WO2011117186A1 - Verkleidungen für windkraftanlagen und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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Klaus Franken
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Definitions

  • the invention relates to wind turbine panels and to methods for their production based on polyurethane.
  • Wind turbines are free to weather and contain components such. Generators that must be protected from external climatic conditions. This is done by panels (housings, covers), which are referred to as gondolas or spinners depending on their use. Energy from wind power is becoming increasingly important so that components for wind power plants, in particular the cladding, are intensively investigated and further developed. The main focus is on the development of cost-effective manufacturing processes with increased component quality.
  • the hitherto known wind turbine panels consist of fiber-reinforced plastics based on resins, mainly unsaturated polyester resins (UP resins), as matrix material.
  • resins mainly unsaturated polyester resins (UP resins)
  • first fiber composites are produced which must harden. This curing process is very time consuming and disadvantageous for a quick overall production.
  • the casings for wind power plants of the aforementioned resins are usually produced by hand lamination, hand lamination with the aid of prepreg technology or by the vacuum-assisted infusion process (brochure "Well Bonded" from Fassmer GmbH, www.utzmer.de)
  • a release agent and a gel coat By applying a release agent and a gel coat to the mold surface, glass jars with unidirectional or biaxial orientation are then placed in the mold in succession, then the resin is applied to the glass scrim and manually pressed into the glass scrim by rolling
  • this method has the advantage of low investment in machinery and easy fault detection and correction, the very labor-intensive production leads to high production costs and long production Time to many mistakes or, to avoid them, to an increased quality assurance effort.
  • the workers in this process are exposed to the solvent vapors in the resin, in particular styrene in UP resins, which
  • the hand lamination process with the support of prepreg technology is similar to the simple hand lamination process. In this case, however, the so-called prepregs (resin-impregnated prefabricated glass mats) are produced outside the mold and then positioned in the mold.
  • prepregs resin-impregnated prefabricated glass mats
  • the molds are prepared by applying a release agent and possibly a gelcoat. Then the dry fiber mats are put into the mold according to an exact production plan. With a vacuum-resistant film, the entire mold is then hermetically closed. From the thus prepared mold, the air is extracted from fiber mats and spacers before injecting the resin into the mold (space between film and mold) at various points.
  • This method has - as well as the two previously mentioned - the disadvantage that the necessary curing time to demolding of the component is very long and the productivity of the system is very limited.
  • Object of the present invention was therefore to provide panels for wind turbines available that do not have the aforementioned disadvantages and also can be produced inexpensively in a short time.
  • the invention relates to claddings for wind turbines, which have the following layer structure: a) a release agent layer
  • Silicone or wax-containing release agents are preferably used for the release agent layer. These are known from the literature.
  • the gelcoat layer is preferably made of polyurethane.
  • the fibers used may preferably be fiber rovings or fiber knits based on polymer, mineral, carbon, glass or aramid fibers and mixtures thereof, particularly preferably glass fiber rovings.
  • a plastic polyurethane is used as a plastic polyurethane.
  • the polyurethane is produced from a reactive mixture containing a polyol component and an isocyanate component. Such polyol and isocyanate components are well known.
  • organic di- and / or polyisocyanates preferably MDI, which have an NCO content of preferably> 30% by weight;
  • At least one polyether polyol having a number average molecular weight of 90-10,000, preferably 200-1,000, particularly preferably 300-800, g / mol and with an average functionality of 2.4-8;
  • the mixture of these components a) to e) is preferably used in the spray process for producing the corresponding polyurethane layer.
  • the mixture of components a) to e) can preferably also be used and cast in the RTM process.
  • Baylith® L powders can be used as additives.
  • Another object of the invention are methods for producing the panels for wind turbines.
  • the mold provided for the production of the cladding is provided on the inside, which images the outside of the cladding, with a separating agent layer and optionally subsequently with a gelcoat.
  • the processing of the components for the preparation of the polyurethane reactive mixture is carried out with specially designed, customary low-pressure or high-pressure casting machines.
  • the systems consist of two to four containers in which the components or raw materials are presented in liquid form.
