Из чего делают лопасти ветрогенераторов

Как сделать лопасти из ПВХ трубы

Если поискать и посмотреть в интернете, то многие для своих самодельных ветрогенераторов делают лопасти именно из пластмассовых труб. Ну это и понятно, так-как канализационные трубы хорошо подходят для этих целей, доступны и дешевы. Но конечно не все, так серую трубу особо не жалуют, так-как она быстро деформируется и очень слабая. Больше всего подходят трубы рыжего цвета, они и форму держат, и прочность хорошая. Лучшие трубы из чистого ПВХ, но сейчас все больше их делают не понятно из чего, там и полипропилен и другое, что тоже не подходит для лопастей ветрогенератора.

Ну это ладно, самая главная ошибка людей это изготовление лопастей без всяких расчетов и подгонки под генератор, а ведь лопасти это та часть ветрогенератора, которая преобразует энергию ветра, и на сколько хорошо они это делают зависит общий КИЭВ ветрогенератора ( коофициент использования энергии ветра ).

Для расчета лопастей из ПВХ труб была создана простая, но эффективная программка в формате эксель. В этой программке легко рассчитать винт под конкретный генератор. Вводя координаты будущей лопасти можно видеть как изменяются все нужные параметры винта, это обороты при разной скорости ветра , КИЭВ, крутящий момент, стартовый и другие параметры.

Но многие вырезают лопасти на глаз и я с помощью программки проанализировал КИЭВ вот такой, как на скриншоте ниже лопасти, очень часто приходится видеть лопасти из труб именно такой формы.

Такие лопасти часто делают, это самое простое, две линии всего прочертить на трубе и вырезать, обработать кромки и готово. Но КИЭВ таких лопастей все 0,2 в трехлопастном варианте на малых диаметрах труб. Лучше показатели если увеличить количество лопастей до 6 , 8 но быстроходность при этом снижается, а нам как известно нужна максимальная мощность лопастей при как можно больших оборотах от каждой скорости ветра.

Ниже скриншоты такой лопасти.

Здесь трёх лопастной винт из 110-й трубы диаметром 1,2м., и максимальная мощность при быстроходности 3,8.

>

А это уже 6 лопастей, результат чуть чуть лучше.

>

Так-же винт из 160-й трубы вырезанный по такому принципу тоже имеет невысокий КИЭВ и быстроходность.

>

если 6 лопастей, то лучше.

>

Так-же можно увеличить диаметр к примеру до 1,7м и посмотреть.

>

Лучше показатели у больших винтов, вырезанных из труб большего диаметра, к примеру из трубы 320мм.

>

А вот экселька с последней трубой 320мм в диаметре — rasshet3D2.5Z5.5T3200mm.xls

Универсальная лопасть.

Специально для тех кто хочет вырезать лопасти с относительно высоким КИЭВ я с помощью программки вывел некую универсальную лопасть. Она вырезается чуть сложнее, но имеет более высокий КИЭВ и быстроходность. На диаметрах труб 110-160 такая лопасть имеет КИЭВ 0,27-0,33при быстроходности Z3,5-5,5, но на больших винтах КИЭВ переваливает за 0,4 и быстроходность увеличивается.

вот скриншот для 110-й трубы и 160-й. Если удлинять лопасть, то КИЭВ падает совсем чуть чуть.

>

>

>

Здесь экселька с этой лопастью — rasshet3D1500.xls

Как вырезать такую лопасть без программы.

Рассчитывается такая лопасть очень легко с помощью калькулятора. Все расчеты отталкиваются от диаметра трубы. Для начала нужно диаметр трубы разделить на 5, к примеру для 110-й трубы 110:5=22мм, а для 160-й трубы 160:5=32мм.

Далее на трубе нужно начертить прямую линию от начала до конца, и от этой линии будут выставляться все размеры. От корня к кончику первый размер для 110-й трубы.

