Turbiny wiatrowe są urządzeniami, które pobierają energię kinetyczną z wiatru i przekształcają ją w energię mechaniczną, która jest następnie przekształcana w bardziej użyteczną formę energii elektrycznej.
Energia pozyskiwana z wiatru zapewnia obecnie około 10% światowych dostaw energii, a jej obecność w sektorze energii odnawialnej ma się zwiększać wraz z dalszym wykorzystywaniem jej potencjału. Aby pozostać konkurencyjnym w stosunku do istniejących technologii, optymalizacja wydajności turbin wiatrowych jest kluczowa i podyktowana projektem inżynierskim uzupełnionym o rozsądny dobór materiałów. Dodatkowo materiały te powinny być trwałe, idealnie nadające się do recyklingu i tanie w produkcji, aby nie zniwelować pozytywnego wpływu na środowisko i korzyści ekonomicznych energii wiatrowej.
Turbina wiatrowa składa się z trzech głównych komponentów: wieży, gondoli i łopat wirnika.
Rys. 1. Dania jest silnym zwolennikiem energii wiatrowej, a turbiny wiatrowe pojawiły się nawet na Wyspach Owczych.
Wieża
Wieża zapewnia wsparcie strukturalne, na którym stoi gondola i łopaty wirnika, i jest wykonana ze stali rurowej, betonu lub kratownicy stalowej. Naturalnie, materiały muszą być mocne i wytrzymałe, aby wytrzymać trudne warunki środowiskowe i silne wiatry.
- AS 1302 Grade 230S walcowany (pręt zbrojeniowy do betonu) pręt
Gondola
Gondola mieści maszyny wewnętrzne, w tym generator, który przekształca energię mechaniczną w elektryczną. Ponieważ gondola zawiera głównie mechaniczne elementy pracy turbiny wiatrowej, materiały z których jest wykonana nie są szczególnie narażone na wiele odchyleń i zmian.
Fig 2. Wewnętrzne elementy mechaniczne gondoli w turbinie wiatrowej.
Łopata wirnika
Wirnik generuje moment aerodynamiczny od wiatru swoim ruchem obrotowym w miarę obracania się łopat. Optymalizacja kształtu i materiału łopatek powinna pozwolić na szybsze obracanie się łopatek i przechwytywanie wiatru przy niższych prędkościach, aby zwiększyć wydajność turbiny. Kształt łopatek wirnika musi być aerodynamiczny, podobnie jak skrzydła samolotu. Materiał, z którego wykonane są łopaty, musi poprawiać, a nie ograniczać aerodynamikę i spełniać następujące kryteria: wysoka sztywność dla optymalnej aerodynamiki, niska gęstość w celu zmniejszenia sił grawitacyjnych oraz duża trwałość zmęczeniowa w celu zmniejszenia degradacji materiału. Standardem przemysłowym dla długiej trwałości zmęczeniowej jest zazwyczaj 20-letnia żywotność, która obejmuje 108-109 cykli naprężeń, które materiał może wytrzymać przed uszkodzeniem.
W ocenie szerokich kategorii dostępnych materiałów, pianki, polimery i gumy zostały wyeliminowane ze względu na ich nieodpowiednią sztywność i gęstość dla belki wspornikowej służącej jako model łopaty wirnika. Ceramika nie jest odporna na długotrwałe obciążenia zmęczeniowe, co oznacza, że może łatwo ulec pęknięciu. Pozostaje więc drewno i kompozyty, które spełniają te wymagania materiałowe. Drewno jest opcją przyjazną dla środowiska, a jego zaletą jest niska gęstość. Jednak jego niska sztywność sprawia, że materiał ten jest podatny na zginanie i ugięcia pod wpływem wiatru, co poważnie pogarsza ogólną wydajność turbiny. Materiały kompozytowe pozostają najbardziej praktycznym i powszechnym wyborem. W ramach tej rodziny materiałów badany jest bogaty wachlarz innowacyjnych możliwości.
Rys. 3. Łopaty wirnika przygotowane do montażu.
Włókna
Materiały włókniste charakteryzują się tym, że są znacznie dłuższe niż szerokie. Wyjątkowa wytrzymałość i sztywność włókien czyni je doskonałymi kandydatami na materiały do budowy łopatek turbin, gdzie długie włókna zapewniają sztywność wzdłużną, gdy są ułożone równolegle wzdłuż długości łopatki. Włókna są często kruche i może pęknąć łatwo, więc nie są one wykorzystywane samodzielnie jako materiał, ale raczej jako wzmocnienia additive.
