Из чего делают лопасти ветряков

Утилизация лопастей турбин: ахиллесова пята ветроэнергетики

Одни называют ветряные турбины современным достижением экологически чистых технологий. Другие же считают их слишком шумными, чересчур громоздкими или опасными для биоразнообразия. Но одно можно сказать наверняка. Ветроэнергетика сталкивается с трудностями в Европе. Одна из насущных проблем — проблема с лопастями турбин, их трудно утилизировать.

Борьба с ветряными мельницами

Жители города Лунас на юге Франции требуют демонтировать несколько турбин ветряной электростанции Бернаг. Они годами борются за это, судебное разбирательство все еще продолжается.

«Мы не против ветряной энергетики. Мы против установки турбин в местах с богатым биоразнобразием. В регионе Окситания это 70% территории», — говорит Марион Вале, представитель «Коллектива 34-12» (Ассоциация по защите биоразнообразия и сохранения природных ландшафтов).

В ближайшее время в Европе будет демонтировано огромное количество ветряных турбин, но жалобы местного населения тут ни при чем. Ветряные турбины первого поколения устаревают, и их необходимо заменить более современными и эффективными. Этот процесс, называемый обновлением мощности, начался разными темпами по всей Европе.

Так что же происходит с лопастями сегодня? Большинство из них используются повторно. Например, в странах с развивающимися экономиками. Но количество выведенных из эксплуатации лопастей через пять-десять лет будет настолько большим, что придется менять всю систему. Сегодня те лопасти, которые не используются повторно или не сжигаются, в идеале для регенерации энергии, оказываются на свалке. Этот снимок был сделан в США и стал символом одной из темных сторон возобновляемых источников энергии во всем мире.

В окрестностях американского города Каспер есть полигон, на котором происходит утилизация лопастей от турбин ветрогенераторов. Причиной захоронения является несовершенство процессов утилизации, которые пока не позволяют полностью переработать лопасти. На территории «кладбища» хранится почти 900 лопастей. Официально их закапывают в землю, чтобы хранить до тех пор, пока не изобретут новые способы переработки, которые позволят утилизировать стекловолокно.

Да, к счастью, материалы, из которых сделана лопасть, безопасны и сами по себе не наносят вреда живым организмам, почве или воде. Но организация полигонов для захоронения неразлагающихся деталей становится настоящей проблемой — выводящихся из эксплуатации ветряков всё больше, площади для утилизации всё меньше, а организация таких мест нарушает экологический баланс, превращая зелёные участки в пустыри.

К примеру, всего в трёх 50-метровых лопастях маломощного (по сегодняшним меркам) ветряка содержится около 20 тонн полимеров, армированных волокном (FRP). Как такое количество полимерных материалов использовать повторно или эффективно перерабатывать? Их ведь нельзя сжечь или вывезти на свалку, как обычный мусор. И если не придумать хоть сколько-то приемлемый способ вторичного использования, то к 2050-му году утилизации будут ждать уже 40 млн тонн композитов. Такие данные приводит исследовательский проект Re-Wind, активно занимающийся поиском решения проблем переработки.

Уже четыре страны Европы запретили «кладбища турбин»

Летом 2021 года на ежегодном конгрессе Испанской ассоциации ветроэнергетики (AEE) Джайлс Диксон, генеральный директор WindEurope, и Хуан Вирхилио Маркес, генеральный директор AEE, призвали Европейскую комиссию предложить общеевропейский запрет на захоронение выведенных из эксплуатации лопастей ветряных турбин. Запрет должен вступить в силу к 2025 году, а также распространиться на другие крупные композитные компоненты в гондолах современных ветряных турбин.

«Энергия ветра — это зеленая технология. Устойчивое развитие — это часть нашей ДНК. Вот почему мы постоянно стремимся к дальнейшему снижению нашего воздействия на окружающую среду. Запрет на вывоз лопастей ветряных турбин на свалку поможет ускорить разработку экологически безопасных технологий вторичной переработки. В Австрии, Финляндии, Германии и Нидерландах уже действует запрет на захоронение отходов. Но мы призываем Европейскую комиссию предложить согласованный европейский подход», — говорит Джайлс Диксон, генеральный директор WindEurope.

Сегодня стандартный срок службы береговой ветряной электростанции составляет около 20-25 лет. 85–90% общей массы ветряной турбины уже можно утилизировать. Большинство компонентов, в том числе сталь, цемент, медная проволока, электроника и зубчатые передачи, прошли цикл переработки. Однако лопасти ветряных турбин сложнее утилизировать. Они содержат сложные композиционные материалы — комбинацию армированных волокон (обычно стеклянных или углеродных волокон) и полимерной матрицы. Эти композиты повышают производительность ветряных турбин. Они позволяют использовать более легкие и длинные лопасти с оптимальной аэродинамикой. Но их конфигурация также создает проблемы для вторичной переработки.

Такие композиты используются не только в лопастях ветряных турбин. Они являются важными материалами в таких секторах, как авиация, автомобилестроение, морской транспорт, аэронавтика, оборудование для отдыха и спорта, строительство и строительство.

