Zaawansowane materiały i procesy produkcyjne oznaczają, że łopaty mogą skutecznie i ekonomicznie nadążyć za instalacją wyższych wież i większych turbin wiatrowych. (Foto: Composites One)

Przemysł wiatrowy ustanowił rekordy instalacji w ciągu ostatnich kilku lat. Tendencja ta może się utrzymać, ponieważ przewiduje się, że globalna moc elektrowni wiatrowych podwoi się w ciągu najbliższych pięciu lat, według Globalnej Rady Energii Wiatrowej. Ten trend wzrostowy jest częściowo zasługą rozwijającego się rynku morskiej energetyki wiatrowej oraz większych turbin wiatrowych z dłuższymi łopatami.

„Przemysł wiatrowy zwiększał długość łopat o około 6,5 stopy rocznie w ciągu ostatnich 10 lat,” powiedział Mark Kirk, CCT, Kierownik Sprzedaży Energii Wiatrowej w Composites One. „Ten wzrost długości pozwolił branży na zwiększenie produkcji poprzez zastosowanie większych turbin, a co za tym idzie, obniżenie kosztów energii.”

Jednakże im dłuższa łopata, tym bardziej niezawodność i stabilność stają pod znakiem zapytania. Kirk przypisuje materiały i produkcję, które pozwalają łopatkom turbin nadążać za stale rosnącymi wieżami. „Dzięki zastosowaniu materiałów kompozytowych, łopatki mogą obracać się szybciej i przechwytywać wiatr o mniejszej prędkości. Kompozyty oferują producentom wiatrów siłę i elastyczność w przetwarzaniu z dodatkową korzyścią lekkiego materiału”, mówi.

Kompozyty są wykonane z dwóch lub więcej materiałów o różnych właściwościach fizycznych lub chemicznych, które po połączeniu nie mieszają się w pełni, ale razem stają się mocniejsze i bardziej wytrzymałe. Materiały na rynek łopat turbin wiatrowych obejmują żywice poliestrowe wzmacniane włóknem szklanym, żywice epoksydowe wzmacniane włóknem szklanym i żywice epoksydowe wzmacniane włóknem węglowym.

„Połączenie włókien szklanych z matrycą żywiczną daje w rezultacie kompozyty, które są mocne, lekkie, odporne na korozję i stabilne wymiarowo. Zapewniają one również dobrą elastyczność konstrukcyjną i wysoką wytrzymałość dielektryczną, a także zwykle wymagają niższych kosztów produkcji” – mówi Kirk, który zwraca uwagę, że wysokowytrzymałe materiały kompozytowe, takie jak włókno węglowe i epoksydy, są obecnie wykorzystywane również do produkcji wysokowydajnych łopatek.

„Współczesne łopatki turbin i ich komponenty muszą spełniać rygorystyczne wymagania w zakresie właściwości mechanicznych, takich jak wysoka sztywność oraz odporność na skręcanie i zmęczenie. Oprócz tych właściwości mechanicznych, gotowy produkt musi oferować doskonałą odporność na korozję i tolerancję na wysoką temperaturę. Materiały kompozytowe mogą zaoferować większą sztywność w wielu przypadkach, a także zredukować wagę gotowych części” – dodaje. Ze względu na swoją elastyczność, materiały kompozytowe ułatwiają naprawy technikom wiatrowym i zapewniają dłuższą żywotność łopat. Materiały te mogą być również wykorzystywane do produkcji innych elementów turbin. „Przejście na kompozytowe pokrywy gondoli, kompozytowe wirniki, a w niektórych przypadkach bardziej zaawansowane formowanie elementów kompozytowych, zmniejszyło również całkowitą wagę urządzeń w porównaniu z tradycyjną stalą i aluminium, dzięki czemu koszty turbin spadają.”

Materiały stanowią ponad 90% kosztów produkcji łopaty, więc jeśli turbiny mają z powodzeniem zwiększać swoje rozmiary, redukcja kosztów jest kluczowa. „Wyzwanie dla dzisiejszej branży wiatrowej jest jasne” – mówi Alexis Crama, wiceprezes LM Wind Power ds. rozwoju offshore. „Branża musi zwiększyć roczną produkcję energii i obniżyć koszty poprzez innowacje w zakresie wykorzystania materiałów i technologii produkcji, przy jednoczesnym uwzględnieniu niezawodności i efektywnego serwisowania turbin podczas pracy.”

Mówi on, że w miarę wydłużania się łopat turbin i rozwoju kolejnych projektów offshore, zapotrzebowanie na wyższą niezawodność i niższe koszty będzie tylko rosło ze strony deweloperów farm wiatrowych. „Budowa większych łopat stanowi nowe wyzwanie projektowe, które w wielu przypadkach wymaga ponownego przemyślenia materiałów, struktury i innych cech. Łopaty wirnika są prawdopodobnie jednym z najbardziej wpływowych elementów, jeśli chodzi o koszt energii.”

Po zbudowaniu najdłuższej na świecie łopaty (88,4 m – łopata jest obecnie testowana w Danii w celu walidacji produktu), firma LM Wind Power przedstawiła niedawno badania nad koncepcją formowania modułowego łopat w celu zwiększenia elastyczności produkcji przy wytwarzaniu większych i dłuższych łopat. Nowy proces zwiększa średnicę wirnika poprzez dołączanie końcówek o różnej długości, bez dodatkowych kosztów budowy nowej formy łopaty.

Proces ten umożliwia oddzielną produkcję łopaty i końcówki, a następnie tradycyjną technikę łączenia, która trwale montuje łopatę, wyjaśnia Crama. „Dzięki połączeniu obniżonych kosztów produkcji, zwiększonych rozmiarów wirnika i zoptymalizowanej wydajności farm wiatrowych, oczekuje się, że te modułowe produkty obniżą koszt energii w zastosowaniach łopat morskich o około 6 do 8%.”

Dodaje: „Ostatecznie, zwycięzcami w przemyśle wiatrowym jutra będą ci, którzy potrafią się dostosować, wprowadzać innowacje i rozwijać się przy najniższych kosztach.”

.