• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Kemiteknik01. 05. 2016 | Katrine Meyn

Coatings til vindmøllevinger beskytter mod regndråbeerosion

Kemiteknik01. 05. 2016 By Katrine Meyn

Gentagne sammenstød imellem vindmøllevinger og regndråber, sandpartikler eller insekter kan få vingerne til at erodere og dermed miste effektivitet. Elastiske coatings, der absorberer nedslagsenergien, kan reducere problemet. Men hvordan optimerer man sådanne coatings, når levetiden af dem skal være op til 25 år?

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 5, 2016 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Af Søren Kiila, Kim Dam-Johansena og Pablo L. Bernard Jr.b
a: DTU Kemiteknik, b: Hempel A/S

Erosion af industrielle materialer ved kontakt med vanddråber er et velkendt fænomen. Allerede for omkring 100 år siden blev der rapporteret om erosion af dampturbineblade som et resultat af sammenstød imellem bladene og vanddråber til stede i den mættede damp. Op igennem 1940’erne observerede flyindustrien skader på især den forreste del af flyene som en direkte følge af vanddråbeerosion.
Vindmøllevinger kan også tage skade af repeterende møder med vanddråber, som det kan ses i figur 1. Problemet er særlig udtalt, når møllerne er placeret offshore, hvor vanderosionen kan være op til dobbelt så høj som for møller på land. De største møller, der opføres i dag, er på 8 MW, kan have rotordiametre over 160 m og en vingespidshastighed på op mod 100 m/s (360 km/time). I Ingeniøren [2] blev for et par år siden beskrevet, hvordan over 200 vinger på 80 vindmøller i Horns Rev 1 vindmølleparken er blevet repareret godt 10 år efter, de blev opført. Reparationer har også fundet sted ved Rødsand og Middelgrunden. I udlandet er det samme sket bl.a. ved Lillgrund i Sverige, Baltic 1 i Tyskland og Barrow i England. Udover udgifter til vedligehold bliver den elektriske effektivitet reduceret, når vingeprofilen eroderes. Eksperimenter i en vindtunnel på DTU har vist, at skader på vingens forkant kan reducere den totale energiproduktion med omkring 5% [2].

Coatings kan reducere problemet
Der findes flere metoder til at begrænse vanderosion af vindmøllevinger, såsom ”tape”, som limes på vingernes forkant, eller anvendelse af såkaldte ”blade coatings” [3]. Sidstnævnte er elastiske coatings, typisk baseret på polyuretankemi, der kan absorbere kollisionsenergien. Det er naturligvis en ekstra omkostning at coate vingen, men især offshore, hvor reparationer er en stor omkostning, kan det være en hensigtsmæssig løsning. Forsigtige skøn i industrien lød for 1-2 år siden på, at omkring halvdelen af alle store (>3 MW) møller fik deres vinger coatet. I dag er tallet formodentlig højere. Men hvordan tester og optimerer man en coating til at holde 20-25 år på en vindmøllevinge, hvor der en stor del af tiden er regndråber eller salt-aerosoler i luften?

Brug af testudstyr
Den foretrukne testmetode til blade coatings er den såkaldte ”whirling arm”-metode. Her anvendes et rotorblad, to meter i diameter, hvor coatede stålpaneler boltes fast til det yderste af rotorbladene og derefter roteres i et kraftigt (kunstigt) regnvejr. En typisk rotorspidshastighed er 150 m/s, og efter tre timer afsluttes forsøget, og malingsprøverne inspiceres for skader. Fysisk set er det en realistisk test, men accelerationsfaktoren fra fuld- til pilotskala er meget høj (25 års eksponering simuleres på tre timer). Da blade coating teknologierne er forholdsvis nye, er der ikke data for fuldskala langtidseksponering endnu. Andre ulemper er, at rotorapparatet, som udgangspunkt, kræver en separat bygning, grundet støj og sikkerhed og uddannet personale til betjening og vedligehold.