22*2=44 мм, расстояние от корня лопасти 0%,

второй 22*488мм, расстояние 15%,

третий 22*2,5=55мм, расстояние 50%,

четвертый 22*2=44мм, расстояние 100% кончик.

Все эти точки нужно соединить и это будет фронт лопасти. Для креплении лопасти нужно провести еще одну линию на которой сверлятся отверстия для крепления лопасти, линия проводится отступив от первой линии 22 мм.

После вырезания , кромки лопасти нужно обработать таким образом, так-как при расчете учитывается обработка кромок именно таким образом чтобы все углы по длинне лопасти совпадали с расчетными.

На рисунке ниже я попробовал показать как это нужно делать. За основу как я уже писал выше берется диаметр и делится на 5, полученную цифру условно можно обозначить Х. далее от этой буквы на рисунке стоят цифры, это процент, на который нужно умножить Х.

Тогда получаются такие координаты.

первая линия нулевая, это тыл будущей лопасти.

А далее первая точка от корня 0%, можно обозначить так, точка А-Х-1-0%, где А- точка, Х — это цифра получившиеся при делении диаметра на 5, 1- это множитель, 0- это расстояние от корня лопасти — радиус по длинне лопасти.

линия для крепления лопасти.

Для примера можно посчитать для 110-й трубы, длинна лопасти 60см.

А-Х-1-0% = 22мм, радиус лопасти 0мм

Б-Х-4-15% = 88мм, радиус лопасти 112,5мм

В-Х-2,5-50% = 55мм, радиус лопасти 375мм

Г-Х-1-100% = 22мм, радиус лопасти 750мм

Линия крепления лопастей.

по 11 миллиметров от самой первой линии-тыл, в сторону фронта, эта линия для крепления лопасти.

Здесь я надеюсь все понятно. Эта универсальная лопасть хорошо подходит к разным диаметрам труб, и по длинне лопасть можно удлинять и укорачивать. Из трубы 110мм можно делать винт диаметром до 1,5м, дальше просто лопасти очень слабые будут. Из 160 до 1,8м и т.д. При этом чем больше диаметр трубы и размер винта, тем лучше КИЭВ.

Но лучше конечно рассчитывать индивидуально под генератор и нужную скорость ветра. А если нет возможности, то можно применять эту универсальную лопасть, и просто запомнить как вырезать. Я уже опробовал винт диаметром 1,3м из 110-й трубы, четырех лопастной, работает хорошо, оборотистый.

• Аккумуляторы MNB-battery (AGM, GEL)
• Инверторы CyberPower (ИБП)
• Солнечные батареи SOLMEA
• tdvolt.ru — источники бесперебойного питания
• ИБП CyberPower

>

>

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

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.

RU2680510C2 — Композиционный материал для сэндвич-структур и облегченная лопасть ветрогенератора на их основе — Google Patents

Publication number RU2680510C2 RU2680510C2 RU2016145378A RU2016145378A RU2680510C2 RU 2680510 C2 RU2680510 C2 RU 2680510C2 RU 2016145378 A RU2016145378 A RU 2016145378A RU 2016145378 A RU2016145378 A RU 2016145378A RU 2680510 C2 RU2680510 C2 RU 2680510C2 Authority RU Russia Prior art keywords blade lightweight wind generator composite material inner cavity Prior art date 2016-11-18 Application number RU2016145378A Other languages English ( en ) Other versions RU2016145378A ( ru RU2016145378A3 ( ru Inventor Эдуард Олегович Фенюк Original Assignee Эдуард Олегович Фенюк Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2016-11-18 Filing date 2016-11-18 Publication date 2019-02-21 2016-11-18 Application filed by Эдуард Олегович Фенюк filed Critical Эдуард Олегович Фенюк 2016-11-18 Priority to RU2016145378A priority Critical patent/RU2680510C2/ru 2018-05-22 Publication of RU2016145378A publication Critical patent/RU2016145378A/ru 2018-07-06 Publication of RU2016145378A3 publication Critical patent/RU2016145378A3/ru 2019-02-21 Application granted granted Critical 2019-02-21 Publication of RU2680510C2 publication Critical patent/RU2680510C2/ru

