Nichtvereisende Beschichtungen für Rotorblätter von Windenergieanlagen

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: 102660

Schlüsselwörter (Deutsch)

TP0068;F-Wind

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Vereisung der Windenergieanlagen ist ein schwerwiegendes Problem bei der Energieerzeugung
aus Wind. Als attraktive Lösung ist eine Beschichtung denkbar, welche die Vereisung gar nicht oder
nur verzögert zulässt. Deshalb wird nach einer Beschichtung gesucht welche, nach dem Vorbild der
Antifreeze Proteine, den Gefrierpunkt von Wasser senkt oder verzögert so dass sich Eis nicht, oder
erst später, ansetzen kann. Im vorausgegangenen Bericht wurde eine neuartige Beschichtung beschrieben
auf der Wasser unter den verwendeten Testmethoden erst bei deutlich tieferen Temperaturen
gefriert. Hier werden Arbeiten gezeigt welche diesen Effekt systematisch auf andere Beschichtungen
ausweiten sollen.

Schlussbericht (Deutsch)

Die Vereisung der Rotorblätter gefährdet die Nutzung der Windenergie in der Schweiz. Durch geeignete Anti-Eis Beschichtungen wollen wir die Rotorblätter von Windenergieanlagen eisfrei halten. Als erstes studierten wir sogenannte Antifreeze Beschichtungen. Antifreeze Beschichtungen verzögern das Gefrieren von Wasser auf ihrer Oberfläche. Dieser Effekt könnte durch folgenden Mechanismus eine Vereisung von Rotorblättern verhindern: Wenn der unterkühlte Tropfen auf die Profilvorderkannte des Rotorblatts auftrifft, wird er nicht gleich anfrieren. Er wird über das Rotorblatt geblasen werden und schliesslich das Rotorblatt verlassen, bevor er gefriert. Diese Hypothese testeten wir an Modellprofilen in einem vereisenden Windkanal. Wir konnten zeigen, dass die unterkühlten Wassertröpfchen tatsächlich auf der Antifreeze Beschichtungen ein bisschen weiter geblasen wurden als auf anderen Oberflächen, der Effekt reicht jedoch nicht aus eine Vereisung zu verhindern. Als nächstes untersuchten wir Beschichtungen, welche die Adhäsion von Eis an ihre Oberfläche verringern. Solche Beschichtungen werdern "eisphob" genannt und sie sollen das Anwachsen von schweren Eisbelägen verhindern. Eine perfekt eisphobe Beschichtung verringert die Adhäsionskraft von Eis dermassen, dass natürliche Vibrationen, die Gravitation und Zentrifugalkräfte ausreichen eine Enteisung herbeizuführen. Ein Eisadhäsionstest ist Voraussetzung für das Studium von eisphoben Beschichtungen. Die Resultate von unserem individuell gefertigten Eisadhäsionstest sind in guter Übereinstimmung mit Werten aus der Literatur. Als nächstes wurden verschiedene eisphobe Beschichtungen untersucht und es konnte gezeigt werden, dass das Potential für solche Beschichtungen gross ist. Weil superhydrophobe Beschichtungen als eisphobe Beschichtungen heutzutage viel diskutiert werden, haben wir solche Beschichtungen genauer untersucht. Superhydrophobe Oberflächen sind von Natur aus rauh, die Rauheit ist ein wesentlicher Bestandteil ihrer Wirkung. Wir konnten zeigen, dass Rauheit die Eishaftung erhöht, und dass darum superhydrophobe Oberflächen als eisphobe Beschichtungen ungeeignet sind.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Zürcher Hochschule Winterthur, Institute of Materials and Process Engineering

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Siegmann,Konstantin
Susoff,Markus
Hirayama,Martina

Zugehörige Dokumente

• Antifreeze Beschichtungen für Rotorblätter von Windenergieanlagen - Schlussbericht 2009 [PDF] 3'927 kB
• Nichtvereisende Beschichtungen für Rotorblätter von Windenergieanlagen - Schlussbericht 2011 [PDF] 656 kB

Schlussbericht (Englisch)

Icing of rotor blades jeopardizes the use of wind energy in Switzerland. An elegant solution for the icing problem would be an anti-ice coating of the blades. First, we describe coatings that delay the freezing of water on their surfaces. Delayed freezing could lead to non-icing of rotor blades by the following mechanism: When a supercooled water droplet impinges on the coating it will not freeze on immediately. Due to delayed freezing, the droplet is blown over the blade and eventually leaves the blade before freezing. This hypothesis was tested on coated model rotor blades in an icing wind tunnel. It could be shown that icing is indeed delayed to some extent; however, the effect is by far not strong enough to keep the rotor blade ice free. Our second approach is to study ice adhesion reducing, so-called icephobic, coatings. An icephobic coating reduces the adhesion force of ice to its surface and therefore makes shedding of ice possible by natural vibrations, gravity or centrifugal forces alone. At first, we constructed a custom-made ice adhesion test, which we could validate with literature data. We then studied various coatings and could confirm the potential of this approach. As superhydrophobic surfaces are much in discussion as icephobic coatings nowadays we next investigated their performance. Superhydrophobic coatings are intrinsically rough and we could show that surface roughness deteriorates icephobicity. Although superhydrophobic surfaces are highly water repellent, they increase the adhesion force of ice.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Zürcher Hochschule Winterthur, Institute of Materials and Process Engineering

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Siegmann,Konstantin
Susoff,Markus
Hirayama,Martina