Nyt forskningscenter vil med en bevilling fra Det Strategiske Forskningsråd samle en hidtil uset gruppe af faglige kompetencer. Målet er populært sagt at genopfinde vindmøllens maskinrum og gøre fremtidens vindenergi mere driftsikker
For mange kan det være et stoisk syn, når moderne vindmøller knejser roligt over landskabet eller står i flok ude i en bugt. Men trods et roligt ydre er en vindmølle af i dag udsat for en brutal virkelighed med kolossale belastninger af de bevægelige dele. For eksempel er der 33.000 gange større kraftmoment på spil i møllen, end der er i en almindelig familiebil: Møllens hovedaksel, der overfører kræfterne fra møllens vinger, har et drejningsmoment på omkring fem millioner Newtonmeter (Nm) – mens familiebilen kun kan præstere sølle 150 Nm.
De store kræfter spiller da også ind på dimensionerne i møllen. Hovedakslen i møllen er lavet af solidt stål med en diameter på en meter for at kunne tage det enorme moment. Men det stiller igen meget store krav til vindmøllens maskinrum, kaldet ’nacellen’ af fagfolk, hvor vinden omsættes til elektrisk energi. For der opstår et særdeles komplekst samspil mellem alt fra vindens varierende hastighed på vingerne, til de kræfter der overføres fra tonstunge akser til en gearkasse fyldt med mindre, bevægelige dele. Det medfører, at lejer og tandhjul fra tid til anden skal udskiftes, fordi komponeneternes levetid er opbrugt, eller at møllens mekaniske dele ligefrem bryder sammen med egentlige havarier og meget store omkostninger til følge.
Professor Jesper Henri Hattel fra DTU Mekanik står i spidsen for det nye center REWIND. Målet er populært sagt at genopfinde vindmøllens maskinrum og gøre fremtidens vindenergi mere driftsikker – bl.a. ved at indsamle gamle, havarerede dele fra møller og analysere deres fejl og mangler. (foto: Jens Rosenfeldt)
Det vil et nyoprettet center med base på DTU nu forsøge at ændre på med en unik kombination af forskere fra hele landet og en del af de store internationale aktører inden for vindmølle- og energiindustrien:
”Grundtanken bag centeret REWIND er opstået som en reaktion fra forskellige aktører inden for feltet til at gennemføre en koordineret forskningsindsats, der kan give en forhøjet pålidelighed af de ofte voldsomt belastede metalkomponenter i moderne vindmøller. Vi vil de næste år undersøge hele produktionskæden fra design af møllen over fremstilling af de enkelte dele frem til brugen af møllerne for derved at kunne forstå og beskrive komponenternes opførsel bedre. Du kan sige, at vi spoler helt tilbage i en mølles tilblivelse og følger med forskningsmæssigt,” forklarer centerleder, professor Jesper Henri Hattel fra DTU Mekanik.
Er større bedre?
I takt med at ikke bare Danmark, men en stor del af verden målrettet er begyndt at bruge vindkraft til energiproduktion, er møllerne begyndt at blive større. I dag kan en havvindmølles nacelle alene veje op mod 50 ton, hvor der indgår enorme støbte og smedede metaldele, der skal kunne holde til den brutale hverdag i lang tid. De gigantiske møller er naturligvis langt bedre i stand til at producere mere energi til de strømhungrende samfund, men møllernes størrelse er samtidig en udfordring for deres holdbarhed. Dels pga. deres vægt alene, dels fordi de produktionsprocesser, der bruges til at lave møllerne i dag, kan efterlade uhensigtsmæssige og ofte ukendte fordelinger af materialernes styrke og indre spændinger i møllens anatomi.
”Vi har en formodning om, at det ikke hænger optimalt sammen i produktionskæden. Hvor man regner meget detaljeret med aeroelastiske metoder i designet af møllens geometri, som f.eks. vingernes form, så bruges tilsvarende avancerede matematiske modeller sjældnere til analyse, før den egentlige fremstilling af de store metaldele, der skal levere bundlinjen inde i møllens maskinrum. Konsekvensen af det kan være, at hårdt belastede dele som hovedakslen overdimensioneres for at sikre, at de er stærke nok. Men det giver en høj vægt, der derved øger belastningen på de bevægelige dele i f.eks. gearkassen i møllen,” siger Jesper.
Kendte undersøgelser viser da også, at især gearkassen er en af de dele i de moderne vindmøller, der har størst sandsynlighed for at gå i stykker, når møllen er i brug.
”Det er tilfælde som dette, REWIND vil forsøge at finde nye løsninger på. Vi har opdelt centeret i seks arbejdsområder, der gør det muligt bl.a. at analysere på havarerede dele fra eksisterende møller og sammenholde dem med fremstillingsmetoderne og materialevalgene for den defekte del. Derudover vil vi også forsøge at udarbejde forskellige matematiske modeller til brug for fremstillingsindustrien og ved at foreslå forbedrede materialer med andre eller nye egenskaber, end dem der bruges i dag, arbejde os frem mod den optimale produktionsproces og mere pålidelige akser, lejer, gear og generatorer – det, der kaldes drivetrains,” forklarer Jesper.
Det svageste led
Det er med andre ord et projekt, der i omfang er af lige så stor dimension som de møller, de arbejder med. Men perspektiverne er særdeles lovende og allerede godt på vej, skønt der først lige er taget hul på de seks år, REWIND skal arbejde.
”Der er et stort potentiale i at kunne fremstille mere driftsikre drivetrains til fremtidens vindmølleproduktion. Herhjemme bruger vindmølleindustrien adskillige milliarder om året på de vedligeholdelsesforpligtigelser, de har over for køberne af møllerne. Der er altså mulige økonomiske fordele ved det. Men der er også en lang række andre gevinster ved at samle så mange forskellige fagligheder, som vi gør i dette center,” siger Jesper og fortsætter:
”Der findes en enorm viden og meget stærke forskningsgrupper inden for området, men der er ikke etableret et center som dette før, hvor vi samler kræfterne og arbejder tværdisciplinært om et fælles projekt. Du kan sige, at parterne med etableringen af REWIND allerede har identificeret og elimineret et af de svageste led: kommunikation mellem faggrænserne. Nu kan vi sammen arbejde målrettet med hinanden og på den måde senere sikre bedre, billigere og mere driftsikre vindmøller, der kan levere den grønne energi, vi alle har brug for.”