Konstruktion av vindkraftverk
Konstruktion av bladEdit
Kvoten mellan hastigheten i spetsarna på bladen och vindens hastighet kallas spetshastighetskvot. Högeffektiva trebladiga turbiner har ett förhållande mellan spetshastighet och vindhastighet på 6-7. Moderna vindkraftverk är konstruerade för att snurra med varierande hastigheter (en följd av deras generatorkonstruktion, se ovan). Användningen av aluminium och kompositmaterial i bladen har bidragit till en låg rotationströghet, vilket innebär att nyare vindkraftverk kan accelerera snabbt om vinden tilltar, vilket gör att förhållandet mellan tipphastighet och hastighet är nästan konstant. När vindkraftverken arbetar närmare sitt optimala hastighetsförhållande vid kraftiga vindbyar kan de förbättra energiuttaget från plötsliga vindbyar som är typiska i stadsmiljöer.
Däremot konstruerades vindkraftverk av äldre modell med tyngre stålblad, som har högre tröghet, och roterade med hastigheter som styrdes av växelströmsfrekvensen på kraftledningarna. Den höga trögheten buffrade förändringarna i rotationshastigheten och gjorde därmed kraftproduktionen mer stabil.
Det är allmänt känt att bullret ökar med högre bladspetshastigheter. Att öka spetshastigheten utan att öka bullret skulle göra det möjligt att minska vridmomentet i växellådan och generatorn och minska den totala strukturella belastningen, vilket skulle minska kostnaderna.Minskningen av bullret är kopplad till bladens detaljerade aerodynamik, särskilt faktorer som minskar plötslig stallning. Oförmågan att förutsäga stall begränsar utvecklingen av aggressiva aerodynamiska koncept. Vissa blad (främst på Enercon) har en winglet för att öka prestandan och minska bullret.
Ett blad kan ha ett lyft-till-släppförhållande på 120, jämfört med 70 för ett segelflygplan och 15 för ett passagerarflygplan.
NavetEdit
I enkla konstruktioner, är bladen direkt fastskruvade på navet och kan inte luta, vilket leder till aerodynamisk stallning över vissa vindhastigheter. I andra mer sofistikerade konstruktioner är de fastskruvade på pitchlagret, som med hjälp av ett pitchsystem justerar deras anfallsvinkel beroende på vindhastigheten för att styra deras rotationshastighet. Pitchkontrollen utförs av hydrauliska eller elektriska system (blybatteri eller ultrakondensator). Pitchlagret är i sig självt fastskruvat på navet. 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. Bullerutsläppen påverkas av bladens placering i vind eller motvind från tornet och av rotorns hastighet. Med tanke på att bulleremissionerna från bladens bakkanter och spetsar varierar med femte potensen av bladhastigheten kan en liten ökning av spetshastigheten göra stor skillnad.
Vindturbiner som utvecklats under de senaste 50 åren har nästan genomgående använt antingen två eller tre blad. Det finns dock patent som presenterar konstruktioner med ytterligare blad, t.ex. Chan Shins integrerade vindkraftverk med flera rotorbladssystem.Den aerodynamiska effektiviteten ökar med antalet blad, men med avtagande avkastning. En ökning av antalet blad från ett till två ger en ökning av den aerodynamiska effektiviteten med sex procent, medan en ökning av antalet blad från två till tre endast ger ytterligare tre procent i effektivitet. En ytterligare ökning av antalet blad ger minimala förbättringar av den aerodynamiska effektiviteten och offrar för mycket i bladstyvhet när bladen blir tunnare.
Teoretiskt sett är ett oändligt antal blad med en bredd på noll den effektivaste lösningen, som fungerar vid ett högt värde för hastighetsförhållandet mellan bladspets och bladspets. Men andra överväganden leder till en kompromiss med endast ett fåtal blad.
Komponentkostnader som påverkas av antalet blad är främst för material och tillverkning av turbinrotor och drivlina. Generellt gäller att ju färre antal blad, desto lägre blir material- och tillverkningskostnaderna. Dessutom kan rotationshastigheten bli högre ju lägre antalet blad är. Detta beror på att kraven på bladens styvhet för att undvika störningar i tornet begränsar hur tunna blad som kan tillverkas, men endast för maskiner i uppåtgående vind; en avböjning av blad i en maskin i nedåtgående vind resulterar i ett ökat avstånd till tornet. Färre blad med högre rotationshastigheter minskar toppmomentet i drivlinan, vilket leder till lägre kostnader för växellådor och generatorer.