Уже существуют технологии, доступные для переработки композитных материалов, но эти решения еще недостаточно зрелы, недоступны в промышленных масштабах и неконкурентоспособны по стоимости. Чтобы сделать эти технологии коммерчески жизнеспособными, потребуется поддержка со стороны политиков, других пользователей композитных материалов и предприятий по переработке вторичного сырья.

На наиболее развитых рынках ветроэнергетики в Европе срок эксплуатации первых турбин подходит к концу. WindEurope ожидает, что к 2025 году истечет срок службы около 25 000 тонн лопастей ежегодно. Больше всего списанных лопастей будет в Германии и Испании, за которыми следует Дания. К концу десятилетия Италия, Франция и Португалия также начнут в значительной степени выводить из эксплуатации лопасти, и годовой объем вывода из эксплуатации может удвоиться до 52 000 тонн к 2030 году.

Правительства и межотраслевые ассоциации могут сыграть решающую роль в вопросах утилизации и переработки лопастей ветряных турбин. Им следует увеличить финансирование исследований и разработок (НИОКР) по коммерциализации и расширению различных технологий утилизации композитных материалов.

В качестве следующего шага ветроэнергетическая отрасль планирует разработать дорожную карту, в которой будут подробно описаны шаги, необходимые для вторичного использования лопастей ветряных турбин. Необходимо тесно сотрудничать с химической промышленностью как поставщиком инновационных решений по переработке химических веществ, а также с другими отраслями промышленности, использующими композиты, где проблема вторичной переработки и утилизации композитов стоит также остро.

Лопастей много, а места мало, или как утилизировать ветрогенераторы

Лопасти ветрогенераторов электростанции Vindeby, закрывшейся в 2017 году, были использованы в качестве шумоподавительных барьеров на автомагистралях Дании. Стекловолокно, применяемое в строительстве ветряков, обладает лучшими шумозащитными характеристиками по сравнению с той же минеральной ватой ввиду своей высокой плотности.

Другая компания — The European Technology & Innovation Platform on Wind Energy — поделилась возможными перспективами превращения лопастей во вторсырьё. Для этого их режут на части и измельчают до волокон. Полученную структуру можно включать в производство досок из полимеров, поддонов для складских помещений, отделочных материалов для наружного применения. Также в Европе научились применять композитные материалы в строительстве — часть цементного сырья заменяется стекловолоконными и композитными материалами при производстве бетона. Оставшиеся органические включения сжигают как топливо вместо угля, снижая выбросы углеводорода в атмосферу.

Подразделение компании General Electric, которое занимается возобновляемыми источниками энергии, и производитель цемента Holcim заключили сделку по переработке лопастей ветряных турбин. В заявлении компании сказано, что они изучают «новые способы утилизации лопастей, в том числе в качестве строительного материала для строительства новых ветряных электростанций».

В декабре прошлого года GE Renewable Energy и Veolia North America подписали «многолетнее соглашение» об утилизации лопастей, снятых с береговых ветряных турбин в Соединенных Штатах. GE Renewable Energy сообщила, что лопасти будут измельчены на заводе VNA в Миссури, прежде чем «использоваться в качестве замены угля, песка и глины на предприятиях по производству цемента в США».

«Добавляя лопасти ветряных турбин, которые в основном сделаны из стекловолокна, чтобы заменить сырье для производства цемента, мы сокращаем количество угля, песка и минералов, необходимых для производства цемента», — сказал Боб Каппадона, главный операционный директор VNA.

Каппадона далее заявил, что в конечном итоге это приведет к «более экологичному цементу». Он добавил, что в прошлом году были завершены испытания с использованием лопаток GE, а этой осенью было обработано более 100 лопаток турбин.

Ссылаясь на анализ, проведенный Quantis US, компания GE Renewable Energy сообщила, что переработка лопастей позволит сократить выбросы CO₂ при производстве цемента на 27%. Что касается потребления воды, то чистое снижение составит 13%.

Ветряные мельницы вместе с тюльпанами и велосипедами стали главными символами Нидерландов. Дизайнеры из роттердамского бюро 2012Architecten придумали, как использовать лопасти ветрогенераторов заново. Детская площадка в спальном районе Роттердама была в запустении и нуждалась в ремонте. Ею занялся фонд Kinderparadijs Meidoorn, который и привлёк 2012Architecten к сотрудничеству. Дизайнеры взяли пять лопастей от ветряных мельниц, нарезали их и соорудили лабиринт с игровым полем посередине. По периметру установили башни из тех же нарезанных турбин. У каждой башни своя функция: дети могут играть на пожарной вышке, в кабине самолёта, на водонапорной станции или просто кататься с горки. Между башнями натянута сетка, которая одновременно служит скалодромом и защитой окон соседей от футбольных мячей. Площадка покрашена экологически чистыми красками на растительной основе и абсолютно безопасна для детей.

Сделать ветряные лопасти 100% перерабатываемыми

Сегодня ученые работают над альтернативными технологиями переработки композитных лопастей, такими как: механическая рециркуляция, сольволиз и пиролиз, фрагментация высоковольтным импульсом и другие методы. Успешные исследования в этих направлениях дадут возможность создавать безотходные ветровые турбины.

