新世代の風刃

風力産業は、平準化されたエネルギーコスト(LCOE)を削減する方法を常に模索しています。1つのアプローチは、風車によって捕捉されるエネルギーを増加させることです。そのエネルギーは、風力ローターブレードの掃引領域に依存し、したがって基本的にはブレードの長さに依存します。一方、ブレードの長さが長くなると、その重量、設置コスト、先端のたわみが増え、進行が制限されます。これらの対抗傾向をバランスよく取るには、軽量化と剛性の向上がカギとなります。スパーキャップは、ブレードの主要な荷重運搬構造であり、このバランスにおいて重要な役割を果たします。図2は、風刃を構成する主要な要素の絵表現である。剛性と重量の比率の最適化は、スパーキャップの炭素繊維の使用によって達成されます。炭素繊維の弾性率が高く、密度が低いため、ガラス繊維と比較して、独自の重量に対する剛性比を実現します。コスト/性能上の利点を考慮すると、炭素繊維は新世代の風刃の使用増加を見込んでいます。 

風刃用増粘剤は、エポキシガラス繊維注入スパーチューブから炭素繊維エポキシプレプレプレグスパーキャップに移行しています。この進化は図3に概略的に示す。カーボンファイバープリプラグは、早期適用ガラス繊維注入スパーチューブと競合しました。Wetzel Engineering Inc. が実施した調査では、炭素プリプレグの剛性と重量の比率が、注入された E ガラス繊維のコンポジットレベルと比較して 4X高いと報告されています。これは、長さ57mの風刃で評価され、27%の軽量化を表しています ^[1]。しかしながら、風力発電業界の最も最近の焦点は、新世代の風力ブレードにおけるスパーキャップの構成物として、プリプラグの代替として炭素繊維プルトルージョンラミネートを適用することに置かれている。

プルトルージョンは、繊維含有量の増加や繊維のアライメントの向上など、プリプラグよりも明確な利点を提供し、優れた機械的性能をもたらします。プルトルージョンは、継続的な自動化プロセスであり、部品のより一貫した品質、より高い生産性、より大量生産を可能にします。引き抜き型プロファイルは、エンドユーザーが要求する長さまで、コーラユニットの助けを借りて、プルトルージョンラインの端で任意の長さおよび創傷で作製することができる。引抜成形されたカーボンプロファイルは、ブレード製造施設に到着すると完全に硬化し、すぐに使用できます！コイルは、アンコイル化され、部品を所望の長さに切断し、他の構造材料に隣接する刃の長さに沿って正確に貫通することができる。単一の注入ステップは、炭素プロファイルを他のすべてのブレード構造要素と結合させる。図4は、プルトルージョンによるスパーキャップの製造に必要な前述のステップの図解である。

プロセスの簡素化は、供給および保管中に冷蔵保存する必要があるプレプラグに対するさらなる利点を表し、専用の鋳型を必要とする真空硬化プロセスにおいて、コストと時間のかかるステップを経験します。真空硬化-製造ステップの廃止により、ダウ・アクサの社内推定に基づくプルトルージョンを使用した場合、資本コストが25%削減されます。

前のセクションで述べたように、Pultrusion は、一定の断面を持つ高繊維含有量の複合物を製造する連続プロセスであり、図 5 に古典的なラインレイアウトを示します。このプロセスでは、プルー/クランプシステムを利用して、数百の高強度繊維をクレルから含浸槽に引き寄せ、そこで熱硬化性樹脂が繊維束に浸透します。湿った繊維は、特別に設計されたエントリープレートによって圧迫され、その後、樹脂が硬化し、ダイウォールから剥離する凝固する加熱された鋼ダイに導入される。プロファイルの断面は、ダイジオメトリによって定義されます。ダイから出る材料は、引き抜きシステムによってグリップされ、引き抜きが継続的に行われる。最終段階では、切断ソーステーションは、所望の長さに輪郭を切断します。 

従来のオープンバスプルトルージョン技術で加工できるエポキシやビニルエステル樹脂とは異なり、ポリウレタンにはクローズドインジェクションプルトルージョンが必要です。これは、ポリオールとイソシアネートが、常温でも混合された直後に反応し始めるためです。標準ポリウレタン混合および注入機は、特別に改造されたプルトルージョン注入ボックスに接続する必要があります。適切な注入ボックスの設計には、短期間に数千個のフィラメントを含むポリマー容器数百個の適切な浸潤を可能にするための実質的なノウハウが必要です（注入ボックス内の滞留時間）。図6は、従来の「オープンバス」プルトルージョンレイアウトと、ポリウレタンの加工に必要な近接注入システムを比較する一般的な図表現である。 

密閉型注入のための重要な性能要件 プルトルージョンは、反応性混合物の初期粘度が低く、周囲温度での実質的な重合はありません。逆に、Pultrusionダイの非常に速い重合速度が、高度の硬化に達するために必要です。この概念は、業界では、“スナップキュア”または“ホッケースティック”反応性プロファイルと呼ばれます。ポリウレタンガラス繊維のクローズドインジェクションは過去10年間に行われてきましたが、炭素繊維ポリウレタンプルトルージョンは、炭素繊維の繊維径が小さいという複雑性を付加しています。ガラス繊維の繊維径は20～25 um、炭素繊維径は5～7 umの範囲です。これにより、炭素繊維の牽引は、24Kまたは50Kのこれらの繊維を含有してもよく、低域の牽引内多孔性（ダーシー法）のために含浸することが非常に困難であり、ポリウレタン炭素引抜増殖が限定的である。新しく開発された低粘度ポリウレタンシステムVORAFORCE™ TP1270EU / 1300は、これらの重要な要件を考慮して設計されています。実際に、ポリオールと低粘度のイソシアネートの適切な混合により、要求される低初期粘度が達成された。多様な触媒および離型剤とその相互作用に関する体系的な研究により、ダウの科学者は、炭素繊維の引抜を可能にするためにポリウレタンシステムの反応性プロファイルを最適化しました。

