Vindmøller er anordninger, der udvinder den kinetiske energi fra vinden og omdanner den til mekanisk energi, som derefter omdannes yderligere til den mere anvendelige form for elektrisk energi.
Energien fra vinden står i øjeblikket for ca. 10 % af verdens energiforsyning, og dens tilstedeværelse i sektoren for vedvarende energi forventes kun at stige, efterhånden som dens potentiale bliver yderligere udnyttet. For at forblive konkurrencedygtig i forhold til eksisterende teknologier er optimering af vindmøllers effektivitet afgørende og dikteret af teknisk design suppleret med et fornuftigt valg af materialer. Desuden bør materialerne være holdbare, ideelt set genanvendelige og billige i fremstillingsøjemed for ikke at opveje vindenergiens positive miljøpåvirkning og økonomiske fordele.
En vindmølle består af tre hovedkomponenter: tårn, gondol og rotorblade.
Figur 1. Danmark er en stærk fortaler for vindkraft, og der findes endda vindmøller på Færøerne.
Tårn
Tårnet giver strukturel støtte, som nacellen og rotorbladene står på, og det er fremstillet af stålrør, beton eller stålgitter. Materialerne skal naturligvis være stærke og robuste af natur for at kunne modstå barske miljøforhold og stærk vind.
- AS 1302 Grade 230S valset (betonstål) bar
Nacelle
Nacellen rummer det indre maskineri, herunder generatoren, som omdanner den mekaniske energi til elektrisk energi. Da nacellen hovedsageligt indeholder de mekaniske dele af vindmøllens drift, er materialerne ikke specielt udsat for mange afvigelser og variationer.
Figur 2. Indvendige mekaniske komponenter i nacellen i en vindmølle.
Rotorblad
Rotoren genererer aerodynamisk drejningsmoment fra vinden med sin roterende bevægelse, når bladene drejer rundt. Optimering af bladenes form og materiale bør gøre det muligt for bladet at dreje hurtigere og fange vinden ved lavere hastigheder for at øge turbinens effektivitet. Rotorbladets form skal være aerodynamisk, ligesom vingerne på en flyvemaskine. Bladmaterialet skal forbedre snarere end hindre aerodynamikken og opfylde følgende kriterier: høj stivhed for optimal aerodynamik, lav massefylde for at reducere tyngdekræfterne og lang levetid for at reducere nedbrydningen af materialet. En levetid på 20 år er normalt industristandarden for lang udmattelseslevetid, hvilket indebærer 108-109 belastningscyklusser, som materialet kan klare, før det svigter.
Ved vurderingen af de brede kategorier af tilgængelige materialer er skum, polymerer og gummi udelukket på grund af deres utilstrækkelige stivhed og tæthed til en cantileverbjælke, der tjener som model for rotorbladet. Keramik holder ikke godt over for langvarige træthedsbelastninger, hvilket betyder, at de let kan briste. Dermed er der kun træ og kompositmaterialer tilbage, som opfylder disse materialekrav. Træ er et miljøvenligt alternativ med den fordel, at det har en lav densitet. Den lave stivhed gør dog materialet modtageligt over for bøjninger og afbøjninger i vinden, hvilket i høj grad går ud over den samlede effektivitet af møllen. Kompositmaterialer er fortsat det mest praktiske og fremherskende valg. Inden for denne familie af materialer udforskes en rig vifte af innovative muligheder.
Figur 3. Rotorblade, der forberedes til at blive samlet.
Fibre
Fibromaterialer er kendetegnet ved, at de er betydeligt længere, end de er brede. Fibrernes usædvanlige styrke og stivhed gør dem til fremragende kandidater til materialer til turbineblade, hvor de lange fibre giver stivhed i længderetningen, når de er rettet parallelt ud langs bladets længde. Fibre er ofte skøre og kan let knække, så de anvendes ikke alene som materiale, men snarere som additiv forstærkning.
