Windturbinendesign
BlattdesignBearbeiten
Das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit der Blattspitzen und der Windgeschwindigkeit wird als Spitzengeschwindigkeitsverhältnis bezeichnet. Hocheffiziente 3-Blatt-Turbinen haben Spitzengeschwindigkeits-/Windgeschwindigkeitsverhältnisse von 6 bis 7. Moderne Windturbinen sind so konstruiert, dass sie sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen (eine Folge ihrer Generatorkonstruktion, siehe oben). Die Verwendung von Aluminium und Verbundwerkstoffen in den Rotorblättern hat zu einer geringen Rotationsträgheit beigetragen, was bedeutet, dass neuere Windturbinen schnell beschleunigen können, wenn der Wind zunimmt, so dass das Verhältnis der Spitzengeschwindigkeit nahezu konstant bleibt. Da sie bei starken Windböen näher an ihrem optimalen Drehzahlverhältnis arbeiten, können Windturbinen die Energiegewinnung aus plötzlichen Böen, die in städtischen Gebieten typisch sind, verbessern.
Im Gegensatz dazu wurden Windturbinen älterer Bauart mit schwereren Stahlblättern konstruiert, die eine höhere Trägheit aufweisen und sich mit Geschwindigkeiten drehten, die von der Wechselstromfrequenz der Stromleitungen bestimmt wurden. Die hohe Trägheit puffert die Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit ab und sorgt so für eine stabilere Leistungsabgabe.
Es ist allgemein bekannt, dass der Lärm bei höheren Blattspitzengeschwindigkeiten zunimmt. Eine Erhöhung der Spitzendrehzahl bei gleichbleibender Geräuschentwicklung würde eine Verringerung des Drehmoments in Getriebe und Generator sowie eine Verringerung der strukturellen Gesamtbelastung und damit eine Kostenreduzierung ermöglichen.
Die Verringerung der Geräuschentwicklung hängt mit der detaillierten Aerodynamik der Blätter zusammen, insbesondere mit Faktoren, die einen abrupten Strömungsabriss verhindern. Die Unfähigkeit, den Strömungsabriss vorherzusagen, schränkt die Entwicklung von aggressiven aerodynamischen Konzepten ein. Einige Flügel (vor allem bei Enercon) haben ein Winglet, um die Leistung zu erhöhen und den Lärm zu verringern.
Ein Flügel kann ein Auftriebsverhältnis von 120 haben, verglichen mit 70 bei einem Segelflugzeug und 15 bei einem Verkehrsflugzeug.
Die Nabe
Bei einfachen Konstruktionen, sind die Blätter direkt mit der Nabe verschraubt und können sich nicht neigen, was ab bestimmten Windgeschwindigkeiten zum aerodynamischen Strömungsabriss führt. Bei anderen, anspruchsvolleren Konstruktionen sind sie mit dem Pitchlager verschraubt, das ihren Anstellwinkel mit Hilfe eines Pitchsystems an die Windgeschwindigkeit anpasst, um ihre Drehgeschwindigkeit zu steuern. Die Pitch-Steuerung erfolgt durch hydraulische oder elektrische Systeme (Blei-Säure-Batterie oder Ultrakondensator). Das Pitchlager selbst ist mit der Nabe verschraubt. The hub is fixed to the rotor shaft which drives the generator directly or through a gearbox.
Blade countEdit
The number of blades is selected for aerodynamic efficiency, component costs, and system reliability. Die Geräuschemissionen werden durch die Lage der Flügel im Wind oder im Windschatten des Turms und die Geschwindigkeit des Rotors beeinflusst. Da die Geräuschemissionen der Flügelhinterkanten und -spitzen mit der fünften Potenz der Flügelgeschwindigkeit variieren, kann eine kleine Erhöhung der Spitzengeschwindigkeit einen großen Unterschied ausmachen.
Windkraftanlagen, die in den letzten 50 Jahren entwickelt wurden, haben fast durchgängig entweder zwei oder drei Flügel. Es gibt jedoch Patente, die Konstruktionen mit zusätzlichen Flügeln vorstellen, wie z.B. Chan Shins integrierte Windturbine mit mehreren Rotorblättern.
