Содержание
Лопастей много, а места мало, или Как утилизировать ветрогенераторы | Публикации
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
Лопасти для ветряка на 3D-принтере (создание ветрогенератора, часть 1) / Хабр
Уже 15 лет, как мечта построить ветрогенератор оставалась нереализованной.
Казалось бы, давно канули в лету попытки электрифицировать дачу с помощью бочки и генератора от жигулей, хотя нет, до сих пор людям не дает покоя публикация в «Юном технике» 80-х 😉
Но современные технологии вдохнули новую жизнь в старую идею. И подход будет куда более научным.
Для начала, я построил ультразвуковой анемометр с вычислением энергии ветра. Полевые испытания не за горами.
Теперь следует определиться с типом ротора — горизонтальный или вертикальный- это скорее вопрос религии и тема для холиваров.
Поэтому безо всяких обьяснений скажу- я выбрал ротор Дарье с вертикальной осью, вот такой:
Но конструкция на фото имеет мощность 5 килоВатт и размеры лопастей уж никак не вмещающиеся в область печати Прюши — 200×200х200мм.
А мне этого и не надо, поскольку можно использовать концепцию гирлянды ветряков:
Тогда задача сводится к выбору размера «базовой ячейки» и доводке ее энергоэффективности. Это кстати избавит от траты «всех денег» в случае фэйла — изготовление ротора с ометаемой площадью 1 квадратный метр по карману даже студенту.
Кстати, мощность, снимаемая с одной ячейки должна получиться от 100Вт(при скорости ветра 8м/с), что может стать хорошим решением для рыбаков/туристов/охотников.
Но вернемся к нашим баранамветрякам — нужно создать 3D-модель профиля NACA-0021/0012, используемого в роторах Дарье с 50-х годов прошлого века.
Найти уже готовый чертеж данных профилей в формате SVG не составляет труда:
Но он же плоский, как сделать его обьемным?
Элементарно! Для этого подойдет даже простейший инструмент для 3D-моделирования. Я воспользовался онлайн-ресурсом tinkercad.com, импортировал туда чертеж, и получил рыбу-вомера 8-0
Но ведь мы помним соотношение хорды(длины) к толщине — выставив его получаем искомую картину.
Теперь остается выставить требуемую высоту, отверстия под резьбовые шпильки(на них я буду собирать экпериментальную версию) и гнезда под гайки:
Все, остается экспортировать готовую модель в STL-формате и нарезать любимым слайсером (у меня- CURA)
Теперь последуют эксперименты с разной длинной хорды относительно диаметра ротора(обычно 10-18%), числом лопастей (2/3/4) и их относительной толщиной.
Напомню, у меня диаметр ротора будет 1м, начну с коротких(хорда-10см) и «толстых»(21%) лопастей, 2 шт.
Для начала критерием эффективности послужит количество оборотов ротора без нагрузки, ибо «индекс скорости»/быстроходность является косвенным критерием КПД/КИЭВ.
Просто как правило, Коэффициент Использования Энергии Ветра прямо пропорционален быстроходности (скорость лопасти относительно ветра — от 3х для Дарье), что в переводе на круговое движение дает RPM.
Но не все так просто — больше всего вопросов вызывает сам генератор и редуктор.
Для метровой турбины просится зубчатая ременная передача с натяжителем (передаточные числа до х10), но об этом в следующей публикации.
А пока что 3D-принтер днями и ночами не остужая экструдера печатает 166-мм участки лопастей для грядущей энергонезависимости ульев 😉
Да-да, я не забросил эту тему (у меня уже 2 улья с живыми пчелами и свой мед), просто некоторое время вел ее на отдельном сайте.
До скорой встречи на страницах Хабра, электропчеловод Андрей
Все о лопастях ветряных турбин
#НИОКР
#береговой ветер
Вы когда-нибудь задумывались, как башня ветряной турбины может выдержать такой большой вес? Или почему они все ориентированы в одном направлении? Такова природа ветряных турбин, гигантов возобновляемой энергии.
