Design and manufacture of a wind turbine rotor using fique fibre reinforced composite materials

Abstract

Micro wind power generation is one of the possible solutions to bring energy to the Non-Interconnected Zones (ZNI) of the Colombian Caribbean. To reduce the manufacturing costs and encourage the use of wind energy in these ZNI, this thesis aims to design and manufacture the rotor of a low-scale turbine using cheap composite materials reinforced with fique fibres. The wind turbine designed by WindAid, an NGO that installs wind energy in rural communities in Peru, was used as a starting point to meet the objectives of the thesis. The geometrical design of the rotor was optimised using an analytical model capable of maximizing the aerodynamic power generated. On the other hand, the critical load conditions of the rotor in La Guajira were established, following the recommendations of British Standard 61400-2. The first approximation of the rotor structural design was made by applying the finite element method FEM and using traditional composite materials with glass and carbon fibre. Once the prototype was manufactured, the structural design was experimentally validated using an instrumented bending test on the blades, obtaining differences of less than 7% with the numerical model. Subsequently, a composite material reinforced with a standardised fique fibre fabric was developed. Different modifications were made to the matrix and fibres to improve the material mechanical properties evaluated using tensile tests. Moreover, the failure mode of the composites was studied using computed tomography. As a result, a standardised composite with a strength of 111MPa and an elastic modulus of 6.1GPa was obtained. Finally, a blade design using fique fibres was evaluated using the FEM, and a test prototype was manufactured using the vacuum bag infusion method. The design with fique fibres proved to withstand the average turbine operating conditions in La Guajira. Furthermore, with the replacement of the synthetic fibres with natural fibres, the raw material cost was decreased sixfold, and its environmental impact was reduced.

La micro generación de energía eólica es una de las posibles soluciones para llevar energía a las Zonas No Interconectadas (ZNI) a la red de energía del caribe colombiano. Para disminuir los costos de fabricación e incentivar el uso de la energía eólica de estas ZNI, esta tesis tiene como objetivo diseñar y manufacturar el rotor de una turbina de baja escala utilizando materiales compuestos baratos reforzados con fibras de fique. La turbina eólica diseñada por WindAid, una ONG que instala energía eólica en comunidades rurales de Perú, se utilizó como punto de partida para cumplir con objetivos de la tesis. El diseño geométrico del rotor se optimizó utilizando un modelo analítico capaz de aumentar la potencia aerodinámica generada. Por otro lado, se establecieron las condiciones críticas de carga del rotor en La Guajira, siguiendo las recomendaciones de la Norma Británica 61400-2. La primera aproximación del diseño estructural del rotor se hizo aplicando el método de los elementos finitos MEF y utilizando materiales compuestos tradicionales con fibra de vidrio y carbono. Una vez fabricado el prototipo, se validó experimentalmente el diseño estructural utilizando un ensayó de flexión instrumentado en los álabes, obteniendo diferencias menores al 7% con el modelo numérico. Posteriormente, se desarrolló un material compuesto reforzado con un tejido de fibra de fique estandarizado. Para mejorar las propiedades mecánicas del material, se realizaron diferentes modificaciones a la matriz y las fibras las cuales fueron evaluadas en ensayos de tensión. Adicionalmente, el modo de fallo de los compuestos se estudió utilizando tomografías computarizadas. Como resultado, se obtuvo un composite estandarizado con una resistencia de 111MPa y un módulo elástico de 6.1GPa. Finalmente, se evaluó un diseño de álabes utilizando fibras de fique mediante el MEF, y se fabricó un prototipo de prueba utilizando el método de infusión en bolsa de vacío. El diseño con fibras de fique demostró soportar las condiciones promedio de operación de la turbina en La Guajira. Además, con la sustitución de las fibras sintéticas por fibras naturales, se disminuyó seis veces el costo de las materias primas y se redujo su impacto ambiental. (Texto tomado de la fuente)