W miarę, jak rosną wymiary łopaty, inżynierowie selektywnie stosują włókna węglowe w sposób zapożyczony od konstruktorów Boeing’a Dreamliner.
Popyt na turbiny wiatrowe rośnie teraz lawinowo, wywołując rewolucję w dziedzinie technologii materiałowych w tej od dawna dogorywającej branży.
Od ponad 30 lat łopaty turbin wykonuje się z wzmacnianych włóknem szklanym kompozytów termoutwardzalnych – jest to w zasadzie standardowa technologia, wykorzystywana od dawna do produkcji łodzi i niektórych części samochodowych, z których najsłynniejsze są panele nadwozia Chevroleta Corvette.
Nagły wzrost w branży turbin wiatrowych, jaki miał miejsce niedawno, dopiero się rozpoczyna – twierdzi Steven C. Lockard, dyrektor generalny firmy TPI Composites. Pod koniec 2008 roku, w USA istniało osiem firm produkujących łopaty do turbin wiatrowych – cztery lata temu były tylko dwie. Od stycznia 2007 roku zapowiedziano otwarcie dwudziestu ośmiu nowych zakładów.
TPI otwiera nowy zakład produkcji łopat w Newton w stanie Iowa – tym samym mieście, które w 2007 roku spustoszył outsourcing w branży urządzeń. Wiele tego typu zakładów powstaje w stanach takich, jak Texas, Oklahoma i North Dakota, czyli na terenach, na których występują silne i długotrwałe podmuchy wiatru wiejącego z prerii. Budowa podobnych zakładów trwa także w stanie Kalifornia, Michigan, Nowy Jork i dziewięciu innych stanach.
USA jest na dobrej drodze, by do końca roku 2009 prześcignąć Niemcy i stać się krajem o największej zainstalowanej bazie energii wiatrowej – stwierdza Victor Abate, wiceprezes ds. energii odnawialnej w GE Energy, firmie, która stała się jednym z największych globalnych graczy na tym polu. Inne firmy to: Suzlon Energy (Indie), Gamesa (Hiszpania) i Vestas Wind Systems (Dania). We wrześniu 2008 r. firma Siemens ogłosiła swoje plany rozszerzenia działalności na ten rynek.
Turbiny wiatrowe składają się z tysięcy podzespołów, z których większość znajduje się w ogromnej „skrzyni”, zwanej gondolą, znajdującej się na szczycie masztu i mieszczącej generator, przekształcający energię mechaniczną na prąd elektryczny. Ogromne, kompozytowe łopaty i stalowe maszty konstruuje się w pobliżu miejsc montażu, by uniknąć problemów i kosztów związanych z ich transportem.
Od roku 2002 GE zwiększyła średnicę wirnika swojej półtoramegawatowej turbiny do 82 metrów, zwiększając także współczynnik wykorzystania mocy – wydajność turbiny – o dziewięć punktów. Jednopunktowy wzrost tego współczynnika oznacza prąd dla 150 000 przeciętnych amerykańskich gospodarstw domowych. Jednym z głównych celów nowych projektów i materiałów jest także zwiększona niezawodność. W roku 2002 najnowocześniejsze turbiny były w stanie wytwarzać energię elektryczną przez mniej niż 85% czasu eksploatacji. Postęp techniczny w dziedzinie zdalnego monitorowania i diagnostyki oraz wykorzystanie monitoringu niezawodności GE zwiększyły niezawodność naszych turbin wiatrowych o 12 punktów – stwierdza pracujący w GE Abate. Jednoprocentowy wzrost niezawodności oznacza, że prąd dotrze do dodatkowych 50 000 domów.
Jednak dla niektórych turbin wiatrowych niezawodność stała się poważnym problemem, ponieważ nagły wzrost wymiarów i mocy przekraczał czasami możliwości istniejących systemów materiałowych.
Vestas Wind System dostarczyło 1,8-MW turbiny na potrzeby projektu Highwinds w Solano County w stanie Kalifornia.
Przykładem było rozszczepianie się łopat turbin na amerykańskich farmach wiatrowych, finansowanych przez firmy Edison International i John Deere, co spowodował o , że dostawca – Suzlon International – wycofał z rynku ponad 1200 łopat. Awarie miały także miejsce na rodzimym rynku firmy Suzlon, czyli w Indiach. Maszyny nie wytrzymują wiatru – twierdzi Shrenik Baldota, dyrektor generalny MSPL, jednego z klientów Suzlon. Dwie turbiny wiatrowe wykonane przez Vestas przewróciły się w Danii. Vivek Kher, wiceprezes ds. komunikacji w firmie Suzlon, nie odpowiedział na prośbę Design News o udzielenie wywiadu.
Część problemu stanowi łańcuch dostaw. Występuje presja na realizację zamówień z zaplecza gospodarczego, która szybko się zwiększa. W chwili obecnej, producenci mają trzyletni poślizg – dwa lata temu wynosił on zaledwie sześć miesięcy. Jednak ważniejsze są problemy natury technicznej. Projektanci próbują zwiększać rozmiary turbin, wykorzystując technologię, która ma już 30 lat. Nowe patenty oznaczają jednak nadejście poważnych zmian.
