Rüzgâr türbini tasarımı
Kanatlar > Kanat malzemeleri

Genellikle kanat için ideal malzemeler aşağıdaki kriterlere uygun olmalıdır:
maliyet ve bakımı azaltmak için bol bulunabilme ve kolay işleme
yer çekimi kuvvetini azaltmak için hafiflik veya düşük yoğunluk
kuvvetli rüzgâr yüküne ve kanadın yer çekimi kuvvetine dayanması için yüksek mukavemet
döngüsel yüke karşı yüksek yorulma mukavemeti
kanadın optimum şekil, yön kararlılığı ve kule ile açıklığını sağlamak için sertlik
yüksek kırılma tokluğu
yıldırım çarpması, nem ve sıcaklık gibi çevresel etkilere dayanıklılık
Bunlar kullanılabilecek malzeme listesini azaltır. Metaller yorgunluğa karşı savunmasızlıkları yüzünden istenmeyebilir. Seramiklerin kırılma tokluğu azdır ve bu yüzden erken kanat kırılabilirler. Geleneksel polimerler kullanılacak kadar sert değildir ve ahşabın özellikle kanadın uzunluğu göz önüne alındığında tekrarlanabilirlikle ilgili sorunları vardır. Bu durumda rüzgâr türbinlerinin tasarımı için çok çekici bir malzeme sınıfı olarak geriye mukavemetli, sert ve yoğunluğu az elyaf takviyeli kompozitler kalır.
Ucuz fiyatları, bulunabilirlikleri ve üretim kolaylıkları nedeniyle ahşap ve kanvas yelkenler eskiden yel değirmenlerinde kullanıldı. Alüminyum gibi hafif metallerden küçük kanatlar yapılabilir. Ancak bu malzemeler sık bakım gerektirir. Ahşap ve kanvas konstrüksiyon kanat profil şeklini katı kanat profillerine kıyasla nispeten yüksek sürükleme kuvvetli düz plakayla (aerodinamik verimi az olduğundan) sınırlar. Katı kanat tasarımlarının yapımı metaller veya kompozitler gibi katı malzemeler gerektirir. Ayrıca bazı kanatlarda yıldırım iletkenleri bulunur.
Yeni rüzgâr türbini tasarımları gittikçe daha büyük kanatlar kullanarak güç üretimini 1 megawatt aralığından 10 megavatın üstüne doğru zorlamaktadır. Daha geniş alan belirli bir rüzgâr hızında türbin uç hız oranını etkili şekilde artırır böylece enerji alımını artar. Kanat tasarımını geliştirmek için HyperSizer (aslında uzay aracı tasarımı için geliştirilmişti) gibi bilgisayar destekli mühendislik yazılımları kullanılabilir.
2015 itibarıyla karasal rüzgâr türbin kanat rotor çapı 130 metreye açık deniz türbin çapı ise 170 metreye ulaşmıştır. 2001 yılında rüzgâr türbini kanatlarında tahminen 50 milyon kilogram fiberglas laminat kullanılmıştır.
Daha büyük kanat sistemlerinin önemli bir amacı kanat ağırlığını azaltmaktır. Kanat kütlesi türbin yarıçapının küpü olarak ölçeklendiğinden yerçekimine bağlı yük daha büyük kanatlı sistemlerini kısıtlar. Yerçekimi yükleri, arasında eksenel ve çekme/ sıkıştırma yükleri (dönüşün üst/alt konumlarında) yanı sıra bükülme kuvvetleri de (yanal pozisyonlar) vardır. Bu yüklerin büyüklüğü döngüsel olarak dalgalanır ve yanlamasına momentler her 180° dönüşte bir tersine döner. Tipik rotor hızları ve tasarım ömrü sırasıyla ~10 ila 20 yıl arasındadır ve ömür boyu devir sayısı 10^8 civarındadır. Rüzgâr dikkate alındığında türbin kanatlarının ~10^9 yükleme döngüsünden geçmesi beklenir. Rüzgâr, rotor kanat yükünün bir başka kaynağıdır. Kaldırma düz yönde (rotor düzleminin dışına) bükülmeye neden olurken kanat etrafındaki hava akışı (rotor düzleminde) kenarlardan eğilmeye neden olur. Kanatların bükülmesi basınç (upwind) tarafında çekme ve emme (downwind) tarafında sıkıştırmayı içerir. Kenardaki bükme ön kenarda çekmeyi ve arka kenarda ise sıkıştırmayı içerir.