Systemets tillförlitlighet påverkas av antalet blad främst genom rotorns dynamiska belastning på drivlinan och tornsystemen. När vindkraftverket anpassas till förändringar i vindriktningen (gira) utsätts varje blad för en cyklisk belastning vid rotorns ände beroende på bladets position. Detta gäller för ett, två, tre eller flera blad. När dessa cykliska belastningar kombineras vid drivlinans axel är de dock symmetriskt balanserade för tre blad, vilket ger en jämnare drift under turbinens gir. Turbiner med en eller två blad kan använda sig av ett svängbart nav med tippning för att också nästan eliminera de cykliska belastningarna på drivaxeln och systemet under girning. En kinesisk 3,6 MW-turbin med två blad testas i Danmark. 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 för att motstå cyklisk belastning
- hög styvhet för att säkerställa stabilitet i bladets optimala form och orientering och avstånd till tornet
- hög brottstyvhet
- förmåga att motstå miljöpåverkan, t.ex. blixtnedslag, luftfuktighet och temperatur
Detta begränsar listan över godtagbara material. Metaller skulle vara oönskade på grund av deras sårbarhet för utmattning. Keramik har låg brottsstyrka, vilket skulle kunna leda till att bladet går sönder i ett tidigt skede. Traditionella polymerer är inte tillräckligt styva för att vara användbara, och trä har problem med repeterbarhet, särskilt med tanke på bladets längd. Det innebär att fiberförstärkta kompositer, som har hög hållfasthet och styvhet och låg densitet, är en mycket attraktiv materialklass för konstruktion av vindkraftverk.
Trä- och canvasegel användes på tidiga väderkvarnar på grund av det låga priset, tillgängligheten och den enkla tillverkningen. Mindre blad kan tillverkas av lättmetaller som t.ex. aluminium. Dessa material kräver dock ofta underhåll. Konstruktionen av trä och duk begränsar flygplansformen till en platt platta, som har ett relativt högt förhållande mellan luftmotstånd och fångad kraft (låg aerodynamisk effektivitet) jämfört med solida flygplansprofiler. Konstruktion av solida flygplanskonstruktioner kräver oflexibla material, t.ex. metaller eller kompositer. Vissa blad har också inbyggda åskledare.
Nya vindkraftverkskonstruktioner driver kraftproduktionen från enstaka megawatt till mer än 10 megawatt med hjälp av allt större blad. En större yta ökar effektivt turbinens topphastighetskvot vid en given vindhastighet, vilket ökar energiutvinningen.Datorstödda tekniska programvaror som HyperSizer (som ursprungligen utvecklades för utformning av rymdfarkoster) kan användas för att förbättra bladutformningen.
Sedan 2015 är rotordiametern på landbaserade vindkraftverk så stor som 130 meter, medan diametern på havsbaserade vindkraftverk når upp till 170 meter. År 2001 användes uppskattningsvis 50 miljoner kilo glasfiberlaminat i vindturbinblad.
Ett viktigt mål för större bladsystem är att kontrollera bladvikten. Eftersom bladmassan är lika stor som kuben av turbinens radie, begränsar belastningen på grund av gravitationen system med större blad. Gravitationsbelastningen omfattar axial-, drag- och tryckbelastning (över/under rotationen) samt böjning (sidolägen). Storleken på dessa belastningar fluktuerar cykliskt och de kantgående momenten (se nedan) är omvända varje 180° rotation.Typiska rotorhastigheter och konstruktionslivslängd är ~10 respektive 20 år, med ett antal varv under hela livstiden i storleksordningen 10^8. Med hänsyn till vind förväntas turbinbladen genomgå ~10^9 belastningscykler.Vind är en annan källa till belastning av rotorbladen. Lyft orsakar böjning i plan riktning (utanför rotorplanet) medan luftflödet runt bladet orsakar böjning i sidled (i rotorplanet). Klapparnas böjning innebär spänning på trycksidan (uppåt) och kompression på sugsidan (nedåt). Kantböjning innebär spänning på den främre kanten och kompression på den bakre kanten.
Vindbelastningar är cykliska på grund av den naturliga variationen i vindhastighet och vindskjuvning (högre hastigheter i toppen av rotationen).
Fel vid slutlig belastning av rotorblad till vindturbiner som utsätts för vind- och tyngdkraftsbelastning är ett feltillstånd som måste beaktas när rotorbladen konstrueras. Den vindhastighet som orsakar böjning av rotorbladen uppvisar en naturlig variabilitet, och det gör även spänningsresponsen i rotorbladen. Även rotorbladens motståndskraft, i form av deras draghållfasthet, uppvisar en naturlig variabilitet.
