CC BY
118
УДК 691
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УГЛЕРОДНОГО ВОЛОКНА В КОНСТРУКЦИЯХ ВЕТРОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Г.Э. Окольникова, Д.А. Бронников, Н.И. Щедрин
Российский университет дружбы народов, инженерная академия, г. Москва
Аннотация Ключевые слова:
В статье рассматриваются вопросы целесообразности применения Композитные материалы, энергия
углеродного волокна в конструкциях ветровых электростанций с ветра, свойства, надежность, мо-
целью уменьшения веса конструкции лопастей турбин, а также для делирование, производство, ветря-
обеспечения прочности и долговечности электростанции, защиты от ная турбина, лопасти
обледенения. История статьи:
Дата поступления в редакцию
16.05.18
Дата принятия к печати 19.05.18
Введение
Сегодня использование ветра подразумевает, прежде всего, получение электроэнергии. Из-за высоких затрат на ремонт и техническое обслуживание ветровых электростанций, надежность ветровых турбин должна быть увеличена для обеспечения эффективной работы на 20 и больше лет. Долговечность и большой срок службы электростанции может быть обеспечен, если материалы ветровых лопастей имеют очень высокую жесткость, прочность и сопротивление нагрузки на окружающую среду, а также низкий вес.
Применение углеродного волокна в строительстве и конструктиве ветровых электроустановок (ВЭУ) служит для уменьшения веса конструкции, а также для придания прочности и долговечности электростанции, защиты от обледенения, а также на основе использования данного материала проти-вообледенительной системы для ветрогенераторов.
В настоящее время компания UMATEX Group разрабатывает новую лопасть длиной 100м с использованием углеродного волокна, которая будет соответствовать отраслевым и международным требованиям, получит все необходимые сертификаты [1]. Лопасть проектируется с наиболее современным дизайном, с применением самых современных технологий и материалов [2]. Как ожидается, применение новой лопасти увеличит выработку электроэнергии в 2 раза за счет удлинения лопасти.
Индустрия
Для большинства развитых стран с ограниченными ресурсами, ветроэнергетика является перспективным способом получения энергии. Это один из самых перспективных и быстрорастущих рынков потребления углеродного волокна [3].
Углекомпозиты при равной прочности уменьшают вес конструкции до 30% по сравнению с метал-локомпозитами. Использование данного материала на основе углеволокна при изготовлении лопастей ветрогенераторов позволяет строить ветровые электростанции (ВЭС) там, где среднегодовая скорость ветра не превышает 5 м/с, за счёт их аэроэластичности и малого веса. Применение углекомпозитов дает преимущество весового качества, высокой прочности и высокие усталостные характеристики.
У композитных материалов на основе углеволокна, в отличии от стекловолоконных композитов, в 6 раз выше упругость, в несколько раз выше усталостная прочность при динамических нагрузках и в 1,5 раза ниже плотность [4-5].
В таблице 1 представлены прочностные и жесткостные характеристики разных видов волокон.
Таблица 1
Сравнительные характеристики разных видов волокон
Тип волокна Характеристика Прочность при растяжении, МПа Модуль упругости при растяжении, ГПа Удлинение при разры-ве,% Плотность, г/см3
Углеродное высокопрочное 1,75-1,80
(на основе ПАН- со стандартным 3500-5000 200-280 1,4-2,0
прекурсора) модулем
высокопрочное среднемодульное 4500-7000 280-325 1,7-2,1 1,73-1,81
высокомодульное 3500-5000 325-450 0,7-1,4 1,75-1,85
сверхвысокомо-дульное 2500-4000 450-600 0,7-1,0 1,85-1,95
Стеклянное E-стекло 2500-3800 70-75 4,5-4,7 2,5-2,7
S-стекло 4000-4500 80-90 5,0-5,3 2,5
Органическое Арамидное 3000-3600 60-180 2,4-3,6 1,45
Полиэтиленовое 200-3000 5-170 3-80 0,96
Стальное высокопрочное 1200-2800 200 3,5 7,8
нержавеющее 800-2000 190 3,0 7,8
Базальтовое 3000-4800 90-110 3,0 2,6-2,8
Борное 3500-4000 350-400 0,5-0,7 2,6
При использовании композитного материала, на основе углеволокна, существует возможность проектирования сложных и крупногабаритных деталей с твёрдыми металлическими вставками. Наибольшей
эффективности при выработке энергии на ВЭС удаётся достичь при длине лопасти более 40 метров [6]. Такие лопасти производятся только из углепластика.
