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:
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:
ПВХ — данный материал используют, главным образом, для изготовления лопастей ветрогенераторов бытовых. Он не боится влаги и несложно обрабатывается.
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.
Алюминий — материал, который отличается от пластика прочностью, долговечностью, хотя по весу и стоимости ему проигрывает.
Стекловолокно — материал, что стал хорошей альтернативой алюминию, но технология изготовления лопаток из которого требует не абы какого умения.
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:
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.
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!
Лопастей много, а места мало, или Как утилизировать ветрогенераторы
Как известно, старению подвержены не только живые организмы, но и оборудование, технологии, агрегаты и т. д. Поэтому, вполне естественно, что устаревшее нуждается в переработке или утилизации. И если в отношение животных и растений природа заранее позаботилась об этом, то вот с тем, что произвёл человек, дела обстоят немного сложнее.
Достаточно серьёзная проблема, которая всё чаще обращает на себя внимание различного рода экспертов, — износ ветроустановок первого поколения. Почти все они или выработали ресурс, или устарели настолько, что их содержание становится нерентабельным, а значит настала пора задуматься об утилизации.
Вопросов с тем, что делать с металлическими, бетонными и силовыми конструкциями ветрогенератора не возникает, а вот куда девать многометровые лопасти — пока что не совсем ясно.
Как вариант: организация детских игровых площадок. Из лопастей получатся отличные горки, лесенки, туннели и много чего ещё, что так нравится детям
Лопасть — самая большая деталь ветряка и делается, как правило, из композитных материалов. Уже сейчас в Европе, вплоть до 2022 года, будут ежегодно демонтировать свыше 3800, а в США около 8000 лопастей. Обширный демонтаж потребует создания новых логистических схем и технологических ухищрений для того, чтобы полностью переработать устаревший ветровой генератор. Но вторичное использование композита, из которого выполнены ветровые лопасти, невыгодно с точки зрения расходов.
Сейчас в сети можно найти фотографии, на которых запечатлены кадры того, как гигантские части ветрогенераторов просто засыпаются землёй. Для этих целей выделяются огромные площади и возникает вполне закономерное умозаключение об отнюдь не безвредном и экологически безопасном методе генерации. 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 веществ 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. Кстати, опыт применения устаревших частей ветрогенератора уже есть.
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.
Вдобавок к этому, специалисты работают над альтернативными технологиями переработки композитных лопастей, такими как: механическая рециркуляция, сольволиз и пиролиз. Успешные исследования в этих направлениях дадут возможность создавать безотходные ветровые турбины. Так, компания Vestas обещает наладить безотходное производство ветрогенераторов к 2040 году.
Не осталась в стороне химическая и композитная промышленность — совместно с ветроэнергетическими корпорациями создана межотраслевая площадка, основой которой является ветроэнергетическое объединение WindEurope, Европейский совет химической промышленности Cefic и ассоциация EUCIA, производящая композитные материалы. Совместными усилиями корпорации ведут поиск новых способов утилизации и переработки лопастей ветряков.
Одним из важнейших направлений в сфере промышленной утилизации ветрогенераторов компании считают достаточное финансирование научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Значение этого направления сложно переоценить, так как оно позволит достичь технологического превосходства на этапе перехода к устойчивому электроэнергетическому комплексу.
Тем временем, Соединённые Штаты Америки тоже не стоят на месте — претворяются в жизнь несколько стартапов по вторичной переработке ветротурбинных лопастей, одним из которых является Global Fiberglass Solution. Участники объединения, функционирующего с 2009 года, занимаются изучением вопросов применения композитных материалов в различных отраслях промышленности. К примеру, на техасском заводе уже успешно используют метод разрушения лопастей с последующим прессованием их в плиты с древесноволокнистой структурой и пеллеты для строительной отрасли. Другие проекты предполагают использование композитов для производства ограждений и даже железнодорожных шпал. Ещё одно перспективное направление — создание гранулированного сырья из старых лопастей, которое в дальнейшем пойдёт на создание новых.
Композитный материал крайне устойчив не только к воздействиям окружающей среды — без утилизации он никуда не денется ещё тысячи лет
Как сделать лопасти для ветрогенератора?
Грамотно рассчитанные лопасти для ветрогенератора определяют технические параметры устройства, расширяют возможности монтажа на выбранной локации, влияют на геометрические параметры. Ветровой генератор представляет собой особую категорию оборудования, используемую для выработки электричества в результате трансформации кинетической энергии ветра.
Устройство и принцип работы ветрогенератора
Такие технические решения востребованы в регионах, где преобладает ветреная погода, они функционируют, используя воздушный поток, в итоге образуется электрический ток. Устройства работают благодаря присутствию в конструкции лопастей, они вращаются и запускают генератор. Последний превращает кинетическую энергию ветра в электричество, ток подается к потребляющему его оборудованию и аккумуляторным блокам.
