Skrzydła wiatraka opierają się siłom natury

Skrzydła wiatraka opierają się siłom natury. Wszystko za sprawą specjalnych systemów epoksydowych i lakierów przygotowanych przez koncern BASF. Nadają one bowiem wytrzymałość skrzydłom elektrowni wiatrowych.

Siła wiatru jako ekologiczne źródło energii jest jednym ze współczesnych trendów technologicznych. Coraz większe łopaty nowoczesnych turbin wiatrowych pomagają w ciągłym zwiększaniu wydajności. Obciążenia, na jakie wystawione jest skrzydło wiatraka wirujące na wysokości 90 metrów, są ogromne - wielkie siły z maksymalnymi prędkościami do 300 kilometrów na godzinę napierają na końcówki łopat, które mogą się przy tym odginać o ponad metr. Dodatkowo łopaty wystawione są na działanie śniegu, deszczu, upału i promieniowania ultrafioletowego.

Stąd wysiłek producentów wkładany w tworzenie systemów epoksydowych przeznaczonych do elementów poddawanych obciążeniom i wzmacnianych włóknami oraz powłok ochronnych do łopat wiatraków. Żywotność tych urządzeń jest czynnikiem decydującym o podnoszeniu opłacalności korzystania z siły wiatru jako źródła energii. Rozwiązania tego typu zaczął dostarczać właśnie koncern BASF.

Wykorzystanie siły wiatru jest zarówno wyzwaniem technicznym, jak i materiałowym, a zastosowane materiały muszą spełniać najwyższe wymagania. Skrzydła wirników muszą być bardzo stabilne i odporne na czynniki atmosferyczne tak, by mogły wytrzymać ponad 20 lat eksploatacji. Nowoczesne łopaty wiatraków zbudowane są z warstw włókien szklanych lub węglowych, które sklejane są systemem epoksydowym i w ten sposób nadaje się im wytrzymałość. - W zasadzie działa to jak klej dwuskładnikowy. Pierwszym składnikiem są sztuczne żywice, a drugim utwardzacz. Po zmieszaniu usieciowują się one wzajemnie – wyjaśnia dr Gregor Daun, szef zespołu BASF ds. opracowywania i wprowadzania na rynek systemów epoksydowych do materiałów wielowarstwowych.

BASF oferuje na rynku te dwuskładnikowe systemy z żywic epoksydowych i utwardzaczy pod nazwą Baxxodur. Za pomocą tego systemu można przyspieszyć proces wytwarzania dużych turbin wirników. Utwardzacz reaguje najpierw powoli, co pozwala wypełnić formę. Kiedy napełniona forma zostaje ogrzana, proces utwardzania nabiera tempa. Dzięki temu można szybciej zwolnić formę do produkcji następnej łopaty. Tym sposobem producenci skrzydeł wirników mogą zwiększyć tempo tego etapu wytwarzania o 30 proc. Dzięki oszczędności czasu spadają koszty produkcji przy jednocześnie większych ilościach produkowanych łopat. Wytwarzanie prądu w elektrowniach wiatrowych jest zatem tańsze.

Instytucje wydające certyfikaty dla elektrowni wiatrowych dopuściły ten system do eksploatacji. Oprócz konstrukcji technicznej łopat wirnika, dużą rolę odgrywa też odporność ich powierzchni na czynniki atmosferyczne. – Warto wyobrazić sobie samochód, który jedzie bez przerwy w deszczu z prędkością 200 km/h. Już po kilku miesiącach mogą wystąpić uszkodzenia. Skrzydło wirnika musi wytrzymać w jeszcze trudniejszych warunkach bez żadnych szkód od 10 do 20 lat – mówi dr Harald Müller, szef działu badawczo-rozwojowego dla lakierów przemysłowych w firmie Relius Coatings GmbH. Opracowane w tej spółce-córce BASF specjalne powłoki zachowują się elastycznie, minimalizując dzięki temu ryzyko powstania rys naprężeniowych i nie pękają przy zginaniu się łopat. Końcówki łopat wirnika mogą odchylać się nawet o metr.

- Wysoko rozwinięte powłoki ochronne wytwarzane są na bazie specjalnego tworzywa sztucznego - poliuretanu. Są one bardzo odporne na ścieranie i promieniowanie ultrafioletowe oraz nie zawierają rozcieńczalników – tłumaczy Harald Müller. - Zastosowane lakiery są matowe i zapobiegają odbijaniu promieni słonecznych przez łopaty wirników, co mogłoby np. przeszkadzać w ruchu lotniczym.

