Tuulivoimalat ovat laitteita, jotka ottavat tuulen liike-energian talteen ja muuttavat sen mekaaniseksi energiaksi, joka muunnetaan edelleen käyttökelpoisemmaksi sähköenergiaksi.
Tuulivoiman avulla tuotetaan tällä hetkellä noin 10 % maailman energiantoimituksista, ja tuulivoiman läsnäolon uusiutuvien energialähteiden sektorilla ennustetaan vain kasvavan, kun tuulivoiman potentiaalia hyödynnetään edelleen. Jotta tuulivoimalat pysyisivät kilpailukykyisinä nykyisten tekniikoiden kanssa, niiden hyötysuhteen optimointi on ratkaisevan tärkeää, ja se edellyttää teknistä suunnittelua, jota täydennetään harkituilla materiaalivalinnoilla. Lisäksi materiaalien tulisi olla kestäviä, mieluiten kierrätettäviä ja valmistuskustannuksiltaan edullisia, jotta tuulienergian myönteisiä ympäristövaikutuksia ja taloudellisia etuja ei mitätöitäisi.
Tuuliturbiini koostuu kolmesta pääkomponentista: tornista, konehuoneesta ja roottorin siivekkeistä.
Kuvio 1. Tuulivoimalan rakenne. Tanska on vahva tuulivoiman kannattaja, ja tuulivoimaloita on ilmestynyt jopa Färsaarille.
Torni
Torni tarjoaa rakenteellisen tuen, jonka varassa konepelti ja roottorin lavat seisovat, ja se valmistetaan teräsputkesta, betonista tai teräsverkosta. Luonnollisesti materiaalien on oltava luonteeltaan vahvoja ja kestäviä, jotta ne kestävät ankaria ympäristöolosuhteita ja voimakkaita tuulia.
- AS 1302 Grade 230S -luokan valssattu (betoniraudoitustanko) tanko
Konepelti
Konepeltiin sijoitetaan sisäinen koneisto, mukaan lukien generaattori, joka muuttaa mekaanisen energian sähköenergiaksi. Koska konepelti sisältää enimmäkseen tuulivoimalan toimintaan liittyviä mekaanisia osia, materiaalit eivät ole erityisen alttiita monille poikkeamille ja vaihteluille.
Kuva 2. Tuulivoimalan hytin sisäpuoliset mekaaniset osat.
Roottorin lapa
Roottori tuottaa tuulesta aerodynaamisen vääntömomentin pyörimisliikkeellään, kun lavat pyörivät. Lavan muodon ja materiaalin optimoinnin pitäisi mahdollistaa lavan nopeampi pyöriminen ja tuulen talteenotto pienemmillä nopeuksilla turbiinin hyötysuhteen lisäämiseksi. Roottorin lavan muodon on oltava aerodynaaminen, aivan kuten lentokoneen siivet. Lavan materiaalin on pikemminkin edistettävä kuin estettävä sen aerodynamiikkaa, ja sen on täytettävä seuraavat kriteerit: suuri jäykkyys optimaalisen aerodynamiikan saavuttamiseksi, pieni tiheys painovoiman vähentämiseksi ja pitkä väsymiskestävyys materiaalin hajoamisen vähentämiseksi. 20 vuoden käyttöikä on yleensä alan standardi pitkälle väsymiskestävyydelle, mikä tarkoittaa 108-109 rasitussykliä, jotka materiaali kestää ennen vikaantumista.
Varalla olevien materiaalien laajoja luokkia arvioitaessa vaahtomuovit, polymeerit ja kumit on suljettu pois, koska niiden jäykkyys ja tiheys eivät ole riittäviä roottorin lavan mallina toimivan kannattavan palkin kannalta. Keraamiset materiaalit eivät kestä hyvin pitkäaikaisia väsytyskuormituksia, mikä tarkoittaa, että ne murtuvat helposti. Jäljelle jäävät puut ja komposiitit, jotka täyttävät nämä materiaalivaatimukset. Puu on ympäristöystävällinen vaihtoehto, jonka etuna on alhainen tiheys. Sen alhainen jäykkyys tekee materiaalista kuitenkin alttiin taivutukselle ja taipumiselle tuulessa, mikä heikentää vakavasti turbiinin kokonaistehokkuutta. Komposiittimateriaalit ovat edelleen käytännöllisin ja yleisin vaihtoehto. Tämän materiaaliperheen sisällä tutkitaan runsaasti erilaisia innovatiivisia mahdollisuuksia.
Kuva 3. Roottorin lavat valmistautumassa kokoonpanoon.
Kuidut
Kuitumateriaaleille on ominaista, että ne ovat huomattavasti pidempiä kuin ne ovat leveitä. Kuitujen poikkeuksellinen lujuus ja jäykkyys tekevät niistä erinomaisia ehdokkaita turbiinien siipimateriaaleiksi, joissa pitkät kuidut tuottavat pituussuuntaista jäykkyyttä, kun ne on kohdistettu yhdensuuntaisesti lavan pituussuunnassa. Kuidut ovat usein hauraita ja katkeavat helposti, joten niitä ei käytetä yksinään materiaalina vaan pikemminkin lisävahvistuksina.