Для защиты от обледенения и противообле-денительной системы ветрогенераторов также используют углеродное волокно. Способ защиты от обледенения — это установка углеродного волокна на поверхностном слое или на ближайшем к поверхностному слою лопасти карбоновых электронагревательных пластин, образующих нагревательный слой, при этом для карбоновых электронагревательных пластин задают различную мощность в соответствии с изменением линейной скорости в различных радиальных положениях лопасти ветряной турбины в процессе работы (рис. 1).
Рис. 1. Конструктивная схема лопасти ВЭС
1 — наружная обшивка, 2 — заполнитель, 3 — внутренняя обшивка, 4 — накладка из листового железа, 5 — полость, 6 — конец лопасти, 7 — углеродное волокно
Крупнейшая из созданных к настоящему времени лопастей для ветрогенератора в длину превышает 80 метров. Данная конструкция позволила увеличить выработку электроэнергии с 6 до 10 МВт. Компания Blade Dynamics уже ведёт разработки по изготовлению 100-метровых лопастей для ветроге-нераторов. Углекомпозиты при равной прочности на 30% легче композитов с использованием металлов и лопасть из углеволокна на 40% легче лопасти из стекловолокна [7].
Задача создания лопасти ветровой турбины длиной 100 м
Раньше для ветровых турбин использовали армированные стекловолокном пластмассы из-за доступности материалов и хорошо документированной технологии обработки. При испытаниях было доказано, что вес лопасти турбины при вращении увеличивается в геометрической прогрессии, это приводит к возникновению гравитационных изгибающих моментов, которые изменяются в зависимости от длины лезвия в четвертой степени. Чтобы улучшить эту экспоненциальную зависимость, большие лопасти турбин теперь изготавливают из композитов, армированных углеродным волокном. Такие композиты углепластики обладают превосходной удельной жесткостью и прочностными характеристиками [8-9]. На сегодняшний день наиболее широко разработанным решением является гибридный дизайн CFRP-spar/GFRP-оболочки, поскольку он представляет собой лучший компромисс между улучшенной производительностью ВЭС и стоимостью углеродного волокна.
В настоящее время конструкция лопасти ветровой турбины основана на размещении однонаправленных волокон вдоль оси лонжерона, чтобы обеспечить изгибную жесткость, в то время как слои ± 45 ° в шкурах и сетках используются для защиты от скручивания и сдвига. Sandia National Laboratories провела компромиссное исследование, посвященное инновациям в материалах и производственных процессах, чтобы установить улучшенный и экономически выгодный дизайн лопастей (лезвий) для следующего поколения мегаваттных турбин. Исследователи [10] провели экспериментальные исследования с использованием компьютерного моделирования базовой лопасти турбины (эпоксидного лезвия) в условиях экстремальных порывов ветра, которые показали, что возрастающие гравитационные изгибные нагрузки, требуют установки структурной арматуры у корня лопасти, а сами лопасти целесообразно увеличить до 60м. Вместо того, чтобы укреплять существующий дизайн большим количеством E-Glass, было установлено, что замена внешней половины крылышка (50%) на сшитый ламинат из углепластика приводит к 32% и 16% снижению общей массы лопастей и стоимости изготовления соответственно.
В будущем полнопрофильные лонжероны из углепластика приведут к дальнейшему снижению веса и отклонения наконечника с прямым воздействием на вращательную инерцию, аэродинамические характеристики и эффективность захвата энергии лопасти.
Первостепенное значение имеет улучшение качества компонентов, получаемых безавтоклавными методами, такими как VaRTM и разработка экономически эффективных материалов препрег (pre-preg).