I ljuset av dessa felformer och de allt större bladsystemen har det gjorts kontinuerliga ansträngningar för att utveckla kostnadseffektiva material med högre hållfasthet i förhållande till massan. För att förlänga bladens nuvarande livslängd på 20 år och göra det möjligt för blad med större ytor att vara kostnadseffektiva måste konstruktionen och materialen optimeras med avseende på styvhet, hållfasthet och utmattningsbeständighet.
Majoriteten av de nuvarande kommersialiserade vindturbinbladen är tillverkade av fiberförstärkta polymerer (FRP), som är kompositer som består av en polymermatris och fibrer. De långa fibrerna ger longitudinell styvhet och styrka, och matrisen ger brottstyvhet, delaminationsstyrka, styrka utanför plan och styvhet. Materialindex baserade på maximering av energieffektivitet och hög brottsstyrka, utmattningsbeständighet och termisk stabilitet har visat sig vara högst för glas- och kolfiberförstärkt plast (GFRP och CFRP).
I turbinblad används matriser som t.ex. härdplaster eller termoplaster, där de förstnämnda är vanligare. Dessa gör det möjligt för fibrerna att bindas samman och ger bladet ökad seghet. Termoplaster utgör 80 % av marknaden, eftersom de tillåter härdning vid låg temperatur och lägre viskositet, vilket underlättar bearbetningen. Termoplaster erbjuder en återvinningsbarhet som inte termoplaster har, men bearbetningstemperaturen och viskositeten är mycket högre, vilket begränsar storleken och konsistensen som är viktig för stora blad. Brottstyvheten är högre för termoplaster, men utmattningsbeteendet är sämre. Termoplaster erbjuder visserligen en möjlig miljöfördel, men mer forskning måste göras.
För att tillverka blad i intervallet 40-50 meter krävs beprövade tekniker för tillverkning av glasfiberkomposit. Tillverkare som Nordex SE och GE Wind använder en infusionsprocess. Andra tillverkare använder variationer av denna teknik, varav vissa inkluderar kol och trä med glasfiber i en epoxymatris. Andra alternativ är förimpregnerad (”prepreg”) glasfiber och vakuumassisterad hartsöverföringsgjutning. I vart och ett av dessa alternativ används en glasfiberförstärkt polymerkomposit som är konstruerad med olika komplexitet. Det kanske största problemet med mer förenklade våtbaserade system med öppna formar är utsläppen från de flyktiga organiska ämnen som frigörs. Med förimpregnerade material och infusionstekniker för harts undviks utsläpp av flyktiga ämnen genom att de innehåller alla flyktiga organiska föreningar. Dessa inneslutna processer har dock sina utmaningar, nämligen att det blir svårare att tillverka de tjocka laminat som krävs för strukturella komponenter. Eftersom förformens hartsgenomsläpplighet dikterar den maximala laminattjockleken krävs blödning för att eliminera håligheter och säkerställa korrekt hartsfördelning.En lösning för hartsfördelning är delvis impregnerad glasfiber. Under evakueringen ger det torra tyget en väg för luftflödet och när värme och tryck appliceras kan hartset flyta in i det torra området vilket resulterar i en grundligt impregnerad laminatstruktur.
Epoxibaserade kompositer har miljö-, produktions- och kostnadsfördelar jämfört med andra hartssystem. Epoxider möjliggör också kortare härdningscykler, ökad hållbarhet och förbättrad ytfinish. Prepreg-operationer förkortar bearbetningstiden ytterligare jämfört med våtlagningssystem. När turbinbladen passerar 60 meter blir infusionstekniker allt vanligare; den traditionella injektionstiden för hartsöverföringsgjutning är för lång i förhållande till hartsuppläggningstiden, vilket begränsar laminattjockleken. Injektion tvingar in harts genom en tjockare lagerstapel, vilket gör att harts deponeras i laminatstrukturen innan gelering sker. Specialiserade epoxihartser har utvecklats för att anpassa livslängd och viskositet.
Kolfiberförstärkt bärande spars kan minska vikten och öka styvheten. Användning av kolfiber i 60 meter långa turbinblad beräknas minska den totala bladmassan med 38 % och sänka kostnaden med 14 % jämfört med 100 % glasfiber. Kolfibrer har den extra fördelen att de minskar tjockleken på glasfiberlaminatsektionerna, vilket ytterligare löser de problem som är förknippade med vätning av harts i tjocka lagersektioner. Vindkraftverk kan också dra nytta av den allmänna trenden med ökad användning och minskad kostnad för kolfibermaterial.
