Comportamiento eléctrico de los compuestos de carbono (CFRP): implicaciones para el modelado y fabricación de palas de aerogenerador con elementos estructurales que incorporan compuestos de CFRP

Abstract

(English) Carbon fiber reinforced composites (CFRP) have been introduced in a very significant way in all areas of industry and the wind energy sector has been no exception. Due to the size of today's wind turbines and the operating environment in which they are usually found, this sector is facing a major challenge: protecting these structures against atmospheric discharges. Wind turbine blades (WTB) are the most exposed elements to these phenomena and, given the current dimensions and the expected further growth, it is increasingly common for them to incorporate CFRP composite materials. The electrical behavior of these materials and how to integrate them into the lightning protection system (LPS) still have many issues to be resolved. This thesis presents an extensive experimental study through which we wish to provide knowledge in this direction, in order to better understand the behavior of this type of materials both for their subsequent modeling and for their integration in the LPS of a WTB. Thus, in the central chapters (Chapters 4 and 5) of this thesis, a large number of tests and very detailed procedures will be shown, which will allow, later on, to be reproduced and compared. The first part of the experimentation is oriented towards the determination and characterization of the material, given its anisotropic behavior. All the tests and results shown here allow to know the difficulties in the characterization of this type of materials from the electrical point of view and a procedure is proposed which, given the results obtained, is understood to allow to reach a better quality information. At the same time, given the dependence that all these tests show on the electrical connections with this type of materials, a detailed study on the effect of the connections is also carried out. The second experimental part of this work is oriented towards the study of surface connections on composite materials in order to bond them and integrate them with the LPS. In this case, the dependence of the size of the specimens and the type of current injected are taken into account, since not only direct current is used, but also lightning current pulses are injected. In this way, more comprehensive conclusions can be drawn about the behavior of this type of connections with CFRP composite materials. This document is completed with an introduction and motivation for the development of the thesis (Chapter 1), followed by a detailed review of the structure of WTBs, the composite materials used for their fabrication, a review of the protection standard and modeling techniques (Chapter 2). Chapter 3 is devoted to a review of the materials used, the techniques applied to prepare the material for testing and the measurement methods used to obtain the material characteristics. After all the experimental study and its analysis, some contributions and works carried out in relation to this thesis are shown (Chapter 6) and the document ends with the conclusions and proposals for future works (Chapter 7).

(Español) Los materiales compuestos con refuerzo de fibras de carbono (CFRP) se han introducido de manera muy significativa en todos los ámbitos de la industria y el sector de la energía eólica no ha sido una excepción. Este sector, por las dimensiones que están tomando las turbinas eólicas actuales y por el entorno de funcionamiento donde se suelen encontrar, se enfrenta a un gran reto y es el de proteger estas estructuras frente a las descargas atmosféricas. Las palas de los aerogeneradores (WTB) son los elementos más expuestos a estos fenómenos y, dadas las dimensiones actuales y lo que se espera que sigan creciendo, cada vez es más habitual que incorporen materiales compuestos de CFRP. El comportamiento eléctrico de este tipo de materiales y ver cómo integrarlos en el sistema de protección contra el rayo (LPS) todavía tienen muchos aspectos resolver. Esta tesis presenta un amplio estudio experimental a través del cual se desea aportar conocimiento en esta dirección, en la de entender mejor el comportamiento de este tipo de materiales tanto para su posterior modelado como para su integración en el LPS de una WTB. Así que en los capítulos centrales (Capítulos 4 y 5) de esta tesis se van a mostrar un gran número de ensayos y unos procedimientos muy detallados que permitirán, posteriormente, ser reproducidos y comparados. La primera parte de la experimentación se orienta hacia la determinación y caracterización del material, dado su comportamiento anisotrópico. Todos los ensayos y resultados aquí mostrados permiten conocer las dificultades en la caracterización este tipo de materiales desde el punto de vista eléctrico y se propone un procedimiento que, dados los resultados obtenidos, se entiende permite alcanzar una información de mejor calidad. A su vez, dada la dependencia que muestran todos estos ensayos de las conexiones eléctricas con este tipo de materiales, también se realiza un estudio detallado sobre el efecto de las conexiones. La segunda parte experimental de este trabajo se orienta hacia el estudio de las conexiones superficiales sobre los materiales compuestos con el fin de equipotencializarlos e integrarlos con el LPS. En este caso se tienen en cuenta la dependencia del tamaño de las probetas y el tipo de corriente inyectada, ya que no sólo se trabaja en corriente continua, sino que también se inyectan impulsos de corriente tipo rayo. De esta forma se puede extraer conclusiones más amplias del comportamiento de este tipo de conexiones con los materiales compuestos de CFRP. Esta tesis se completa con una introducción y motivación para el desarrollo de la misma (Capítulo 1), sigue con una revisión detallada de la estructura de las WTB, de los materiales compuestos utilizados para su fabricación, un repaso de la normativa de protección y de las técnicas de modelado (Capítulo 2). El Capítulo 3 se dedica a la revisión de los materiales utilizados, de las técnicas aplicadas para la preparación del material para los ensayos y de los métodos de medida para obtener las características del material. Después de todo el estudio experimental y de su análisis, se muestran algunas aportaciones y trabajos realizados en torno a esta tesis (Capítulo 6) y se finaliza con las conclusiones y propuestas de trabajos futuros (Capítulo 7).