Włókna węglowe mają doskonałe właściwości mechaniczne o wysokiej sztywności, wysokiej wytrzymałości i niskiej gęstości, choć wraz z wyższymi kosztami. Składają się one z czystych atomów węgla jako sześciokątnych powtarzających się jednostek w sieci krystalograficznej ułożonych jeden na drugim w płaszczyznach, z silnymi siłami w płaszczyźnie i słabymi siłami pomiędzy. Dzięki temu uzyskuje się wysoką anizotropię o dużej sztywności i rozszerzalności cieplnej. Niska gęstość łopatek z włókna węglowego pozwala na zwiększenie długości bez zwiększania ciężaru, co zwiększa wydajność turbiny. Dodatkowo, lżejsze łopatki zmniejszają ogólną wagę i obciążenie gondoli.
Włókna szklane są dostępne po niższych kosztach w porównaniu do ich odpowiedników węglowych, a zatem są bardziej rozpowszechnione w przemyśle. Składają się one głównie z SiO2 i Al2O3, z innymi tlenkami obecnymi w niewielkich ilościach. Ponieważ nie ma porządku krystalograficznego, materiał ten ma strukturę amorficzną o właściwościach izotropowych. Oznacza to, że jego właściwości, takie jak sztywność i rozszerzalność cieplna, są stałe wzdłuż i w poprzek włókna. Włókna szklane mają średnicę 10-20 μm i charakteryzują się umiarkowaną sztywnością, wysoką wytrzymałością i umiarkowaną gęstością. Dowiedz się więcej o szkle glinokrzemianowym tutaj.
- E-glass, czyli szkło elektryczne wykonane z glinokrzemianu charakteryzujące się wysoką opornością elektryczną.
- S-glass, czyli szkło o wysokiej wytrzymałości wykonane z glinokrzemianu magnezu, ale o wyższych kosztach.
Włókna aramidowe to włókna syntetyczne, które są bardzo odporne na ciepło, dzięki czemu nadają się do turbin wiatrowych, które działają w skrajnych temperaturach. Włókna składają się z aromatycznych łańcuchów poliamidowych utrzymywanych razem przez silne wiązania wodorowe, które przyczyniają się do wytrzymałości włókna.
Matryca polimerowa
Matryca polimerowa zapewnia wsparcie strukturalne poprzez wiązanie włókien razem i składa się z dwóch głównych klas: termoutwardzalnych i termoplastycznych. Główną fizyczną różnicą między nimi jest ich zachowanie w różnych temperaturach. Możesz dowiedzieć się więcej o tych różnicach tutaj.
Termosety zawierają polimery silnie usieciowane razem w nieodwracalnych wiązaniach chemicznych. Dzięki temu są odporne na wysokie temperatury, a po ochłodzeniu pozostają w trwałym stanie stałym. Może to być przyczyną powstawania naprężeń wewnętrznych w strukturze kompozytu. Przykłady polimerów termoutwardzalnych są następujące:
- Poliestry nienasycone: Ogólne Politereftalan etylenu, amorficzny
- Winylostery: Ogólne Estry winylowe (VE)
- Epoksydy: Ogólne Epoksyd; Epoksyd (EP+GF25+MD45), (EP+GF30+MD20)
Thermoplasty zawierają polimery, którym brakuje tych silnych wiązań chemicznych, tak że interakcje są odwracalne. Miękną one po ponownym ogrzaniu, co pozwala na ponowne formowanie i naprawy w razie potrzeby. Jednakże, ta właściwość powoduje również, że topią się w wysokich temperaturach, co czyni je niepraktycznymi dla niektórych trudnych warunków, jakie muszą wytrzymać turbiny wiatrowe.
- Ogólne Acrylnitrile-butadiene-styrene + Polycarbonate (ASA+PC)
Po połączeniu razem, włókna i matryca polimerowa tworzą materiał kompozytowy o innych właściwościach chemicznych i fizycznych niż ich poszczególne składniki. Powstały w ten sposób materiał jest wzmocniony o komplementarnych właściwościach, uzupełniających braki w innych. Typowe materiały kompozytowe zawierające włókna stosowane w łopatkach turbin to włókna szklane i węglowe. Długie włókna zapewniają sztywność i wytrzymałość, podczas gdy matryca polimerowa wspiera włókna, zapewniając wytrzymałość pozapłaszczyznową, elastyczność, odporność na pękanie i zwiększoną sztywność. W zoptymalizowanym składzie i kombinacji, otrzymane łopatki są lekkie z doskonałymi właściwościami mechanicznymi.
- Ogólny poliamid 4T (PA4T+GF30), materiał kompozytowy wzmocniony 30% włóknem szklanym
.