Ветряки промышленного производства и изготовленные дома своими руками могут быть использованы как в качестве ключевого, так и вспомогательного источника напряжения. В частности, непрерывно функционирующие генераторы обслуживают осветительную систему дома, отвечают за нагревание воды вне зависимости от основной электроцепи.
Если объект не соединен с централизованной электрической сетью, мощности ветряка может быть достаточно для поддержания отопительной системы, всех бытовых приборов, лампочек. Следует учитывать, что в зимние месяцы для обслуживания отопления производительность установки должна быть выше 10 кВт, в этом случае мощности будет хватать и для бытовой техники. Ветряные электростанции эксплуатируются в тандеме со стабилизаторами.
Виды ветрогенераторов
Они классифицируются по особенностям технического исполнения, что сказывается на функционале и возможностях.
Вертикальные
В зависимости от того, какой тип ротора и лопастей используется, вертикальные ветрогенераторы могут быть ортогональными, подвида савониуса, многолопастными (здесь присутствует направляющий механизм), дарье, геликойдными. Главным преимуществом устройств является тот факт, что их не нужно корректировать относительно ветра, они хорошо работают при любом его направлении. Поэтому они не оснащаются устройствами, улавливающими воздушные потоки.
Благодаря простоте агрегаты можно размещать на земле, по сравнению с горизонтальными вариантами, изготовить своими руками лопасти для такого ветрогенератора будет гораздо проще. Минусом является невысокая производительность вертикальных моделей, сфера применения ограничена из-за их недостаточного КПД.
Горизонтальные
Здесь варьируется количество лопастей. Самую высокую скорость проявляют однолопастные экземпляры, если сравнивать с трехлопастными, при идентичной силе ветра они крутятся примерно в 2 раза быстрее. КПД горизонтальных моделей существенно превышает производительность вертикальных.
Ветрогенераторы с горизонтальной осью
Горизонтально-осевая ориентация имеет уязвимость – ее работоспособность привязана к направлению ветра, поэтому устройство оснащается дополнительными механизмами, улавливающими движение воздушных потоков.
Варианты форм лопастей
При изготовлении лопастей для ветрогенератора нужно учитывать, что эффективность ветряка будет зависеть от следующих их характеристик:
- веса,
- формы,
- количества,
- размеров,
- базового материала.
Данные параметры очень важны, если хочется сделать лопасти своими руками. Ошибочно полагать, что для увеличения количества перерабатываемой ветровой энергии достаточно увеличить число крыльев на винте. Здесь, напротив, наблюдается снижение эффективности механизма, так как каждый отдельный сегмент при движении вынужден преодолевать неизбежное сопротивление воздуха. Поэтому для выполнения одного оборота винтом с большим количеством лопастей необходимо увеличение силы ветра.
Нельзя забывать, что избыток широких крыльев нередко вызывает формирование перед винтом своеобразной «воздушной шапки» – это явление, когда воздушный поток огибает ветряк, хотя должен проходить сквозь него. Форма элементов обладает существенным значением, так как определяет скорость перемещения винта. Если в результате неправильного расчета лопастей ветрогенератора возникает плохое обтекание, появляются вихри, способные затормозить колесо.
Однолопастные устройства зарекомендовали себя как самые продуктивные, но их довольно сложно самостоятельно сконструировать и сбалансировать. При высоком КПД конструкция отличается крайней ненадежностью, поэтому для тех, кто собирает устройство своими руками, будет удобна трехлопастная модель.
В домашних условиях принято выполнять лопасти крыльчатого или парусного типа. Последние выглядят как простые широкие полосы по аналогии с ветряной мельницей. Они малоэффективны, КПД варьируется в пределах 10-12%.
Крыльчатые лопасти функционируют по принципам аэродинамики, благодаря которым осуществляется перемещение самолетов. Подобный винт вращается быстрее, его легче привести в движение. Благодаря обтеканию воздухом уменьшается сопротивление. С одного края изделие имеет характерное утолщение, напротив наблюдается пологий спуск. Здесь КПД составляет 30-35%.
Материалы для изготовления лопастей
Решая, как сделать лопасти для ветрогенератора, обращаются к легким металлам, стеклоткани, пластику, древесине. При выборе решения опираются, прежде всего, на то, сколько личного времени и трудозатрат готовы выделить на сборку ветряка. Общими критериями для выбора материала являются прочность, легкость обработки, доступность, малый собственный вес, возможность придания требуемой формы.
Принципы изготовления лопастей для ветрогенератора своими руками
Зачастую главной сложностью становится определение оптимальных размеров, так как от длины и формы лопастей ветрогенератора зависит его производительность.
Материалы и инструменты
В основу закладываются следующие материалы:
- фанера либо древесина в другой форме;
- стекловолоконные листы;
- алюминиевый прокат;
- ПВХ-трубы, комплектующие для пластиковых трубопроводов.
