Turbinele eoliene sunt dispozitive care extrag energia cinetică din vânt și o convertesc în energie mecanică, care este apoi transformată în forma mai ușor de utilizat a energiei electrice.
Energia exploatată din vânt asigură în prezent aproximativ 10% din aprovizionarea cu energie a lumii, iar prezența sa în sectorul energiei regenerabile este proiectată să crească pe măsură ce potențialul său este realizat. Pentru a rămâne competitivă în raport cu tehnologiile existente, optimizarea eficienței turbinelor eoliene este crucială și este dictată de proiectarea inginerească completată de alegerea judicioasă a materialelor. În plus, materialele ar trebui să fie durabile, în mod ideal reciclabile și cu costuri reduse în ceea ce privește fabricarea, pentru a nu anula impactul pozitiv asupra mediului și avantajele economice ale energiei eoliene.
O turbină eoliană este formată din trei componente principale: turnul, nacela și palele rotorului.
Figură 1. Danemarca este un susținător puternic al energiei eoliene, turbinele eoliene apărând chiar și în Insulele Feroe.
Turnul
Turnul asigură suportul structural pe care stau nacela și palele rotorului și este realizat din oțel tubular, beton sau zăbrele de oțel. În mod firesc, materialele trebuie să fie de natură puternică și robustă pentru a rezista la condiții de mediu dure și la vânturi puternice.
- Bară laminată AS 1302 Grade 230S (bară de armătură pentru beton)
Nacela
Nacela găzduiește mașinăria internă, inclusiv generatorul, care transformă energia mecanică în energie electrică. Deoarece nacela conține în cea mai mare parte părți mecanice de funcționare a turbinei eoliene, materialele nu sunt supuse în mod deosebit la multe abateri și variații.
Fig 2. Componentele mecanice interioare ale nacelei într-o turbină eoliană.
Pală de rotor
Rotorul generează un cuplu aerodinamic din vânt cu ajutorul mișcării sale de rotație pe măsură ce paletele se rotesc. Optimizarea formei și a materialului paletelor ar trebui să permită paletei să se rotească mai repede și să capteze vântul la viteze mai mici pentru a crește eficiența turbinei. Forma paletei rotorului trebuie să fie aerodinamică, la fel ca aripile unui avion. Materialul paletelor trebuie să îmbunătățească mai degrabă decât să împiedice aerodinamica acestora și să îndeplinească următoarele criterii: rigiditate ridicată pentru o aerodinamică optimă, densitate scăzută pentru a reduce forțele gravitaționale și durată lungă de viață la oboseală pentru a reduce degradarea materialului. O durată de viață de 20 de ani este, de obicei, standardul industrial pentru o durată lungă de viață la oboseală, care susține 108-109 cicluri de solicitare pe care materialul le poate suporta înainte de a ceda.
În evaluarea categoriilor largi de materiale disponibile, spumele, polimerii și cauciucurile sunt eliminate din cauza rigidității și densității lor inadecvate pentru o grindă în consolă care servește drept model pentru palele rotorului. Ceramica nu rezistă bine la sarcini de oboseală de lungă durată, ceea ce înseamnă că se poate rupe ușor. Rămân astfel lemnele și compozitele care satisfac aceste cerințe de material. Lemnul este o opțiune ecologică, având avantajul de a avea densități scăzute. Cu toate acestea, rigiditatea sa scăzută face ca materialul să fie susceptibil la încovoiere și deformări în vânt, ceea ce compromite grav eficiența generală a turbinei. Materialele compozite rămân cea mai practică și mai răspândită alegere. În cadrul acestei familii de materiale, este explorată o varietate bogată de posibilități inovatoare.
Fig. 3. Pale de rotor care se pregătesc pentru a fi asamblate.
Fibre
Materialele fibroase se caracterizează prin faptul că sunt semnificativ mai lungi decât late. Rezistența și rigiditatea excepționale ale fibrelor le fac candidați excelenți pentru materialele paletelor de turbină, unde fibrele lungi asigură rigiditate longitudinală atunci când sunt aliniate paralel pe lungimea paletei. Fibrele sunt adesea fragile și se pot rupe cu ușurință, astfel încât nu sunt utilizate singure ca material, ci mai degrabă ca întărituri adiționale.
