Vindturbiner är anordningar som utvinner den kinetiska energin från vinden och omvandlar den till mekanisk energi, som sedan omvandlas till den mer användbara formen av elektrisk energi.
Vindenergi står för närvarande för cirka 10 % av världens energiförsörjning, och dess närvaro inom sektorn för förnybar energi förväntas bara öka i takt med att dess potential förverkligas ytterligare. För att förbli konkurrenskraftig i förhållande till befintlig teknik är optimering av vindkraftverkens effektivitet avgörande och dikteras av teknisk utformning kompletterad med kloka materialval. Dessutom bör materialen vara hållbara, helst återvinningsbara och billiga när det gäller tillverkning för att inte motverka den positiva miljöpåverkan och de ekonomiska fördelarna med vindkraft.
Ett vindkraftverk består av tre huvudkomponenter: tornet, gondolen och rotorbladen.
Figur 1. Danmark är en stark förespråkare av vindkraft och vindkraftverk finns även på Färöarna.
Torn
Tornet ger strukturellt stöd på vilket nacellen och rotorbladen står och är tillverkat av stålrör, betong eller stålgaller. Naturligtvis måste materialen vara starka och robusta till sin natur för att tåla tuffa miljöförhållanden och starka vindar.
- AS 1302 Grade 230S valsad (betongarmeringsstång) stång
Nacelle
Nacellen inrymmer det inre maskineriet, inklusive generatorn, som omvandlar den mekaniska energin till elektrisk energi. Eftersom nacellen innehåller mestadels mekaniska delar av vindkraftverkets drift är materialen inte särskilt utsatta för många avvikelser och variationer.
Fig 2. Inre mekaniska komponenter i nacellen i ett vindkraftverk.
Rotorblad
Rotorn genererar aerodynamiskt vridmoment från vinden med sin roterande rörelse när bladen snurrar. Optimering av bladens form och material bör göra det möjligt för bladet att snurra snabbare och fånga upp vinden vid lägre hastigheter för att öka turbinens effektivitet. Rotorbladets form måste vara aerodynamisk, ungefär som vingarna på ett flygplan. Bladens material måste förbättra snarare än hindra aerodynamiken och uppfylla följande kriterier: hög styvhet för optimal aerodynamik, låg densitet för att minska gravitationskrafterna och lång utmattningslivslängd för att minska materialnedbrytningen. En livslängd på 20 år är vanligtvis industristandarden för lång utmattningslivslängd, vilket innebär 108-109 belastningscykler som materialet kan hantera innan det går sönder.
Vid utvärderingen av de breda kategorierna av tillgängliga material elimineras skum, polymerer och gummi på grund av deras otillräckliga styvhet och densitet för en klyvningsbalk som tjänar som modell för rotorbladet. Keramik klarar inte av långvariga utmattningsbelastningar, vilket innebär att de lätt kan gå sönder. Då återstår trä och kompositer som uppfyller dessa materialkrav. Trä är ett miljövänligt alternativ med fördelen att det har låg densitet. Dess låga styvhet gör dock materialet känsligt för böjning och böjningar i vinden, vilket allvarligt försämrar den totala turbinens effektivitet. Kompositmaterial är fortfarande det mest praktiska och vanligaste valet. Inom denna materialfamilj utforskas ett stort antal innovativa möjligheter.
Fig 3. Rotorblad som förbereds för montering.
Fibrer
Fibermaterial kännetecknas av att de är betydligt längre än de är breda. Fibrernas exceptionella styrka och styvhet gör dem till utmärkta kandidater för material för turbinblad, där de långa fibrerna ger longitudinell styvhet när de är parallellt uppställda längs bladlängden. Fibrer är ofta spröda och kan lätt gå sönder, så de används inte ensamma som material utan snarare som additiva förstärkningar.