Links

Images

• 

Classifications

• • C — CHEMISTRY; METALLURGY
  • C08 — ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
  • C08K — Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
  • C08K3/00 — Use of inorganic substances as compounding ingredients
  • C08K3/40 — Glass
  • C — CHEMISTRY; METALLURGY
  • C08 — ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
  • C08L — COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
  • C08L23/00 — Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers
  • C08L23/02 — Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers not modified by chemical after-treatment
  • C08L23/04 — Homopolymers or copolymers of ethene
  • C08L23/06 — Polyethene
  • F — MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
  • F03 — MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
  • F03D — WIND MOTORS
  • F03D3/00 — Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor
  • Y — GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
  • Y02 — TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
  • Y02E — REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
  • Y02E10/00 — Energy generation through renewable energy sources
  • Y02E10/70 — Wind energy
  • Y02E10/74 — Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction
  • Y — GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
  • Y02 — TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
  • Y02P — CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
  • Y02P20/00 — Technologies relating to chemical industry
  • Y02P20/10 — Process efficiency
  • Y — GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
  • Y02 — TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
  • Y02P — CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
  • Y02P70/00 — Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
  • Y02P70/50 — Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

  Abstract

  Изобретение относится к технологии изготовления лопасти ветрогенератора из сэндвич-структур. Описан композиционный материал для сэндвич-структур для изготовления облегченных лопастей ветрогенератора, включающий волокна сверхвысокомолекулярного полиэтилена и волокна стекла, пропитанные полимерным связующим, в котором полимерное связующее модифицировано нанонаполнителями. Также описана облегченная лопасть ветрогенератора. Технический результат: композициционный материал обеспечивает увеличенный срок эксплуатации, повышение надежности, удельной прочности и энергетической эффективности ветрогенератора. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

  Description

  Композиционный материал для сэндвич-структур и облегченная лопасть ветрогенератора на их основе, преимущественно могут использоваться в областях техники, где распространены конструкции из сэндвич-структур. Например, ветроэнергетика, авиация, автомобилестроение, кораблестроение, вагоностроение. Известны, множество решений для композиционных материалов, улучшающих их свойства. В диссертации кандидата химических наук Зараменских К.С. «Углеродные нанотрубки для керамических композитов» исследовано влияние концентрации углеродных нанотрубок. Получен композит с повышенным значением коэффициента интенсивности напряжений. Этот материал с сетчато-каркасным распределением углеродных нанотрубок по периферии кристаллов корунда. Что способствует уменьшению рекристаллизации и увеличению трещиностойкости в 1,5 раза. Коэффициент интенсивности напряжений оптимизирован при концентрации 0,2% углеродных нанотрубок. С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева. Известен, патент на изобретение 2012 г. RU №2522884. Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе смол, диспергированных наномодификатором в виде углеродных нанотрубок, которые могут быть использованы для введения в высоковязкие основы при получении полимерных композиционных материалов широкого спектра применения. В качестве основы используют фурфуролацетоновую смолу. Углеродные нанотрубки вводят в основу в количестве 0,001-30 мас. %. Производятся, углепластик КМУ-7э, органопластик 16Т, стеклопластик ВПС-30. Эти композиционные материалы характеризуются высокими показателями статической прочности в направлении армирования, теплостойкостью, длительным ресурсом работы. Однако из-за низкой эластичности матрицы они обладают ограниченной прочностью в трансверсальном направлении.