Fibrele de carbon au proprietăți mecanice superioare, cu rigiditate ridicată, rezistență ridicată și densitate scăzută, deși împreună cu costuri mai mari. Ele sunt compuse din atomi de carbon pur sub formă de unități hexagonale repetitive într-o rețea cristalografică dispuse unele peste altele în planuri, cu forțe puternice în interiorul planului și forțe slabe între ele. Acest lucru dă naștere la o anizotropie ridicată, cu proprietăți ridicate de rigiditate și dilatare termică. Densitatea scăzută a paletelor din fibră de carbon oferă o lungime mai mare fără povara unei greutăți sporite, crescând astfel eficiența turbinei. În plus, paletele mai ușoare reduc greutatea totală și tensiunea pe care o suportă nacela.
Fibrele de sticlă sunt disponibile la un cost mai mic în comparație cu omologii lor din carbon și, prin urmare, sunt mai răspândite în industrie. Ele sunt compuse în principal din SiO2 și Al2O3, cu alți oxizi prezenți în cantități mici. Deoarece nu există o ordine cristalografică, materialul are o structură amorfă cu proprietăți izotrope. Acest lucru înseamnă că proprietățile sale, cum ar fi rigiditatea și dilatarea termică, sunt consecvente de-a lungul și de-a latul fibrei. Fibrele de sticlă au un diametru de 10-20 μm și au o rigiditate moderată, o rezistență ridicată și o densitate moderată. Aflați mai multe despre sticla aluminosilicată aici.
- Veață E, sau sticlă electrică fabricată din alumino-borosilicat, caracterizată prin rezistența electrică ridicată.
- Veață S, sau sticlă de înaltă rezistență fabricată din aluminosilicat de magneziu, dar cu costuri mai ridicate.
Fibrele de aramidă sunt fibre sintetice foarte rezistente la căldură, ceea ce le face potrivite pentru turbinele eoliene care funcționează în condiții de temperaturi extreme. Fibrele sunt compuse din lanțuri de poliamidă aromatică ținute împreună prin legături puternice de hidrogen care contribuie la tenacitatea fibrei.
Matrice polimerică
Matricea polimerică asigură suportul structural prin legarea fibrelor între ele și constă din două clase principale: termorigide și termoplastice. Principala diferență fizică dintre ele este comportamentul lor la temperaturi diferite. Puteți afla mai multe despre aceste diferențe aici.
Termopolimericele conțin polimeri puternic reticulați între ei în legături chimice ireversibile. Acest lucru îi face să fie rezistenți la temperaturi ridicate și să rămână într-o stare solidă permanentă odată răciți. Acest lucru poate da naștere, eventual, la tensiuni interne în structura compozită. Exemple de polimeri termorigizi sunt următoarele:
- Polieste nesaturate: În general Polietilen tereftalat, amorf
- Vinilesteri: General Ester de vinil (VE)
- Epoxizi: General Epoxid; Epoxid (EP+GF25+MD45), (EP+GF30+MD20)
Thermoplasticele conțin polimeri cărora le lipsesc aceste legături chimice puternice, astfel încât interacțiunile sunt reversibile. Ele se înmoaie atunci când sunt reîncălzite, permițând posibilitatea de retușare și reparații atunci când este necesar. Cu toate acestea, această proprietate le face, de asemenea, să se topească la temperaturi ridicate, ceea ce le face impracticabile pentru unele dintre condițiile dure pe care trebuie să le suporte turbinele eoliene.
- General Acrilnitril-butadien-stiren + Policarbonat (ASA+PC)
Când sunt combinate împreună, fibrele și matricea polimerică alcătuiesc un material compozit cu proprietăți chimice și fizice diferite față de constituenții lor individuali. Materialul rezultat este întărit cu proprietăți complementare care compensează deficitele celuilalt. Materialele compozite care conțin fibre utilizate în mod obișnuit la paletele de turbină sunt cu sticlă și carbon. Fibrele lungi asigură rigiditate și rezistență, în timp ce matricea polimerică susține fibrele, oferind rezistență în afara planului, flexibilitate, rezistență la rupere și rigiditate sporită. Într-o compoziție și combinație optimizate, paletele rezultate sunt ușoare și au proprietăți mecanice excelente.
- Poliamidă generală 4T (PA4T+GF30), material compozit armat cu 30% fibre de sticlă
.
