Elastyczne pokrycia łopat turbin wiatrowych rozprowadzają naprężenia i zapobiegają erozji Technologie wytwarzania turbin wiatrowych przeszły w minionych latach znaczną transformację. Zmiany dotyczyły przede wszystkim zmniejszenia kosztu uzyskiwania generowanej energii przez zwiększenie rozmiaru oraz mocy turbin wiatrowych, a także redukcji koszów ich działania oraz konserwacji. Energia © esbobeldijk, Shutterstock Wraz ze wzrostem rozmiaru turbin wiatrowych zwiększa się też prędkość, z jaką porusza się końcówka łopaty, co z kolei przyspiesza erozję krawędzi natarcia w wyniku działania deszczu, kurzu i zawieszonych w powietrzu cząstek. Zwiększenie erozji dotyczy nie tylko samych uszkodzeń, lecz także częstości ich występowania. Jest to istotne szczególnie w przypadku morskich turbin wiatrowych, wyposażonych w duże łopaty, których końcówki poruszają się z dużymi prędkościami, a dodatkowo są wystawione na działanie silnych wiatrów. Erozja łopaty jest czynnikiem niepożądanym ekonomicznie, zatem wszyscy producenci turbin wiatrowych czynnie szukają rozwiązań tego problemu, na przykład pracując nad wykorzystaniem w projektach powłok ochronnych opracowanych na potrzeby przemysłów lotniczego i kosmicznego, a także zbrojeniowego. Zastosowanie tych powłok w konstrukcji turbin okazało się jednak błędnym rozwiązaniem, ponieważ traciły one swoje właściwości ochronne znacznie wcześniej niż przewidywano, gdyż nie zostały opracowane z myślą o ochronie przed wszystkimi czynnikami, na których działanie są narażone ulegające erozji łopaty turbin wiatrowych. Przykładami mogą tu być oddziaływania między poszczególnymi warstwami powłoki ochronnej nanoszonej na łopatę czy wpływ procesu nakładania powłoki na jej skuteczność. Finansowany ze środków UE projekt LEP4BLADES został przygotowany w celu znalezienia rozwiązania tego problemu. Partnerzy projektu opracowali innowacyjną powłokę polimerową zapewniającą ochronę krawędzi natarcia (ang. leading-edge protection, LEP) charakteryzującą się wyjątkowymi właściwościami mechanicznymi i chemicznymi, które pozwalają uniknąć problemu erozji przez cały okres użytkowania łopaty turbiny wiatrowej. Nowe podejście Nowatorska powłoka LEP opracowana przez hiszpańską firmę z sektora małych i średnich przedsiębiorstw Aerox Advanced Polymers jest zbudowana z polimerów należących do nowej rodziny, , wytworzonych przy pomocy hybrydowej technologii łączenia polimoczników i poliuretanów, która skutkuje osiągnięciem doskonałej odporności chemicznej i mechanicznej. Technologia ta bazuje na wykorzystaniu dokładnego połączenia dwóch termoutwardzalnych polimerów o różnych właściwościach reologicznych, termicznych, chemicznych i fizycznych. Jej zastosowanie prowadzi do uzyskania wytrzymałego materiału, charakteryzującego się doskonałą odpornością na erozję, jak wyjaśnia koordynator projektu Guillermo Mas. „Opracowana przez firmę Aerox technologia pozwala na projektowanie i modyfikowanie właściwości polimeru w taki sposób, by odpowiadały trudnym warunkom środowiskowym, w których pracują łopaty turbiny, a także by dostosować je do charakterystyk wszystkich technologii produkcji i materiałów, z których wykonane są łopaty". Lepsze właściwości Ponadto technologia hierarchicznego procesu analitycznego (ang. analytic hierarchy process, AHP) umożliwia dopasowanie powłoki tak, by była dopasowana do materiału, z którego wykonana jest dana łopata. Zgodność mechaniczna jest kluczowym czynnikiem umożliwiającym rozpraszanie energii zderzeń wzdłuż całej struktury łopaty. „Technologia AHP umożliwiła nadanie materiałom właściwości wiskoelastycznych i uzyskanie odpowiedniej zgodności, dzięki czemu materiał jest w stanie pochłaniać energię ze zderzeń przy dużej prędkości i dużej częstotliwości, występujących w przypadku kolizji krawędzi natarcia łopaty z kroplami deszczu oraz innymi cząstkami stałymi”, wyjaśnia Mas. Odpowiednia lepkość powłoki umożliwia jej odkształcanie się i pochłanianie naprężeń wywołanych uderzeniami kropel, a właściwości elastyczne gwarantują, że powierzchnia powłoki będzie powracać do swojego wyjściowego kształtu pomimo powtarzających się regularnie zderzeń generujących duże naprężenia. Jednocześnie fale naprężeń wywołanych zderzeniem są przekazywane z powłoki do łopaty, dzięki czemu energia nie jest odbijana i nie powoduje powstawania punktów zwiększonych naprężeń, od których zaczyna się zwykle proces erozji. Tym samym w ramach projektu LEP4BLADES przygotowano system LEP dla łopat turbin wiatrowych, który – w porównaniu do istniejących rozwiązań – charakteryzuje się niezwykłymi możliwościami w zakresie nakładania oraz zwiększoną odpornością na erozję wywołaną deszczem. Mas podsumowuje: „Jednocześnie pogłębiliśmy swoją wiedzę dotyczącą mechanizmów związanych z erozją wywołaną deszczem i rozbudowaliśmy modele teoretyczne opisujące ten efekt. Rozumiemy też lepiej wyniki badań w zakresie erozji wywołanej deszczem i ich korelację z rzeczywistymi warunkami pracy łopat turbin wiatrowych”. Słowa kluczowe LEP4BLADES, łopata, powłoka, erozja, turbina wiatrowa, krawędź natarcia, polimocznik, poliuretan, hierarchiczny proces analityczny
