Windturbinen sind Vorrichtungen, die die kinetische Energie des Windes in mechanische Energie umwandeln, die dann in die nutzbarere Form elektrischer Energie umgewandelt wird.
Die aus dem Wind gewonnene Energie liefert derzeit etwa 10 % der weltweiten Energieversorgung, und es wird erwartet, dass ihr Anteil an den erneuerbaren Energien noch zunehmen wird, wenn ihr Potenzial weiter ausgeschöpft wird. Um mit bestehenden Technologien konkurrenzfähig zu bleiben, ist die Optimierung des Wirkungsgrads von Windturbinen von entscheidender Bedeutung und wird von der Konstruktion und der sorgfältigen Auswahl der Materialien bestimmt. Außerdem sollten die Materialien langlebig, idealerweise wiederverwertbar und in der Herstellung kostengünstig sein, um die positiven Auswirkungen auf die Umwelt und die wirtschaftlichen Vorteile der Windenergie nicht zunichte zu machen.
Eine Windkraftanlage besteht aus drei Hauptkomponenten: dem Turm, der Gondel und den Rotorblättern.
Abbildung 1. Dänemark ist ein starker Befürworter der Windenergie, und sogar auf den Färöer-Inseln gibt es Windkraftanlagen.
Turm
Der Turm bietet die strukturelle Unterstützung, auf der die Gondel und die Rotorblätter stehen, und besteht aus Stahlrohr, Beton oder Stahlgitter. Natürlich müssen die Materialien stark und robust sein, um rauen Umweltbedingungen und starken Winden standzuhalten.
- AS 1302 Grade 230S rolled (concrete reinforcing bar) bar
Gondel
Die Gondel beherbergt die inneren Maschinen einschließlich des Generators, der die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Da die Gondel hauptsächlich mechanische Teile für den Betrieb der Windkraftanlage enthält, sind die Materialien nicht besonders anfällig für Abweichungen und Schwankungen.
Abbildung 2. Innere mechanische Komponenten der Gondel einer Windkraftanlage.
Rotorblatt
Der Rotor erzeugt mit seiner Drehbewegung ein aerodynamisches Drehmoment aus dem Wind, wenn sich die Blätter drehen. Eine Optimierung der Form und des Materials der Rotorblätter sollte es ermöglichen, dass sich das Blatt schneller dreht und den Wind bei niedrigeren Geschwindigkeiten einfängt, um den Wirkungsgrad der Anlage zu erhöhen. Die Form der Rotorblätter muss aerodynamisch sein, ähnlich wie die Tragflächen eines Flugzeugs. Das Material der Blätter muss die Aerodynamik eher verbessern als behindern und folgende Kriterien erfüllen: hohe Steifigkeit für optimale Aerodynamik, geringe Dichte zur Verringerung der Schwerkraft und lange Ermüdungslebensdauer zur Verringerung des Materialverschleißes. Eine Lebensdauer von 20 Jahren ist in der Regel der Industriestandard für eine lange Ermüdungslebensdauer, d.h. 108-109 Belastungszyklen, die das Material aushalten kann, bevor es versagt.
Bei der Bewertung der zahlreichen verfügbaren Materialkategorien scheiden Schaumstoffe, Polymere und Kautschuk aus, da ihre Steifigkeit und Dichte für einen freitragenden Träger, der als Modell für das Rotorblatt dient, nicht ausreicht. Keramik hält Ermüdungsbelastungen über lange Zeiträume nicht stand, so dass sie leicht brechen kann. Damit bleiben nur noch Hölzer und Verbundwerkstoffe übrig, die diese Materialanforderungen erfüllen. Holz ist eine umweltfreundliche Option und hat den Vorteil, dass es eine geringe Dichte aufweist. Seine geringe Steifigkeit macht das Material jedoch anfällig für Biegungen und Durchbiegungen im Wind, was die Gesamteffizienz der Turbine stark beeinträchtigt. Verbundwerkstoffe sind nach wie vor die praktischste und am weitesten verbreitete Wahl. Innerhalb dieser Materialfamilie wird eine Vielzahl innovativer Möglichkeiten erforscht.
Abbildung 3. Rotorblätter vor der Montage.
Fasern
Faserige Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie deutlich länger als breit sind. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen Festigkeit und Steifigkeit eignen sich Fasern hervorragend als Material für Turbinenschaufeln, bei denen die langen Fasern für Längssteifigkeit sorgen, wenn sie parallel zur Schaufellänge ausgerichtet sind. Fasern sind oft spröde und können leicht reißen, weshalb sie nicht als alleiniges Material, sondern eher als zusätzliche Verstärkung verwendet werden.