Och även om glas- och kolfibrer har många optimala egenskaper för turbinbladens prestanda finns det flera nackdelar med dessa nuvarande fyllmedel, bland annat det faktum att en hög fyllmedelsfraktion (10-70 viktprocent) leder till ökad densitet samt mikroskopiska defekter och håligheter som ofta leder till förtida fel.
En nyare utveckling innefattar intresset för att använda kolnanorör (CNT) för att förstärka polymerbaserade nanokompositer. CNT kan odlas eller deponeras på fibrerna eller tillsättas i polymerhartser som en matris för FRP-strukturer. Användning av CNT i nanoskala som fyllmedel i stället för traditionella fyllmedel i mikroskala (t.ex. glas- eller kolfibrer) resulterar i CNT/polymernanokompositer, där egenskaperna kan förändras avsevärt vid mycket låga fyllmedelshalter (typiskt < 5 vikt%). De har mycket låg densitet och förbättrar polymermatrisens elasticitetsmodul, hållfasthet och brottstyvhet. Tillsatsen av CNT till matrisen minskar också utbredningen av interlaminära sprickor som kan vara ett problem i traditionella FRP.
Aktuell forskning om en billig kolfiber (LCCF) vid Oak Ridge National Lab har dock också fått uppmärksamhet eftersom den kan mildra den strukturella nedbrytning som orsakas av blixtnedslag. På vindkraftverk av glasfiber läggs vanligtvis ett åskskydd ovanpå, men detta är i praktiken en dödvikt när det gäller det strukturella bidraget. Att ersätta detta med ledande kolfiber, särskilt eftersom kolfiber är ett bättre material, skulle vara idealiskt.
En annan ny utveckling från forskningen är att använda polymerkompositer som har självläkande egenskaper för bladmaterial. Självläkande polymerer är attraktiva för denna tillämpning, eftersom turbinbladen bildar sprickor av utmattning på grund av upprepade cykliska påfrestningar, som beskrivs ovan, och kan därmed förbättra tillförlitligheten och fungera som en buffert för olika defekter och delaminering. I denna tillämpning används polymeren för att läka sprickorna när de bildas. En studie fokuserar särskilt på att bädda in paraffinvaxbelagda koppartrådar i en fiberförstärkt polymer för att skapa ett nätverk av rör. Med hjälp av dessa rör används dicyklopentadien (DCPD) och en katalysator, som sedan reagerar för att bilda en värmehärdande polymer som reparerar de sprickor som bildas i materialet. Även om detta fortfarande är tidigt i R&D-processen erbjuder det en lovande utveckling, särskilt för polymernätverk som är känsliga för tillverkningsfel eller turbiner i offshoremiljöer som utsätts för extremt hög utmattning på grund av kraftiga vindar.
En ytterligare förbättring är möjlig genom användning av kolnanofibrer (CNF) i bladens beläggningar. Ett stort problem i ökenmiljöer är erosion av bladens främre kanter av sand som transporteras av vinden, vilket ökar ojämnheten och försämrar den aerodynamiska prestandan. De fiberförstärkta polymerernas motståndskraft mot partikelerosion är dålig jämfört med metalliska material och elastomerer och måste förbättras. Det har visats att utbytet av glasfiber mot CNF på kompositytan förbättrar erosionsbeständigheten avsevärt. CNF har också visat sig ge god elektrisk ledningsförmåga (viktigt vid blixtnedslag), hög dämpningsförmåga och god motståndskraft mot slagfriktionsnedsättning. Dessa egenskaper gör CNF-baserat nanopapper till en möjlig beläggning för vindkraftverksblad.
För vindkraftverk, särskilt de som står till havs, eller i våta miljöer, förekommer också erosion av vattenbasens yta. I kalla klimat kan till exempel is bildas på bladen och öka ojämnheten, vilket minskar turbinbladens effekt och livslängd. När bladet snurrar i höga hastigheter kan samma erosionseffekt uppstå från regnvatten. Därför är en beläggning som har en låg installationskostnad och ingen energiförbrukning under sin livslängd en bra lösning. En beläggning måste ha följande egenskaper: god vidhäftning till bladet, temperaturbeständighet (från årstidsväxlingar), väderbeständighet (för att motstå erosion från salt, regn, sand etc.), god mekanisk hållfasthet, förmåga att motstå ultraviolett ljus och ha is- och flamskyddande egenskaper. Dessutom ska beläggningen vara billig och miljövänlig.
