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.