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Innovative Leading Edge Protection System for Wind Turbine Blades

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Flexible Beschichtungen auf Rotorblättern von Windkraftanlagen verhindern Erosion

In den letzten Jahrzehnten haben sich Windturbinentechnologien verändert. Im Mittelpunkt stand dabei die Reduzierung der Kosten für die durch die größeren und leistungsstärkeren Windkraftanlagen erzeugte Energie, und die Verringerung der Betriebs- und Wartungskosten.

Energie

Mit zunehmender Größe einer Windkraftanlage erhöht sich aber auch die Geschwindigkeit an der Flügelspitze der Rotorblätter und somit die Erosion ihrer nach vorne gerichteten Vorderkanten aufgrund der Auswirkungen von Regen, Staub und Schwebstoffen. Nicht nur der Schaden aufgrund von Erosion nimmt zu, sondern auch die Häufigkeit der Entstehung von Erosion. Das gilt insbesondere für Offshore-Windkraftanlagen mit großen Rotorblättern, hohen Geschwindigkeiten an der Flügelspitze der Rotorblätter und hohen Windgeschwindigkeiten. Aufgrund der negativen wirtschaftlichen Auswirkungen der Erosion an Rotorblättern suchen alle Windkraftanlagenhersteller aktiv nach einer Lösung, wie zum Beispiel Schutzbeschichtungen aus der Luft- und Raumfahrt- sowie der Verteidigungsindustrie. Diese Beschichtungen haben jedoch viel früher im Betrieb versagt als vorhergesagt wurde, da sie nicht alle Faktoren berücksichtigen, welche die Erosion an Rotorblättern beeinflussen. Beispiele hierfür sind die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Schichten, die dem Schutzbeschichtungssystem des Rotorblatts entsprechen, und der Einfluss der Auftragungsprozesse auf die Leistung der Beschichtung. Das EU-finanzierte Projekt LEP4BLADES widmete sich dieser Herausforderung. Die Beteiligten entwickelten dazu eine innovative Vorderkanten-Polymerbeschichtung mit speziellen mechanischen und chemischen Eigenschaften, die das Erosionsproblem während der gesamten Lebensdauer des Rotorblatts der Windkraftanlage vermeiden.

Ein neuer Ansatz

Eine vom spanischen KMU Aerox Advanced Polymers entwickelte neuartige Vorderkanten-Polymerbeschichtungslösung besteht aus einer neuen Familie von Polymeren, welche die Hybrid-Polyharnstoff-Polyurethan-Technologie mit einer hervorragenden mechanischen und chemischen Beständigkeit verwenden. Die Technologie basiert auf der genauen Kombination zweier duroplastischer Polymere mit unterschiedlichen rheologischen, thermischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften. Dadurch entsteht nach Angaben von Projektkoordinator Guillermo Mas ein Hochleistungsmaterial mit außergewöhnlicher Erosionsbeständigkeit. „Mit der von Aerox entwickelten Technologie können wir die Eigenschaften des Polymers unter Berücksichtigung der rauen Umgebungsbedingungen, unter denen Rotorblätter arbeiten, sowie der Besonderheiten der einzelnen Technologien und Materialien zur Herstellung von Rotorblättern entwerfen und anpassen.“

Verbesserte Eigenschaften

Darüber hinaus ermöglicht der Analytische Hierarchieprozess (AHP), dass die Kompatibilität der Beschichtung mit dem Rotorblattmaterial anpassbar ist. Diese mechanische Kompatibilität ist für die Ableitung der durch die Schläge verursachten Erosionseffekte über die gesamte Struktur des Rotorblatts unbedingt erforderlich. „Dank der AHP-Technologie verfügt das Material über ein viskoelastisches Verhalten und eine anpassbare Kompatibilität, sodass es den Aufprall von Regentropfen und anderer Partikel, die mit hoher Geschwindigkeit und hoher Frequenz auf die Vorderkante des Rotorblatts treffen, absorbieren kann“, erklärt Mas. Die viskosen Eigenschaften ermöglichen es der Beschichtung, sich zu verformen und die durch den Aufprall der Tröpfchen verursachte Belastung zu absorbieren. Die elastischen Eigenschaften gewährleisten die vollständige Wiederherstellung der Beschichtungsoberfläche bei wiederholten Aufprällen unter Bedingungen mit hohen Beanspruchungsgeschwindigkeiten. Gleichzeitig werden die durch den Aufprall erzeugten Druckwellen von der Beschichtung auf das Rotorblatt übertragen, wodurch ihre Reflexion minimiert und das Vorhandensein von Punkten mit hoher Belastung, wo Erosion normalerweise zuerst auftritt, vermieden werden. LEP4BLADES lieferte daher ein Vorderkanten-Polymerbeschichtungssystem für Rotorblätter von Windkraftanlagen mit hervorragender Anwendbarkeit und verbesserter Beständigkeit gegen Regenerosion im Vergleich zu derzeit vorhandenen Lösungen. „Es ermöglichte uns auch ein tieferes Wissen über Regenerosionsmechanismen und die theoretischen Modelle, welche die Wirkung dieser Modelle beschreiben. Außerdem konnten wir die Ergebnisse von Regenerosionstests und ihren Zusammenhängen mit den tatsächlichen Arbeitsbedingungen von Rotorblättern besser verstehen“, schließt Mas.

Schlüsselbegriffe

LEP4BLADES, Rotorblatt, Beschichtung, Erosion, Windkraftanlage, Vorderkante, Polyharnstoff, Polyurethan, Analytischer Hierarchieprozess

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