Schlussbericht
(Deutsch)
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Zuerst wird eine Zusammenstellung über den heutigen Stand der Forschung über nicht verschmutzende und eis-phobe (eisabstossende) Beschichtungen gegeben. Hydrophobe, insbesondere fluorierte, Beschichtungen sind wasserabstossend und zeigen ein günstiges Reinigungsverhalten. Besonders geringe Verschmutzungstendenz haben superhydrophobe Beschichtungen mit Lotuseffekt. Eis-phobe Beschichtungen verringern die Haftung von Eis auf die Oberfläche. Es wird gezeigt, dass es noch keine perfekte eis-phobe Beschichtung gibt. Der Stand der Forschung auf dem Gebiet der Beschichtungen, die gegen das Anwachsen von Eis auf Rotorblätter von Windeenergieanlagen wirksam sind, wird dargestellt. Obwohl die Adhäsion von Eis an die Oberfläche der Rotorblätter deutlich verringert werden kann, ist eine Verhinderung der Vereisung durch Beschichtungen zum heutigen Zeitpunkt nicht möglich. Es existieren jedoch Produkte, die nach den Angaben der Hersteller einer (partiellen) Vereisung vorbeugen können. Rotorblätter für Windenergieanlagen können bis zu 60 Meter lang sein und werden heutzutage aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt. Oft werden die Rotorblätter an den Profilvorderkannten mit einem Klebeband gegen meteorologische Einflüsse geschützt. Die Autoren präsentieren einen Vorschlag für anti-freeze Beschichtungen basierend auf der Wirkung von anti-freeze Proteinen. Im Gegensatz zu traditionellen Frostschutzmitteln ist die Wirkung von anti-freeze Proteinen nicht proportional zu deren Konzentration. Anti-freeze Proteine verhindern das Kristallwachstum, die Eisbildung erfolgt erst bei wesentlich tieferen Temperaturen. Synthetisch hergestellte Polymere können den Effekt der natürlichen anti-freeze Proteine ebenfalls aufweisen. Beschichtungen aus diesen Polymeren könnten einer Vereisung vorbeugen. Eine ausführliche Zusammenstellung der Know-how träger auf dem Gebiet der Windenergieanlagen, Rotorblatthersteller, Schweizer Firmen und Institutionen und der Forschung schliesst den Bericht ab. Beurteilung und Schlussfolgerungen aus diesem Bericht: Zum heutigen Zeitpunkt existieren noch zu wenige Untersuchungen über die anti-Eis Wirkung von Beschichtungen, um über deren Verwendung bei Windenergieanlagen eindeutig urteilen zu können. In der Literatur werden jedoch interessante Ansätze beschrieben. Durch die Verwendung von kommerziell erhältlichen hydrophoben, superhydrophoben und eis-phoben Beschichtungen wird eine Eisminderung beobachtet. Beschichtete Rotorblätter werden im Windkanal vereisenden Bedingungen ausgesetzt. Die Adhäsionskraft von Eis an die Oberfläche und die Menge des abgeschiedenen Eises sind durch die Beschichtung deutlich verringert. Die Autoren schlagen einen neuartigen Ansatz zur Eisminderung auf Rotorblättern vor, nämlich die Verwendung von anti-freeze Protein-ähnlichen Beschichtungen auf Polymerbasis. Anti-freeze Proteine verhindern das Eiskristall-Wachstum, im Gegensatz zu eis-phoben Beschichtungen welche die Haftung von Eis an die Oberfläche verkleinern. Das von der ZHW vorgeschlagene Projekt beinhaltet folgende Punkte:
• Systematische Untersuchung von Beschichtungen (hydrophob, superhydrophob, eis-phob, anti-freeze).
• Entwicklung von Polymeren die analog zu anti-freeze Proteinen wirken.
• Optimierung der Haftung und der Beständigkeit von Beschichtungen mit den neuartigen anti-freeze Substanzen.
Das Potenzial des geplanten Projekts zur Entwicklung von stabilen anti-Eis Beschichtungen für Windenergieanlagen ist nach der Meinung der Autoren gross. Eine entsprechende Beschichtung würde für Standorte, beispielsweise in den Alpen, grosse Vorteile bringen. Die bisher getesteten Beschichtungen zeigen zwar eine Verringerung der Haftung und Bildung von Eis auf Oberflächen, diese ist jedoch nicht ausreichend. Beschichtungen mit anti-freeze Eigenschaften analog zu anti-freeze Proteinen eröffnen neue Möglichkeiten zur Reduktion der Eisbildung auf Oberflächen.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Zürcher Hochschule Winterthur, Institute of Materials and Process Engineering
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Kaufmann,André
Siegmann,Konstantin
Hirayama,Martina
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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First, a summary of the state of the today’s research concerning easy-to-clean and icephobic (ice-repellent) coatings is given. Hydrophobic, especially fluorinated, coatings are water-repellent and display favorable cleaning properties. Especially little fouling tendencies are shown by super-hydrophobic coatings with lotus-effect. Icephobic coatings reduce the adhesion of ice to the surface. It is shown that there is yet no perfect icephobic coating. The state of research on the field of coatings, which are active in reducing the ice growth on rotor blades of wind-turbines, is described. Although adhesion of ice to the surface of rotor blades can be notably diminished, an inhibition of icing by coatings is not feasible to date. There are, however, products which, according to the declaration of the producer, can (partially) prevent icing. Rotor blades for wind-turbines can be as long as 60 meters and are nowadays produced from glass-fiber reinforced plastic materials. Often, the rotor blades are protected by an adhesive tape against meteorological influences. The authors present a proposition for anti-freeze coatings based on the effect of anti-freeze proteins. Contrary to traditional antifreeze compounds, the effect of anti-freeze proteins is not proportional to their concentration. Anti-freeze proteins inhibit crystal growth, ice formation starts at much lower temperatures. Synthetically prepared polymers can mimic the effect of anti-freeze proteins. Coatings of such polymers could prevent icing. A comprehensive compilation of know-how carriers in the area of wind-energy turbines, rotor blade manufacturers, Swiss companies and institutions, and research closes the rapport. Judgment and conclusions from this rapport: At present, there are not enough investigations on the anti-ice action of coatings to judge finally on their use for wind-turbines. In the literature, however, interesting approaches are described. By the use of commercially available hydrophobic, super-hydrophobic and icephobic coatings ice mitigation is observed. Coated rotor blades are exposed to icing conditions in a wind tunnel. The adhesion force of ice to the surface and the amount of deposited ice are significantly reduced by the coatings. The authors propose a novel approach for the ice mitigation on rotor blades. That is, the use of anti-freeze protein-like coatings based on polymers. Anti-freeze proteins inhibit the growth of the ice crystals, contrary to icephobic coatings which decrease the adhesion of ice to the surface. The project proposed by ZHW contains the following points:
• A systematic search for anti-ice coatings (hydrophobic, super-hydrophobic, icephobic, anti-freeze).
• Development of polymers which act analogously to anti-freeze proteins.
• Optimization of adhesion and resistance of coatings with the novel antifreeze compounds.
The potential of the proposed project for the development of stable anti-ice coatings for wind-turbines is, at the opinion of the authors, great. An appropriate coating would bring great advantages for certain locations as, for example, the Alps. The to date tested coatings show a reduction in ice adhesion and formation on surfaces, but this reduction is not sufficient. Coatings with anti-freeze properties analogous to anti-freeze proteins open new possibilities for the reduction of ice formation on surfaces.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Zürcher Hochschule Winterthur, Institute of Materials and Process Engineering
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Kaufmann,André
Siegmann,Konstantin
Hirayama,Martina
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