Nanodiamond-treated Flax: Reducing Erosion on Wind Turbine Blades

Abstract

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.

The work presented in this thesis investigates new base materials for wind turbine blades that are more erosion-resistant than the commonly used glass fiber–reinforced composites (GFRCs). With the ongoing increase in size of wind turbines that is needed to reduce the costs for installation offshore, the turbine blade tip speeds are expected to reach over 100 m/s. Even at lower tip speeds, rain causes severe erosion damage, leading to less energy generation, repeated repair and downtime, and thus to substantial financial losses. In order to harvest the full energy potential of the next generation of wind turbines, there is urgent need for better erosion protection and base materials that are more erosion-resistant.

This thesis is based on three articles published in/submitted to international, peer-reviewed journals and contains the first studies on nanodiamond-treated flax fibers (FFNDs) and the first studies on their application as reinforcement in polymer composites. Article 1 focuses on the nanodiamond (ND) treatment of flax, showing that FFND yarns absorb less moisture (−18 %), are more resistant against abrasion (+30 %) and have a higher tensile strength (+24 %) than untreated yarns. The experimental results are supported by a theoretical model on the interaction between nanoparticles and plant fibers, showing that NDs increase the cohesion between the fibers in the yarn due to electrolytic and dispersion forces. In addition, the findings contribute to a general understanding of nanoparticle interactions. Article 2 demonstrates that nanodiamond-treated flax fiber–reinforced composites (FFNDRCs) have less impact fatigue than GFRCs, exhibiting a 16 times longer damage incubation period with at least 74 % less mass loss. Article 3 proposes the use of FFNDRC as a thin, additional protection layer for the leading edges of GFRC wind turbine blades. The experiments show that hybrid composites with a top layer of only 1.5 mm of FFNDRC on a GFRC base have the same superior impact resistance as bulk FFNDRC. The addition of a FFNDRC skin layer on the leading edge of modern offshore wind turbines could increase the blade’s base erosion resistance by a factor of 60 ± 20 compared to plain GFRC and comes with a negligible ∼ 0.04 % extra weight. This new technology could expand the repair window, reduce costs, and enhance the reliability of current and future wind turbines.