Kohlenstofffasern haben überlegene mechanische Eigenschaften mit hoher Steifigkeit, hoher Festigkeit und geringer Dichte, die allerdings mit höheren Kosten einhergehen. Sie bestehen aus reinen Kohlenstoffatomen als hexagonale, sich wiederholende Einheiten in einem kristallographischen Gitter, die in Ebenen übereinander angeordnet sind, wobei starke Kräfte innerhalb der Ebene und schwache Kräfte dazwischen wirken. Daraus ergibt sich eine hohe Anisotropie mit hohen Steifigkeits- und Wärmeausdehnungseigenschaften. Die geringe Dichte von Kohlefaserschaufeln ermöglicht eine größere Länge ohne Gewichtszunahme, wodurch sich der Wirkungsgrad der Turbine erhöht. Darüber hinaus verringern die leichteren Schaufeln das Gesamtgewicht und die Belastung der Gondel.
Glasfasern sind im Vergleich zu ihren Pendants aus Kohlenstoff kostengünstiger und daher in der Industrie häufiger anzutreffen. Sie bestehen hauptsächlich aus SiO2 und Al2O3, wobei andere Oxide in geringen Mengen vorhanden sind. Da es keine kristallographische Ordnung gibt, hat das Material eine amorphe Struktur mit isotropen Eigenschaften. Das bedeutet, dass seine Eigenschaften wie Steifigkeit und Wärmeausdehnung entlang der Faser und über die Faser hinweg einheitlich sind. Glasfasern haben einen Durchmesser von 10-20 μm und weisen eine mittlere Steifigkeit, eine hohe Festigkeit und eine mittlere Dichte auf. Weitere Informationen über Aluminosilikatglas finden Sie hier.
- E-Glas oder Elektro-Glas aus Alumino-Borsilikat, das sich durch seinen hohen elektrischen Widerstand auszeichnet.
- S-Glas oder hochfestes Glas aus Magnesium-Aluminiumsilikat, das jedoch teurer ist.
Aramidfasern sind synthetische Fasern, die sehr hitzebeständig sind und sich daher für Windturbinen eignen, die bei extremen Temperaturen arbeiten. Die Fasern bestehen aus aromatischen Polyamidketten, die durch starke Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden, die zur Zähigkeit der Faser beitragen.
Polymermatrix
Die Polymermatrix bietet strukturelle Unterstützung, indem sie die Fasern zusammenhält, und besteht aus zwei Hauptklassen: Duroplaste und Thermoplaste. Der wichtigste physikalische Unterschied zwischen ihnen ist ihr Verhalten bei unterschiedlichen Temperaturen. Mehr über die Unterschiede erfahren Sie hier.
Duroplaste enthalten Polymere, die durch irreversible chemische Bindungen stark miteinander vernetzt sind. Dadurch sind sie widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen und bleiben nach dem Abkühlen in einem dauerhaften festen Zustand. Dies kann möglicherweise zu inneren Spannungen in der Verbundstruktur führen. Beispiele für duroplastische Polymere sind folgende:
- Ungesättigte Polyester: Allgemein Polyethylenterephthalat, amorph
- Vinylesther: Allgemein Vinylester (VE)
- Epoxide: Allgemein Epoxid; Epoxy (EP+GF25+MD45), (EP+GF30+MD20)
Thermoplaste enthalten Polymere, denen diese starken chemischen Bindungen fehlen, so dass die Wechselwirkungen reversibel sind. Sie erweichen beim Wiedererwärmen, so dass sie bei Bedarf neu geformt und repariert werden können. Diese Eigenschaft führt jedoch auch dazu, dass sie bei hohen Temperaturen schmelzen, so dass sie für einige der rauen Bedingungen, denen Windkraftanlagen ausgesetzt sind, nicht geeignet sind.
- Allgemein Acrylnitril-Butadien-Styrol + Polycarbonat (ASA+PC)
Wenn die Fasern und die Polymermatrix miteinander kombiniert werden, entsteht ein Verbundwerkstoff mit anderen chemischen und physikalischen Eigenschaften als die einzelnen Bestandteile. Das resultierende Material ist mit ergänzenden Eigenschaften verstärkt, die die Defizite des anderen ausgleichen. In Turbinenschaufeln werden häufig faserhaltige Verbundwerkstoffe aus Glas und Kohlenstoff verwendet. Die langen Fasern sorgen für Steifigkeit und Festigkeit, während die Polymermatrix die Fasern unterstützt, indem sie Festigkeit außerhalb der Ebene, Flexibilität, Bruchzähigkeit und erhöhte Steifigkeit bietet. In einer optimierten Zusammensetzung und Kombination sind die resultierenden Schaufeln leicht mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften.
- Allgemeines Polyamid 4T (PA4T+GF30), Verbundwerkstoff verstärkt mit 30% Glasfasern