Der aerodynamische Wirkungsgrad steigt mit der Anzahl der Flügel, allerdings mit abnehmender Rentabilität. Eine Erhöhung der Anzahl der Blätter von einem auf zwei führt zu einer sechsprozentigen Steigerung des aerodynamischen Wirkungsgrads, während eine Erhöhung der Anzahl der Blätter von zwei auf drei nur zu einer zusätzlichen Steigerung des Wirkungsgrads um drei Prozent führt. Eine weitere Erhöhung der Schaufelanzahl führt zu minimalen Verbesserungen des aerodynamischen Wirkungsgrads und zu großen Verlusten bei der Schaufelsteifigkeit, da die Schaufeln immer dünner werden.
Theoretisch ist eine unendliche Anzahl von Schaufeln mit einer Breite von Null am effizientesten, da sie bei einem hohen Wert des Spitzengeschwindigkeitsverhältnisses arbeiten. Andere Überlegungen führen jedoch zu einem Kompromiss mit nur wenigen Schaufeln.
Die von der Anzahl der Schaufeln abhängigen Komponentenkosten betreffen in erster Linie die Materialien und die Herstellung des Turbinenrotors und des Antriebsstrangs. Generell gilt: Je geringer die Anzahl der Schaufeln, desto geringer sind die Material- und Fertigungskosten. Je geringer die Anzahl der Schaufeln ist, desto höher kann auch die Drehzahl sein. Dies liegt daran, dass die Anforderungen an die Steifigkeit der Blätter zur Vermeidung von Interferenzen mit dem Turm begrenzen, wie dünn die Blätter hergestellt werden können, aber nur für Aufwindmaschinen; die Durchbiegung der Blätter in einer Abwindmaschine führt zu einem größeren Turmabstand. Weniger Blätter mit höheren Drehzahlen reduzieren die Spitzendrehmomente im Antriebsstrang, was zu geringeren Getriebe- und Generatorkosten führt.
Die Zuverlässigkeit der Anlage wird durch die Anzahl der Blätter in erster Linie durch die dynamische Belastung des Rotors auf den Antriebsstrang und die Turmsysteme beeinflusst. Beim Ausrichten der Windkraftanlage auf Windrichtungsänderungen (Gieren) erfährt jedes Blatt je nach Blattstellung eine zyklische Belastung an seinem Fußende. Dies gilt für ein, zwei, drei oder mehr Blätter. Wenn diese zyklischen Belastungen jedoch an der Antriebswelle zusammengeführt werden, sind sie bei drei Flügeln symmetrisch ausgeglichen, was zu einem ruhigeren Betrieb während des Gierens der Turbine führt. Bei Turbinen mit ein oder zwei Schaufeln kann eine schwenkbare Nabe verwendet werden, um die zyklischen Belastungen auf die Antriebswelle und das System während des Gierens nahezu zu eliminieren. Eine chinesische 3,6-MW-Anlage mit zwei Schaufeln wird derzeit in Dänemark getestet. Mingyang won a bid for 87 MW (29 * 3 MW) two-bladed offshore wind turbines near Zhuhai in 2013.
Finally, aesthetics can be considered a factor in that some people find that the three-bladed rotor is more pleasing to look at than a one- or two-bladed rotor.
Blade materialsEdit
In general, ideal materials should meet the following criteria:
- wide availability and easy processing to reduce cost and maintenance
- low weight or density to reduce gravitational forces
- high strength to withstand strong loading of wind and gravitational force of the blade itself
- high fatigue zyklischer Belastung standzuhalten
- hohe Steifigkeit, um die Stabilität der optimalen Form und Ausrichtung des Blattes und den Abstand zum Turm zu gewährleisten
- hohe Bruchzähigkeit
- die Fähigkeit, Umwelteinflüssen wie Blitzeinschlägen, Feuchtigkeit und Temperatur
Damit wird die Liste der in Frage kommenden Materialien eingegrenzt. Metalle wären wegen ihrer Anfälligkeit für Ermüdung unerwünscht. Keramiken haben eine geringe Bruchzähigkeit, was zu einem frühzeitigen Ausfall der Schaufel führen könnte. Herkömmliche Polymere sind nicht steif genug, um brauchbar zu sein, und Holz hat Probleme mit der Wiederholbarkeit, vor allem in Anbetracht der Länge des Blattes. Daher sind faserverstärkte Verbundwerkstoffe, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit und eine geringe Dichte aufweisen, eine sehr attraktive Materialklasse für die Konstruktion von Windturbinen.