Design af nyt eksperimentelt udstyr
Formålet med indeværende arbejde har været at designe og konstruere nyt eksperimentelt udstyr til hurtig og økonomisk test af blade coatings. Detaljer kan findes i en ph.d.-afhandling af Shizhong Zhang [3] og to artikler [4,5]. Apparatet skulle være i laboratoriestørrelse, kunne afprøve mange coatingsprøver i samme forsøgsserie, og resultaterne være i overensstemmelse med data fra rotortesten omtalt ovenfor. Det sidste er vigtigt, da rotortesten er blevet en slags standard i malingsindustrien. Målet er eksperimentelt udstyr, som kan benyttes til screeningsforsøg, inden den dyre og afsluttende test og godkendelse foretages i rotorudstyret, typisk hos et eksternt firma.
Efter evaluering af forskellige ideer blev det besluttet at konstruere et apparat, der danner en tynd vandjet, som efterfølgende kan ”skæres over” i enkeltdråber. Dråberne skydes ind mod malingsprøven og der undersøges, over tid, for skader i malingsfilmen. Hypotesen var, at man vil få (næsten) de samme skader på coatingen ved at skyde dråber ind mod en (næsten) statisk malingsfilm som ved at bevæge et panel på en rotor igennem et kunstigt regnvejr (rotortesten). I begge tilfælde bliver dråberne slået i mange mindre stykker ved kollisionen. Som beskrevet i [3] er de underliggende mekanismer meget komplekse og forsøg essentielle.

Vandjet konstrueres
Det blev besluttet at konstruere vandjetten på en sådan måde, at sammenstødshastigheder og frekvenser kunne sikres de samme værdier som i rotortesten. Hastigheden er vigtig, da det såkaldte ”water hammer pressure”, som er fundet af stor betydning i flyindustrien, er direkte proportionalt med dråbehastigheden [4]. Frekvensen er også vigtig, da en høj frekvens kan bevirke, at materialet, efter et nedslag, ikke har tid nok til at ”komme sig” (relaxation) inden den næste kollision, hvorved energien kan akkumulere og resultere i f.eks. revnedannelse.
En skematisk illustration af det nye set-up er vist i figur 2, og i figur 3 ses det fulde set-up. Det hele er placeret på hjul for let at kunne flyttes rundt. Når ”malingshjulet” er helt fyldt op, kan der testes 22 coatings på én gang, og hjulet drejer rundt med 0,5-1 omdrejninger/minut. Vand recirkuleres og et filter sørger for, at eventuelle malingsstykker, fra nedbrudte coatings, ikke forefindes i vandet. Vandjethastigheden kan varieres fra 0-200 m/s. Den lille disk, som sidder foran vandjetten og roterer med meget høje hastigheder, se figur 4, har aflange huller (1 mm brede og 1 cm lange) og sikrer, at vandjetten brydes op i dråber, der efterfølgende rammer coatingsprøverne. På figur 4 ses også en luftdyse, som kan anvendes til at blæse vand væk fra malingsoverfladen og derved simulere, hvad en coating vil opleve på en vinge, som bevæger sig igennem luften med høj hastighed. Selve vanderosionen forgår kun på et meget tyndt område på coatingen, og et enkelt malingspanel kan derfor genbruges til mange forsøg ved at malingspanelet forskydes på en skinne (ikke vist). For at opnå en sammenlignelig testtid skal vandjetten, med 22 paneler, køre i 66 timer for, at hvert panel eksponeres i tre timer ligesom i rotortesten. Den samme nedslagsfrekvens som i rotortesten blev opnået ved at justere omdrejningshastigheder og radier af malingshjul og den lille disk samt hulstørrelsen og antal huller i disken. Hvert panel udsættes, til forskel for under reelle forhold, kun for dråber nogle procent af tiden.

Blade coatings
Til forsøgene blev anvendt to forskellige blade coatings baseret på bindere af polyuretan. Begge bindere bestod af en kommerciel polyesterpolyol hærdet med en isocyanattrimer (dvs. funktionalitet på 3). Der var dog i de to tilfælde en forskel i hærderens fleksibilitet i krydsbundet tilstand. Begge malinger indeholdt TiO2-pigmenter og ”standard” fyldstoffer. Malingerne blev sprøjtepåført ved højt tryk (”airless spray”), og hærdetiden var omkring en uge. Den totale filmtykkelse for malingssystemet (inkl. primer) var godt 400 µm. Yderligere detaljer kan findes i [4].

Resultater af forsøgene
De første forsøg blev kørt med kontinuerte jets (altså uden disk) og en jethastighed på 157 m/s. Allerede efter 30 s begyndte den ene coating at vise tegn på erosionsskader og efter 10 minutter fulgte den anden efter. På figur 5 ses det under mikroskopering, hvordan skaderne udviklede sig for den ene coating. På det øverste billede ses malingen inden eksponering. Der er ikke nogle revner, men dog små områder, som adskiller sig fra resten af malingen. Sådanne ”defekter” behøver ikke at være et problem i andre sammenhænge, men som det ses på det midterste billede, hvor malingen har været udsat for vandjetten, udvikler revnedannelsen sig fra de små mørke områder. I det nederste billede, som er taget et andet sted på malingsprøven, er stykker af malingen helt væk. En mulig forbedring af malingen kan derfor være at arbejde mod at undgå mikroskopiske defekter i den påførte maling, men det er ikke sikkert, at det kan lade sig gøre i industriel skala.
Ved forsøg med diskrete vandjets, som krævede længere forsøgstider, viste sig en væsentlig forskel i malingernes evne til at modstå erosion. Det var overraskende, at malingen med det mest fleksible bindersystem klarede sig dårligst. Dråbehastigheden var meget afgørende for, hvor hurtigt skader opstod. Under en vis hastighed sås ingen erosion. Nedslagsfrekvensen havde også betydning ved høje frekvenser, dog kun når dråbehastigheden var tilstrækkelig høj. En øget frekvens ved lav dråbehastighed gjorde altså ingen forskel.