Według danych World Wind Energy Association (WWEA) łączna moc zainstalowanych na całej kuli ziemskiej elektrowni wiatrowych wynosiła na koniec 2008 r. 120 gigawatów. Oznacza to wzrost o prawie 30 proc. w stosunku do roku poprzedniego. Zainstalowane elektrownie wiatrowe pokrywały przy tym około 1,5 proc. światowego zużycia energii elektrycznej. Według szacunków WWEA w 2020 r. u energia elektryczna uzyskiwana w elektrowniach wiatrowych pokryje co najmniej 12 proc. światowego zużycia energii elektrycznej. Oczywiście warto zdawać sobie sprawę, że mowa tu o zaledwie kilku krajach, które są w stanie zaadaptować tego typu rozwiązania. Ich wprowadzenie np. w Polsce lub większości krajów wytwarzających niemal 100 proc. energii w tradycyjny sposób byłoby niewskazane z wielu powodów, zarówno ekonomicznych jak i społecznych.

Aktualnie dominują dwa trendy rozwojowe w wykorzystaniu energii wiatru: z jednej strony elektrownie wiatrowe są coraz większe i o coraz większej mocy, a z drugiej strony budowane są coraz częściej na morzach.

Na rynku oferowane są już pierwsze elektrownie wiatrowe o mocy znamionowej od pięciu do sześciu megawatów energii elektrycznej na godzinę. Ich rozmiary są olbrzymie: średnica wirnika osiąga 127 m, a łopaty mają długość ponad 60 m. Nie widać końca tej tendencji - są już plany łopat 70-metrowych i sprawdza się możliwości budowy łopat o długości 90 m. Łopaty wirników są coraz większe, ponieważ skrzydło dwa razy dłuższe ma cztery razy większą powierzchnię i może uzyskać z wiatru cztery razy więcej energii.

Przyjętym celem na 2020 r. jest budowa instalacji o mocy znamionowej 20 megawatów. Taka właśnie wizja stanowi cel, do którego dąży europejski projekt „UpWind”, który wystartował w 2006 r. i będzie realizowany do 2011 r. „UpWind“ jest najważniejszym projektem wspólnych europejskich badań w dziedzinie rozwoju turbin wiatrowych. Jego celem jest polepszenie konkurencyjności elektrowni wiatrowych w stosunku do innych nośników energii.

Na koniec warto dokładnie opisać metodę w oparciu o którą powstają łopaty wiatraków.
Produkcja łopat wirników dla elektrowni wiatrowych nie jest łatwa. Największe i najbardziej nowoczesne skrzydła składają się ze sklejonych warstw włókien szklanych i węglowych, do których w warunkach próżniowych wstrzykiwana jest żywica epoksydowa. Sposób budowy wykorzystujący nowe technologie zapewnia wymaganą ponad standardową stabilność i elastyczność. Jednocześnie skrzydła są cienkie i lekkie.

Metoda próżniowego wstrzykiwania w tzw. konstrukcji sandwich stała się w międzyczasie powszechną metodą produkcji łopat wirnika. Zasada wytwarzania skrzydła jest następująca: najpierw powleka się środkiem antyadhezyjnym wnętrze dwóch połówek formy, która może być ogrzewana. Potem formę wykłada się matami z włókien szklanych i innych materiałów wzmacniających. Następnie układa się specjalne węże, którymi płynąć będzie mieszanka żywicy epoksydowej, utwardzaczy i dodatków. Na to wszystko kładzie się nieprzepuszczającą powietrza folię z tworzywa sztucznego.

Kolejny krok to wyssanie całego powietrza znajdującego się między formą a folią. Tak powstała próżnia zasysa płynną mieszankę żywicy i utwardzacza przez węże do formy i nasyca materiały wzmacniające. Zaletą tej metody jest równomierne impregnowanie włókien, a tym samym wysoka jakość wyprodukowanych elementów i odtwarzalność tej wysokiej jakości. Następnie połówki łopat utwardzane są w temperaturze 70 st. C. Po utwardzeniu odbywa się tzw. ślub obu części – są one sklejane. Przed wielostopniowym lakierowaniem i powlekaniem powierzchni jest ona szlifowana, aby usunąć środki antyadhezyjne.

Żelkot nakładany w pierwszym etapie na łopatę wirnika chroni ją przed działaniem takich czynników, jak wilgoć i światło. Drobne nierówności powierzchni wyrównywane są masą szpachlową. Na koniec lakierowania skrzydeł nakładana jest powłoka chroniąca krawędzie przed zużyciem oraz lakier kryjący.