Например, испанская компания-старпат Reciclalia Composite для своих исследований и опытов использует лопасти из Франции, Португалии и Северной Африки. Они уверяют, что в скором времени смогут перерабатывать 1500 лопастей ежегодно.

«Мы можем удалить все органические материалы, входящие в состав этих композитов, чтобы получить чистое стекловолокно и, что более важно, углеродное волокно, чтобы использовать их снова. Где? Мы работаем с новаторскими компаниями в самых разных секторах, таких как керамика, строительство, транспорт, включая автомобили и аэронавтику», — Давид Ромеро, исполнительный директор Reciclalia.

«Как крупнейший в мире поставщик для ветроэнергетики, Vestas несет ответственность за ликвидацию отходов по всей своей цепочке создания стоимости», — отметил и.о. операционного директора Vestas Томми Рахбек Нильсен. «Ветроэнергетика продолжит быстро расти, поэтому у нас больше нет времени для консервативного подхода».

Компания отмечает, что на сегодняшний день ветротурбины Vestas пригодны для вторичной переработки в среднем на 85%, однако лопасти состоят из (пока) непригодных для переработки композитных материалов.

Vestas проанализирует все аспекты жизненного цикла ветрогенераторов с целью повышения степени переработки лопастей и гондол. Степень переработки лопастей будет увеличена с нынешних 44% до 55% к 2030 году. Компания запустит несколько инициатив, направленных на повышение эффективности обращения с лопастями после их вывода из эксплуатации. Они будут охватывать новые технологии переработки, которые являются оптимальными для композитных отходов. В частности, речь идёт о переработке стекловолокна и восстановлении связующего.

В июне 2021 года крупнейший в мире разработчик оффшорных ветряных электростанций Orsted заявила, что будет «повторно использовать, перерабатывать или восстанавливать» все лопатки турбин своих ветряных электростанций после их вывода из эксплуатации.

В компании отметили, что они «несут четкую ответственность за помощь в поиске решений проблемы утилизации лопастей» и заявили, что будут «временно хранить» списанные лопасти, если поиск решения по их переработке займет «больше времени, чем предполагалось».

Еще в апреле 2021 было объявлено, что сотрудничество между научными кругами и промышленностью будет сосредоточено на переработке композитов из стекловолокна, шаг, который в итоге может помочь сократить количество отходов, производимых лопастями ветряных турбин. Университет Стратклайда, расположенный в Глазго, Шотландия, сообщил, что подписал меморандум о сотрудничестве с Aker Offshore Wind и Aker Horizons.

Среди прочего трио будет работать вместе над расширением масштабов и коммерциализацией процесса, разработанного в лаборатории, который сосредоточен на переработке стеклопластиковых полимерных композитов, используемых в лопастях ветряных турбин.

По заявлению университета, они сфокусировались на «термическом восстановлении и последующей обработке стекловолокна» из лома стеклопластиковых полимерных композитов. И планируют достичь конечного результата — «стекловолокно почти чистого качества». Идея состоит в том, что, используя этот подход, композитные отходы могут быть повторно использованы.

«Это проблема не только для ветроэнергетики, но и для других отраслей, где используются стекловолоконные композиты», — заявил Лю Ян, глава группы Advanced Composites в Университете Стратклайда.

«Сохранение и повторное использование армирующих волокон имеет важное значение по мере того, как мы движемся к экономике замкнутого цикла», — добавил он.

В начале сентября 2021 компания Siemens Gamesa Renewable Energy заявила, что смогла разработать первые в мире перерабатываемые лопасти для ветрогенераторов RecyclableBlade. Пробную партию из шести 81-метровых лопастей уже произвели на заводе в Дании. Это важный прорыв в сфере зелёной энергетики, так как до недавнего времени лопасти были единственной частью ветровых турбин, которую нельзя было переработать.

Технология производства, разработанная Siemens Gamesa, отличается от стандартной. Для создания лопасти связующую смолу растворяют с помощью слабокислых растворов, а потом пропитывают ею стеклоткань, полимеры, деревянные и металлические части конструкции, превращая их в единое целое. Деталь, получившаяся в результате, устойчива к воздействиям окружающей среды и может много лет работать на прибрежных и морских ветряных турбинах.

В процессе утилизации же лопасть погружается в специальный раствор и распадается на первичные материалы, за исключением смолы, которая растворяется. Полученные при переработке материалы можно снова использовать в производстве изделий, что обеспечивает устойчивое производство, как сейчас принято говорить, и позволяет экономить ресурсы

В Siemens Gamesa отчитались о заключении трёх контрактов на поставку экологичных лопастей. Их установят на ветрогенераторах электростанции Kaskasi в Германии, а также на прибрежные генераторы немецкой WPD и французской EDF Renewables.

Переработка лопастей ветрогенератора

Ветрогенерация растет быстрыми темпами, уступая только солнечной генерации. Китай добавит в этом году порядка 65 ГВт новых ветровых мощностей достигнув беспрецедентных 430 ГВт ветрогенерации. Европа ввела в строй 19 ГВт ветропарков достигнув 225 ГВт. В наступившем году Европа планирует добавить еще 25 ГВт.

