Větrné turbíny jsou zařízení, která získávají kinetickou energii větru a přeměňují ji na mechanickou energii, která se dále přeměňuje na využitelnější formu elektrické energie.
Energie získaná z větru v současné době zajišťuje přibližně 10 % světových dodávek energie, přičemž se předpokládá, že její zastoupení v odvětví obnovitelných zdrojů energie se bude s dalším využíváním jejího potenciálu jen zvyšovat. Pro zachování konkurenceschopnosti se stávajícími technologiemi je zásadní optimalizace účinnosti větrných turbín, která je diktována technickým návrhem doplněným uvážlivým výběrem materiálů. Materiály by navíc měly být trvanlivé, v ideálním případě recyklovatelné a výrobně levné, aby nevyvážily pozitivní dopad na životní prostředí a ekonomické výhody větrné energie.
Větrná turbína se skládá ze tří hlavních součástí: věže, gondoly a rotorových listů.
Obrázek 1: Větrná turbína. Dánsko je velkým zastáncem větrné energie, větrné turbíny se objevily dokonce i na Faerských ostrovech.
Věž
Věž poskytuje konstrukční podporu, na níž stojí gondola a rotorové listy, a je vyrobena z ocelových trubek, betonu nebo ocelových mříží. Tyto materiály musí být přirozeně pevné a robustní, aby odolaly drsným podmínkám prostředí a silnému větru.
- Válcovaná tyč (betonářská výztuž) třídy 230S podle normy AS 1302
Nacelle
V gondole je umístěno vnitřní strojní zařízení včetně generátoru, který přeměňuje mechanickou energii na elektrickou. Vzhledem k tomu, že gondola obsahuje převážně mechanické části pro provoz větrné turbíny, nepodléhají materiály zvláště mnoha odchylkám a odchylkám.
Obr. 2. Materiál gondoly. Vnitřní mechanické součásti gondoly větrné turbíny.
Lopatky rotoru
Rotor svým rotačním pohybem při otáčení lopatek vytváří aerodynamický točivý moment od větru. Optimalizace tvaru a materiálu lopatek by měla umožnit rychlejší otáčení lopatek a zachycení větru při nižších rychlostech, aby se zvýšila účinnost turbíny. Tvar lopatek rotoru musí být aerodynamický, podobně jako křídla letadla. Materiál lopatek musí jejich aerodynamiku spíše zlepšovat než omezovat a musí splňovat následující kritéria: vysoká tuhost pro optimální aerodynamiku, nízká hustota pro snížení gravitačních sil a dlouhá únavová životnost pro snížení degradace materiálu. Dvacetiletá životnost je obvykle průmyslovým standardem pro dlouhou únavovou životnost, která udržuje 108-109 zátěžových cyklů, které materiál zvládne před selháním.
Při vyhodnocování širokých kategorií dostupných materiálů jsou pěny, polymery a pryže vyloučeny z důvodu jejich nedostatečné tuhosti a hustoty pro konzolový nosník sloužící jako model rotorové lopatky. Keramika špatně odolává dlouhodobému únavovému zatížení, což znamená, že se může snadno zlomit. Zbývá tedy dřevo a kompozity, které tyto požadavky na materiál splňují. Dřevo je ekologická varianta, jejíž výhodou je nízká hustota. Jeho nízká tuhost však způsobuje, že materiál je náchylný na ohyb a průhyby ve větru, což vážně ohrožuje celkovou účinnost turbíny. Nejpraktičtější a nejrozšířenější volbou zůstávají kompozitní materiály. V rámci této skupiny materiálů se zkoumá bohatá škála inovativních možností.
Obrázek 3. Lopatky rotoru připravené k montáži.
Vlákna
Vláknité materiály se vyznačují tím, že jsou výrazně delší než široké. Výjimečná pevnost a tuhost vláken z nich činí vynikající kandidáty na materiály pro lopatky turbín, kde dlouhá vlákna zajišťují podélnou tuhost při rovnoběžném uspořádání po délce lopatky. Vlákna jsou často křehká a mohou snadno prasknout, proto se nepoužívají jako samostatný materiál, ale spíše jako přídavné výztuže.
