NREL onderzoekt nieuwe productiebenadering voor windturbinebladen van de volgende generatie

Een team van onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL, Golden, Colo., VS), onder leiding van NREL senior windtechnologie-ingenieur Derek Berry, gaat door met het verbeteren van hun nieuwe technieken om geavanceerde windturbinebladen te produceren door hun combinatie van recyclebare thermoplasten en Additive Manufacturing (AM). Het voorschot werd mogelijk gemaakt door financiering van het Advanced Manufacturing Office van het Amerikaanse Department of Energy - prijzen die zijn ontworpen om technologische innovatie te stimuleren, de energieproductiviteit van de Amerikaanse productie te verbeteren en de productie van geavanceerde producten mogelijk te maken.

Tegenwoordig hebben de meeste windturbinebladen op utiliteitsschaal hetzelfde clamshell-ontwerp:twee bladhuiden van glasvezel zijn aan elkaar gehecht met lijm en gebruiken een of meer samengestelde verstevigingscomponenten die shear webs worden genoemd, een proces dat de afgelopen 25 jaar is geoptimaliseerd voor efficiëntie. Om windturbinebladen echter lichter, langer, goedkoper en efficiënter te maken bij het opvangen van windenergie - verbeteringen die cruciaal zijn voor het doel om de uitstoot van broeikasgassen gedeeltelijk te verminderen door de productie van windenergie te verhogen - moeten onderzoekers de conventionele clamshell volledig heroverwegen, iets dat is de primaire focus van het NREL-team.

Om te beginnen richt het NREL-team zich op het harsmatrixmateriaal. Huidige ontwerpen zijn gebaseerd op thermohardende harssystemen zoals epoxy's, polyesters en vinylesters, polymeren die, eenmaal uitgehard, verknopen als braamstruiken.

"Als je eenmaal een mes met een thermohardend harssysteem hebt gemaakt, kun je het proces niet meer terugdraaien", zegt Berry. "Dat [ook] maakt het mes moeilijk te recyclen."

In samenwerking met het Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI, Knoxville, Tenn., VS) in NREL's Composites Manufacturing Education and Technology (CoMET) Facility, ontwikkelde het multi-institutionele team systemen die gebruik maken van thermoplasten, die, in tegenstelling tot thermohardende materialen, kunnen worden verwarmd om de oorspronkelijke polymeren te scheiden, waardoor recycleerbaarheid aan het einde van de levensduur (EOL) mogelijk wordt.

Thermoplastische bladonderdelen kunnen ook worden samengevoegd met behulp van een thermisch lasproces dat de noodzaak voor lijmen - vaak zware en dure materialen - overbodig maakt, waardoor de recycleerbaarheid van het blad verder wordt verbeterd.

"Met twee thermoplastische bladcomponenten heb je de mogelijkheid om ze samen te brengen en, door de toepassing van warmte en druk, ze samen te voegen", zegt Berry. “Dat kan niet met thermohardende materialen.”

Vooruit, NREL, samen met projectpartners TPI Composites (Scottsdale, Ariz., VS), Additive Engineering Solutions (Akron, Ohio, VS), Ingersoll Machine Tools (Rockford, Illinois, VS), Vanderbilt University (Knoxville) en IACMI , zal innovatieve bladkernstructuren ontwikkelen om de kostenefficiënte productie van hoogwaardige, zeer lange bladen — meer dan 100 meter lang — met een relatief laag gewicht mogelijk te maken.

Door 3D-printen te gebruiken, zegt het onderzoeksteam het soort ontwerpen te kunnen produceren dat nodig is om turbinebladen te moderniseren met hoogontwikkelde, netvormige structurele kernen met verschillende dichtheden en geometrieën tussen de structurele huiden van het turbineblad. De meshuiden worden doordrenkt met een thermoplastisch harssysteem.

Als ze daarin slagen, zal het team het gewicht en de kosten van de turbineschoepen met 10% (of meer) en de productiecyclustijd met ten minste 15% verminderen.

Naast de belangrijkste AMO FOA-prijs voor AM thermoplastische windturbinebladstructuren, zullen twee subsubsidieprojecten ook geavanceerde productietechnieken voor windturbines onderzoeken. Colorado State University (Fort Collins) leidt een project dat ook 3D-printen gebruikt om vezelversterkte composieten te maken voor nieuwe interne windbladstructuren, met Owens Corning (Toledo, Ohio, VS), NREL, Arkema Inc. (King of Prussa, Pa., VS) en Vestas Blades America (Brighton, Colo., VS) als partners. Het tweede project, geleid door GE Research (Niskayuna, N.Y., V.S.), heet AMERICA:Additive and Modular-Enabled Rotor Blades and Integrated Composites Assembly. Samenwerken met GE Research zijn Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tenn., V.S.), NREL, LM Wind Power (Kolding, Denemarken) en GE Renewable Energy (Parijs, Frankrijk).