Kolfiber har överlägsna mekaniska egenskaper med hög styvhet, hög hållfasthet och låg densitet, dock tillsammans med högre kostnader. De består av rena kolatomer som hexagonala repetitiva enheter i ett kristallografiskt gitter som är anordnade ovanpå varandra i plan, med starka krafter inom planet och svaga krafter mellan. Detta ger upphov till hög anisotropi med höga styvhets- och värmeexpansionsegenskaper. Den låga densiteten hos blad av kolfiber ger ökad längd utan att det leder till ökad vikt, vilket ökar turbinens effektivitet. Dessutom minskar de lättare bladen den totala vikten och belastningen som nacellen bär.
Glasfibrer finns tillgängliga till en lägre kostnad jämfört med deras motsvarigheter i kol och är därför vanligare inom industrin. De består huvudsakligen av SiO2 och Al2O3, med andra oxider som förekommer i små mängder. Eftersom det inte finns någon kristallografisk ordning har materialet en amorf struktur med isotropa egenskaper. Detta innebär att dess egenskaper, t.ex. styvhet och värmeutvidgning, är konsekventa längs och tvärs över fibern. Glasfibrer är 10-20 μm i diameter och har måttlig styvhet, hög hållfasthet och måttlig densitet. Läs mer om aluminosilikatglas här.
- E-glas, eller elglas tillverkat av alumino-borosilikat som kännetecknas av sin höga elektriska resistans.
- S-glas, eller glas med hög hållfasthet tillverkat av magnesiumaluminiumsilikat men med högre kostnader.
Aramidfibrer är syntetiska fibrer som är mycket värmebeständiga, vilket gör att de lämpar sig för vindkraftverk som arbetar i extrema temperaturer. Fibrerna består av aromatiska polyamidkedjor som hålls samman av starka vätebindningar som bidrar till fiberns seghet.
Polymermatris
Polymermatrisen ger strukturellt stöd genom att binda ihop fibrerna och består av två huvudklasser: härdplaster och termoplaster. Den viktigaste fysiska skillnaden mellan dem är deras beteende vid olika temperaturer. Du kan läsa mer om skillnaderna här.
Termosetter innehåller polymerer som är starkt tvärbundna med varandra i irreversibla kemiska bindningar. Detta gör dem motståndskraftiga mot höga temperaturer och förblir i ett permanent fast tillstånd när de svalnat. Detta kan eventuellt ge upphov till inre spänningar i kompositstrukturen. Exempel på härdade polymerer är följande:
- Omättade polyestrar: Allmänt Polyetentereftalat, amorft
- Vinylestrar: Allmänt Vinylester (VE)
- Epoxider: Allmänt Epoxid; Epoxi (EP+GF25+MD45), (EP+GF30+MD20)
Thermoplaster innehåller polymerer som saknar dessa starka kemiska bindningar så att interaktionerna är reversibla. De mjuknar när de värms upp på nytt, vilket ger möjlighet till omformning och reparationer vid behov. Denna egenskap gör dock också att de smälter vid höga temperaturer, vilket gör dem opraktiska för vissa av de hårda förhållanden som vindkraftverk måste uthärda.
- Allmänt Akrylnitrilbutadienstyren + polykarbonat (ASA+PC)
När fibrerna och polymermatrisen kombineras tillsammans bildar de ett kompositmaterial med andra kemiska och fysikaliska egenskaper än deras enskilda beståndsdelar. Det resulterande materialet är förstärkt med kompletterande egenskaper som kompenserar för brister i det andra. Vanliga fiberinnehållande kompositmaterial som används i turbinblad är med glas och kol. De långa fibrerna ger styvhet och styrka medan polymermatrisen stöder fibrerna genom att ge styrka utanför planet, flexibilitet, brottsstyrka och ökad styvhet. I en optimerad sammansättning och kombination är de resulterande bladen lätta med utmärkta mekaniska egenskaper.
- Allmän polyamid 4T (PA4T+GF30), kompositmaterial förstärkt med 30 % glasfiber
.
