering the main raw materials used in the manufacture of the wind turbine blade, producing a second-generation blade using the fibres recovered during recycling.Este trabajo es el resultado de la investigación que he realizado en el proyecto SUSTBLADE (TED2021-130201B-C33) y en el proyecto ADDITIVE (PID2023151110OB-I00) desde el año 2023.Universitat Politècnica de ValènciaGarcía Manrique, Juan AntonioEscuela Técnica Superior de Ingeniería Aeroespacial y Diseño IndustrialDepartamento de Ingeniería Mecánica y de MaterialesInstituto de Diseño para la Fabricación y Producción AutomatizadaAgencia Estatal de InvestigaciónMinisterio de Ciencia e InnovaciónRepositorio Institucional de la Universitat Politècnica de València Riunet20252025-12-3020252025-11-25doctoral thesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06AMhttp://purl.org/coar/version/c_ab4af688f83e57aainfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfhttps://riunet.upv.es/handle/10251/231302reponame:RiuNet. Repositorio Institucional de la Universitat Politécnica de Valénciainstname:Universitat Politècnica de València (UPV)EspañolspaAgencia Estatal de Investigación http://dx.doi.org/10.13039/501100011033 Proyectos Estratégicos Orientados a la Transición Ecológica y a la Transición Digital TED2021-130201B-C33 ANALISIS DE SOSTENIBILIDAD DE UNA PALA PARA TURBINAS EOLICAS COMPLETAMENTE RECICLABLEAgencia Estatal de Investigación http://dx.doi.org/10.13039/501100011033 Proyectos de I+D+I (Generación de Conocimiento y Retos Investigación) PID2023-151110OB-I00 GENERACION DE TRAYECTORIAS OPTIMAS CON MACHINE LEARNING PARA FABRICACION ADITIVA Y SISTEMAS COMPLEJOS DE TRANSPORTEopen accesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Reserva de todos los derechoshttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:riunet.upv.es:10251/2313022026-06-13T07:49:27Z
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