Holz- und Segeltuchsegel wurden aufgrund ihres niedrigen Preises, ihrer Verfügbarkeit und ihrer einfachen Herstellung bei frühen Windmühlen verwendet. Kleinere Flügel können aus Leichtmetallen wie Aluminium hergestellt werden. Diese Materialien müssen jedoch häufig gewartet werden. Bei der Konstruktion aus Holz und Segeltuch ist die Form des Flügels auf eine flache Platte beschränkt, die im Vergleich zu Vollprofilen ein relativ hohes Verhältnis von Luftwiderstand zu aufgenommener Kraft (geringer aerodynamischer Wirkungsgrad) aufweist. Die Konstruktion von Vollprofilen erfordert unflexible Materialien wie Metalle oder Verbundwerkstoffe. Einige Blätter haben auch Blitzableiter eingebaut.
Neue Windturbinenkonzepte treiben die Stromerzeugung von einem Megawatt auf über 10 Megawatt, wobei immer größere Blätter verwendet werden. Computergestützte Konstruktionssoftware wie HyperSizer (ursprünglich für die Konstruktion von Raumfahrzeugen entwickelt) kann zur Verbesserung des Blattdesigns eingesetzt werden.
Im Jahr 2015 haben die Rotorblätter von Onshore-Windkraftanlagen einen Durchmesser von bis zu 130 Metern, während der Durchmesser von Offshore-Anlagen 170 Meter erreicht. Im Jahr 2001 wurden schätzungsweise 50 Millionen Kilogramm Glasfaserlaminat in Windturbinenblättern verwendet.
Ein wichtiges Ziel bei größeren Blattsystemen ist die Kontrolle des Blattgewichts. Da die Blattmasse mit dem Kubus des Turbinenradius zunimmt, werden Systeme mit größeren Blättern durch die Schwerkraftbelastung eingeschränkt. Zu den Schwerkraftbelastungen gehören Axial- und Zug-/Druckbelastungen (oben/unten in der Rotation) sowie Biegebelastungen (seitliche Positionen). Die Größe dieser Lasten schwankt zyklisch, und die Kantenmomente (siehe unten) kehren sich alle 180° der Rotation um. 10 bzw. 20 Jahre beträgt die typische Rotordrehzahl und Lebensdauer, wobei die Anzahl der Umdrehungen während der Lebensdauer in der Größenordnung von 10^8 liegt. Berücksichtigt man den Wind, so ist davon auszugehen, dass die Turbinenblätter ~10^9 Belastungszyklen durchlaufen.Wind ist eine weitere Quelle der Rotorblattbelastung. Der Auftrieb verursacht eine Biegung in der flachen Richtung (außerhalb der Rotorebene), während die Luftströmung um das Blatt eine Biegung in der Kantenrichtung (in der Rotorebene) verursacht. Die Biegung der Klappen erfolgt durch Zug auf der Druckseite (Aufwindseite) und Druck auf der Saugseite (Abwindseite).
Die Windlasten sind zyklisch aufgrund der natürlichen Schwankungen der Windgeschwindigkeit und der Windscherung (höhere Geschwindigkeiten an der Spitze der Rotation).
Das Versagen der Tragfähigkeit von Rotorblättern von Windkraftanlagen, die Wind- und Schwerkraftbelastungen ausgesetzt sind, ist ein Versagensmodus, der bei der Auslegung der Rotorblätter berücksichtigt werden muss. Die Windgeschwindigkeit, die eine Biegung der Rotorblätter verursacht, weist eine natürliche Variabilität auf, ebenso wie die Spannungsreaktion in den Rotorblättern. Auch die Widerstandsfähigkeit der Rotorblätter in Bezug auf ihre Zugfestigkeit unterliegt einer natürlichen Variabilität.
Angesichts dieser Versagensarten und der immer größer werdenden Blattsysteme wurden kontinuierliche Anstrengungen unternommen, um kosteneffiziente Werkstoffe mit einem höheren Festigkeits-Masse-Verhältnis zu entwickeln. Um die derzeitige Lebensdauer der Rotorblätter von 20 Jahren zu verlängern und die Wirtschaftlichkeit von Rotorblättern mit größerer Fläche zu ermöglichen, müssen die Konstruktion und die Werkstoffe hinsichtlich Steifigkeit, Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit optimiert werden.