В настоящее время большое распространение получили новые безавтоклавные методы формования полимерных композитных материалов (ПКМ), такие как RTM (Resin Transfer Molding) и VaRTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) технологии. Метод инфузии (VaRTM) — это модификация метода пропитки под давлением (RTM) с той лишь разницей, что для подачи связующего в форму используется не избыточное, а атмосферное давление. Данные методы являются альтернативой автоклавным методам изготовления ПКМ и характеризуются экологической безопасностью, простотой применения и исключением использования ручного труда при формовании ПКМ. Также при использовании данных технологий появляется возможность получения крупногабаритных деталей сложной формы и геометрии.
Препрегом (pre-preg) называют термореактивную формовочную композицию, состоящую из армирующей ткани (волокна, ленты) и связующего, которая требует дальнейшего отверждения и перерабатывается в ПКМ различными методами.
Выводы
На основании проведенного анализа развития индустрии ветроэнергетики можно сделать следующие выводы:
1. Для конструктивного решения лопастей ветровых турбин ВЭС длиной более 40м целесообразно применять углекомпозиты, что позволит снизить вес конструкции на 30-40%, обеспечить прочностные и жесткостные характеристики, а также улучшит противообледенительные свойства лопастей турбин.
2. Наиболее выгодно для изготовления лопастей ветровых турбин использовать углеродные пре-преги и углекомпозиты, полученные с использованием технологии VaRTM.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Буллер В., Перинга Ю. М., Лекой Д., Вионис П., Музакис Ф., Нидссен Р. , Кенши С., Краузе А., Крамковски Т., Кауфельд Н., Х. Сокер (2005) Новый шепот: создание новой последовательности в проектировании современной ветротурбины, оптимальные лопасти. Итоговый отчет.
2. на http://en.umatex.com/news/kompozitnye-vetroperspektivy/
3. Ветроэнергетические технологии, 50-я структура ААА, Структурная динамика, и Материалы конференции Палм-Спрингс, Май 2009.
4. Акинола А. Е. (2010), Усталостная прочность лопастей ветряных турбин, армированных нанокомпозитами, Магистерская диссертация, Университет штата Техас — Дэн Маркос.
5. Бронстед П., Лилхолт Х., Люструпе, А.А. (2005), композиционные материалы для лопастей ветроэнергетических турбин. Ежегодный Обзор материалов исследования №35, р. 505-538.
6. Д. А. Гриффин и Эшвилл Т. Д. (2003) Альтернативная композиционных материалов за мегаватт-шкала лезвия ветротурбины: вопросы проектирования и рекомендуемые исследования Ж. соль. Energy Eng. 125, 515.
7. Системы Ветра Vestas/С. Вестас. Просмотрен 04. 12 2011 из скачать брошюры: http://www.vestas.com/en/ media/brochures.aspx
8. Грант В. A. (2008), Ветроэнергетические лопасти подпитывают производство композитов, Технология пластмасс, 54 (10) 68-75.
9. Одиннадцать компаний, награжденных за свои композитные инновации в программе Jec Awards 2010, 25 января 2010: Jec Composites.
10. Эшвилл T. D. (2009) материалы и инновации для крупных Лопастных конструкций: возможности исследований в области преобразования тепловой энергии в механическую: двигатели и требования-композитные материалы в технологии Ветроэнергетики-Энциклопедия систем жизнеобеспечения (EOLSS)
Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:
Г.Э. Окольникова, Д.А. Бронников, Н.И. Щедрин. Использование углеродного волокна в конструкциях ветровых электростанций. — Системные технологии. — 2018. — № 27. — С. 60—63.
USING A CARBON FIBER IN THE CONSTRUCTIONS OF WIND POWER STATIONS G.E. Okolnikova, D.A.Bronnikov, N.I. Shedrin Peoples' Friendship University of Russia
Abstract Keywords:
The paper discusses the expediency of using carbon fiber in wind power Composite materials, wind energy,
plant designs in order to reduce the weight of the turbine blade design, properties, reliability, modeling,
as well as to ensure the strength and durability of the power plant, manufacturing, wind turbine, blades
protection against icing. Date of receipt in edition: 16.05.18
Date of acceptance for printing: 19.05.18