Uhlíková vlákna mají vynikající mechanické vlastnosti s vysokou tuhostí, vysokou pevností a nízkou hustotou, i když spolu s vyššími náklady. Jsou složena z čistých atomů uhlíku jako hexagonálních opakujících se jednotek v krystalografické mřížce uspořádaných nad sebou v rovinách, přičemž uvnitř roviny působí silné síly a mezi nimi slabé síly. To dává vzniknout vysoké anizotropii s vysokou tuhostí a tepelně roztažnými vlastnostmi. Nízká hustota lopatek z uhlíkových vláken nabízí zvětšení délky bez zatížení zvýšenou hmotností, čímž se zvyšuje účinnost turbíny. Lehčí lopatky navíc snižují celkovou hmotnost a zatížení, které gondola nese.
Skleněná vlákna jsou ve srovnání se svými uhlíkovými protějšky dostupná za nižší cenu, a proto jsou v průmyslu rozšířenější. Jsou složena převážně z SiO2 a Al2O3, další oxidy jsou přítomny v malém množství. Protože neexistuje krystalografický řád, má materiál amorfní strukturu s izotropními vlastnostmi. To znamená, že jeho vlastnosti, jako je tuhost a tepelná roztažnost, jsou podél vlákna i napříč vláknem stejné. Skleněná vlákna mají průměr 10-20 μm, střední tuhost, vysokou pevnost a střední hustotu. Více informací o hlinitokřemičitém skle naleznete zde.
- E-sklo neboli elektrické sklo vyrobené z hlinitokřemičitanu, které se vyznačuje vysokou elektrickou odolností.
- S-sklo neboli sklo s vysokou pevností vyrobené z hlinitokřemičitanu hořečnatého, ale s vyššími náklady.
Aramidová vlákna jsou syntetická vlákna, která jsou vysoce tepelně odolná, takže jsou vhodná pro větrné turbíny, které pracují v extrémních teplotách. Vlákna se skládají z aromatických polyamidových řetězců držených pohromadě silnými vodíkovými vazbami, které přispívají k houževnatosti vlákna.
Polymerní matrice
Polymerní matrice poskytuje strukturální podporu tím, že váže vlákna dohromady a skládá se ze dvou hlavních tříd: termosetů a termoplastů. Hlavním fyzikálním rozdílem mezi nimi je jejich chování při různých teplotách. Více informací o rozdílech se dozvíte zde.
Termoseti obsahují polymery silně zesítěné v nevratných chemických vazbách. Díky tomu jsou odolné vůči vysokým teplotám a po ochlazení zůstávají v trvalém pevném stavu. To může případně vést ke vzniku vnitřního pnutí v kompozitní struktuře. Příklady termosetových polymerů jsou následující:
- Nenasycené polyestery: Obecně polyethylentereftalát, amorfní
- Vinylestery: Vinylestery (VE)
- Epoxidy: (EP+GF25+MD45), (EP+GF30+MD20)
Termoplasty obsahují polymery, které postrádají tyto silné chemické vazby, takže interakce jsou vratné. Při opětovném zahřátí měknou, což umožňuje přetváření a opravy v případě potřeby. Tato vlastnost však také způsobuje, že se při vysokých teplotách taví, což je činí nepraktickými pro některé drsné podmínky, kterým musí větrné turbíny odolávat.
- Všeobecně Akrylnitril-butadien-styren + polykarbonát (ASA+PC)
Když se vlákna a polymerní matrice spojí dohromady, vytvoří kompozitní materiál s jinými chemickými a fyzikálními vlastnostmi než jejich jednotlivé složky. Výsledný materiál je vyztužený s doplňkovými vlastnostmi, které vyrovnávají nedostatky druhého materiálu. Běžné kompozitní materiály obsahující vlákna používané v lopatkách turbín jsou se sklem a uhlíkem. Dlouhá vlákna zajišťují tuhost a pevnost, zatímco polymerní matrice podporuje vlákna tím, že zajišťuje pevnost mimo rovinu, pružnost, lomovou houževnatost a zvýšenou tuhost. V optimalizovaném složení a kombinaci jsou výsledné lopatky lehké a mají vynikající mechanické vlastnosti.
- Obecný polyamid 4T (PA4T+GF30), kompozitní materiál vyztužený 30 % skleněných vláken
.
