La progettazione strutturale di una pala è strettamente collegata al metodo di costruzione in quanto entrambi devono essere tenuti presenti per consentire la produzione di una pala economicamente vantaggiosa e affidabile. Vi sono due approcci principali alla costruzione di pale per turbine eoliche, il pre-impregnato e l’infusione. Sebbene i due metodi possano essere usati entrambi per realizzare i due design strutturali comuni, il pre-impregnato è attualmente quasi esclusivamente utilizzato per realizzare il design dello scatolato del longherone.
Costi di produzione
La scelta del processo di costruzione, che fornisca le migliori e più complete prestazioni e costi, è soggetta a una gran mole di dibattiti all’interno dell’industria eolica. Il processo di infusione è comunemente percepito come quello più economico per via dei minori costi della distinta base (Bill of Materials - BOM). Tuttavia, le pale in pre-impregnato consentono un più alto livello di automazione e un processo più uniforme, e offrono la possibilità di ridurre il peso delle pale. Una pala meno pesante riduce il carico sia sulla pala sia sul generatore, offrendo la possibilità di ridurre anche i costi e l’usura sugli altri componenti dell’aerogeneratore. Pertanto, il dibattito sulle prestazioni e i costi di una pala deve tenere presenti molti aspetti secondari oltre alla distinta base.
Processi di costruzione delle pale per turbine eoliche
(I) Tecnologia di infusione della resina
Il principio generale dell’infusione è "assorbire" la resina nelle fibre e nei tessuti da rinforzare usando il vuoto. Il vuoto riduce la pressione ad un’estremità degli strati di tessuto consentendo alla pressione atmosferica di spingere la resina attraverso gli strati di tessuto. La velocità e la distanza alle quali si può riempire una pila di tessuti dipendono dai seguenti parametri:
- La viscosità del sistema di resina
- La permeabilità degli strati di tessuto
- Il gradiente di pressione che agisce sulla resina infusa
Diagramma della tecnologia di infusione della resina
Infusione delle pale per turbine eoliche
La pala di una turbina eolica è adatta al processo di infusione in quanto la geometria della scocca delle pale non contiene dettagli strutturali complessi. Tuttavia, le grandi dimensioni della componente scocca, l’inclusione dell’anima in determinate aree per formare strutture sandwich, l’inerente difficoltà implicita nell’infusione di fibre unidirezionali nella punta del longherone, e le richieste sulla produzione ottenuta dagli stampi, pongono altre sfide.
(II) Tecnologia del pre-impregnato
La "pre-impregnazione" (abbreviata in prepreg) è il processo per cui uno strato di fibre o tessuto viene impregnato con una resina a formare un precursore omogeneo che è successivamente usato per realizzare componenti compositi. Le resine utilizzate per realizzare i pre-impregnati hanno viscosità intrinsecamente elevate e sono pertanto solide a temperature ambiente, consentendo la semplice manipolazione, taglio e formatura nello stampo senza alcun trasferimento o contaminazione dalla resina. Una volta nello stampo, i pre-impregnati sono quindi polimerizzati sottovuoto a temperature elevate, normalmente fra 80° e 120°C nelle applicazioni industriali.
Diagramma tecnologia dei pre-impregnati
Resine ad alte prestazioni
I pre-impregnati sono spesso forniti in formato a bobina e offrono i vantaggi dei contenuti di resina ad elevato controllo, resine a prestazioni migliori rispetto a quelle ottenute per infusione o sistemi bagnati, allineamento controllato delle fibre in prodotti unidirezionali e rapidi tassi di deposito unitamente a capacità di automazione. Tuttavia, in conseguenza dell’inclusione di resine a più alte prestazioni, la necessità di conservazione e spedizione in refrigeratori, e la fase di lavorazione supplementare del "pre-preimpregnato", i pre-impegnati sono più costosi (al chilo) rispetto alla resina e ai rinforzi del processo di infusione. Inoltre, le più elevate temperature di lavorazione richieste per i pre-impegnati possono anche aumentare i costi delle attrezzature.
(III) Tecnologia SPRINT®
SPRINT® è un gruppo prodotto pre-impregnato che è stato sviluppato specificatamente per grandi strutture. Con l’aumentare dello spessore dei laminati e delle dimensioni dei componenti, il problema di rimuovere l’aria intrappolata fra gli strati di pre-impregnato ha assunto una nuova importanza.
SPRINT® differisce dai pre-impregnati convenzionali per il modo in cui le fibre e la resina sono combinati. In un pre-impregnato tradizionale, le fibre sono completamente impregnate dalla resina, ma SPRINT® mantiene le fibre il più asciutte possibile, soprattutto nelle superfici esterne. SPRINT® è realizzato in diversi formati ma i più comuni sono quelli a "due facce" (due tessuti asciutti su entrambi i lati di un film di resina), e quelli "a una faccia" (un tessuto asciutto unito ad un film di resina).
Il concetto dietro alla tecnologia SPRINT®
SPRINT® è un gruppo prodotto che combina i vantaggi della tecnologia dell’infusione e dei pre-impregnati. Il processo di infusione è in grado di produrre laminati molto spessi e di alta qualità (in assenza d’aria), in un’unica operazione. Tuttavia, la variabilità del processo può diventare un problema importante per le grandi strutture, in quanto la resina deve essere spostata per notevoli distanze. Il processo di pre-impregnazione utilizza sistemi di resina a prestazioni più elevate, consente un preciso allineamento delle fibre e offre la possibilità di evitare inutili sprechi di resina usando solo la quantità necessaria nel componente finale, ma è limitato relativamente alla sua capacità di rimuovere l’aria nei laminati spessi. SPRINT® è la sigla di SP Resin INfusion Technology e trae il suo nome dal fatto che utilizza una tecnologia avanzata di pre-impregnazione della resina per impregnare le strutture dei laminati.