Under relativt kort tid har det skett en enorm utveckling av dagens moderna vindkraftverk. Generellt har utvecklingen gått mot allt större verk vilket inneburit längre rotorblad. Men har större verk med längre rotorblad tillräckligt hög tillförlitlighet?
Det pågår ständig forskning för att utveckla vindkraften. Nyligen kunde man läsa att världens längsta rotorblad är tillverkat, av danska SSP Technology. Rotorbladet är hela 83,5 meter. Framtidens vindkraft kommer onekligen utgöras av mycket stora turbiner. Detta kommer även innebära stora potentiella kostnader för reparation och utbyte av skadade vindkraftverk. Att säkerställa en hög tillförlitlighet blir därför extra viktigt för stora vindkraftverk. Och genom utveckling och användning av starka och mycket resistenta avancerade material, som fiberarmerade kompositer, kan tillförlitligheten bli bättre.
Materialval Vindkraftverkens rotorblad utsätts för stora påfrestningar och därför är valet av material för bladkonstruktion viktigt. Vikt och hållfasthet är två mycket viktiga parametrar att ta hänsyn till.
De flesta rotorblad idag är gjorda av glasfiberarmerad polyester eller epoxi. Kolfiber är ett bra material med låg vikt, men ger en högre materialkostnad.
En begränsande faktor för att bygga större kraftverk är rotorbladens storlek vilka vanligtvis tillverkas i glasfiber. Och eftersom framtidens turbinblad förmodligen kommer att vara väsentligt längre kommer det att krävas lättare, styvare och starkare material än glasfiberkomposit.
Ett sådant material är till exempel autoklavtillverkade kolfiberbaserade kompositer. En jämförande studie över lämplighet hos kolfiberbaserade kompositer framför glasfiberkomposit visar att fördelarna hos kolfiberbaserade kompositer överväger genom främst mindre vikt. Ett rotorblad tillverkat i kolfiber är 60 procent lättare än 14 motsvarande rotorblad i glasfiber.
Ett lättare rotorblad ger mindre belastningar på torn, hus (med växellåda och lager) och grund vilket leder till att tillverkningskostnaden för hela vindkraftverket blir minst 15 procent lägre.
Beständighet talar även för användning av kolfiberbaserade kompositer framför glasfiberkomposit.
Marströms Composite AB, som är världsledande att använda kolfiberbaserade kompositer som material vid konstruktion och tillverkning, arbetar med att tillverka rotorblad med längder på upp till 200 meter.
I dagsläget utvecklas metoder för att förutsäga livslängd och styrka hos olika bladmaterial, samt rekommendationer för att förbättra prestandan hos kompositer för vindturbinblad. Dock är tillförlitlighetsanalys av fiberarmerade kompositmaterial ännu ett relativt outforskat område.
Rotorbladens livslängd Även om det pågår forskning om vilka material som lämpar sig bäst för turbinblad har det visat sig svårt att förutsäga deras livslängd.
En studie har visat att 90 procent av osäkerheten vad beträffar möjligheten att förutsäga livslängden för vindturbinblad beror på opålitligheter i materialens egenskaper.
Om materialens egenskaper skulle kunna bli mer pålitliga skulle det resultera i ett mer ändamålsenligt användande av material och därmed lägre kostnader.
Det finns ett flertal faktorer som påverkar tillförlitligheten hos turbinblad av fiberarmerade kompositmaterial, som till exempel förändringar i temperatur och fukt både över dygn och säsong.
I kallare klimat är is en viktig faktor för bladens livslängd och i väldigt varmt klimat kan värmen i sig orsaka en försämring av kompositens hållfasthet.
För att kunna bedriva underhåll av vindkraftverk på ett säkert och kostsamt sätt är det nödvändigt att ha förståelse för hur dessa variabler, var en för sig eller parallellt, kan påverka tillförlitligheten.
Design Bladen på ett vindkraftverk är utformade för att generera så mycket energi som möjligt från vinden till så liten kostnad som möjligt. Det som i störst utsträckning styr designen är aerodynamikens lagar. Men det finns dem som menar att bladets utseende är en kompromiss för att hålla tillverkningskostnaden på en rimlig nivå. Framför allt är bladets tjocklek vid fästet betydligt tjockare än det aerodynamiska idealet. Antagligen för att det vid fästet är stor påfrestning.
Det som styr hur tunt och långt man kan utforma bladet är val av material och tillverkningsprocess.
Världens längsta turbinblad SSP Technology är inte ensamma om att ligga i framkant. Även Siemens har tillverkat ett mycket långt rotorblad. Deras blad är 75 meter och går under namnet B75 och är världens största fiberglaskomponent gjuten i en enda del.
Ironiskt nog ska det dansktillverkade bladet testas i Bremen i Tyskland medan de första Siemenstillverkade bladen ska testas i Østerild i Danmark.
Siemens fiberglasblad ska användas till deras egna offshore-turbiner på 6 megawatt. Hela bladsvepet får en yta på 18 600 kvadratmeter, vilket motsvarar två och en halv fotbollsplan.
Rotorbladet tillverkat av danska SSP Technology är ännu endast en prototyp och testas därför i Fraunhoferinstitutet IWES anläggning i Bremen. I den här anläggningen har de möjlighet att testa rotorblad på upp till 90 meter.
Själva provningen kan ta ett par månader men om bladet klarar kraven i IEC-standarden 61400-23 så kan serietillverkningen börja så att en prototypsnurra på 7 megawatt kan sättas i produktion i Korea under 2013.
Det som styr rotorbladens längd är effektbehovet. Ju längre blad, desto högre maximal effekt. I teorin ökar effekten proportionellt med bladlängden i kvadrat. Vanligen är längden på vindkraftverkens rotorblad idag mellan 50 och 60 meter. För landbaserade verk är möjligheten att transportera de långa rotorbladen det som i många fall sätter gränsen för storleken.
Teknik lånad från flygindustrin Men det finns andra metoder än längre rotorblad för att öka vindkraftverken kapacitet. En forskargrupp vid Georgia Institute of Technology i USA har under ett par år tittat på hur vindkraftverkens blad kan bli avsevärt effektivare än idag med teknik lånad från flygindustrin.
Lyftkraften i en flygplansvinge ökar om komprimerad luft får strömma ut genom hål på baksidan av vingen. Samma metod kan användas i helikopterns rotor.
Med denna teknik skulle man kunna kontrollera de aerodynamiska egenskaperna hos vindkraftverkens rotorblad. Det skulle dessutom vara möjligt att få rotor och generator att generera el vid lägre vindstyrkor än med dagens blad.
Det finns uppskattningar, efter preliminära studier av tekniken, som visar att blåsande blad kan producera 30 till 40 procent mer energi än konventionella blad vid samma vindhastighet.
Blad som ändrar form Vid Purdue University och Sandia National Laboratories pågår forskning för att hitta tekniker som kan få rotorblad att ändra form efter vindstyrkan. Målet är att få fram vindkraftverk som snabbt anpassar sig till olika vindhastigheter genom sensorer inbyggda i turbinbladen och egenutvecklad programvara. Resultatet ska bli högre effektivitet, minskad risk för utmattningsbrott och längre livstid än de 20 år man räknar med idag.
