A szélturbinák olyan berendezések, amelyek a szél mozgási energiáját kinetikus energiává vonják ki és mechanikai energiává alakítják át, amelyet aztán tovább alakítanak az elektromos energia felhasználhatóbb formájává.
A szélből hasznosított energia jelenleg a világ energiaellátásának mintegy 10%-át adja, és a megújuló energiaszektorban való jelenléte az előrejelzések szerint csak növekedni fog, ahogy a benne rejlő lehetőségek egyre jobban kihasználásra kerülnek. Ahhoz, hogy a meglévő technológiákkal szemben versenyképes maradjon, a szélturbinák hatékonyságának optimalizálása döntő fontosságú, amit a mérnöki tervezés diktál, kiegészítve a megfontolt anyagválasztással. Emellett az anyagoknak tartósnak, ideális esetben újrahasznosíthatónak és alacsony előállítási költségűnek kell lenniük, hogy ne ellensúlyozzák a szélenergia pozitív környezeti hatásait és gazdasági előnyeit.
A szélturbina három fő komponensből áll: a toronyból, a gépházból és a rotorlapátokból.
1. ábra. Dánia erősen támogatja a szélenergiát, még a Feröer-szigeteken is megjelentek szélturbinák.
Torony
A torony biztosítja a szerkezeti tartást, amelyen a gondola és a rotorlapátok állnak, és acélcsőből, betonból vagy acélrácsból készül. Természetesen az anyagoknak erősnek és robusztusnak kell lenniük, hogy ellenálljanak a zord környezeti körülményeknek és az erős szélnek.
- AS 1302 Grade 230S minőségű hengerelt (beton betonacél) rúd
Gondola
A gondolában található a belső gépezet, beleértve a generátort, amely a mechanikus energiát elektromos energiává alakítja. Mivel a gondola tartalmazza a szélturbina működésének nagyrészt mechanikus részeit, az anyagok nem különösebben sok eltérésnek és variációnak vannak kitéve.
2. ábra. A gondola belső mechanikai alkatrészei egy szélturbinában.
Rotorlapát
A rotor a lapátok forgása során forgó mozgásával aerodinamikai nyomatékot hoz létre a szélből. A lapátok alakjának és anyagának optimalizálásával lehetővé kell tenni, hogy a lapátok gyorsabban forogjanak, és kisebb sebességgel fogják be a szelet a turbina hatékonyságának növelése érdekében. A rotorlapát alakjának aerodinamikusnak kell lennie, hasonlóan a repülőgépek szárnyaihoz. A lapátok anyagának inkább javítania, mintsem akadályoznia kell az aerodinamikát, és a következő kritériumoknak kell megfelelnie: nagy merevség az optimális aerodinamika érdekében, alacsony sűrűség a gravitációs erők csökkentése érdekében, és hosszú fáradási élettartam az anyagromlás csökkentése érdekében. A hosszú fáradási élettartamra általában a 20 éves élettartam az ipari szabvány, amely 108-109 feszültségciklust tart fenn, amelyet az anyag a meghibásodás előtt képes elviselni.
A rendelkezésre álló anyagok széles kategóriáinak értékelésénél a habok, polimerek és gumik kizárásra kerültek, mivel merevségük és sűrűségük nem megfelelő a rotorlapát modelljeként szolgáló konzolos gerendához. A kerámiák nem bírják jól a hosszú távú fárasztó terhelést, ami azt jelenti, hogy könnyen törhetnek. Így maradnak a fák és a kompozitok, amelyek megfelelnek ezeknek az anyagkövetelményeknek. A fa környezetbarát megoldás, amelynek előnye, hogy kis sűrűségű. Alacsony merevsége azonban hajlamossá teszi az anyagot a szélben történő hajlításra és elhajlásra, ami súlyosan veszélyezteti a turbina teljes hatékonyságát. A kompozit anyagok továbbra is a legpraktikusabb és legelterjedtebb választás. Ezen anyagcsaládon belül az innovatív lehetőségek gazdag választéka tárul fel.
3. ábra. Összeszerelésre készülő rotorlapátok.
Szálak
A szálas anyagokra jellemző, hogy lényegesen hosszabbak, mint amilyen szélesek. A szálak kivételes szilárdsága és merevsége miatt kiválóan alkalmasak turbinalapátok anyagául, ahol a hosszú szálak a lapát hosszában párhuzamosan elrendezve hosszirányú merevséget biztosítanak. A szálak gyakran törékenyek és könnyen elpattanhatnak, ezért nem önmagukban használják őket anyagként, hanem inkább additív erősítésként.