  • the individual components are conveyed according to a fixed mixing ratio to a dynamic mixing head and mixed there. Upon exiting the mixing head, the nozzle-like constructed outlet ensures atomization of the reactive mixture.
  • a thin coating of a polyurethane reactive mixture is first applied to the gelcoat layer, if present, to form a preferably compactly hardening polyurethane layer.
  • the mixing head includes a device with which fibers can be metered into the reactive mixture of components to be sprayed.
  • the fibers are usually unrolled as a roving from a holding device, conveyed through a hose to a cutting device, chopped there and then metered by means of a connected air flow into the reactive mixture.
  • the fiber length can be adjusted individually. Fiber lengths of 4 mm to 15 mm are preferred.
  • the fiber-reinforced polyurethane layer is produced on this first optional polyurethane layer or on the optional gelcoat layer or on the release agent layer.
  • a reactive mixture of the polyurethane components is applied together with the fibers (preferably sprayed).
  • This layer may have a thickness of a few tenths of a millimeter to any desired thickness.
  • the fiber flow can be turned off and a further, preferably compact, hardening polyurethane layer can be produced. This may cover any protruding fibers from the previously applied fiber-reinforced layer.
  • the curing process takes place very quickly (on a second scale), so that a short time later, the panel produced can be removed from the mold and the mold prepared for the next component.
  • fiber-reinforced polyurethane as a plastic for producing the cladding (for example, gondolas, spinners and wind vanes) of wind turbines has many advantages:

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verkleidungen für Windkraftanlagen und Verfahren zu deren Herstellung auf Basis von Polyurethan.

Description

Verkleidungen für Windkraftanlagen und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft Verkleidungen für Windkraftanlagen und Verfahren zu deren Herstellung auf Basis von Polyurethan.
Windkraftanlagen sind der Witterung frei ausgeliefert und enthalten Bauteile, wie z.B. Generatoren, die unbedingt vor äußeren klimatischen Einwirkungen geschützt werden müssen. Dies erfolgt durch Verkleidungen (Gehäuse, Abdeckungen), die in Abhängigkeit von ihrem Einsatz als Gondeln oder Spinner bezeichnet werden. Energie aus Windkraft gewinnt immer mehr an Bedeutung, so dass Bauteile für Windkraftanlagen, insbesondere auch die Verkleidungen, intensiv untersucht und weiterentwickelt werden. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Entwicklung kostengünstiger Herstellungsverfahren mit erhöhter Bauteilqualität.
Die bisher bekannten Verkleidungen für Windkraftanlagen bestehen aus faserverstärkten Kunststoffen auf der Basis von Harzen, hauptsächlich ungesättigten Polyesterharzen (UP-Harzen), als Matrixmaterial.
Bei der Herstellung der Verkleidungen werden zuerst Faserverbundwerkstoffe hergestellt, die aus- härten müssen. Dieser Aushärteprozess ist sehr zeitaufwendig und nachteilig für eine schnelle Gesamtfertigung. Die Verkleidungen für Windkraftanlagen aus den vorgenannten Harzen werden üblicherweise durch Handlaminieren, Handlaminieren mit Unterstützung durch Prepregtechnologie oder durch das vakuumunterstützte Infusionsverfahren hergestellt (Broschüre„Well Bonded" der Fa. Fassmer GmbH, www.fassmer.de). Beim Handlaminieren wird zunächst eine Form präpariert, indem ein Trennmittel und ein Gelcoat auf die Formoberfläche aufgetragen werden. Anschließend werden nacheinander Glasgelege mit unidirektionaler oder biaxialer Orientierung in die Form gelegt. Danach wird das Harz auf das Glasgelege aufgetragen und manuell durch Rollen in das Glasgelege eingedrückt. Dieser Schritt wird entsprechend so oft wiederholt, bis die konstruktiv bedingte Sollwandstärke erreicht wird. Dieses Verfahren hat zwar den Vorteil, geringer Maschineninvestitionen und einfacher Fehlererkennung und Korrekturmöglichkeit, jedoch führt die sehr lohnintensive Fertigung zu hohen Herstellkosten und die langen Fertigungszeiten zu vielen Fehlern bzw., um diese zu vermeiden, zu einem erhöhten Qualitätssicherungsaufwand. Weiterhin sind die Arbeiter bei diesem Verfahren den im Harz befindlichen Lösemitteldämpfen, insbesondere Styrol bei UP Harzen, ausgesetzt, was zu weiteren kostenintensiven Arbeitsplatzmaßnahmen führt.