Vandjet versus rotor
En vigtig faktor er, som tidligere nævnt, at resultaterne genereret i vandjetten er i god overensstemmelse med rotortesten. Det betyder i praksis, at en rangorden af de forskellige coatings ydeevne i de to apparaturer skal stemme overens. Det viste sig ikke at være tilfældet. Heller ikke da undersøgelsen blev udvidet til otte forskellige blade coatings, og parameterrummet blev undersøgt mere bredt (også med ”vingekrumning” på malingsprøverne og brug af luftdyse [5]), var der nogen god overensstemmelse. Konklusionen må derfor være, at mekanismerne bag vanddråbeerosion er temmelig forskellige i de to apparater. Det er altså ikke det samme at ”skyde” dråber ind mod en overflade som at bevæge en overflade ind igennem faldende dråber, heller ikke selvom hastigheder og nedslagsfrekvenser er ens. Videre arbejde på området kunne tage udgangspunkt i videooptagelser med højhastighedskamera, hvor det forsøges at afdække de underliggende erosionsmekanismer for de to apparater.

Konklusion
Blade coatings benyttes til at beskytte vindmøllevinger mod regndråbeerosion. Det er blevet undersøgt, om et apparat kan designes i laboratoriestørrelse til hurtig test og rangorden af coatings. Det er afklaret, at den absolut vigtigste parameter er dråbehastigheden, men også nedslagsfrekvensen har betydning ved høje dråbehastigheder. Det har endnu ikke været muligt at korrelere det nye jet set-up med den veletablerede rotortest.

For en uddybende beskrivelse af emnet henvises til nedenstående referencer.

Tak til Hempel Fonden for støtte til forskningsarbejdet.

Referencer

  1. Rampel, L. Rotor blade leading edge erosion – real life experiences, Wind Systems Magazine (Issue date 24.10.2012) 22-24.
  2. Wittrup, S. Vingeforkanter er som dækkene på en bil, Ingeniøren, November, 2013.
  3. Zhang, S., Accelerated rain erosion of wind turbine blade coatings, Ph.D. afhandling, DTU Kemiteknik, 2015.
  4. Zhang, S., Dam-Johansen, K., Nørkjær, S., Kiil, S. (2015) Erosion of wind turbine blade coatings – Design and analysis of jet-based laboratory equipment for performance evaluation, Prog. Org. Coat., 78, 103-115.
  5. Zhang, S., Dam-Johansen, K., Bernar, P.L., Kiil, S. (2015), Rain erosion of wind turbine blade coatings using discrete water jets: Effects of water cushioning, substrate geometry, impact distance, and coating properties, 328, 140-148.

 

Skrevet i: Kemiteknik

Seneste nyt fra redaktionen

Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

Analytisk kemiArtikler fra Dansk KemiTop09. 05. 2025

Advances in chemical ionization mass spectrometry can improve our understanding of atmospheric composition. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Varun Kumar, Institut for

Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

AktueltArtikler fra Dansk KemiBioteknologi02. 05. 2025

Oldgamle CO2-ædende mikroorganismer kan fange CO2 direkte fra skorstensrøg og omdanne kulstoffet til grønne molekyler. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mads Ujarak Sieborg1 og

Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø28. 04. 2025

Tilstedeværelsen af PFAS-forbindelser skyldes ikke kun lokale kilder, men de kan langtransporteres i luften til selv meget fjerntliggende arktiske egne. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

AktueltMedicinalkemi21. 04. 2025

I dag er det frem med nålen, hvis man er i behandling med diverse former for fedme-medicin. Det hæmmer imidlertid udbredelsen på specielt asiatiske og afrikanske markeder, hvor der er en udtalt nålefobi. Derfor arbejder det danskstiftede biotekselskab Pila Pharma med at få udvikle deres

Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

AktueltBioteknologiFødevarekemi07. 04. 2025

NitroVolt, en dansk biotech-virksomhed, vil vende produktionen af ammoniak på hovedet. I stedet for den velkendte løsning, der bygger på den energitunge Haber-Bosch-proces, vil produktionen nu foregå i en container, der fx kan stå direkte ude hos en landmand. Ammoniak til kunstgødning er en slags