しかし、この開発は樹脂設計だけにとどまりません。DowAksa は、Dow の強力なサポートを受け、破壊的な閉鎖注入システムの構築に注力しました。注入ボックス(I-Box)は、注入システムの基本的部分であり、その設計には、新規プロセスの主要な要素の1つである実質的なノウハウが必要です。レオロジーパラメータおよび動態パラメータを、ダウが開発した樹脂システムで決定し、ダウの計算モデラーが使用して、異なる注入ボックス設計の流体力学およびPultrusionダイの硬化動態をシミュレーションした。計算流体動的モデル(CFD)および有限要素解析(FEA)をプロセスデータに対して較正し、異なる条件下での速度および硬化度の予測に使用した^[2]図7は、ダウとDowAksaのエンジニアおよび科学者がどのように予測モデルおよびプロセスデータに取り組み、閉注入ボックスシステムを使用して炭素繊維の厳格な含浸要件を満たす最適なハードウェアを設計したかを再現したものです。

ダウとダウ・アクサが克服した重要な課題は、以下の実例で説明できます。炭素繊維の約70%を体積で含有するスパーキャップ用の引抜成形ラミネートには、1,000万本以上の単一炭素繊維があります。これらのフィラメントは、注入ボックスから連続的に引き出され、そこで、通常1分未満の注入ボックス内の滞留時間を有するポリウレタン樹脂と出会う。含浸は完璧でなければなりません。コイルの全長にわたって、亀裂発生剤として作用する可能性のある乾性スポットは許容されません。コイルの長さは280～300mの順で、現在のスループット需要は毎週数千キロの順です。図8は、クレルから巻き出される数百個の炭素ボビンと、注入ボックスに向かっている炭素トウを示しています。図9は、繊維の優れた湿潤性が確認されたプロファイルの断面で実行された走査電子顕微鏡(SEM)写真を示しています。オンライン非破壊分析(NDT)は、乾性スポット検出のために製造物を連続的にスキャンし、これまでに製造した数百万メートルの計測機器で一貫して優れた含浸を実現していることを確認しています。これにより、ダウ・アクサとダウが新技術で解決した巨大な技術的課題の味がもたらされます。

VORAFORCE™ TP1270EU/1300ポリウレタンと炭素繊維を組み合わせたクローズドインジェクションプルトルージョンは、最高の機械的特性と生産性のバランスを実現します。管理された条件下での商業規模のプルトルージョンラインでの試験は、ベンチマークの目的でダウとダウAksaによって実施されました。VORAFORCE™ TP1270EU /1300 ポリウレタンは、クラス最高のエポキシおよびビニールエステル系引裂材グレードと比較されました。炭素繊維の含有量は、すべての測定について62%の繊維体積画分で固定された。エポキシおよびビニルエステルを従来のオープンバス構成で1X速度で、VORAFORCE™ TP1270/1300を対照の速度の3Xの速度で閉じた注入構成で実施した。図9は、結果をクモプロットで要約する。VORAFORCE™ TP1270/1300の結果に正規化された機械的特性^[3]は、繊維方向に交差して試験された特性は90度の記号で示され、繊維方向には0度のマークで示されます。

エポキシの特性は、VORAFORCE™ 1270/1300の約80%で低下しますが、後でプルトルージョンラインでは3X速くなります。VORAFORCE™ TP1270EU / 1300は、市販のビニールエステル製品と比べて、特に樹脂の衝撃が強い横方向において、優れた機械的特性を明確に示しています。さらに、ポリウレタンはスチレンフリーであるため、より健康的な作業環境を実現します。密閉型注入 プルトルージョンは、揮発性有機化合物の排出量を制限し、産業衛生の観点から非常にクリーンなプロセスに貢献します。

その後の実地試験では、モデリング予測^[2]とよく一致して、VORAFORCE TP1270EU/1300は高い引抜成形速度で90%以上の硬化度に達することが確認され^[2]、VORAFORCE TP1270/1300の硬化速度は生産性を向上させ続けるための制限要因にならないことが実証され、エポキシの歴史的な速度制約が解き放たれました。これにより、DowAksaとDowのテクノロジーは、風力産業におけるスパーキャップの需要増加を満たすための極めて競争力のあるソリューションとして位置付けられています。

ダウとダウ・アクサが共同で画期的な成果をあげた結果、新世代の風刃設計の進歩を支援するために、新しい技術が誕生しました。得られた製品は、最高の機械的性能/生産性比を提供し、風刃スパーキャップ用途の現行技術および製品と比較した場合、処理を簡素化します。

この新しい技術には、化学からハードウェアまで、安定した加工と高品質の製品を実現するプロセスチェーンに沿った開発が必要でした。ダウ・アクサの波打つ形状は、世界の風車の大手メーカーであるVestas Wind Power ASの厳しい製品要件に合格し、2019年に完全な認証を取得しました。これは、風刃スパーキャップ用途のPultrusionが製造する、世界で初めて市販のポリウレタンベースの複合材料となりました。これまでに数百万メートルもの波打ち形状が、最高品質の状態でVestasに納入され、新しく開発された技術の堅牢性が実証されています。このプロジェクトは、タービンの効率を向上させる高度な加工技術による信頼性の高い革新的な製品を提供することで、風力発電設備の高まる需要に応えます。この新しく造られた素材は、科学の力と、より良い未来を築くための無限の可能性を実証しています。