Das Handlaminierverfahren mit Unterstützung durch Prepregtechnologie erfolgt ähnlich wie das einfache Handlaminierverfahren. Hierbei werden jedoch die sogenannten Prepregs (mit Harz getränkte vorgefertigte Glasmatten) außerhalb der Form hergestellt und dann in der Form positioniert. Die gegenüber dem einfachen Handlaminieren durchgeführte Teilautomatisierung zur Fertigung „
- 2 - der Prepregs führt zwar zu einer verbesserten Qualitätskonstanz bei der Fertigung, jedoch erfordert der Schutz der Arbeiter vor den in den flüssigen Harzmischungen enthaltenen leichtflüchtigen Verbindungen einen erheblichen Aufwand (Arbeitsplatzsicherheit etc.; http://www.umweltlexikon- online.de/φ/archiv/RUBwerkstoffmaterialsubstanz/Styrol.php).
Beim Harzinjektions verfahren [auch als„Resin Transfer Molding" (RTM) oder„Vakuumunterstütztes Resin Transfer Molding" (VA RTM)] werden die Formen präpariert, indem ein Trennmittel und eventuell ein Gelcoat aufgetragen werden. Anschließend werden die trockenen Fasermatten nach einem genauen Fertigungsplan in die Form gelegt. Mit einer vakuumfesten Folie wird dann die gesamte Form hermetisch geschlossen. Aus der so präparierten Form wird die Luft aus Fasermatten und Distanzmaterialien entzogen, bevor an verschiedenen Stellen das Harz in die Form (Raum zwischen Folie und Form) injiziert wird. Dieses Verfahren hat - wie auch die beiden vorher genannten - den Nachteil, dass die notwendige Aushärtezeit bis zur Entformung des Bauteils sehr lang ist und die Produktivität der Anlagen dadurch sehr stark eingeschränkt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, Verkleidungen für Windkraftanlagen zur Verfügung zu stellen, die die vorgenannten Nachteile nicht aufweisen und zudem kostengünstig in kurzer Zeit hergestellt werden können.
Diese Aufgabe konnte überraschenderweise dadurch gelöst werden, dass die Verkleidungen mit Polyurethan als Kunststoff anstelle der oben genannten Harze hergestellt werden.
Gegenstand der Erfindung sind Verkleidungen für Windkraftanlagen, die folgenden Schichtaufbau aufweisen: a) eine Trennmittelschicht
b) gegebenenfalls eine Gelcoatschicht
c) gegebenenfalls eine Kunststoffschicht ohne Faserverstärkung
d) eine faserverstärkte Kunststoffschicht
e) gegebenenfalls eine Kunststoffschicht ohne Faserverstärkung und die dadurch gekennzeichnet sind, dass als Kunststoff Polyurethan eingesetzt wird.
Für die Trennmittelschicht werden bevorzugt silikon- oder wachshaltige Trennmittel eingesetzt. Diese sind aus der Literatur bekannt.
Die Gelcoatschicht besteht vorzugsweise aus Polyurethan.
Als Fasern können vorzugsweise Faserrovings oder Fasergewirke auf der Basis von Polymer-, Mineral-, Kohlenstoff-, Glas- bzw. Aramidfasern sowie deren Mischungen, besonders bevorzugt Glasfaserrovings eingesetzt werden. Als Kunststoff wird Polyurethan eingesetzt. Das Polyurethan wird aus einem Reaktivgemisch erzeugt, welches eine Polyolkomponente und eine Isocyanatkomponente enthält. Derartige Polyol- und Isocyanatkomponenten sind allgemein bekannt.
