Nanodiamond-treated Flax: Reducing Erosion on Wind Turbine Blades

Arbeidet som presenteres i denne oppgaven undersøker nye materialer for vindturbinblader som er mer erosjonsbestandige enn de vanlig brukte glassfiber-forsterkede komposittene (GFRCs). Med den pågående økningen i størrelsen på vindturbiner, som er nødvendig for å redusere kostnadene for installasjoner til havs, forventes turbinbladspissen å nå hastigheter over 100 m s−1. Selv ved lavere spisshastigheter forårsaker regn alvorlige erosjonsskader, som leder til redusert energiproduksjon, gjentatt reparasjon og nedetid, og dermed til betydelige økonomiske tap. For å høste det fulle energipotensialet til neste generasjon vindturbiner, er det et stort behov for bedre erosjonsbeskyttelse og basismaterialer som er mer erosjonsbestandige. Denne oppgaven er basert på tre artikler publisert i/innsendt til internasjonale, fagfellevurderte tidsskrifter og inneholder de første studiene om nanodiamantbehandlete linfiber (FFNDs) og de første studiene om deres anvendelse som forsterkning i polymerkompositter. Article 1 fokuserer på nanodiamant (ND) behandling av lin, og viser at FFND-garn absorberer mindre fuktighet (−18 %), er mer motstandsdyktig mot slitasje (+30 %) og har høyere strekkfasthet (+24 %) enn ubehandlet garn. De eksperimentelle resultatene støttes av en teoretisk modell om samspillet mellom nanopartikler og plantefibre, som viser at NDs øker kohesjonen mellom fibrene i garnet på grunn av elektrolytiske og dispersjonskrefter. I tillegg bidrar funnene til en generell forståelse av nanopartikkelinteraksjoner. Article 2 viser at nanodiamantbehandlete linfiber-forsterkete kompositter (FFNDRCs) har mindre materialutmatting ved støt enn GFRCs, og at FFNDRCs har en 16 ganger lengre skadeinkubasjonsperiode med minst 74 % mindre massetap. Article 3 foreslår bruk av FFNDRC som et tynt, ekstra beskyttelseslag for erosjon av den fremre kanten på GFRC vindturbinblader. Eksperimentene viser at hybridkompositter med et topplag på bare 1.5 mm av FFNDRC på et GFRC-basislag har samme overlegne utmattingsfasthet som bulk FFNDRC . Tillegget av et FFNDRC lag på bladenes fremre kant på moderne vindmøller til havs kunne øke bladenes basiserosjonsbestandighet med en faktor på 60 ± 20 sammenlignet med vanlig GFRC og fører til en ubetydelig ∼ 0.04 % ekstra vekt. Denne nye teknologien kan utvide reparasjonsvinduet, redusere kostnadene og øke påliteligheten til nåværende og fremtidige vindturbiner.