С наступлением весны все больше появляется опасений что планета будет завалена отслужившими свое лопастями от ветрогенераторов. Часть читателей переживает за состояние экологии в Европейских странах, а также в странах Африки. А значит пришло время поговорить об этом.

В чем проблема?

Первые лопасти ветрогенераторов просто захоранивали на полигонах отходов. Сейчас ситуация прямо противоположная. Срок службы лопастей составляет 20-25 лет затем они подлежат замене, за этот срок лопасти не только достигают своего физического износа, но и морального, новые лопасти с улучшенной аэродинамикой на тех же ветрогенераторах дополнительно повышают эффективность КИУМ наземных ветрогенераторов до 40% с предыдущих 32,4%. в 2014 году.

Лопасти переработанные в гранулы и изделиях из них

Лопасти состоят на 60-70% из армирующего волокна и на 30-40% из связующей смолы.

Переработаное стекловолокно от лапостей

На сегодняшний день из-за продолжительного срока службы объемы отслуживших лопастей не велики по данным Европейской ассоциации ветрогенерации WindEuropeв ближайшие годы ежегодно будет выходить на пенсию 14 000 лопастей.

Детская площадка из лопастей ветрогенератора

Но с годами объем будет нарастать. Согласно исследованию Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), иследованию Барлоу США ежегодный вес выведенных из эксплуатации лопастей достигнет 1,5 млн тонн и 2,2 млн тонн к 2050 году.

Механическое измельчение лопастей

Для примера в России по данным Минприроды на 2019 год, ежегодно только отходов IV и V класса опасности образуется порядка 70 млн тонн.

Как решается вопрос с переработкой лопастей?

Есть два основных пути, первый механический при котором лопасти измельчают до нужной заказчику фракции затем полученный материал используется в строительной отрасли как армирующая добавка в цемент, дорожное покрытие, крышки колодцев и тд. Вышеприведённое исследование указывает что утилизация лопастей не является затратной.

MingYang Smart Energy перерабатываемые лопасти

Второе направление это процесс химического расщепления связующей смолы при котором полностью удаляется смола, а армирующее стекловолокно подлежи вторичному использованию. Проблема в том сто эпоксидную смолу трудно растворить. Но и это не проблема китайская европейская Siemens, LM Wind Power, разработали и применяют специальную смолу легкорастворимую в слабых кислых растворах.

Перерабатываемые лопасти Siemens для 44 морских ветряных турбин SG 14-222 Великобритания

Другой производитель ветрогенераторов датская Vestas совместно с Olin, производителем эпоксидной смолы и Stena Recycling, компанией занимающейся утилизацией разработали новую технологию позволяющую легко растворять и эпоксидную смолу. Лиза Экстрен, вице-президент и руководитель отдела устойчивого развития Vestas — «Как только эта новая технология будет реализована в масштабе, устаревший материал лопастей, который в настоящее время находится на свалке, а также материал лопастей действующих ветряных электростанций, можно будет разобрать и использовать повторно. Это знаменует собой новую эру для ветроэнергетики и ускоряет наш путь к безотходности».

Как видим как и в случае с отслужившими свой срок аккумулирующими электроэнергию батареями вселенской катастрофы не предвидится.

Ваш лайк и подписка — необходимая поддержка канала!

Жмите колокольчик

Еще больше интересных статей на моем канале

Все о лопастях ветряных турбин — 10 самых популярных вопросов по ветроэнергетике

Ветряная турбина (ветроэлектрическая установка), также известная как ветрогенератор, представляет собой механическое устройство, которое преобразует кинетическую энергию, создаваемую ветром, в электрическую энергию.

Долгий опыт эксплуатации и испытаний ветроэлектрических установок позволил создать конструкцию с аэродинамическим дизайном, которая позволяет сочетать производительность, экономичность и масштабируемость.

Лопасти ветряной турбины играют важную роль, и их форма, угол наклона, вес и используемые материалы могут иметь большое влияние на эффективность турбины для производства электроэнергии.

Лопасти ветряных турбин должны иметь аэродинамический профиль, чтобы создавать подъемную силу и генерировать максимальный крутящий момент для вращения турбины и привода генераторов. Таким образом, форма лопасти ветряной турбины имеет жизненно важное значение для основного функционирования машины.

1. Как длина лопастей влияет на ветроэлектрическую установку?

Ветроэлектрическая установка с более длинными лопастями сможет захватывать больше доступного ветра, чем более короткие лопасти, даже в районах с относительно слабым ветром. Возможность собирать больше ветра при более низких скоростях ветра может увеличить количество областей, доступных для использования энергии ветра.

2. Какая длина у лопастей ветряной турбины?

На сегодняшний день наиболее распространенные промышленные ветряные турбины имеют высоту около 70 метров. Их выходная мощность зависит от размера и высоты, но обычно она колеблется от одного до пяти мегаватт

Лопасти таких ветряных турбин в среднем имеют длину около 50 метров, что позволяет им охватывать большую площадь, улавливать больше ветра и производить больше электроэнергии.

До этого года самые длинные в мире лопасти имела ветряная турбина, произведенная компанией LM Wind Power — 107 метров. На данный момент, рекордсменом по этому параметру считаются ветряные турбины Siemens Gamesa Renewable Energy мощностью 14 МВт, в которых используются 108-метровые лопасти.