Die meisten der derzeit auf dem Markt befindlichen Rotorblätter von Windkraftanlagen werden aus faserverstärkten Polymeren (FVK) hergestellt, d.h. aus Verbundwerkstoffen, die aus einer Polymermatrix und Fasern bestehen. Die langen Fasern sorgen für Längssteifigkeit und Festigkeit, während die Matrix für Bruchzähigkeit, Delaminationsfestigkeit, Festigkeit außerhalb der Ebene und Steifigkeit sorgt. Es hat sich gezeigt, dass glas- und kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (GFK und CFK) die höchsten Materialkennzahlen aufweisen, die auf einer Maximierung des Wirkungsgrads beruhen und eine hohe Bruchzähigkeit, Ermüdungsfestigkeit und thermische Stabilität aufweisen.
In Turbinenschaufeln werden Matrizen wie Duroplaste oder Thermoplaste verwendet, wobei erstere häufiger vorkommen. Diese ermöglichen es, die Fasern miteinander zu verbinden und verleihen der Schaufel eine höhere Festigkeit. Duroplaste machen 80 % des Marktes aus, da sie bei niedrigen Temperaturen aushärten und eine geringere Viskosität aufweisen, was eine einfache Verarbeitung ermöglicht. Thermoplaste sind im Gegensatz zu Duroplasten recycelbar, allerdings sind die Verarbeitungstemperatur und die Viskosität viel höher, was die Größe und Konsistenz einschränkt, die für große Schaufeln wichtig ist. Die Bruchzähigkeit ist bei Thermoplasten höher, aber das Ermüdungsverhalten ist schlechter. Obwohl Thermoplaste einen möglichen Umweltvorteil bieten, muss noch mehr geforscht werden.
Für die Herstellung von Rotorblättern im 40- bis 50-Meter-Bereich werden bewährte Glasfaserverbundwerkstoff-Fertigungsverfahren eingesetzt. Hersteller wie Nordex SE und GE Wind verwenden ein Infusionsverfahren. Andere Hersteller verwenden Variationen dieser Technik, wobei einige auch Kohlenstoff und Holz mit Glasfasern in einer Epoxidmatrix verwenden. Weitere Optionen sind vorimprägnierte („Prepreg“) Glasfasern und vakuumunterstütztes Harztransferverfahren. Bei jeder dieser Optionen wird ein glasfaserverstärkter Polymerverbundstoff verwendet, der unterschiedlich komplex aufgebaut ist. Das vielleicht größte Problem bei einfacheren, nassen Systemen mit offener Form sind die Emissionen, die durch die freigesetzten flüchtigen organischen Stoffe entstehen. Vorimprägnierte Materialien und Harzinfusionsverfahren vermeiden die Freisetzung flüchtiger Stoffe, da sie alle VOCs enthalten. Diese eingeschlossenen Verfahren haben jedoch ihre Tücken, insbesondere wird die Herstellung dicker Laminate, die für Strukturbauteile erforderlich sind, schwieriger. Da die Harzdurchlässigkeit der Vorformlinge die maximale Laminatdicke vorgibt, ist eine Entlüftung erforderlich, um Hohlräume zu beseitigen und eine ordnungsgemäße Harzverteilung zu gewährleisten.Eine Lösung für die Harzverteilung ist ein teilweise imprägniertes Glasfasergewebe. Während der Evakuierung bietet das trockene Gewebe einen Weg für den Luftstrom, und sobald Wärme und Druck angewendet werden, kann das Harz in den trockenen Bereich fließen, was zu einer gründlich imprägnierten Laminatstruktur führt.
Verbundwerkstoffe auf Epoxidharzbasis haben Umwelt-, Produktions- und Kostenvorteile gegenüber anderen Harzsystemen. Epoxidharze ermöglichen außerdem kürzere Aushärtungszyklen, eine längere Haltbarkeit und eine bessere Oberflächenbeschaffenheit. Prepreg-Verfahren verkürzen die Verarbeitungszeit im Vergleich zu Nasslaminatsystemen weiter. Bei Turbinenschaufeln, die eine Länge von 60 Metern überschreiten, werden Infusionsverfahren immer häufiger eingesetzt; die herkömmliche Injektionszeit beim Harzinjektionsverfahren ist im Vergleich zur Harzaufbauzeit zu lang und begrenzt die Laminatdicke. Bei der Injektion wird das Harz durch einen dickeren Lagenstapel gepresst, so dass sich das Harz in der Laminatstruktur ablagert, bevor es zur Gelierung kommt. Es wurden spezielle Epoxidharze entwickelt, um die Lebensdauer und Viskosität anzupassen.