Besonders bevorzugt werden Polyurethane eingesetzt, welche erhältlich sind durch die Umsetzung von
a) organischen Di- und/oder Polyisocyanaten, bevorzugt MDI, die einen NCO-Gehalt von vorzugsweise > 30 Gew. % aufweisen;
b) mindestens einem Polyetherpolyol mit einem zahlenmittleren Molekulargewicht von 90 - 10000, bevorzugt 200 - 1000, besonders bevorzugt 300 - 800 g/mol und mit einer mittleren Funktionalität von 2,4 - 8;
c) gegebenenfalls weiteren von b) verschiedenen Polyetherpolyolen mit einem
zahlenmittleren Molekulargewicht von 60 - 10000, bevorzugt 100 - 800, besonders bevorzugt 200 - 600 g/mol und mit einer mittleren Funktionalität von 1,8 - 3,4;
d) gegebenenfalls in Gegenwart von Amin- und/oder Metallkatalysatoren und
e) gegebenenfalls Zusatzstoffen.
Die Mischung aus diesen Komponenten a) bis e) wird bevorzugt im Sprühverfahren zur Erzeugung der entsprechenden Polyurethanschicht eingesetzt.
Die Mischung aus den Komponenten a) bis e) kann vorzugsweise auch im RTM-Verfahren eingesetzt und vergossen werden. Als Zusatzstoffe können z.B Baylith® L-Pulver verwendet werden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Verfahren zur Herstellung der Verkleidungen für Windkraftanlagen. Hierbei wird die zur Herstellung der Verkleidung bereitgestellte Form auf der Innenseite, die die Außenseite der Verkleidung abbildet, mit einer Trennmittelschicht und gegebenenfalls anschließend mit einem Gelcoat versehen. Die Verarbeitung der Komponenten zur Herstellung der Polyurethanreaktivmischung erfolgt mit dafür ausgelegten, marktüblichen Niederdruck- oder Hochdruckgießmaschinen. Je nach verwendeter Rezeptur bestehen die Anlagen aus zwei bis vier Behältern, in dem die Komponenten oder Rohstoffe flüssig vorgelegt werden. Mittels Pumpen werden die einzelnen Komponenten nach festgelegtem Mischungsverhältnis zu einem dynamischen Mischkopf gefördert und dort vermischt. Beim Austritt aus dem Mischkopf gewährleistet die düsenartig konstruierte Austrittsöffnung ein Versprühen des reaktiven Gemisches.
Vorzugsweise wird auf die Gelcoatschicht - soweit vorhanden - zunächst eine dünne Beschichtung aus einer Polyurethanreaktivmischung zur Bildung einer bevorzugt kompakt aushärtenden Polyurethanschicht aufgetragen. Λ
- 4 -
Der Mischkopf beinhaltet eine Vorrichtung, mit der Fasern in die zu versprühende, reaktive Mischung aus den Komponenten dosiert werden können. Die Fasern werden meist als Roving von einer Haltevorrichtung abgerollt, durch einen Schlauch zu einer Schneidvorrichtung gefördert, dort gehäckselt und anschließend mittels eines angeschlossenen Luftstromes in die reaktive Mischung dosiert. Die Faserlänge kann individuell eingestellt werden. Faserlängen von 4 mm bis 15 mm sind bevorzugt.
Auf diese erste optionale Polyurethanschicht bzw. auf die optionale Gelcoatschicht bzw. auf die Trennmittelschicht wird die faserverstärkte Polyurethanschicht erzeugt. Dabei wird eine reaktive Mischung aus den Polyurethankomponenten zusammen mit den Fasern aufgetragen (bevorzugt gesprüht). Diese Schicht kann eine Dicke von wenigen zehntel Millimetern bis zu einer beliebigen gewünschten Stärke aufweisen. Durch die Zugabe eines Schäummittels lassen sich auch geschäumte Schichten herstellen, die eine Gewicht ersparende Konstruktion ermöglichen.
Vorzugsweise kann nach Erreichen der Sollwandstärke der faserverstärkten Polyurethanschicht der Faserzustrom abgestellt und eine weitere, vorzugsweise kompakt aushärtende Polyurethanschicht erzeugt werden. Diese kann eventuell überstehende Fasern aus der vorher applizierten faserverstärkten schicht abdecken.
