På DTU i Lyngby, bag grå betonmure, entrerer man en verden der må ligne Georg Gearløs ønskedrøm. Her står store robotopstillinger, der minder om forvokset LEGO Technic, og arbejder i døgndrift med at teste materialer. Der er trisser i væggen og skinner på gulvet, så det altid er muligt at opsætte nye testkonstruktioner, når en ny testopgave skal udføres.
Testlaboratoriet er en del af Dansk Center for Kompositstrukturer og Materialer (DCCSM), som blev etableret i 2010. Centret er et samarbejde mellem førende danske teams inden for kompositter, især de kompositmaterialer som bruges til at lave vindmøllevinger, og er støttet af Det Strategiske Forskningsråd.
Men den samme viden kan bruges inden for mange andre brancher som bil-, skibs- og flyproduktion.
»Det er en grundlæggende forståelse for materialer, som kan komme mange til gavn. Den innovation vi skal leve højt på i Danmark,« forklarer professor Bent F. Sørensen fra DTU Vindenergi og leder af DCCSM.
Vindenergi skal være billig
Vindenergi er Danmarks store satsning. For at det skal give mening, må vind konkurrere med andre fossile energiformer på prisen. Vindmøller på land er allerede konkurrencedygtige, men energi fra off-shore vindmøller (havmøller) er stadig væsentligt dyrere, fordi vedligeholdelse, inspektion og transport er dyrt. En af måderne at gøre vindenergi billigere er derfor at begrænse udgifterne til vedligeholdelse af off-shore vindmøller.
En stor post på budgettet er reparationer af beskadigede møllekomponenter. Med store havmøller på svært tilgængelige steder er det eksempelvis en kostbar procedure, når en vindmøllevinge udvikler skader, og skal repareres eller udskiftes.
\ Fakta
Vindmøller er fremtidens energi, og vindmøller med et vingefang på op til 150 meter ligger i dag på tegnebrættet. Det stiller helt nye krav til de materialer, som vindmøllevingerne er lavet af. Endnu lettere og stærkere plastmaterialer forstærket af fibre – de såkaldte kompositmaterialer – er afgørende for denne udvikling. Danmark har en førende position på markedet for vindmøllevinger. For at fastholde positionen skal de danske producenter af vindmøllevinger hele tiden være i front med udviklingen af kompositmaterialer. Det sikrer Center for Kompositstrukturer og Materialer til vindmøller, som er støttet af Det Strategiske Forskningsråd med 38 mio. kr.
Hvis vindenergi skal være fremtidens store energiressource, er der brug for mere viden om de materialer – glasfiber kompositter – der bruges i møllevingerne, så levetiden øges, og reparationerne kan blive så få og små som muligt.
Fra mikrometer til (knap) 100 meter
Desværre er der ikke ret stor viden om, præcis hvordan kompositter udvikler skader og hvordan de udbredes. Store konstruktioner som netop vindmøller, fly eller skibe, er ofte skabt ud fra håndværksmæssige traditioner, hvor de forskellige led af produktionen er opdelt.
Her kan man selvfølgelig visuelt se, når der opstår skader, men hvordan små revner på mikroskala, kan have betydning for levetiden af den komplette vinge, er ikke noget, der er særlig godt forstået. Skal skader og brud forhindres, er det nødvendigt at kende materialernes opførsel på alle niveauer fra den store møllevinge (op til 80 meter) til den enkle lille glasfiber (ca. 1/10 af et menneskehår i diameter).
»Vi arbejder ud fra en top-down approach. Hvis vi har et problem, som vi ikke kan forstå på stor skala, så går vi et niveau ned og ser på et finere detaljeniveau. Jo mere vi forstår af sammenhængen, mellem hvad der sker på de forskellige længdeskalaer, jo mere præcist kan man også ramme i forhold til at fremstille robuste, skadestolerante vinger,« forklarer Bent F. Sørensen.
Fleksibel matematisk model
En del af DCCSM's arbejde har indtil nu handlet om at udvikle testmetoder, der kan give mere præcise forudsigelser om holdbarhed og udmattelsesevne på alle længdeskalaer. På testlaboratoriet i Lyngby, som er det største mekaniske materialetestlaboratorium i Norden, er for eksempel udviklet en metode, der kaldes hybrid-test.
En vinge fra de store havmøller er typisk mellem 60 og 80 meter lang. Det er en på alle måder ressourcekrævende proces at teste den på en mølle. Traditionelt har man testet materialet og konstruktion (vindmøllevingen) hver for sig, men det er ikke altid nødvendigt at teste hele vingen.
\ Fakta
DCCSM er et virtuelt center mellem DTU, AAU og virksomhederne LM Wind Power, Siemens Wind Power og Fiberline Composites. Centret fokuserer på forståelse, test og modellering af kompositter på multi-skala. DCCSM's forskningsresultater skal kunne bruges industrielt, og testene foregår derfor 'top-down', for jo simplere man kan teste og modellere, jo nemmere er der at anvende metoderne. Top-down betyder at man starter fra fuld-skala vinge. Hvis der ikke kan nås tilstrækkelig forståelse her, undersøger man delkomponenter, og sådan fortsættes nedefter på materiale og mikroskala (og nogle gange helt ned på molekyleniveau), til problemet er tilstrækkeligt belyst.