Rüzgâr yükleri rüzgâr hızı ve rüzgâr kesmesindeki doğal değişkenlik nedeniyle döngüseldir (dönüşün tepesinde daha yüksek hızlar vardır).
Rüzgâr ve yerçekimi yüküne maruz kalan rüzgâr türbini rotor kanatlarının yükten dolayı kopması rotor kanatları tasarlanırken dikkat edilmesi gereken bir arıza türüdür. Rotor kanatlarının bükülmesine neden olan rüzgâr hızı ve rotor kanatlarındaki gerilim tepkisi de doğal bir değişkenlik sergiler. Ayrıca rotor kanatlarının çekme mukavemetleri bakımından dayancı doğal bir değişkenlik sergiler.
Bu arıza türlerinin ve giderek daha büyüyen kanat sistemlerinin ışığında daha yüksek mukavemet/kütle oranlarına sahip uygun maliyetli malzemeler geliştirmek için sürekli çaba sarf edilmektedir. Mevcut 20 yıllık kanat ömrünü uzatmak ve daha geniş alanlı kanatların uygun maliyetli olmasını sağlamak için tasarım ve malzemelerin sertlik, mukavemet ve yorulma direnci için optimize edilmesi gereklidir.
Mevcut ticari rüzgâr türbini kanatlarının çoğu polimer matris ve elyaflardan oluşan kompozitler olan elyaf takviyeli polimerlerden (FRP) yapılır. Uzun lifler uzunlamasına sertlik ve mukavemet verir ve matris kırılma tokluğu, delaminasyon mukavemeti, düzlem dışı mukavemet ve sertlik sağlar. Güç verimliliğini en üste çıkarmak, yüksek kırılma tokluğuna, yorulma direncine ve ısıl kararlılığa sahip olan malzeme özelliklerinin cam ve karbon elyaf takviyeli plastiklerde (GFRP'ler ve CFRP'ler) daha çok olduğu ispatlandı.
Siemens SWT-2.3-101 rüzgar türbinlerinin Camelyafı-takviyeli epoksi kanatları. 49 metrelik kanat boyutu, arkalarındaki Wolfe Adası Rüzgar Çiftliği'ndeki trafo merkezi ile kıyaslanabilir.
40 ila 50 metre ölçü aralığında üretilen kanatlar kanıtlanmış camelyaflı kompozit imalat tekniklerini içerir. Nordex SE ve GE Wind gibi imalatlar infüzyon işlemi kullanır. Diğer üreticiler bu teknikte bazıları epoksi matrisinde camelyaflı karbon ve ahşap da dahil olmak üzere malzeme çeşitlerini kullanır. Diğer seçenekler önceden emprenye edilmiş ("prepreg") camelyafı ve vakum yardımlı reçine transferli kalıplamadır. Bu seçeneklerin her biri farklı karmaşıklığa sahip cam elyaf takviyeli polimer kompozit kullanır. Belki de daha basit, açık kalıplı, ıslak sistemlerle ilgili en büyük sorun ortama salınan uçucu organiklerle ilişkili emisyonlardır. Önceden emprenye edilmiş malzemeler ve reçine infüzyon teknikleri tüm VOC'leri içererek uçucu maddelerin ortama verilmesini önler. Ancak yapısal elemanlar için gerekli kalın laminatların üretiminin zorlaşması gibi bu işlemlerin de zorlukları vardır. Önceden şekillendirilmiş reçine geçirgenliği maksimum laminat kalınlığını belirlediğinden boşlukları ortadan kaldırmak ve uygun reçine dağılımını sağlamak için hava alma (bleeding) gereklidir. Kısmen emprenyeli camelyafına reçineyi dağıtmak buna karşı bir çözümdür. Boşatma sırasında kuru kumaş hava akışına yol verir, ısı ve basınç uygulandığında ise reçine kuru bölgeye akıp tamamen emdirilmiş laminat yapıyı oluşturur.
Epoksi bazlı kompozitler diğer reçine sistemlerine göre çevre, üretim ve maliyet avantajlarına sahiptir. Epoksiler ayrıca daha kısa katılaşma döngüsü daha çok dayanıklılık ve daha iyi yüzey kalitesi sağlar. Prepreg işlemleri ıslak serme sistemlerine göre işlem süresini daha da azaltır. Türbin kanatları 60 metreyi geçtikçe infüzyon teknikleri daha yaygınlaşır; geleneksel reçine transfer kalıplama enjeksiyon süresi reçine kurulum süresine kıyasla çok daha uzundur ve laminat kalınlığını sınırlar. Enjeksiyon reçineyi daha kalın bir kat istifinden geçirerek jelleşmeden önce laminat yapının bulunduğu reçineyi çökeltir. Ömrü ve viskoziteyi özelleştirmek için özel epoksi reçineler geliştirildi.