В настоящее время разрабатываются и более длинные лопасти. Так датский производитель ветряных турбин Vestas в этом году планирует провести испытания лопасти ротора длиной длиной 115,5 метров для нового прототипа ветряной турбины V236-15,0 МВт в Фраунгоферовском институте ветроэнергетических систем IWES в Бремерхафене в Германии. Ожидается, что эти ветряные турбины будут построены и введены в коммерческую эксплуатацию в 2024 году.

3. Какой формы лопасти ветряка лучше всего?

Чем быстрее дует ветер, тем больше подъемная сила создается на лопасти, следовательно, тем быстрее вращение. Преимущества изогнутой лопасти ротора по сравнению с плоской лопастью заключаются в том, что подъемная сила позволяет концам лопастей ветряной турбины двигаться быстрее, чем движется ветер, создавая большую мощность и более высокую эффективность.

Слегка изогнутые лопасти турбины могут улавливать на 5–10 % больше энергии ветра. Изогнутые лопасти также более эффективно работают в районах с более низкой скоростью ветра.

Оптимальной формой лопасти ветряной турбины является изогнутая лопасть с аэродинамическим профилем, поскольку эта форма обеспечивает более высокие скорости вращения, что идеально подходит для выработки электроэнергии.

Изогнутая форма лопасти создает подъемную силу за счет низкого давления воздуха, создаваемого на стороне с наибольшей кривизной, и сил воздуха высокого давления на другой стороне аэродинамического профиля в форме лопасти. Эти две силы создают подъемную силу, перпендикулярную потоку воздуха над лопастями турбины.

Хорошо спроектированная лопасть ротора турбины создаст точное количество подъемной силы и тяги, обеспечивающее оптимальное воздушное замедление для повышения эффективности лопасти.

4. Должны ли лопасти ветроенераторов быть тяжелыми или легкими?

Лопасти ветрогенераторов должны быть легкими, так как они более эффективны, когда они легче. Это облегчает сборку и разборку ветряных турбин, а также облегчает их вращение, повышая их производительность. Хотя легкие системы с высокой прочностью материала идеальны, уменьшение массы может привести к повышенному риску разрушения конструкции.

Большие ветрогенераторы с тяжелыми лопастями также могут негативно повлиять на местную дикую природу, особенно на стаи перелетных птиц, которые попадают под лопасти и погибают.

Как и в случае с большинством механических систем, баланс параметров прочности и веса для общей производительности является обычным явлением.

5. Какой лучший угол для лопастей ветрогенератора?

Для каждой скорости ветра существует оптимальный угол наклона лопастей, при котором мощность, вырабатываемая ветрогенератором, максимальна. Этот оптимальный угол зависит от скорости ветра. Так, например, угол наклона 5° является оптимальным для ветрогенератора при рабочей скорости 7 м/с для оптимальной выработки электроэнергии, 20° при 15,1 м/с и 30° при 25,1 м/с. Работа ветрогенератора под другими углами приводит к снижению мощности.

Тяга увеличивается с увеличением скорости набегающего потока воздуха из-за большей передачи импульса. Тяга уменьшается с увеличением угла наклона лопасти из-за уменьшения лобовой площади и, следовательно, уменьшения сопротивления лопасти.

6. Почему у ветрогенераторов только три лопасти?

Лопатки ветрогенератора соединены с центральной ступицей. Эта сборка лопастей и ступицы называется ротором турбины, который генерирует аэродинамический крутящий момент от ветра.

Резонный вопрос, почему ветряка всего три лопасти? Чтобы ответить на этот вопрос нужно учитывать ряд соображений.

Во-первых использование более трех лопастей мало влияет на КПД ветрогенератора, который увеличивается очень незначительно, если используются четыре лопасти, а не три, но вес ротора при этом увеличивается, а скорость вращения, при которой достигается пиковая мощность, снижается.

Во-вторых, больше лопастей означает более высокие материальные и производственные затраты. Больше лопастей требуют более трудоемкого обслуживания.

При увеличении количества лопастей они должны быть тоньше, что приводит к потере жесткости и аэродинамической эффективности. Большое количество лопастей могут увеличить давление и привести к опрокидыванию всей конструкции турбины.

Наконец, три лопасти позволяют хорошо сбалансировать динамическую ветровую нагрузку на вращающийся ротор. С тремя лопастями угловой момент остается постоянным, потому что, когда одна лопасть поднята, две другие направлены под углом. Таким образом, ветряная турбина может плавно вращаться против ветра.

По всем этим причинам три лопасти стали стандартом в ветроэнергетике.

7. Какова оптимальная скорость вращения лопастей ветряной турбины?

Скорость ветряной турбины определяет количество электроэнергии, которую она может произвести.

Если лопасти вращаются слишком медленно, большое количество ветра будет проходить беспрепятственно, ограничивая количество энергии, которое потенциально может быть произведено. С другой стороны, если лопасти вращаются слишком быстро, они действуют как большой плоский вращающийся диск на ветру, что создает огромное сопротивление и ограничивает количество энергии, которое может быть произведено.