Выбирают один вид из того, что есть в наличии в виде остатков после ремонта, к примеру. Для их последующей обработки понадобятся маркер либо карандаш для черчения, лобзик, наждачная бумага, ножницы по металлу, ножовка.
Чертежи и расчеты
Если идет о маломощных генераторах, производительность которых не превышает отметки в 50 ватт, для них изготавливают винт по приведенной ниже таблице, именно он способен обеспечить высокие обороты.
Далее рассчитан низкооборотный трехлопастной винт, имеющий высокий стартовый показатель страгивания. Эта деталь будет полноценно обслуживать высокооборотистые генераторы, производительность которых достигает 100 ватт. Винт функционирует в тандеме с шаговыми моторами, низковольтными маломощными двигателями, автомобильными генераторами со слабыми магнитами.
С точки зрения аэродинамики чертеж винта должен выглядеть следующим образом:
Изготовление из пластиковых труб
Канализационные ПВХ-трубы считаются самым удобным материалом, при конечном диаметре винта до 2 м подойдут заготовки с диаметром до 160 мм. Материал привлекает простотой обработки, доступной стоимостью, повсеместной распространенностью и изобилием уже проработанных чертежей, схем. Важно выбрать качественный пластик, чтобы предотвратить растрескивание лопастей.
Наиболее удобна продукция, представляющая собой ровный желоб, ее нужно лишь подрезать в соответствии с чертежом. Ресурс не боится воздействия влаги и нетребователен в уходе, но может стать хрупким при минусовых температурах.
Выполнение лопастей из алюминиевых заготовок
Такие винты характеризуются долговечностью и надежностью, они устойчивы к внешним воздействиям и весьма прочны. Но нужно учитывать, что они получаются в итоге более тяжелыми, если сравнивать с пластиковыми, колесо в этом случае подвергается скрупулезной балансировке. Несмотря на то, что алюминий считается довольно податливым, работа с металлом подразумевает наличие удобных инструментов и минимальных навыков обращения с ними.
Форма подачи материала может затруднить процесс, так как распространенный листовой алюминий превращается в лопасти только после придания заготовкам характерного профиля, с этой целью предварительно нужно создать специальный шаблон. Многие начинающие конструкторы сначала изгибают металл по оправке, после чего переходят к разметке и вырезанию заготовок.
Лопасти из алюминиевых заготовок
Алюминиевые лопасти проявляют высокую устойчивость к нагрузкам, не реагируют на атмосферные явления и температурные перепады.
Винт из стекловолокна
Его предпочитают специалисты, так как материал капризен и сложен в обработке. Последовательность действий:
- вырезают деревянный шаблон, натирают его мастикой или воском – покрытие должно отталкивать клей;
- сначала выполняют одну половинку заготовки – шаблон намазывают слоем эпоксидки, сверху укладывают стеклоткань. Процедуру оперативно повторяют, пока первый слой не успел высохнуть. Таким образом заготовка получает требуемую толщину;
- аналогичным способом выполняют вторую половинку;
- когда клей застынет, обе половинки можно будет соединить эпоксидкой с тщательной шлифовкой стыков.
Торец оснащается втулкой, посредством которой изделие соединяется со ступицей.
Как сделать лопасть из древесины?
Это сложная задача ввиду специфичной формы изделия, к тому же все рабочие элементы винта в итоге должны получиться идентичными. Минусом решения также признается необходимость в последующей защите заготовки от воздействия влаги, для этого ее красят, пропитывают маслом или олифой.
Нюансы балансировки и эксплуатации ветрогенератора
Чтобы повысить эффективность работы устройства, необходимо выполнить балансировку лопастей. Ее осуществляют в помещении, огражденном от сквозняков и ветра. Детали собирают в полноценную конструкцию и ставят в рабочем виде, следя за тем, чтобы ось была строго горизонтальной, линию проверяют по уровню. Перпендикулярно линии земли и оси выставляют плоскость вращения винта, так она получается горизонтальной.
Обездвиженный винт следует повернуть на 360°столько раз, сколько в нем предусмотрено лопастей. Правильно сбалансированное устройство в идеале останется неподвижным, здесь не приемлемы отклонения даже на градус. В тех случаях, когда лопасть поворачивается под влиянием собственного веса, ее подправляют с одной стороны, чтобы ликвидировать отклонение от оси. Процедуру повторяют до тех пор, пока конструкция не будет сохранять неподвижность во всех положениях. Чтобы результат испытаний был корректным, важно устранить фактор ветра.
Все части должны вертеться в рамках одной плоскости. Чтобы проверить это условие, с обеих сторон винта устанавливают ограничивающие контрольные пластины на отдалении в 2 мм, при вращении изделие не должно их касаться.
Эксплуатация ветрогенератора подразумевает сборку схемы, способной аккумулировать переработанную энергию для ее сохранения и дальнейшей передачи конечному потребителю.