  Также пониженной выносливостью и живучестью в условиях динамического нагружения вследствие лавинообразного характера деградации по механизму многократного хрупкого разрушения. В патенте на изобретение 2004 г. RU №2254329, решены следующие задачи. Разработаны на основе модифицированной матрицы полимерных композитов, углепластиков, органопластиков и стеклопластиков с повышенной вязкостью разрушения, выносливостью и живучестью. Путем добавления в матрицу фуллерена С60 в количестве 10,2-60,6 мас. ч. на 100 мас. ч. эпоксидной основы. Существует патент на изобретение. Способ изготовления композиционного материала RU №2094229. 1991 г. Этот патент принят за прототип предлагаемой заявки. В патенте разработан способ изготовления композиционного материала. Путем размещения ленты, состоящей из непрерывных, продольно ориентированных волокон или нитей, с последующей пропиткой ее материалом матрицы. В качестве дискретного волокнистого наполнителя используют волокно, полученное измельчением ленты, состоящей из непрерывных, продольно ориентированных волокон или нитей. В качестве связующего, используют объемную мезофазу-пек, фуран, фуриловый спирт, фуриловый сложный эфир, полиарилацетилен, полибензимидазол, полифениленсульфид, эпоксидную смолу, полиамидную или фенольную смолу или их смеси. В матрицу добавляют углерод и соединения на основе кремния, полисилен или полисилазан. Диапазон состава от 30 до 50 объема ленты из волокон и от 10 до 25 объема равномерно распределенных частиц, остальное связующее. Отличием от описанных выше решений, предлагаемой заявки на изобретение, композиционный материал для сэндвич-структур и облегченная лопасть ветрогенератора на их основе, является комплексное применение многокомпонентных волокон и модификаторов. Композиционный материал изготавливается из смеси волокна сверхвысокомолекулярного полиэтилена в количестве от 10% до 50% объема или веса волокна, волокна стекла в количестве от 50% до 90% объема или веса волокна. Композиционный материал пропитывается матрицей из полимерного связующего модифицированого нано-наполнителями. С содержанием мультислойного графена от 0,02% до 0,2% от веса полимерного связующего, астралены от 0,002% до 0,02% от веса полимерного связующего, фуллерена от 0,002% до 0,02% от веса полимерного связующего, корундовых нано-трубок от 0,01% до 0,3% от веса полимерного связующего. Мультислойный графен, является универсальной добавкой, улучшающей физико-химические свойства композиционного материала. Добавка астрален это фуллероидное соединение, представляющие собой многослойные полиэдральные структуры из атомов углерода размером 80÷150 нм. В заявке на патент используется, как добавка-модификатор. Технический результат, осуществления заявки на изобретение заключается в увеличении срока эксплуатации, повышении надежности, удельной прочности и весовой эффективности изделий из сэндвич-структур с применением матрицы из нано-наполненного полимерного связующего. Известен способ изготовления лопасти винта вертолета из полимерных композиционных материалов лонжеронной конструкции. Заявка США US 2010/0266416 А1, 2010 г. Конструкция включает в себя D-образный лонжерон, хвостовой отсек из полимеров, размещенный между ними заполнитель из термореактивного полимерного материала и обшивку. Размещают верхние и нижние многослойные пакеты из термореактивного полимерного материала на соответствующих формах и спекают их, затем на формах размещают соответственно полученные верхнюю и нижнюю части обшивки, верхнюю и нижнюю части лонжерона и верхнюю и нижнюю части хвостового отсека и спекают.Недостатком такого технического решения является сравнительная механическая слабость термореактивного полимерного материала и наличие большого количества швов. Известна лопасть ветроэнергетической установки, срок эксплуатации которой увеличен за счет усложнения конструкции лопасти. Патент Германии DE 4225599, 1994 г. Лопасть по этому патенту состоит из двух частей — лобовой и хвостовой. Хвостовая часть заполнена пенопластом. Обе части лопасти, а также верхняя и нижняя оболочки ее соединены между собою с помощью клея и заклепок. Недостатком этого технического решения является, невысокая удельная прочность, так как лопасть утяжелена крепежными