Windturbines zijn apparaten die de kinetische energie uit de wind halen en deze omzetten in mechanische energie, die vervolgens verder wordt omgezet in de meer bruikbare vorm van elektrische energie.
Energie die wordt gewonnen uit de wind levert momenteel ongeveer 10% van de energievoorziening van de wereld, waarbij de aanwezigheid van de wind in de sector duurzame energie naar verwachting alleen maar zal toenemen naarmate het potentieel van de wind verder wordt gerealiseerd. Om te kunnen blijven concurreren met bestaande technologieën is optimalisatie van het rendement van windturbines van cruciaal belang en wordt dit gedicteerd door een technisch ontwerp aangevuld met een oordeelkundige keuze van materialen. Bovendien moeten de materialen duurzaam, idealiter recycleerbaar en qua fabricagekosten laag zijn, zodat de positieve milieueffecten en economische voordelen van windenergie niet teniet worden gedaan.
Een windturbine bestaat uit drie hoofdcomponenten: de toren, de gondel en de rotorbladen.
Fig 1. Denemarken is een groot voorstander van windenergie en er verschijnen zelfs windturbines op de Faeröer.
Toren
De toren zorgt voor de structurele ondersteuning waarop de gondel en de rotorbladen rusten en is gemaakt van stalen buizen, beton of een stalen vakwerkconstructie. Uiteraard moeten de materialen sterk en robuust van aard zijn om bestand te zijn tegen barre milieuomstandigheden en sterke wind.
- AS 1302 Grade 230S gewalst (betonstaal) staaf
Gondel
In de gondel zijn de binnenste machines ondergebracht, waaronder de generator, die de mechanische energie omzet in elektrische energie. Aangezien de gondel voornamelijk mechanische onderdelen van de werking van de windturbine bevat, zijn de materialen niet bijzonder onderhevig aan veel afwijkingen en variaties.
Fig 2. Binnenste mechanische onderdelen van de gondel in een windturbine.
Rotorblad
De rotor genereert aërodynamische torsie uit de wind met zijn draaiende beweging als de bladen ronddraaien. Optimalisering van de vorm en het materiaal van de bladen moet het mogelijk maken dat het blad sneller ronddraait en wind vangt bij lagere snelheden om de efficiëntie van de turbine te verhogen. De vorm van het rotorblad moet aërodynamisch zijn, zoals de vleugels van een vliegtuig. Het materiaal van de rotorbladen moet de aërodynamica verbeteren in plaats van belemmeren en aan de volgende criteria voldoen: hoge stijfheid voor optimale aërodynamica, lage dichtheid om de zwaartekracht te verminderen, en lange vermoeiingslevensduur om materiaaldegradatie te beperken. Een levensduur van 20 jaar is gewoonlijk de industrienorm voor lange vermoeiingslevensduur, die 108-109 spanningscycli aanhoudt die het materiaal kan verwerken alvorens te falen.
Bij de evaluatie van de brede categorieën van beschikbare materialen, worden de schuimen, de polymeren, en de rubbers geëlimineerd wegens hun ontoereikende stijfheid en dichtheid voor een cantilever straal die als model voor het rotorblad dient. Keramiek is niet goed bestand tegen langdurige vermoeiingsbelastingen, wat betekent dat het gemakkelijk kan breken. Dan blijven hout en composietmaterialen over die aan deze materiaaleisen voldoen. Hout is een milieuvriendelijke optie met het voordeel dat het een lage dichtheid heeft. Door zijn lage stijfheid is het materiaal echter gevoelig voor buiging en doorbuiging in de wind, wat de algemene efficiëntie van de turbine ernstig in het gedrang brengt. Composietmaterialen blijven de meest praktische en gangbare keuze. Binnen deze materiaalfamilie wordt een rijke verscheidenheid aan innovatieve mogelijkheden onderzocht.
Fig 3. Rotorbladen klaar voor assemblage.
Vezels
Vezelachtige materialen worden gekenmerkt door het feit dat zij aanzienlijk langer zijn dan zij breed zijn. De uitzonderlijke sterkte en stijfheid van vezels maken hen uitstekende kandidaten voor turbinebladmaterialen, waar de lange vezels longitudinale stijfheid verstrekken wanneer zij parallel over de bladlengte worden gericht. Vezels zijn vaak bros en kunnen gemakkelijk breken, zodat ze niet alleen als materiaal worden gebruikt, maar eerder als toegevoegde versterkingen.