Aufgrund der hohen Reaktivität des Polyurethans findet der Aushärteprozess sehr rasch (im Sekundenmaßstab) statt, so dass kurze Zeit später die hergestellte Verkleidung entformt und die Form für das nächste Bauteil präpariert werden kann.
Eine energieintensive, thermische Nachbehandlung der Verkleidungen ist nicht notwendig.
Durch Einsatz von modernen Steuersystemen, Robotern und Maschinen ist der gesamte Prozess nahezu vollständig automatisierbar und daher für die kostengünstige Herstellung besonders bei großen Stückzahlen geeignet.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von faserverstärktem Polyurethan als Kunststoff zur Herstellung der Verkleidung (z.B. Gondeln, Spinner und Windfahnen) von Windkraftanlagen ergeben sich viele Vorteile:
A) Schnelle Herstellung der Formteile
B) Schnelles Aushärteverhalten
C) Individuelle Einstellung des Faseranteils
D) Individuell einstellbare physikalische Eigenschaften durch Rezepturmodifikation der Reaktivmischung
E) Herstellung von geschäumten Faserverbundverkleidungen, gegebenenfalls mit
Sandwichstruktur, so dass Gewicht eingespart werden kann F) Keine energieintensive, thermische Nachbehandlung der Verkleidung notwendig
G) Nahezu vollständige Automatisierbarkeit
H) Lösemittelfreiheit des Kunststoffsystems.
Die Zykluszeiten für die Herstellung der Verkleidungen sind sehr kurz, die Produktivität ist damit sehr hoch und die Stückkosten bei hoher Stückzahl sind niedrig. Dies ist bei den derzeitig eingesetzten Verfahren und den eingesetzten Kunststoffen nicht möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verkleidung für Windkraftanlagen, die folgenden Schichtaufbau aufweisen: a) eine Trennmittelschicht
b) gegebenenfalls eine Gelcoatschicht
c) gegebenenfalls eine Kunststoffschicht ohne Faserverstärkung
d) eine faserverstärkte Kunststoffschicht
e) gegebenenfalls eine Kunststoffschicht ohne Faserverstärkung, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff Polyurethan eingesetzt wird.
2. Verfahren zur Herstellung der Verkleidung gemäß Anspruch 1 , wobei
1 ) eine Form bereitgestellt wird,
2) eine Trennmittelschicht auf die Innenseite der Form aufgebracht wird,
3) gegebenenfalls eine Gelcoatschicht auf die Schicht aus Schritt 2) aufgetragen wird,
4) gegebenenfalls eine reaktive Mischung, die keine Fasern enthält, zur Herstellung einer Polyurethanschicht auf die Schicht aus 2) oder 3) aufgebracht wird,
5) eine reaktive Mischung enthaltend Fasern zur Herstellung einer faserverstärkten Polyurethanschicht auf die Schicht aus 2) oder 3) oder 4) aufgetragen wird,
6) gegebenenfalls eine reaktive Mischung, die keine Fasern enthält, zur Herstellung einer Polyurethanschicht auf die Schicht aus Schritt 5) aufgetragen wird
7) die Schichten ausgehärtet werden und das Produkt aus den ausgehärteten Schichten entformt wird.
3. Verwendung der Verkleidung als Gondel, Spinner oder Windfahne in Windkraftanlagen.
PCT/EP2011/054240 2010-03-26 2011-03-21 Verkleidungen für windkraftanlagen und verfahren zu deren herstellung WO2011117186A1 (de)

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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Composites - prime enabler for wind energy", REINFORCED PLASTICS, ELSEVIER ADVANCED TECHNOLOGY, NEW YORK, NY, US, vol. 47, no. 5, 1 May 2003 (2003-05-01), pages 29 - 34,36,38, XP004440400, ISSN: 0034-3617, DOI: DOI:10.1016/S0034-3617(03)80396-X *
BAYER: "Diversity in spraying the styrene-free alternative to GRP", March 2008 (2008-03-01), Germany, pages 1 - 20, XP002638564, Retrieved from the Internet <URL:http://www.bayermaterialscience.de/internet/global_portal_cms.nsf/id/EN_Informationsmaterial_PUR/$file/10_BMS00037321_en.pdf.> [retrieved on 20110524] *

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