металлическими деталями. Для производства крупнейших в мире ветрогенераторов применяются лопасти В75 концерна Siemens, длинною 75 м. http://www.facepla.net/the-news/energy-news-mnu/2594-siemens-b75.html http://energysafe.ru/altemative_energy/altemative_energy/955/ Их изготавливают с использованием технического процесса «Integral Blade», патент концерна Siemens. Технический процесс позволяет изготовить лопасти в форме моноблочной конструкции без клеевых соединений на 20% легче по сравнению с традиционными аналогами. Процесс осуществляется вакуумированием стеклотканей и углетканей, конструкционного пенопласта или бальсы пропитанных полимерными смолами в металлических формах длиной около ста метров. Недостатком данной технологии является уникальность и эксклюзивность применяемых дорогостоящих материалов и оборудования, малый запас прочности конечного изделия. Экономическая эффективность реализации этого технического решения является не явной. Известен патент 2001 г. RU №2205130 «Лопасть ветрового колеса из композиционного материала и способ ее изготовления». Этот патент принят за прототип. Лопасть ветрового колеса из композиционных материалов на основе тканого наполнителя и полимерного связующего, выполняется выкладкой в виде двух полу оболочек. Внутренняя полость лопасти заполняется легким заполнителем пористой структуры. С этой целью используется пенополистирол ПСВ-А ОСТ 6-05-202-83 с размером гранул 5-6 мм либо стеклосферы (полые микросферы) с размером частиц от 50 до 500 мк, ТУ 6-48-168-94. В качестве тканой основы использовалась стеклоткань Э3-200, Т-10-80, Т10, Т14; углеродные ленты: ЛУ-2, ЛУ-3, ЭЛУР, ВМН-3, ВМН-4; органические волокна СВМ и ткани на их основе. В качестве связующего, использовалась смола К-115 ТУ 222-004-17411121-98 и отвердитель Л-20М ТУ 2433-360-09201208-96. В качестве связующего можно использовать полиэфирные насыщенные смолы ОСТ 6-05-431-78 г. инициатора — перекись бензола МРТУ-6-05-1122-68 г. и ускорителя — нафтенат кобальта ТУМХП 6-05-211-798-72 г. Кроме того, применялись полиэфирные связующие: ПН-1, ПН-3, ТУ 6-05-1082-76 и фенольные связующие: ФН ТУ 6-05-1187-75. Предлагаемое в патенте техническое решение основано на применении в качестве подкрепляющей силовой конструкции полистирол или стеклосферы. Эти подкрепляющие материалы применимы исключительно при малых нагрузках и в разы уступают по механическим качествам сотовым конструкциям. Перечисленные в патенте тканевые материалы для изготовления оболочки лопасти по своему весу на 30% тяжелее сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Полимерные смолы, использованные в качестве связующего, морально устарели. Предлагаемое в заявке на изобретение техническое решение преодолевает указанные в перечисленных выше патентах недостатки. Облегченная лопасть ветрогенератора на основе композиционного материала из сэндвич-структур, содержит внешнюю оболочку, внутреннюю полость и заполнитель внутренней полости из многослойной сотовой конструкции с различным размером и толщиной стенки ячейки. Технический результат получается за счет применения композиционного материала. В состав, которого входят волокна сверхвысокомолекулярного полиэтилена и волокна стекла и полимерного связующего, модифицированного нано-наполнителями. Волокно из сверхвысокомолекулярного полиэтилена в сочетании с волокном из стекла, делает лопасть на 30% легче и дешевле чем лопасть, изготовленною исключительно из препрегов на основе стеклоткани и углеткани. Волокно из сверхвысокомолекулярного полиэтилена предварительно обрабатывается по принципу магнетронного распыления. Технический результат достигается за счет того, что в состав облегченной лопасти ветрогенератора входит внешняя оболочка, имеющая различную толщину, а внутренняя полость, рисунок 1, позиция 5, заполнена многослойной полимерной композиционной сотовой конструкцией. С сотовой ячейкой шестигранной формы и толщиной стенки от 0,2 мм до 0,5 мм. Для оптимизации аэродинамической формы и прочностных характеристик, толщина стенки внешней оболочки облегченной лопасти ветрогенератора, равномерно уменьшается от основания до ее окончания, рисунок 1 позиция 1. Толщина стенки внешней оболочки лопасти ветрогенератора определяется по формуле.

