Windmolens hebben te kampen met erosie aan de voorrand van de rotorbladen. Deze problematiek wordt complexer naarmate de windmolens groter worden en ze offshore opereren. Eén van de meest beloftevolle oplossingen voor dit probleem komt uit een onverwachte hoek: die van textiel.
Erosie aan de voorrand van windturbinebladen
Erosie aan de voorrand van het rotorblad (leading edge erosion) is een van de meest kritieke problemen bij windturbinebladen. Dit fenomeen verdient extra aandacht omdat het aanzienlijke gevolgen heeft voor zowel de energieopbrengst als de levensduur. Er zijn meerdere oorzaken van erosie en die worden complexer onder invloed van een aantal trends:
- Toenemende rotordiameter – Grotere turbines hebben hogere tipsnelheden waardoor het erosieprobleem aan de bladen verergert.
- Offshore windmolenparken – Windmolens in zee worden blootgesteld aan zwaardere weersomstandigheden en hebben meer onderhoud nodig terwijl de toegang voor onderhoud op zee moeilijker en dus duurder is.
- Levensduurverwachtingen – Moderne windparken worden ontworpen voor een levensduur van 25-30 jaar, wat hogere eisen stelt aan de materiaalbestendigheid.
Oorzaken van voorranderosie
Weersomstandigheden zijn de belangrijkste oorzaak van voorranderosie:
- Regendruppelimpact – De tipsnelheid van de turbines loopt op tot meer dan 300 km/u. Hoe groter de diameter van de turbines hoe hoger de snelheid. Regendruppels botsen daardoor met een enorme snelheid tegen de voorrand en de impact van iedere druppel veroorzaakt een kleine spanning in het materiaal. De veelheid aan druppels zorgt voor een spanningsopbouw die het harde materiaal van het turbineblad uiteindelijk niet meer kan absorberen en het daardoor begint te barsten.
- Stof- en zanddeeltjes – Vooral in offshore of woestijnachtige gebieden kunnen kleine deeltjes als schuurpapier werken op het bladoppervlak.
- Hagel, ijs, onweer – Hardere neerslag veroorzaakt meer acute schade aan het oppervlak. Ook onweer en met name blikseminslag kan enorme gevolgen hebben.
- Zout water en UV-straling – Bij offshore windturbines versnelt zout het erosieproces. Ook UV-straling heeft een niet te onderschatten impact: het degradeert het bindmiddel in de composietmaterialen die hierdoor geleidelijk loslaten.
De gevolgen van randerosie variëren van een fors verminderde energieopbrengst tot voortijdig materiaalfalen met insijpeling en structurele verzwakking tot gevolg. Dit resulteert meestal tot verhoogde onderhoudskosten en soms tot het vroegtijdig vervangen van de bladen.
“In ons labo hebben we de impact van de omstandigheden gesimuleerd met alle middelen die we voorhanden hadden. Zo hebben we proefondervindelijk naar een oplossing toegewerkt. Die hebben we gevonden in een soort sok in textiel die over de bladen van de windmolens heen wordt gespannen.”
Waarom technisch textiel een oplossing kan bieden
Het probleem illustreert hoe ogenschijnlijk kleine oppervlakteproblemen grote gevolgen kunnen hebben voor de economische levensvatbaarheid van windenergie. Dit verklaart waarom er aanzienlijke R&D-investeringen worden gedaan in materiaalwetenschap en oppervlaktetechnologie voor windturbinebladen.
Textiel rukt de laatste tijd steeds vaker op in oppervlaktetechnologie. Toen de vraag van het Schotse ingenieursbureau ACT Blade bij het Belgische Concordia Textiles op tafel kwam, lag de oplossing echter niet voor de hand. Rik Gekiere, business unit manager ICA, bij Concordia legt uit: “In ons labo hebben we de impact van de omstandigheden gesimuleerd met alle middelen die we voorhanden hadden. Zo hebben we proefondervindelijk naar een oplossing toegewerkt. Die hebben we gevonden in een soort sok in textiel die over de bladen van de windmolens heen wordt gespannen.”
Die bladen bestaan uit een aangepaste ribstructuur die het geheel veel lichter maakt. De basistextiel wordt voorzien van een beschermende film die zo is samengesteld dat de eigenschappen van textiel versterkt, maar niet aangetast worden. Ondertussen is het ontwerp beschermd en kreeg het de naam ZephyrTM.
Zephyr™ voor de volgende generatie windmolens
De verwachtingen van Zephyr™ zijn hooggespannen. De Schotse bladenfabrikant ACT Blade is de eerste om Zephyr ™ in het fabricatieproces te integreren. De verwachting is dat Zephyr™ zal leiden tot een substantiële kostenbesparing in het onderhoud van de bladen. En dat alles dankzij de kracht van textiel.
- Textiel is om vele redenen de gedroomde oplossing in oppervlaktetechnologie.
- Textiel is licht, flexibel en impactbestendig en het heeft uitstekende vermoeiingseigenschappen.
- Textiel is sterk in meerdere richtingen, het is krimpvast en bestand tegen delaminatie. Omdat het verschillende vezeltypes kan combineren is het ook een uitstekende basis voor composieten
Tot slot kan textiel in grote hoeveelheden geproduceerd worden en is het makkelijk te repareren.