Kohlenstofffaserverstärkte tragende Holme können das Gewicht reduzieren und die Steifigkeit erhöhen. Die Verwendung von Kohlenstofffasern in 60 Meter langen Turbinenschaufeln reduziert die Gesamtmasse der Schaufeln um schätzungsweise 38 % und senkt die Kosten um 14 % im Vergleich zu 100 % Glasfasern. Kohlefasern haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Dicke von Glasfaserlaminatabschnitten verringern und damit die Probleme im Zusammenhang mit der Harzbenetzung von dicken Laminatabschnitten lösen. Windturbinen können auch von dem allgemeinen Trend der zunehmenden Verwendung und der sinkenden Kosten von Kohlenstofffasermaterialien profitieren.
Obwohl Glas- und Kohlenstofffasern viele optimale Eigenschaften für die Leistung von Turbinenblättern aufweisen, haben diese derzeitigen Füllstoffe mehrere Nachteile, darunter die Tatsache, dass ein hoher Füllstoffanteil (10-70 Gew.-%) zu einer erhöhten Dichte sowie zu mikroskopischen Defekten und Hohlräumen führt, die oft ein vorzeitiges Versagen zur Folge haben.
Zu den jüngsten Entwicklungen gehört das Interesse an der Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) zur Verstärkung von Nanokompositen auf Polymerbasis. CNTs können auf den Fasern gezüchtet oder abgelagert werden oder in Polymerharze als Matrix für FRP-Strukturen eingebracht werden. Die Verwendung von CNT im Nanomaßstab als Füllstoff anstelle herkömmlicher mikroskaliger Füllstoffe (wie Glas- oder Kohlenstofffasern) führt zu CNT/Polymer-Nanoverbundwerkstoffen, deren Eigenschaften bereits bei sehr geringen Füllstoffgehalten (typischerweise < 5 Gew.-%) erheblich verändert werden können. Sie haben eine sehr geringe Dichte und verbessern den Elastizitätsmodul, die Festigkeit und die Bruchzähigkeit der Polymermatrix. Die Zugabe von CNTs zur Matrix verringert auch die Ausbreitung interlaminarer Risse, die bei herkömmlichen FRP ein Problem darstellen können.
Die aktuelle Forschung an einer kostengünstigen Kohlenstofffaser (LCCF) am Oak Ridge National Lab hat jedoch auch Aufmerksamkeit erregt, da sie die durch Blitzeinschläge verursachte strukturelle Beeinträchtigung abmildern kann. Bei Windkraftanlagen aus Glasfasern wird in der Regel ein Blitzschutz (LSP) angebracht, der jedoch in Bezug auf den strukturellen Beitrag praktisch ein Eigengewicht darstellt. Ein Ersatz durch leitfähige Kohlefasern wäre ideal, zumal Kohlefasern ein besseres Material sind.
Eine weitere aktuelle Entwicklung aus der Forschung ist die Verwendung von Polymerverbundwerkstoffen mit selbstheilenden Eigenschaften für die Rotorblätter. Selbstheilende Polymere sind für diese Anwendung attraktiv, da die Turbinenschaufeln aufgrund der oben beschriebenen wiederholten zyklischen Belastungen Risse durch Ermüdung bilden und somit die Zuverlässigkeit verbessern und als Puffer für verschiedene Defekte und Delaminationen dienen können. In dieser Anwendung wird das Polymer also dazu verwendet, die Risse zu heilen, wenn sie entstehen. Eine Studie befasst sich mit der Einbettung von mit Paraffinwachs beschichteten Kupferdrähten in ein faserverstärktes Polymer, um ein Netz von Röhren zu schaffen. In diesen Röhren reagieren Dicyclopentadien (DCPD) und ein Katalysator zu einem duroplastischen Polymer, das die Risse im Material repariert. Das Verfahren steht zwar noch am Anfang des R&D-Prozesses, stellt aber eine vielversprechende Entwicklung dar, insbesondere für Polymernetzwerke, die anfällig für Herstellungsfehler sind, oder für Turbinen in Offshore-Umgebungen, die aufgrund starker Winde einer extrem hohen Ermüdung ausgesetzt sind.