Kulstoffibre har overlegne mekaniske egenskaber med høj stivhed, høj styrke og lav densitet, dog sammen med højere omkostninger. De er sammensat af rene kulstofatomer som hexagonale gentagende enheder i et krystallografisk gitter arrangeret oven på hinanden i planer med stærke kræfter inden for planet og svage kræfter imellem. Dette giver anledning til høj anisotropi med høje stivheds- og varmeudvidelsesegenskaber. Den lave densitet af kulfiberblade giver mulighed for at øge længden uden byrden af øget vægt, hvilket øger turbinens effektivitet. Desuden reducerer de lettere vinger den samlede vægt og belastning, som nacellen bærer.
Glasfibre kan fås til en lavere pris sammenlignet med deres kulstofmodstykker og er derfor mere udbredt i industrien. De består hovedsagelig af SiO2 og Al2O3, mens andre oxider er til stede i små mængder. Da der ikke er nogen krystallografisk orden, har materialet en amorf struktur med isotrope egenskaber. Det betyder, at dets egenskaber som f.eks. stivhed og varmeudvidelse er ensartede langs og på tværs af fiberen. Glasfibre er 10-20 μm i diameter og har en moderat stivhed, høj styrke og moderat massefylde. Få mere at vide om aluminosilikatglas her.
- E-glas, eller elektrisk glas fremstillet af alumino-borosilikat kendetegnet ved sin høje elektriske modstandskraft.
- S-glas, eller glas med høj styrke fremstillet af magnesiumaluminosilikat, men med højere omkostninger.
Aramidfibre er syntetiske fibre, der er meget varmebestandige, hvilket gør dem velegnede til vindmøller, der arbejder i ekstreme temperaturforhold. Fibrene består af aromatiske polyamidkæder, der holdes sammen af stærke hydrogenbindinger, som bidrager til fibrenes sejhed.
Polymermatrix
Polymermatrixen giver strukturel støtte ved at binde fibrene sammen og består af to hovedklasser: termohærdede og termoplastiske materialer. Den vigtigste fysiske forskel mellem dem er deres adfærd ved forskellige temperaturer. Du kan få mere at vide om forskellene her.
Thermosets indeholder polymerer, der er stærkt tværbundet sammen i irreversible kemiske bindinger. Dette gør dem modstandsdygtige over for høje temperaturer og forbliver i en permanent fast tilstand, når de er afkølet. Dette kan muligvis give anledning til interne spændinger i den sammensatte struktur. Eksempler på termohærdede polymerer er følgende:
- Umættede polyestre: Generelt Polyethylenterephthalat, amorf
- Vinylestere: Generelt Vinylester (VE)
- Epoxyer:
- Epoxyer: Generelt Epoxid; Epoxy (EP+GF25+MD45), (EP+GF30+MD20)
Thermoplast indeholder polymerer, der mangler disse stærke kemiske bindinger, således at vekselvirkningerne er reversible. De bliver bløde ved genopvarmning, hvilket giver mulighed for omformning og reparationer, når det er nødvendigt. Denne egenskab medfører dog også, at de smelter ved høje temperaturer, hvilket gør dem upraktiske til nogle af de barske forhold, som vindmøller skal tåle.
- Akrylnitril-butadien-styren + polycarbonat (ASA+PC)
Når de kombineres sammen, udgør fibrene og polymermatrixen et kompositmateriale med andre kemiske og fysiske egenskaber end deres individuelle bestanddele. Det resulterende materiale er forstærket med komplementære egenskaber, der kompenserer for manglerne i det andet. Almindelige fiberholdige kompositmaterialer, der anvendes i turbineskærme, er med glas og kulstof. De lange fibre giver stivhed og styrke, mens polymermatrixen støtter fibrene ved at give dem styrke uden for planen, fleksibilitet, brudstyrke og øget stivhed. I en optimeret sammensætning og kombination er de resulterende vinger lette og har fremragende mekaniske egenskaber.
- Generelt polyamid 4T (PA4T+GF30), kompositmateriale forstærket med 30 % glasfiber