Оптимальное отношение скорости кончиков лопастей определяется как отношение скорости кончиков лопастей к скорости ветра. Этот показатель зависит от нескольких факторов, включая формы, количества и конструкции лопастей турбины.

Стандартные скорости вращения ветряных турбин варьируются от 5 — 25 оборотов в минуту.

Современные ветряные турбины, проектируют так, чтобы они могли вращаться с различной скоростью, а высокоэффективные трехлопастные турбины имеют оптимальное соотношение скоростей лопастей от шести до семи.

Ветряные турбины, которые работают с постоянным передаточным числом или близким к их оптимальному передаточному отношению во время сильных порывов ветра улучшают эффективное улавливание и преобразование энергии.

8. Из каких материалов сделаны лопасти современных ветроэлектрических установок?

Материал лопастей турбины играет решающую роль в эффективности машины для выработки электроэнергии.

Лопасти ветрогенератора должны иметь малый вес, высокую прочность, высокую жесткость, высокую усталостную прочность и высокое сопротивление к разрушениям, позволяющие выдерживать удары молнии, град, влажность и большие перепады температур.

Для изготовления лопастей ветряных турбин используется несколько типов материалов, что позволяет лопастям работать с максимальной эффективностью.

Наиболее подходящим материалом для изготовления лопастей ветроустановки являются армированные волокнами композиты, обладающие высокой прочностью и жесткостью, а также низкой плотностью. Лезвия меньшего размера могут быть изготовлены из легких металлов, таких как алюминий, однако они потребуют частого обслуживания.

В настоящее время коммерческие лопасти ветряных турбин изготавливаются из армированных волокном полимеров, которые представляют собой композиты, состоящие из полимерной матрицы и волокон.

Длинные волокна в этих материалах обеспечивают прочность и продольную жесткость, в то время как матрица обеспечивает прочность вне плоскости, прочность на расслоение, вязкость разрушения и жесткость.

Армированные стекловолокном и углеродным волокном пластмассы — стеклопластики и углепластики — также являются хорошими материалами для изготовления лопастей, поскольку они обладают высокой вязкостью разрушения, сопротивлением усталости и термической стабильностью.

9. Могут ли лопасти ветряной турбины вращаться в обе стороны?

Точно так же, как крыло самолета создает подъемную силу за счет воздуха, протекающего под ним, так и лопасти ротора ветряной турбины вращаются, приводимые в движение потоком ветра над его поверхностью. Имеет значение, в каком направлении вращаются эти огромные лопасти ротора?

Лопасти ротора ветряной турбины могут быть спроектированы так, чтобы они вращались в обоих направлениях для производства электроэнергии — по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Большинство турбин вращаются по часовой стрелке по причинам, связанным с удобством и единым мировым стандартом. Однако направление вращения ротора может иметь значение, когда две или более ветряных турбин размещаются одна за другой.

10. Как обслуживаются и ремонтируются лопасти?

Существует два вида технического обслуживания: профилактическое и корректирующее. Первое заключается в проведении периодических осмотров для определения состояния лопастей и поиска возможных повреждений.

Эти проверки осуществляются разными способами: с земли, путем залезания на лопасти с помощью канатов, кранов или подъемных платформ.

Со своей стороны, корректирующее обслуживание состоит из ремонта или реконструкции лопастей для устранения повреждений, которые появляются как на поверхности, так и в ее конструкции.

Лопасти ветряных турбин могут иметь трещины, повреждения, вызванные ударами молнии и птиц, или отверстия в передней или задней кромке, а также другие повреждения.

В настоящее время изучаются альтернативные системы ремонта и очистки, такие как дистанционно управляемые дроны, чтобы операторам не приходилось взбираться на ветроэлектрические установки.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Карбон для лопастей ветрогенераторов

Во всех цивилизованных странах тренд последних двух десятилетий — альтернативные источники энергии. В Европе этим вопросом озадачились уже давно, а вот наша страна — как в старой поговорке про русского мужика, который долго запрягает, да быстро едет. Перестраиваться на альтернативную энергию мы действительно стали не так давно, но с завидным ускорением. Возможно, это обусловлено невероятными по количеству залежами углеводородов, хотя, может, и не в этом причина. Тем не менее, солнечные батареи и ветрогенераторы из карбона стремительно набирают у нас обороты популярности.

Ветрогенераторы: эффективность и эстетика

Как-то не принято говорить об эстетике , когда речь идет об энергоносителях и чистоте окружающей среды. Вместе с тем, огромные ветряки в любом ландшафте смотрятся очень эффектно. Однако учитывая монументальность и дороговизну данной технической затеи, лучше всё же думать о ее эффективности и о том, как современные технологии и материалы способны этот показатель увеличить.

Вообще реакцию атмосферы на то, что ее разные слои прогреваются неодинаково, первым решил использовать профессор из Шотландии Джеймс Блит еще в 1887 году, который и построил самый первый ветрогенератор прямо у себя во дворе. С тех пор идея метаморфозы кинетической энергии ветров в механическую энергию роторов с дальнейшим преобразованием ее в электрическую всё еще интересует всё человечество, во все времена стремящееся к экономии. Поэтому понятно и то, почему количество ветропарков в мире устойчиво растет.