Koolstofvezels hebben superieure mechanische eigenschappen met hoge stijfheid, hoge sterkte en lage dichtheid, zij het samen met hogere kosten. Zij zijn samengesteld uit zuivere koolstofatomen als hexagonale repeterende eenheden in een kristallografisch rooster dat op elkaar is gerangschikt in vlakken, met sterke krachten binnen het vlak en zwakke krachten ertussen. Dit leidt tot een hoge anisotropie met hoge stijfheid en thermische uitzettingseigenschappen. De lage dichtheid van koolstofvezel bladen zorgt voor een grotere lengte zonder de last van een hoger gewicht, waardoor de turbine efficiënter wordt. Bovendien verminderen de lichtere schoepen het totale gewicht en de belasting van de gondel.
Glasvezels zijn goedkoper verkrijgbaar dan hun koolstoftegenhangers, en zijn dus gangbaarder in de industrie. Zij bestaan hoofdzakelijk uit SiO2 en Al2O3, met andere oxiden die in kleine hoeveelheden aanwezig zijn. Omdat er geen kristallografische orde is, heeft het materiaal een amorfe structuur met isotrope eigenschappen. Dit betekent dat de eigenschappen, zoals stijfheid en thermische uitzetting, consistent zijn langs en over de vezel. Glasvezels hebben een diameter van 10-20 μm en hebben een gemiddelde stijfheid, een hoge sterkte en een gemiddelde dichtheid. Meer informatie over aluminosilicaatglas vindt u hier.
- E-glas, of elektrisch glas gemaakt van aluminoborosilicaat gekenmerkt door zijn hoge elektrische weerstand.
- S-glas, of glas met hoge sterkte gemaakt van magnesiumaluminosilicaat maar met hogere kosten.
Aramidevezels zijn synthetische vezels die zeer hittebestendig zijn, waardoor ze geschikt zijn voor windturbines die in extreme temperatuursomstandigheden werken. De vezels bestaan uit aromatische polyamideketens die bij elkaar worden gehouden door sterke waterstofbruggen die bijdragen tot de taaiheid van de vezel.
Polymeermatrix
De polymeermatrix biedt structurele ondersteuning door de vezels aan elkaar te binden en bestaat uit twee hoofdklassen: thermoharders en thermoplasten. Het belangrijkste fysische verschil tussen beide is hun gedrag bij verschillende temperaturen. U kunt hier meer over de verschillen te weten komen.
Thermosets bevatten polymeren die sterk met elkaar vernet zijn in onomkeerbare chemische bindingen. Hierdoor zijn ze bestand tegen hoge temperaturen en blijven ze na afkoeling in een permanente vaste toestand. Dit kan aanleiding geven tot interne spanningen in de composietstructuur. Voorbeelden van thermohardende polymeren zijn:
- Onverzadigde polyesters: Algemeen Polyethyleentereftalaat, amorf
- Vinylesters: Algemeen Vinylester (VE)
- Epoxies: Algemeen Epoxide; Epoxy (EP+GF25+MD45), (EP+GF30+MD20)
Thermoplastics bevatten polymeren die deze sterke chemische bindingen missen, zodat de interacties omkeerbaar zijn. Zij worden zacht wanneer zij opnieuw worden verhit, zodat zij indien nodig opnieuw kunnen worden gevormd en gerepareerd. Deze eigenschap zorgt er echter ook voor dat ze bij hoge temperaturen smelten, waardoor ze onpraktisch zijn voor sommige van de zware omstandigheden waarin windturbines moeten werken.
- Algemeen Acrylnitril-butadieen-styreen + polycarbonaat (ASA+PC)
Wanneer de vezels en de polymeermatrix worden gecombineerd, vormen ze een composietmateriaal met andere chemische en fysische eigenschappen dan hun afzonderlijke bestanddelen. Het resulterende materiaal wordt versterkt met complementaire eigenschappen die de tekortkomingen van de ander compenseren. Veel gebruikte vezelhoudende composietmaterialen in turbinebladen zijn glas en koolstof. De lange vezels zorgen voor stijfheid en sterkte, terwijl de polymeermatrix de vezels ondersteunt door te zorgen voor sterkte buiten het vlak, flexibiliteit, breuktaaiheid, en verhoogde stijfheid. In een geoptimaliseerde samenstelling en combinatie zijn de resulterende bladen licht van gewicht met uitstekende mechanische eigenschappen.
- Algemeen Polyamide 4T (PA4T+GF30), composietmateriaal versterkt met 30% glasvezel