  

  где: С — толщина оболочки в определяемом сечении лопасти; 21 — коэффициент корреляции; R — радиус ветроколеса, м; r — радиус определяемого сечения лопасти, м; V — скорость, ветра, м/с; σ- разрушающее напряжение на сжатие, кг/см 2 . Многослойная полимерная композиционная сотовая конструкция, заполняющая внутреннюю полость облегченной лопасти ветрогенератора, приклеена к стенкам внутренней полости облегченной лопасти ветрогенератора. Имеет геометрические размеры соответствующие внутренней полости. Состоит из нескольких слоев сот наложенных друг на друга и склеенных между собой через перегородочный лист из композиционного материала. Многослойная полимерная композиционная сотовая конструкция, в первом слое имеет размер стороны основания сотовой ячейки от 5 мм до 15 мм, во втором слое, имеет размер стороны основания сотовой ячейки от 15 мм до 30 мм.

  Первый и второй слои многослойной полимерной композиционной сотовой конструкция, изготовлены методом склеивания гофрированного листа. Многослойная полимерная композиционная сотовая конструкция, в третьем слое, имеет размер стороны основания сотовой ячейки от 10 мм до 100 мм. Занимает от 50% до 75% длины внутренней полости облегченной лопасти ветрогенератора. Третий слой полимерной сотовой конструкции изготовлен монолитным формованием с применением формообразующих элементов. Предлагаемую в заявке на патент облегченную лопасть ветрогенератора изготавливают в следующей последовательности. В двух формах, по одинаковой технологии изготавливаются две полу-лопасти. Для формирования полу-лопасти, на форму наносят разделительный состав и слой гелькоута. Затем формируется внешняя оболочка облегченной лопасти ветрогенератора, путем нанесения композиционной смеси из рубленного стеклянного волокна и полимерного связующего. После отверждения, на поверхность оболочки облегченной лопасти ветрогенератора наносят полиуретановый клеевой состав и укладывают первый слой сотового наполнителя на рисунке 1 позиция 3. На сотовый наполнитель укладывается перегородочный лист из композиционного материала, на рисунке 1 позиция 6, с нанесенным полиуретановым клеевым составом. На перегородочный лист композиционного материала наносят полиуретановый клеевой состав и укладывают второй слой сотового наполнителя, на рисунке 1 позиция 4. Первый и второй слои сотового наполнителя укладываются на всю длину внутренней полости облегченной лопасти ветрогенератора. Аналогично укладывается перегородочный лист композиционного материала. Третий слой сотового наполнителя, на рисунке 1 позиция 2, укладывается на перегородочный лист композиционного материала и занимает, от 50% до 75% длинны внутренней полости. Во второй форме проделывают аналогичные операции, за исключением установки третьего слоя сотового наполнителя, так как он уже установлен в первой форме. Первую и вторую формы замыкают между собой и помещают в автоклав для склеивания и отверждения. Техническая выполнимость предложенного в заявке изобретения подтверждается успешным выполнением комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства с участием российского высшего учебного заведения. По теме «Разработка и постановка на производство отечественных полимерных композиционных материалов сотовой конструкции, модифицированных фуллеренами, наночастицами оксида кремния и армированных плазмообработанным стеклоровингом для изготовления изделий широкого спектра применения». Договор с Минобрнауки России от 01 октября 2014 г. №02.G25.31.0128.

  Claims ( 8 )

  1. Композиционный материал для сэндвич-структур для изготовления облегченных лопастей ветрогенератора, включающий волокна сверхвысокомолекулярного полиэтилена и волокна стекла, пропитанные полимерным связующим, отличающийся тем, что полимерное связующее модифицировано нанонаполнителями.

  Похожие публикации:

  1. Как выбить подшипники из барабана стиральной машины
  2. Как понять что бойлер нагрелся
  3. Как сделать механизм для музыкальной шкатулки
  4. Какой максимальной мощностью изготавливаются сухие трансформаторы