En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

AktueltArtikler fra Dansk KemiHistorisk kemi01. 04. 2025

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6, 2024 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Læs originalartiklen her Nomenklaturudvalget får indimellem henvendelser om dansk kemisk nomenklatur fra de oversættere i EU, hvis opgave det er at oversætte EU-lovgivning på

Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

AktueltEnergi31. 03. 2025

Efter en byggeperiode på omkring to år, er BASF nye 54 megawatt elektrolyseanlæg blevet indviet. Udover at være Tyskland største, med en kapacitet til at producere op til 8.000 ton grøn brint årligt, skriver det også historie på et andet område. Brinten skal primært anvendes som råmateriale i

Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

AktueltBranchenyt31. 03. 2025

Danske virksomheder er fortsat nogle af de mest aktive i Europa til at innovere. Det viser nye tal fra Den Europæiske Patentmyndighed, EPO, som udsteder patenter, der kan dække i op til 45 lande. Vestas, Novozymes og Danmarks Tekniske Universitet har leveret de største bidrag til, at Danmark kan

Ny grundbog tager studerende på videregående uddannelser ind i den basale kemi

Branchenyt26. 03. 2025

Hvad er kemi? Hvad er de teoretiske perspektiver ved kemi? Og hvordan påvirker kemi vores hverdagsliv? Det er udgangspunktet for en ny grundbog til de studerende på de videregående uddannelser, som giver en introduktion til almen, uorganisk og organisk kemi. Bogen gennemgår, hvordan stoffer,

Nedrivningsarbejdere i kontakt med PCB slipper med skrækken – kun lave niveauer i blodet

Arbejdsmiljø/IndeklimaKlima og miljø25. 03. 2025

Ingen alarm, men hold fokus på sikkerhed og hygiejne. Den besked blev givet til 62 medarbejdere, som forskere fra Det Nationale Forskningscenter for Arbejdsmiljø (NFA) har fulgt over to år. Forskerne har undersøgt niveauerne af miljøgiften PCB i blodet hos nedrivere, der blandt andet har arbejdet

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Busch Vakuumteknik A/S

    centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

  • DENIOS ApS

    Ved du, hvornår det er tid til at vedligeholde, udskifte eller flytte dit opsamlingskar?

  • DENIOS ApS

    3 sikkerhedsfunktioner, du skal kigge efter på dit opsamlingskar

  • Holm & Halby

    VidensDage 2025: To dage i videnskabens og fremtidens tegn

  • Holm & Halby

    Holm & Halby deltager i Europe Biobank Week 2025

  • LABDAYS – Fagmesse for Laboratorieteknik

    LabDays – Almost sold out

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch på IFFA 2025: Vacuum Diagnostics til intelligente vakuumløsninger til kødforarbejdning

  • Mikrolab – Frisenette A/S

    NYHED: IKA er tilbage med IKA Specials tilbudsavis

  • DENIOS ApS

    Glemmer du service? Her er konsekvenserne

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Vakuumsystemer: En guide til turn-key projekter

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

    09.05.2025

  • Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

    02.05.2025

  • Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

    28.04.2025

  • Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

    21.04.2025

  • Dansk virksomhed vil vende produktionen af ammoniak på hovedet – ned i en lille container

    07.04.2025

  • En EU-historie om nomenklatur – og ginseng til hunde, katte og heste!

    01.04.2025

  • Tysk elektrolyseanlæg er som det første i verden blevet integreret direkte i kemisk produktion

    31.03.2025

  • Dansk innovation blander sig i toppen over lande med de fleste patentansøgninger

    31.03.2025

  • Ny grundbog tager studerende på videregående uddannelser ind i den basale kemi

    26.03.2025

  • Nedrivningsarbejdere i kontakt med PCB slipper med skrækken – kun lave niveauer i blodet

    25.03.2025

  • Styrkelse af nyfundet gen kan gøre kartoflen resistent over for svampeangreb

    24.03.2025

  • Fra forskning i nanosikkerhed til mere sikker håndtering af nanomaterialer i det danske arbejdsmiljø

    21.03.2025

  • Dansk forbud mod PFAS er lige på trapperne – indsigelsesfrist mod 2024-aftale er overskredet

    20.03.2025

  • Flere elbiler og mindre ammoniak kan nu måles i en form af en bedre luftkvalitet

    19.03.2025

  • Forskere står bag hybridost med 25 procent ærteprotein – men med samme smag og tekstur

    18.03.2025

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik