Lange vindmøllevinger skal bygges i kompositmaterialer

Vil man levere billigere vindmøllestrøm til elkunderne, er der ingen vej uden om at sætte længere vinger på møllerne. Fordobler man vingelængden, kan møllen nemlig generere fire gange så mange watt.

Sådan lyder en vigtig tommel­fingerregel for producenter af vindmøllevinger og således også for danske LM Wind Power, der i sommeren 2016 sendte en rekordlang offshore-vinge på 88,4 meter ud fra produktionshallen i sydjyske Lunderskov. Nu har virksomheden annonceret en kommende 107 meter lang vinge, og ligesom forgængeren bliver den baseret på nye hybridmaterialer udviklet sammen med DTU-forskere.

Man fordobler dog ikke vingens længde ustraffet, for i runde tal femdobles vægten, og det bliver samtidig endnu sværere at overholde tolerancer og undgå små fremstillingsdefekter – f.eks. luftlommer i kompositmaterialet – når der skal støbes en møllevinge på 100 meters længde sammenlignet med en på 50.

I stedet for at prøve at undgå småfejlene helt, hvilket ville blive hunde­dyrt, er DTU, LM Wind Power og flere europæiske virksomheder og forskningsinstitutioner gået sammen i projektet Dacomat (Damage Controlled Composite Materials), som går ud på at gøre vingerne mere modstandsdygtige over for skader.

»Der er ingen tvivl om, at man går i retning af større og større vinger, og det bliver sværere at lave dem helt perfekte. I stedet for at bruge en masse kræfter på at finde defekter er vores filosofi at lave kompositmaterialer, som er mere skadestolerante, så de forhindrer skadesudbredelse og revnevækst,« forklarer professor Bent F. Sørensen, DTU Vindenergi.

Træ er et forbillede

Ifølge professoren finder man et forbillede i et af naturens egne materialer, træ, som er et meget skadestolerant materiale. Selvom bjælkerne i et gammelt hus ofte er fyldt med revner på langs, betyder det ikke, at bjælken kollapser.

»Det er lidt samme tankegang. Vi vil gerne udvikle kompositmateria­ler til vindmøllevinger, som bedre kan tåle at have revner,« siger han.

Traditionelt fremstilles det lastbærende laminat i vingen ved, at glasfibermåtter i mange lag lægges oven på hinanden og pakkes ind, hvorefter limen mellem fibrene, den såkaldte matrix, suges ind i flydende form under vakuum og hærdes. Herefter limes vingeskallerne sammen.

Når vingen snurrer på den færdige mølle og belastes i vinden, kan der opstå revner i limsamlingen både mellem skallerne og mellem lagene i laminatet. Dacomat-projektet handler om at styre begge former for revnedannelse uafhængigt af hinanden, så det bliver sværere for revnerne at udbrede sig i vingen.

Flere revner optager mere energi

Hvis der f.eks. opstår en revne mellem limlaget og laminatlaget – det man kunne kalde hovedrevnen – viser det sig, at der i nogle tilfælde opstår en mindre, sekundær revne nede i selve laminatet, som løber parallelt med hovedrevnen. Ofte vil der i hovedrevnen være masser af glasfibre, som krydser over mellem de to brudflader, hvilket optager energi fra bruddet. Forskerne har fundet ud at, at hvis der også er denne form for fibre bridging, som forskerne kalder krydsningen af fibrene, i den sekundære revne nede i laminatlaget, vil denne revne optage næsten lige så meget energi som selve hovedrevnen. Det samme er tilfældet, hvis der dannes en tredje revne i laminatlaget.

»Så får du en forøgelse på 200 pct. af den optagne energi sammenlignet med, hvis det kun var hovedrevnen. Den mekanisme vil vi gerne kunne kontrollere,« fortæller Bent F. Sørensen.

Konkret har forskerne gennem forsøg afprøvet, hvordan en plasmabehandling af limsamlingen kan gøre den så meget stærkere end laminatlaget, at dannelsen af den sekundære revne kan fremprovokeres, og vingematerialet dermed gøres mere fejltolerant. Forskerne har desuden udført simuleringer af revnevæksten for at få en bedre forståelse af, hvad der styrer dannelsen af de sekundære revner.

Monitorerer vinger med sensorer

Kunsten er nu at forvandle forskningsresultaterne til noget, som er praktisk muligt for vingeproducenterne at indføre under fremstillingen af de lastbærende dele af vingen. Målet er at forbedre vingernes holdbarhed med 30 pct.

Et andet sigte med Dacomat-projektet er monitorering af vingerne med bl.a. akustiske emissionssensorer, som monteres på vingerne og ‘lytter’ efter revnedannelser. Hos LM Wind Power ser man frem til at kunne drage nytte af både mere fejltolerante kompositmaterialer og monitoreringen af revnedannelser på fremtidens vinger.

»Rent statistisk er der større sandsynlighed for en kritisk defekt, jo større vingevolumen du har. Så der er en større risiko med en 107 meter lang vinge end med en på 40 meter. Dacomat vil kunne give os nogle værktøjer til at beskrive og modellere, om den her kritiske defekt er til stede, og om man kan tolerere den,« siger senioringeniør Jens Zangenberg Hansen, der er specialist i kompositmaterialer hos LM Wind Power.

En anden udfordring ved at øge vingelængden er at holde massen nede og stivheden oppe, hvilket har krævet udvikling af nye hybridmaterialer, som blander kulfibre ind i den klassiske glasfiberkomposit. Også her har DTU og LM Wind Power samarbejdet:

»Udbøjningen stiger med vinge­længden i tredje potens, og det stiller store krav til stivheden. Ved at kombinere kulfiber og glasfiber får vi et materiale, som kombinerer den høje stivhed fra kulfiberen med den høje trykstyrke fra glasfiberen,« forklarer Jens Zangenberg Hansen.

Selvom prisen på kulfiber er markant højere end glasfiber, kan det især for havvindmøllernes vedkommende give mening, fordi vingerne bliver lettere.

»For offshore-vind er udgifterne meget drevet af fundamentet. Ved at reducere vægten oppe i toppen af møllen, reducerer du lasten på fundamentet. Så selvom det måske har kostet 10 pct. mere til vingerne, har det til gengæld kostet 15 pct. mindre på fundamentet,« siger senioringeniøren.