Eine weitere Verbesserung ist durch die Verwendung von Kohlenstoff-Nanofasern (CNF) in den Schaufelbeschichtungen möglich. Ein großes Problem in Wüstenumgebungen ist die Erosion der Vorderkanten von Schaufeln durch vom Wind mitgeführten Sand, der die Rauheit erhöht und die aerodynamische Leistung verringert. Die Partikelerosionsbeständigkeit von faserverstärkten Polymeren ist im Vergleich zu metallischen Werkstoffen und Elastomeren schlecht und muss verbessert werden. Es hat sich gezeigt, dass der Ersatz von Glasfasern durch CNF auf der Verbundstoffoberfläche die Erosionsbeständigkeit erheblich verbessert. CNFs bieten auch eine gute elektrische Leitfähigkeit (wichtig bei Blitzeinschlägen), ein hohes Dämpfungsverhältnis und eine gute Schlagzähigkeit. Diese Eigenschaften machen CNF-basiertes Nanopapier zu einer vielversprechenden Beschichtung für Windturbinenblätter.
Bei Windturbinen, insbesondere bei Offshore-Windturbinen oder in feuchten Umgebungen, kommt es auch zu Oberflächenerosion auf Wasserbasis. In kalten Klimazonen kann sich beispielsweise Eis auf den Rotorblättern ablagern und die Rauheit erhöhen, was die Leistung und Lebensdauer der Turbinenblätter verringert. Wenn sich die Schaufel mit hoher Geschwindigkeit dreht, kann die gleiche Erosion durch Regenwasser auftreten. Daher ist eine Beschichtung, die geringe Installationskosten und keinen Energieverbrauch während ihrer Lebensdauer hat, eine gute Lösung. Eine Beschichtung muss folgende Eigenschaften aufweisen: gute Haftung an der Schaufel, Temperaturbeständigkeit (bei jahreszeitlichen Schwankungen), Witterungsbeständigkeit (um der Erosion durch Salz, Regen, Sand usw. zu widerstehen), gute mechanische Festigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen ultraviolettes Licht sowie vereisungshemmende und flammhemmende Eigenschaften. Außerdem sollte die Beschichtung kostengünstig und umweltfreundlich sein.
Ein aktuelles Forschungsgebiet für diese Beschichtungen zur Verhinderung von Eis-/Wassererosion sind superhydrophobe Oberflächen (SHS), bei denen Wassertropfen abperlen und von den Schaufeln abrollen, während sie sich drehen. Es hat sich gezeigt, dass SHS auch die Eisbildung bis zu einer Temperatur von -25 °C verhindern, da sie den Prozess der Eisbildung verändern; insbesondere bilden sich auf den SHS kleine Eisinseln, im Gegensatz zu einer großen Eisfront. Außerdem ließen die aerodynamischen Kräfte auf der Schaufel diese Inseln aufgrund der verringerten Oberfläche der hydrophoben Oberfläche von der Schaufel abgleiten, was eine weitere Bildung verhinderte. Weitere Strategien zur Kombination dieser Beschichtungen mit Heizelementen entlang der Schaufeln zur weiteren Verhinderung der Eisbildung werden erforscht, aber da die Industrie auf längere Schaufeln drängt, steigt der Energieverbrauch zur Beheizung der Schaufeln an.
Eine weitere wichtige Quelle für die Beeinträchtigung von Turbinenschaufeln sind Blitzschäden, die während einer normalen Lebensdauer von 25 Jahren voraussichtlich eine Reihe von Blitzeinschlägen während des Betriebs erfahren. Die Bandbreite der durch Blitzeinschläge verursachten Schäden reicht von einfachen oberflächlichen Versengungen und Rissen im Laminatmaterial bis hin zu Rissen in der Schaufel oder einer vollständigen Ablösung der Klebstoffe, die die Schaufel zusammenhalten. Am häufigsten sind Blitzeinschläge an den Blattspitzen zu beobachten, vor allem bei Regenwetter, da die Kupferdrähte im Inneren den Blitz anziehen. Die gängigste Methode zur Bekämpfung dieses Phänomens, vor allem bei nicht leitenden Blattmaterialien wie GFK und CFK, ist das Anbringen von Blitzableitern, bei denen es sich lediglich um metallische Leitungen handelt, die einen ununterbrochenen Pfad zum Boden bilden und die Blätter und das Getriebe vollständig aussparen, um das Risiko von Schäden an diesen Komponenten auszuschließen.