Ветер — он такой разный…

Силу ветра в той или иной местности определяет скорость, с которой движутся воздушные массы, и рельеф там. Идеальными считаются районы горных перевалов и хребтов, рядом с которыми есть речные каньоны. Но подобные подарки природа не дарит по желанию инженеров , поэтому приходится использовать разные конструкции ветрогенераторов. Например, ветряки с мультипликаторами, которые убыстряют движение оси. Правда, у генераторов без мультипликаторов КПД всё-таки выше — это объясняется тем, что для мультипликатора тоже нужна электроэнергия. Устанавливают такие источники энергии и в районах со слабыми ветрами — там приходится жертвовать небольшой частью производительности, но всё равно оставаться в плюсе.

Как результат, используют ветрогенераторы в быту и промышленности не только как вспомогательный источник энергии, но и как основной. Ведь это хорошая альтернатива как минимум для тех мест, куда провести электричество централизовано стоит неподъемных денег или продиктовано какой-то другой нецелесообразностью. Также ветряки стали находкой для стран с ограниченными ресурсами.

Что можно доверить питанию от ветрогенератора, очень точно и заранее просчитывается . Важную часть расчетов при этом занимает расчет лопастей (лопаток). Почему именно их? Для ответа на этот вопрос следует знать общий принцип работы таких установок.

Как функционирует ветрогенератор

Несмотря на то, что существуют более и менее мощные ветряки, их делят по другому принципу на два основных типа:

1. горизонтального воплощения;
2. вертикального воплощения.

Понятно, что отличаются эти варианты расположением их осей вращения. На данный момент излишне погружаться в подробные описи и принципы работы каждого типа. Лучше остановиться на главной их составляющей. А это…

Лопасти

Да, одной из главных деталей конструкции ветрогенератора являются именно лопасти, которые приводит в движение ветер. Именно они заставляют вращаться ветроколесо. А уже от него движение передается на турбину, которая через мультипликатор (или без него) и вырабатывает электроэнергию. И показатели эффективности находятся в пропорции к силе ветра, действующей именно на лопатку. Следовательно, чем она выше, тем и электричества будет вырабатываться больше. В связи с этим и лопасти нужно создавать очень качественно, продуманно и только из качественных материалов.

На сегодняшний день известны такие материалы:

1. ПВХ — данный материал используют, главным образом, для изготовления лопастей ветрогенераторов бытовых. Он не боится влаги и несложно обрабатывается.
2. Дерево — это еще один недорогой материал для изготовления лопастей, но менее подходящий по ряду причин, одной из которых является вес. Так что в промышленных установках он не используется.
3. Алюминий — материал, который отличается от пластика прочностью, долговечностью, хотя по весу и стоимости ему проигрывает.
4. Стекловолокно — материал, что стал хорошей альтернативой алюминию, но технология изготовления лопаток из которого требует не абы какого умения.
5. Карбон — материал, который следует описать гораздо подробнее.

Почему инженеры пришли к карбону для производства лопастей

Еще не так давно композиты на основе стекловолокна считались наиболее приемлемым материалом для лопастей по причине доступности и развернуто задокументированной технологии его обработки. Тем не менее, испытания показали, что при вращении вес лопаток увеличивается в геометрической прогрессии. Как следствие появляются т. н. гравитационные изгибающие моменты, что меняются в пропорциональной зависимости от длины лопасти в 4 степени.

Именно в стремлении как-то улучшить данную экспоненциальную зависимость было решено использовать те самые композиты, в основе коих углеродное волокно, — особенно там, где нужно делать большие лопатки. Как оказалось, они имеют отличную удельную жесткостью и прочность .

Тут следует заметить, что на техническое обслуживание ветряков, как правило, расходуется много средств, поэтому все инженерные мысли в данном аспекте постоянно направлены на увеличение времени эффективной работы этих установок. Приемлемым сроком считается 20 лет и больше. И не трудно было выяснить в свое время, что долговечность подобной электростанции можно значительно увеличить за счет применения разных материалов для изготовления лопастей. И именно использование углеволокна в ветрогенераторах значительно понизило общую массу конструкции и увеличило ее прочность.

Однако не только эти параметры увеличили долговечность , да и не только о долговечности речь, если использовать карбон, а вот еще в чем:

• Углепластик оказался наиболее подходящим веществом для специальной противообледенительной системы ветряков, а также за счет практически нулевой эмиссии еще и совершенно приемлемым для здоровья как одного человека, так и всей окружающей среды .
• Карбон позволил создать лопасти нового типа длиной от 100 м, что соответствует требованиям отрасли и удовлетворяет сложную систему европейской сертификации. За счет такого удлинения лопатки выработка электроэнергии возросла в 2 раза.
• При условиях равной прочности углепластик позволил понизить общую массу всей установки на ≤30 % по сравнению с другими композитными материалами, включая металлокомпозиты и даже стекловолокно. Низкий вес же значительно упростил транспортировку к месту установки и снизил нагрузку на башню и всю конструкцию в целом. Помимо этого, благодаря аэроэластичности карбона стало возможным строительство ветрогенераторов в тех районах, где скорость ветра в среднем за год не превышает и 5 км/час.
• Углепластик также отличается высокой устойчивостью к нежелательным реалиям окружающего мира, которые сокращают срок службы любой установки вне помещения: солнечное излучение, влажность, агрессивные среды, низкая или же высокая температуры среды вокруг, а также их резкие перепады. Поэтому современные технологии получения связующего вещества , а также материалов покрытий не позволяют выпускать карбон из поля зрения инженеров-технологов.
• Углепластики, в отличие от стекловолоконных композитных материалов, отличаются высоким показателем упругости (в 6 раз выше). Усталостная прочность в условиях перманентных динамических нагрузок также у них в несколько раз выше, а плотность в 1,5 раза ниже.
• Карбон дал возможность проектировать сложные большие детали с металлическими вставками. Вот почему сегодня лопасти длиной от 40 м производят главным образом из углепластиков.
• Технология защиты от обледенения состоит в том, что углеродное волокно располагают на внешнем слое лопатки либо самом близком к поверхностному слою карбоновых электронагревательных пластин. Для таких пластин задается разная мощность, соответствующая разницам линейных скоростей в разных радиальных положениях лопасти во время работы.

Иными словами, карбон для ветрогенераторов стал абсолютно идеальным решением по сравнению с другими материалами и в принципе.

Длина карбоновых лопаток ветрогенератора

Еще 3 года назад считалось большим прорывом производство лопатки длиной немногим более 80 м, поскольку это позволило повысить выработку электрической энергии с 6 до 10 МВт. Сегодня же лопасти даже длиной 100 м — не предел. При том что 100-метровая лопасть из карбона на 40 % легче аналогичной, но из стекловолокна.

Однако еще ранее, в 2016 году, единичные компании вели исследования в данном направлении и разрабатывали лопатки длиной до 200 м, предназначавшиеся для гигантских ветряков прибрежных районов с расчетной мощностью до целых 50 МВт. В то время перед инженерами стояла задача снизить стоимость производства, установки и обслуживания подобных ветрогенераторов. И основная трудность опять-таки заключалась в том, что лопасти надо было одновременно облегчать по весу и укреплять по жесткости, чтобы при порывах ветра они не били по башне и не гнулись. Тогда частично решить проблему было предложено за счет автоматически складывающейся конструкции лопаток и сборной их конструкции, которая состояла из отдельных сегментов. Это должно было увеличить устойчивость ветряка к ураганам.

Но именно карбон безусловно стал по-настоящему революционным материалом в изготовлении лопаток ветрогенераторов. Причем это было подтверждено не только точным математическим моделированием, но и многочисленными испытаниями на прочность. На производстве лопасти подвергали и подвергают статическим нагрузкам, динамическим, вибрационным, а также испытывают его на изгиб и разрушения.

Единственный минус в этом плане, как и в любом производстве с участием углепластика, в том, что этот замечательный материал увеличивает его стоимость, даже несмотря на то, что количество отходов незначительно.

Так что сегодня множество стремлений направлено к созданию удешевляющих технологий, хотя всё еще работают и над усовершенствованием профиля лопатки, а также самой конструкции целиком.

Факторы эффективности лопаток

Что касается ведущихся на сегодняшний день работ в вопросе эффективности внимание, главным образом, уделяют таким характеристикам лопастей:

• вес;
• форма;
• материал;
• размер;
• количество.

При этом требования к мощности и климатические особенности регионов не позволяют выделить какой-то тип ветрогенератора как идеальный. И чтобы повысить его мощность, недостаточно простого апгрейда за счет замены лопаток на более длинные. Сама конструкция ветрогенератора должна им соответствовать.

Казалось бы, достаточно сделать установку с увеличенным количеством лопастей — и выработка энергии должна возрасти. Но этого наоборот стараются избегать по причине увеличения фронтальной нагрузки, которая может потенциально привести к возникновению опрокидывающего усилия на основание башни и давления на крыльчатку, что приведет к быстрому разрушению подшипников генератора. Также увеличенное количество лопаток приведет к образованию «воздушной шапки» непосредственно перед винтом. При этом поток воздушных масс будет плавно огибать ветряк, а не сквозить через него.

Одна насущная трудность

В прошлом году исследовательский центр под названием IRT Jules Verne (Франция), вокруг которого объединились крупные промышленные производители и технические центры, плотно занялся вопросами еще и переработки лопастей ветрогенераторов. Бюджет этого проекта, который окрестили ZEBRA (своеобразная аббревиатура от Zero wastE Blade ReseArch), составил почти 22 млн долларов. Основной же идеей его было производство ветряков, пригодных для вторичной переработки на 100 %, а также создание полного замкнутого производственного цикла. Всё это даже более-менее смогли осуществить, но касалось это лишь турбин из термопластика. А вот с карбоном дела сложились не так оптимистично…

Конечно, нельзя сказать, что вопросы утилизации углепластика вовсе не решились — но они по-прежнему актуальны. Тем более что с учетом увеличенного срока эксплуатации вполне реальны планы по расширению использования карбона для лопастей ветрогенераторов.

Пока что можно надеяться, что за это время наука еще дальше продвинется вперед, легко решив и вопрос утилизации, и удешевления производства, а также открывая параллельно новые формулы связующих смол и присадок, повышающих прочность.