Karbon elyafla güçlendirilmiş yük taşıyıcı direkler ağırlığı azaltır ve sertliği artırır. 60 metrelik türbin kanatlarında karbon elyaf kullanımının toplam kanat kütlesini % 38 azaltacağı ve % 100 camelyafı ile karşılaştırıldığında maliyeti % 14 azaltacağı tahmin edilmektedir. Karbon elyaflar camelyaf laminat bölümlerin kalınlığını azaltma ve kalın yerleştirme bölümlerinin reçineyle ıslatılmasıyla ilişkili sorunları çözebilir. Rüzgâr türbinleri karbon elyaf malzemelerin kullanımının artması ve maliyetinin düşürülmesi  eğiliminden de yararlanabilir.
Cam ve karbon elyafları türbin kanat performansı için birçok optimal kaliteye sahip olsa da bu mevcut dolgu maddelerinin birçok dezavantajı vardır bunlara yüksek dolgu fraksiyonunun (ağırlıkça % 10-70), yoğunluğun artmasına ve sıklıkla neden olan mikroskobik kusurlara ve boşluklara neden olması ve erken kırılma da dahildir.
Son gelişmeler polimer bazlı nanokompozitleri güçlendirmek için karbon nanotüplerin (CNT'ler) kullanımıdır. FRP yapıları için bir matris olarak CNT'ler elyaflar üzerinde büyütülebilir veya biriktirilebilir veya polimer reçinelere eklenebilir. Geleneksel mikro ölçekli dolgu maddesi (cam veya karbon elyafları gibi) yerine dolgu maddesi olarak nano ölçekli CNT'lerin kullanılması özelliklerin çok düşük dolgu içeriklerinde (tipik olarak <% 5 ağırlık) önemli ölçüde değiştirilebildiği CNT/polimer nanokompozitler ile sonuçlanır. Çok az yoğunluğa sahiptirler ve polimer matrisin elastik modülünü, mukavemetini ve kırılma tokluğunu geliştirirler. CNT'lerin matrise eklenmesi aynı zamanda, geleneksel FRP'lerde problem olabilen, tabakalar arası çatlakların yayılmasını da azaltır.
Kanat kaplamalarında karbon nanoelyafların (CNF'ler) kullanılmasıyla daha fazla gelişme mümkündür. Çöl ortamlarında önemli bir sorun kanatların ön kenarlarının rüzgârın taşıdığı kum tarafından aşındırılmasıdır ki bu da pürüzlülüğü artırır ve aerodinamik performansı azaltır. Elyaf takviyeli polimerlerin partikül erozyon direnci metalik malzemeler ve elastomerler ile karşılaştırıldığında azdır ve iyileştirilmelidir. Kompozit yüzeyde cam elyafın CNF ile değiştirilmesinin erozyon direncini büyük ölçüde artırdığı gösterilmiştir. CNF'lerin ayrıca iyi elektriksel iletkenlik (yıldırım düşmeleri için önemlidir), yüksek sönümleme oranı ve iyi darbe-sürtünme direnci sağladığı ispatlanmıştır. Bu özellikler CNF bazlı nano kağıdı rüzgâr türbini kanatları için olası bir kaplama haline getirir.
Türbin kanatları için diğer önemli bozulma kaynağı 25 yıllık normal bir ömürlük hizmet süresince bir dizi yıldırım düşmesi sonucu beklenen yıldırım hasarıdır. Yıldırım çarpmalarının neden olduğu hasar aralığı sadece laminat malzemenin yüzey seviyesinde yanması ve çatlamasından kanadı bir arada tutan yapıştırıcıların tamamen ayrılmasına veya kanatta yırtılmaya kadar uzanır. Yıldırım çarpması içerisindeki bakır kablolardan dolayı özellikle yağmurlu havalarda kanat uçlarına yıldırım çarpma görülmesi çok yaygınıdır. Özellikle GFRP'ler ve CFRP'ler gibi iletken olmayan kanat malzemelerinde bununla mücadele etmenin en yaygın yöntemi bu bileşenlerde hasar riskini ortadan kaldırmak için tamamen kanatları ve şanzımana uğramadan toprağa kesintisiz yol sağlayan yalnızca metalik iletkenli yıldırım "parafudurlar" eklemektir.