»Vi mener, det giver mere mening kun at teste en del af konstruktionen. Dér hvor vi ved, at der er risiko for, at konstruktionen går i stykker. Så kan vi sætte en avanceret testopstilling op i vores testlaboratorium, der efterligner de forhold, som konstruktionen er udsat for. På den måde, kan vi teste 10 små dele i stedet for 10 vindmøllevinger. Det kan gøre det hele mere virksomt,« forklarer Christian Berggren, lektor på DTU Mekanik, der er en anden af partnerne i DCCSM.
Real-time beregning giver de bedste resultater
I hydrid-testen udsættes materialeprøven for tryk og vrid på baggrund af en avanceret beregningsmodel. Det særlige ved metoden er, at beregningsmodellen kører samtidig med den fysiske test. På den måde kan modellen hele tiden fintunes i takt med, at computeren registrerer og beregner på de skader og deformationer, der opstår undervejs.
»Uanset hvor gode beregningsmodeller vi starter ud med, kan de ikke tage højde for alle scenarier. Ved at rette til undervejs, kan vi få en meget bedre forståelse for, hvad der sker med et materiale, når det belastes. Beregningsmodellen kan have en stor grad af fejl, når vi starter, men modereres undervejs,« forklarer Christian Berggren.
Med bedre testmetoder kan vindmølleindustrien potentielt set spare mange penge, fordi man kan beregne på forhånd hvor stor en skade skal være, før der skal en reparation til. Og det gælder ikke bare om at opdage skaderne, men også om at kategorisere dem, så man undgår unødige (dyre) reparationer.
Nogle af de skader, man reparerer på vingerne i dag for at være på den sikre side, er måske ikke så alvorlige og kan undværes eller udskydes, hvis deres udbredelse overvåges.
Video: FIstyrelsen
\ Fiberarkitekturen i glasfiberkomposit – eksempel på et forskningsprojekt på DCCSM
Når en vindmøllevinge er på arbejde, er der bestemte steder, hvor den vil blive belastet mere end andre. Det kan med tiden føre til brud, og derfor har et af centrets erhvervs-ph.d. projekter handlet om at undersøge, hvordan mikrostrukturen i materialet reagerer på slid over tid. Fænomenet kaldes udmattelse og kan sammenlignes med IKEA-testen, hvor en skabslåge lukkes utallige gange, indtil den går i stykker.
Kompositmaterialer til vindmøllevinger består primært af glasfibre og matrix (lim) som lægger sig om fibrene og holder dem på plads
»For at forstå, hvad der sker, når materialet udmattes og revner, må vi undersøge fiberarkitekturen helt ned på mikroskala. Hvornår revnerne opstår og hvad grænsen er, for at de vokser og bliver til reelle skader,« forklarer Jens Zangenberg, der i sit erhvervs-ph.d. projekt analyserede fiberarkitekturen og udmatningsgraden af det mest anvendte kompositmateriale til vindmøllevinger (glasfiberarmeret komposit). Projektet blev udført i samarbejde med LM Wind Power og havde direkte interesse for industrien.
Glasfibrene i vindmøllekompositterne er organiserede
Jens Zangenberg undersøgte de mindste længdeskalaer, som DCCSM arbejder med, millimeter og mikrometer. Glasfibrene i vindmøllekompositterne er organiseret i en veldefineret arkitektur, men hvilken betydning, fibrenes indbyrdes placering har for hvor nemt et materiale udmattes, var ikke belyst.
For at kunne forstå skadernes opståen og udbredelse var det nødvendigt først at beskrive mikrostrukturen.
I projektet udviklede han derfor bl.a. en metode til at undersøge fiberstrukturen ved hjælp af micro-computed tomography (CT skanning), hvor man sender røntgenstråler gennem et objekt og dermed kan vise tværsnit og beskrive fiber arkitekturen. Metoden kan bruges til at lave en 3D model, der kan evaluere skadesudviklingen under belastning.
Den store vinge er styret af små byggesten
Jens Zangenberg udførte også praktiske eksperimentelle tests af en række komposit-prøver for at teste, undersøge, forstå og beskrive, hvornår der opstod skader i kompositten. Ved at udsætte prøven for cyklisk stræk ved samme belastning som en reel vindmøllevinge, kunne han konkludere, at der var en sammenhæng, mellem hvordan fibrene er placeret og komposittens levetid ved cyklisk belastning.
Reelt betyder dette, at den store vinge er styret af de små byggesten, som udgør materialet, og de observationer kan overføres direkte til videreudvikling af kompositmaterialer i industrien.
»Design af en vindmøllevinge er en kompleks og forskelligartet opgave, da alle længdeniveauer påvirker hinanden. Ændringer på én længdeskala kan have en dramatisk effekt på de samlede resultater af møllevingen,« forklarer Jens Zangenberg.