Jedna z najbardziej obiecujących możliwości znacznego zmniejszenia kosztów energii polega na skoordynowanym rozwoju lepszych, tanich materiałów, dzięki zastosowaniu niezawodnych, wysokonakładowych technik produkcji podzespołów wykorzystywanych w zastosowaniach związanych z energią wiatrową – stwierdza Mansour H. Mohamed, założyciel i główny dyrektor ds. naukowych w firmie 3 Tex. Zmniejszenie ciężaru łopat ma dramatyczny wpływ na zmniejszenie wagi pozostałych elementów turbiny wiatrowej. Jednak trzeba zachować delikatną równowagę między redukcją wagi łopaty a zwiększonymi kosztami związanymi zazwyczaj z wyspecjalizowanymi lekkimi materiałami, takimi jak kompozyty węglowe.
Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym (CFRP), materiał wykorzystany do budowy Boeing’a 787 Dreamliner są mniej więcej trzykrotnie sztywniejsze niż tworzywa wzmacniane włóknami szklanymi, mają także znacznie większą odporność na zmęczenie. Niskoalkaliczne szkło borokrzemowe kosztuje mniej więcej dwa dolary za jeden kilogram materiału, podczas gdy włókno węglowe o standardowym współczynniku kosztuje od 12 do 40 dolarów za jeden kilogram, w zależności od typu, rozmiaru nieobrobionych włókien i wielkości zamówienia.
Korzyści płynące z zastosowania CFRP
Zdaniem Mohameda, zastowanie CFRP zapewnia cztery konkretne korzyści przy produkcji turbin wiatrowych:
- potencjalnie cieńsze i wydajniejsze profile, zwiększające wydajność energetyczną
- sztywniejsze łopaty, umożliwiające pomniejszenie gondoli
- smukłe łopaty, powodujące zmniejszenie obciążenia masztów i gondoli
- zmniejszenie masy łopat, ułatwiające produkcję i montaż.
Firma Mohameda, 3Tex, proponuje podzespoły do turbin wiatrowych wykonane z tkanin z włókna szklanego i węglowego. W pełni zautomatyzowany proces tkania trójwymiarowego opracowano na North Carolina State University w Raleigh w stanie North Carolina. Proces ten nie wiąże się z nakładaniem się warstw w tkaninie. Zamiast tego trójwymiarowe włókno formowane jest w każdym cyklu tkania.
Proces ten zawiera przynajmniej trzy rewolucyjne usprawnienia, w tym zautomatyzowane wykorzystanie wprowadzania wielu wątków w jednym cyklu tkania, zautomatyzowaną metodę produkcji form o wysokiej dokładności kształtowo-wymiarowej i różnym przekroju, w tym przekroju w kształcie litery I, T oraz P, a także struktury rdzeniowej i możliwość wprowadzania kontrolowanych ilości włókna w kierunku osi Z, na przykład do 1/3 całkowitej objętości włókna – twierdzi Mohamed. Niedawno przyznany patent ujawnia wykonany z trójwymiarowego, hybrydowego włókna węglowo-szklanego kołpak dźwigara łopaty, który można wykorzystywać do wzmocnienia łopaty.
Rdzenie z drewna balsa także wykorzystywane są do zmniejszenia wagi na tych obszarach łopat wirników, gdzie wymagana jest wysoka odporność na ścinania i ściskanie. By obniżyć koszty, do podobnych celów wykorzystywane są rdzenie z pianki.
W lipcu 2008 roku, firmie GE przyznano amerykański patent za metodę, która łączy włókno węglowe i drewno balsa w nowy sposób, umożliwiający pokonanie problemu związanego z konstrukcją dużych, kompozytowych łopat. Wielkość jednoczęściowej łopaty nie sprzyja obróbce wysokiej jakości materiału kompozytowego i, co za tym idzie, zachowaniu się konstrukcji – twierdzi Ron Cairo, inżynier pracujący w Globalnym Ośrodku Doskonałości GE Energy dla projektów turbin gazowych.
Sama wielkość łopaty wykonanej z kompozytu włókno szklane/ żywica epoksydowa przy wykorzystaniu oprzyrządowania zewnętrznego o długości pełnej łopaty sprawia, że trudno jest wyeliminować powietrze uwięzione w procesie laminacji i uzyskać jednakową obróbkę na całej długości łopaty. Prawdopodobieństwo przeróbek podczas produkcji jest wysokie, ponieważ wysoki jest koszt złomowania – stwierdza Cairo. Jakość łopaty może na skutek tego ucierpieć i koszt produkcji jest wysoki.
Oferowana przez GE innowacja Cairo ma łopatę z kilkoma modułowymi segmentami ułożonymi jeden na drugim w kształcie łopaty i połączonymi w całość za pomocą przewodów. Przewody napinające biegną przez kanały w ułożonych na sobie segmentach i spinają je w całość. Jednokierunkowe kołpaki węglowo-epoksydowe służą do przenoszenia obciążeń zginających łopatę w przypadku rozciągania osiowego, zaś sieci z drewna balsa przenoszą ścinanie poprzeczne powodowane przez zginanie łopaty.