Blattrecycling
Der Global Wind Energy Council (GWEC) prognostiziert, dass die Windenergie bis zum Jahr 2020 15,7 % und bis zum Jahr 2030 28,5 % des gesamten Weltenergiebedarfs decken wird. Dieser dramatische Anstieg der weltweiten Windenergieerzeugung wird die Installation einer neueren und größeren Flotte effizienterer Windturbinen und die konsequente Stilllegung älterer Anlagen erfordern. Laut einer Studie der European Wind Energy Association wurden allein im Jahr 2010 zwischen 110 und 140 Kilotonnen Verbundwerkstoffe von der Windturbinenindustrie für die Herstellung von Rotorblättern verbraucht. Der Großteil des Blattmaterials wird letztendlich als Abfall enden, und um diese Menge an Verbundstoffabfällen zu bewältigen, bleibt nur das Recycling. Ab 2020 werden die meisten ausgedienten Rotorblätter nicht mehr recycelt, sondern zwischengelagert oder auf Mülldeponien entsorgt. Typischerweise machen glasfaserverstärkte Polymere (GFRP) etwa 70 % des Laminatmaterials in einem Blatt aus. GFK verhindern die Verbrennung und sind nicht brennbar. Daher müssen die herkömmlichen Recyclingmethoden geändert werden. Derzeit gibt es, je nachdem, ob einzelne Fasern zurückgewonnen werden können, einige allgemeine Methoden für das Recycling von GFK in Windturbinenblättern:
- Mechanisches Recycling: Bei dieser Methode werden keine einzelnen Fasern zurückgewonnen. Die ersten Prozesse umfassen das Schreddern, Zerkleinern oder Mahlen. Die zerkleinerten Stücke werden dann in faserreiche und harzreiche Fraktionen getrennt. Diese Fraktionen werden schließlich in neue Verbundwerkstoffe eingebaut, entweder als Füllstoffe oder als Verstärkungsmaterial.
- Chemische Verarbeitung/Pyrolyse: Durch thermische Zersetzung der Verbundwerkstoffe werden die einzelnen Fasern zurückgewonnen. Bei der Pyrolyse wird das Material in einer Umgebung ohne Sauerstoff auf bis zu 500 °C erhitzt, wodurch es in leichtere organische Substanzen und gasförmige Produkte zerfällt. Die Glasfasern verlieren im Allgemeinen 50 % ihrer ursprünglichen Festigkeit und können nun für Faserverstärkungsanwendungen in Farben oder Beton wiederverwertet werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass mit dieser Option am Ende des Lebenszyklus bis zu etwa 19 MJ/kg zurückgewonnen werden können. Diese Methode ist jedoch relativ teuer und erfordert eine ähnliche mechanische Vorbehandlung. Außerdem wurde sie noch nicht an den künftigen Bedarf für das Recycling von Windturbinenblättern in großem Maßstab angepasst.
- Direktes strukturelles Recycling von Verbundwerkstoffen: Entwickelt, um die Ineffizienzen und Kosten zu bekämpfen, die mit chemischen, thermischen und mechanischen Recyclingverfahren verbunden sind, die entweder die Leistungseigenschaften verringern oder nur als Füllstoff für andere Verbundstoffe dienen. Der Grundgedanke dieser Methode ist die Wiederverwendung des Verbundwerkstoffs in seiner ursprünglichen Form, was insbesondere bei größeren Verbundwerkstoffen möglich ist, da sie in mehrere Teile zerlegt werden können, die in anderen Anwendungen verwendet werden können, ohne die chemischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs zu verändern.
Ein Start-up-Unternehmen, Global Fiberglass Solutions, gibt an, über ein Verfahren zu verfügen, mit dem man Blätter aufspalten und zu Pellets und Faserplatten pressen kann, die für Fußböden und Wände verwendet werden können. Das Unternehmen hat mit der Produktion von Mustern in einer Anlage in Sweetwater, Texas, begonnen, in der Nähe der größten Konzentration von Windparks auf dem Kontinent. Es plant eine weitere Anlage in Iowa.