Hiilikuiduilla on ylivoimaiset mekaaniset ominaisuudet, kuten suuri jäykkyys, suuri lujuus ja pieni tiheys, vaikkakin korkeampien kustannusten ohella. Ne koostuvat puhtaista hiiliatomeista kuusikulmaisina toistuvina yksikköinä kiteisessä ristikossa, jotka on sijoitettu toistensa päälle tasoihin, ja tasojen sisällä on voimakkaita voimia ja niiden välillä heikkoja voimia. Tämä johtaa suureen anisotropiaan sekä suuriin jäykkyys- ja lämpölaajenemisominaisuuksiin. Hiilikuitusiipien alhainen tiheys mahdollistaa pidemmän siipipyörän ilman suurempaa painoa, mikä lisää turbiinin hyötysuhdetta. Lisäksi kevyemmät lavat vähentävät kokonaispainoa ja -rasitusta, jota koneistokotelo kantaa.
Lasikuituja on saatavana edullisemmin kuin hiilikuituvaihtoehtojaan, ja siksi ne ovat yleisemmin käytössä teollisuudessa. Ne koostuvat pääasiassa SiO2:sta ja Al2O3:sta, ja muita oksideja on pieniä määriä. Koska kiteistä järjestystä ei ole, materiaali on rakenteeltaan amorfista ja ominaisuuksiltaan isotrooppista. Tämä tarkoittaa, että sen ominaisuudet, kuten jäykkyys ja lämpölaajeneminen, ovat yhdenmukaiset kuitua pitkin ja poikki. Lasikuidut ovat halkaisijaltaan 10-20 μm, ja niiden jäykkyys on kohtalainen, lujuus suuri ja tiheys kohtalainen. Lue lisää aluminosilikaattilasista täältä.
- E-lasi eli alumiini-borosilikaatista valmistettu sähkölasi, jolle on ominaista korkea sähköinen kestävyys.
- S-lasi eli magnesiumalumiinisilikaatista valmistettu lujalujuuksinen lasi, jonka kustannukset ovat kuitenkin korkeammat.
Aramidikuidut ovat synteettisiä kuituja, jotka kestävät hyvin lämpöä, minkä vuoksi ne soveltuvat tuulivoimaloihin, jotka toimivat äärimmäisissä lämpötiloissa. Kuidut koostuvat aromaattisista polyamidiketjuista, joita pitävät yhdessä vahvat vetysidokset, jotka edistävät kuidun sitkeyttä.
Polymeerimatriisi
Polymeerimatriisi antaa rakenteellista tukea sitomalla kuidut toisiinsa, ja se koostuu kahdesta pääluokasta: kestomuoveista ja kestomuoveista. Tärkein fysikaalinen ero niiden välillä on niiden käyttäytyminen eri lämpötiloissa. Voit tutustua eroihin tarkemmin täällä.
Termosetit sisältävät polymeerejä, jotka ovat voimakkaasti ristisilloittuneet toisiinsa palautumattomilla kemiallisilla sidoksilla. Tämän ansiosta ne kestävät korkeita lämpötiloja ja pysyvät pysyvästi kiinteässä tilassa jäähdytyksen jälkeen. Tämä voi mahdollisesti aiheuttaa komposiittirakenteeseen sisäisiä jännityksiä. Esimerkkejä lämpökovettuneista polymeereistä ovat seuraavat:
- Tyydyttymättömät polyesterit: Yleistä Polyeteenitereftalaatti, amorfinen
- Vinyylieetterit: Yleistä Vinyyliesterit (VE)
- Epoksit: (EP+GF25+MD45), (EP+GF30+MD20)
Lämpömuovit sisältävät polymeerejä, joista puuttuvat nämä vahvat kemialliset sidokset niin, että vuorovaikutukset ovat palautuvia. Ne pehmenevät uudelleen lämmitettäessä, mikä mahdollistaa tarvittaessa uudelleenmuotoilun ja korjaukset. Tämä ominaisuus aiheuttaa kuitenkin myös sen, että ne sulavat korkeissa lämpötiloissa, mikä tekee niistä epäkäytännöllisiä joihinkin ankariin olosuhteisiin, joissa tuuliturbiinien on kestettävä.
- Yleistä Akryylinitriili-butadieeni-styreeni + polykarbonaatti (ASA+PC)
Yhdistettyinä yhteen kuidut ja polymeerimatriisi muodostavat komposiittimateriaalin, jolla on erilaiset kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet kuin yksittäisillä aineosilla. Tuloksena syntyvä materiaali on vahvistettu täydentävillä ominaisuuksilla, jotka korvaavat toisen ominaisuuden puutteet. Yleisiä kuituja sisältäviä komposiittimateriaaleja, joita käytetään turbiinien siivissä, ovat lasi ja hiili. Pitkät kuidut tuottavat jäykkyyttä ja lujuutta, kun taas polymeerimatriisi tukee kuituja tarjoamalla tason ulkopuolista lujuutta, joustavuutta, murtumiskestävyyttä ja lisääntynyttä jäykkyyttä. Optimoidulla koostumuksella ja yhdistelmällä saadut lavat ovat kevyitä ja niillä on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet.
- Yleinen Polyamidi 4T (PA4T+GF30), komposiittimateriaali, joka on vahvistettu 30 %:lla lasikuidulla
.