A szénszálak kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, nagy merevséggel, nagy szilárdsággal és alacsony sűrűséggel, bár magasabb költségekkel együtt. Tiszta szénatomokból állnak, mint hexagonális ismétlődő egységek, kristályrácsban, síkokban egymás fölé rendezve, a síkokon belül erős, a síkok között pedig gyenge erőkkel. Ez nagy anizotrópiát eredményez, nagy merevséggel és hőtágulási tulajdonságokkal. A szénszálas lapátok alacsony sűrűsége megnövelt hosszúságot biztosít a megnövekedett tömeg terhe nélkül, ezáltal növelve a turbina hatékonyságát. Emellett a könnyebb lapátok csökkentik a gondola teljes súlyát és terhelését.
Az üvegszálak alacsonyabb áron állnak rendelkezésre, mint szénszálas társaik, ezért elterjedtebbek az iparban. Főleg SiO2-ból és Al2O3-ból állnak, más oxidok kis mennyiségben vannak jelen. Mivel nincs kristályos rendezettség, az anyag amorf szerkezetű, izotróp tulajdonságokkal rendelkezik. Ez azt jelenti, hogy tulajdonságai, mint például a merevség és a hőtágulás, a szál mentén és az egész szálon egyenletesek. Az üvegszálak átmérője 10-20 μm, és mérsékelt merevséggel, nagy szilárdsággal és mérsékelt sűrűséggel rendelkeznek. Tudjon meg többet az aluminoszilikát üvegről itt.
- E-üveg, vagy alumínium-bórszilikátból készült elektromos üveg, amelyet nagy elektromos ellenállás jellemez.
- S-üveg, vagy magnézium-alumínium-szilikátból készült nagy szilárdságú üveg, de magasabb költségekkel.
Aramidszálak olyan szintetikus szálak, amelyek nagy hőállóságúak, így alkalmasak szélsőséges hőmérsékleten működő szélturbinákhoz. A szálak aromás poliamidláncokból állnak, amelyeket erős hidrogénkötések tartanak össze, amelyek hozzájárulnak a szál szívósságához.
Polimer mátrix
A polimer mátrix a szálak összekötésével biztosít szerkezeti tartást, és két fő osztályból áll: hőre keményedő és hőre lágyuló műanyagokból. A fő fizikai különbség közöttük a különböző hőmérsékleten való viselkedésük. A különbségekről itt tudhat meg többet.
A termoszettek irreverzibilis kémiai kötésekkel erősen térhálósított polimereket tartalmaznak. Ez teszi őket ellenállóvá a magas hőmérsékletekkel szemben, és lehűtés után tartósan szilárd állapotban maradnak. Ez esetleg belső feszültségeket okozhat a kompozit szerkezetben. A hőre keményedő polimerek példái a következők:
- Telítetlen poliészterek: Általános polietilén-tereftalát, amorf
- Vinilészterek: Általános Vinilészter (VE)
- Epoxidok: (EP+GF25+MD45), (EP+GF30+MD20)
A hőre lágyuló műanyagok olyan polimereket tartalmaznak, amelyekből hiányoznak ezek az erős kémiai kötések, így a kölcsönhatások reverzibilisek. Újramelegítéskor megpuhulnak, lehetővé téve szükség esetén az újraformázás és javítás lehetőségét. Ez a tulajdonságuk azonban azt is eredményezi, hogy magas hőmérsékleten megolvadnak, így a szélturbináknak ki kell állniuk néhány kemény körülményt.
- Általános Akrilnitril-butadién-sztirol + polikarbonát (ASA+PC)
A szálak és a polimer mátrix együttesen olyan kompozit anyagot alkotnak, amelynek kémiai és fizikai tulajdonságai eltérnek az egyes összetevőkétől. Az így kapott anyag megerősített, egymást kiegészítő tulajdonságokkal pótolja a másik anyag hiányosságait. A turbinalapátokban használt gyakori száltartalmú kompozit anyagok üveggel és szénnel. A hosszú szálak merevséget és szilárdságot biztosítanak, míg a polimer mátrix támogatja a szálakat azáltal, hogy síkbeli szilárdságot, rugalmasságot, törési szívósságot és megnövelt merevséget biztosít. Optimalizált összetételben és kombinációban az így kapott lapátok könnyűek és kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek.
- Általános poliamid 4T (PA4T+GF30), 30% üvegszállal erősített kompozit anyag
.