Ett aktuellt forskningsområde för dessa beläggningar för att förhindra is- och vattenerosion är superhydrofoba ytor (SHS), där vattendroppar samlas och rullar av bladet när det snurrar. SHS har också visat sig förhindra isbildning, upp till -25 C, eftersom det har visat sig att den ändrar isbildningsprocessen, närmare bestämt att små isöar bildas på SHS i stället för en stor isfront. På grund av den minskade ytan från den hydrofoba ytan gjorde de aerodynamiska krafterna på bladet att dessa öar kunde glida av bladet, vilket förhindrade ytterligare bildning. Andra strategier för att kombinera dessa beläggningar med värmeelement längs bladen för att ytterligare förhindra isbildning undersöks, men i takt med att branschen strävar efter längre blad ökar energiförbrukningen för att värma upp bladen.
En annan viktig källa till nedbrytning av turbinblad är åskskskador, som under en normal 25-årig livslängd förväntas uppleva ett antal åsknedslag under hela sin livstid. De skador som orsakas av blixtnedslag sträcker sig från brännskador och sprickor i laminatmaterialet på ytnivå till sprickor i bladet eller fullständig separation av limmet som håller ihop bladet. Det är vanligast att man ser blixtnedslag på bladspetsarna, särskilt i regnigt väder eftersom kopparledningarna i bladet drar till sig blixten. Den vanligaste metoden för att motverka detta, särskilt i icke-ledande bladmaterial som GFRP och CFRP, är att lägga till åskledare, som bara är metallkablar som ger en oavbruten väg till marken och som hoppar över bladen och växellådan helt och hållet för att eliminera risken för skador på dessa komponenter.
Återvinning av bladEdit
Global Wind Energy Council (GWEC) förutspår att vindkraft kommer att täcka 15,7 % av världens totala energibehov till år 2020 och 28,5 % till år 2030. Denna dramatiska ökning av den globala vindkraftsproduktionen kommer att kräva installation av en nyare och större flotta av effektivare vindkraftverk och följaktligen avveckling av äldre vindkraftverk. Enligt en undersökning som utförts av European Wind Energy Association förbrukade vindkraftsindustrin enbart under 2010 mellan 110 och 140 kiloton kompositmaterial för att tillverka rotorblad. Majoriteten av bladmaterialet kommer så småningom att hamna som avfall, och för att hantera denna mängd kompositavfall är återvinning det enda alternativet. Från och med 2020 kommer de flesta blad som inte längre används att tillfälligt lagras eller skickas till deponier i stället för att återvinnas. Vanligtvis utgör glasfiberförstärkta polymerer (GFRP) cirka 70 % av laminatmaterialet i bladet. GFRP hindrar förbränning och är inte brännbara. Därför måste konventionella återvinningsmetoder ändras. För närvarande finns det, beroende på om enskilda fibrer kan återvinnas, några allmänna metoder för återvinning av GFK i vindturbinblad:
- Mekanisk återvinning: Med denna metod återvinns inte enskilda fibrer. De inledande processerna omfattar strimling, krossning eller malning. De krossade bitarna separeras sedan i fiberrika och hartsrika fraktioner. Dessa fraktioner införlivas slutligen i nya kompositer, antingen som fyllmedel eller förstärkningar.
- Kemisk bearbetning/Pyrolys: Termisk nedbrytning av kompositerna används för att återvinna de enskilda fibrerna. Vid pyrolys värms materialet upp till 500 °C i en miljö utan syre, vilket gör att det bryts ner till organiska ämnen med lägre vikt och gasformiga produkter. Glasfibrerna förlorar i allmänhet 50 % av sin ursprungliga styrka och kan nu återvinnas för fiberförstärkning i färger eller betong. Forskning har visat att detta alternativ i slutet av livscykeln kan återvinna upp till cirka 19 MJ/kg. Metoden har dock en relativt hög kostnad och kräver liknande mekanisk förbehandling. Dessutom har den ännu inte modifierats för att tillgodose det framtida behovet av återvinning av vindturbinblad i stor skala.
- Direkt strukturell återvinning av kompositer: Utvecklad för att bekämpa ineffektivitet och kostnader i samband med kemiska, termiska och mekaniska återvinningsprocesser, som antingen minskar prestandaegenskaperna eller endast fungerar som fyllmedel för andra kompositer. Den allmänna idén med denna metod är att återanvända kompositen i befintligt skick, vilket kan uppnås särskilt i större kompositmaterial eftersom det kan delas upp i flera delar som kan användas i andra tillämpningar i befintligt skick, utan att kompositkomponentens kemiska egenskaper förändras.
Ett nystartat företag, Global Fiberglass Solutions, uppger att det har en metod för att bryta ner blad och pressa dem till pellets och fiberplattor som kan användas till golv och väggar. Företaget började producera prover vid en anläggning i Sweetwater, Texas, nära kontinentens största koncentration av vindkraftverk. Det planerar ytterligare en verksamhet i Iowa.