Национальный парк Сьерра-де-Бурго (Оренсе, Испания)
Путешествуя по дороге недалеко от городов, вы, должно быть, наткнулись на ветряную электростанцию. Любопытно посмотреть, как синхронно работают ветряные турбины. Это как наблюдать за футбольной командой, где все члены стратегически расположены и поворачиваются в одном направлении.
Это может показаться совпадением, но это не так: все детали операции определяются хорошо изученными и четко определенными исследованиями. Узнайте о них больше!
Как ветер преобразуется в энергию?
Почему чаще всего используются ветряные турбины с тремя лопастями?
На протяжении всей истории существовало множество типов турбин или машин, которые использовались для использования кинетической энергии, производимой ветром. Из всех них наиболее используемая и распространенная в наши дни — и также выбранная Ибердрола — та, у которой три лопасти движутся относительно горизонтальной оси. Это наиболее эффективный вариант с технической точки зрения: меньшее количество лопастей приводит к лучшему балансу.
Почему они всегда смотрят в одном направлении?
Подобно полю подсолнухов, ветряные турбины всегда ориентированы в одном направлении, так что вместо того, чтобы следовать за солнцем, они могут следовать за ветром и использовать его потенциальную энергию.
Это достигается благодаря флюгеру, который у всех есть наверху гондолы. Этот флюгер указывает системе управления, правильно ли расположен ротор против ветра.
Как ветер двигает лопасти?
Иногда трудно себе представить, как лопасти ветряка, нагруженные такими размерами и массой, могут качаться ветром с нормальными характеристиками. Причина в его форме, так называемом аэродинамическом профиле: Когда ветер дует перпендикулярно им, создается подъемная сила, вызывающая движение.
Как башня выдерживает такой большой вес?
Башня ветряной турбины — это конструктивный элемент, на котором крепятся ротор и гондола. Более того, он поддерживает всю силу ветра. Ключ в его конструкции и составе, так как он должен выдерживать вес до 15 взрослых слонов.
Знаете ли вы, как делаются лопасти ветряка?
СМ. ИНФОГРАФИКУ: Знаете ли вы, как делаются лопасти ветряной турбины? [PDF] Внешняя ссылка, открывается в новом окне.
Узнайте об этапах производства лезвий
Скрыть информацию
Какие материалы используются?
Большинство лопастей изготавливаются из полиэстера, армированного стекловолокном, или из эпоксидной смолы. В качестве армирующего материала также используется углеродное волокно или арамид (кевлар). В настоящее время возможно использование составы древесины, такие как древесно-эпоксидная смола или древесно-волокнистая эпоксидная смола, исследуется.
Как проводится техническое обслуживание?
Существует два типа обслуживания: профилактическое и корректирующее. Первый состоит из периодических проверок для определения состояния лопастей и выявления любых повреждений. Эти проверки производятся с использованием различных методов — с земли, с помощью высокоточных телеобъективов, подъема по лопастям с помощью канатов, кранов или подъемных платформ и дистанционно, с использованием дронов. Тем временем ремонтное обслуживание состоит из ремонт или реконструкция лопастей и гондол для исправления любых повреждений, которые появляются как на поверхности, так и внутри конструкции.
Как ремонтируются лезвия?
Лопасти ветряных турбин могут иметь трещины , повреждения, вызванные ударами молнии и птиц, или отверстия в передней или задней кромке, среди других повреждений. Ремонтные работы выполняются рабочими на высоте, которые свисают с лопастей на веревках или поднимаются к ним на подвесных платформах. В настоящее время изучаются альтернативные системы ремонта и очистки, такие как дроны, чтобы операторам не приходилось подниматься к турбинам.
Как решить, где установить ветряную электростанцию?
Чтобы проанализировать жизнеспособность проекта ветряной электростанции, необходимо провести оценку того, сколько ветряная электростанция будет производить в течение срока службы. Для достижения этого некоторые из основных критериев — это характеристики ветра, а также давление и температура воздуха. Измерительная кампания позволяет транслировать данные, полученные с четырех или пяти метеобашен, судя по нескольким годам (2-3) и на разной высоте 50 или 60 метров.
Этот сайт защищен reCAPTCHA, и к нему применяются Политика конфиденциальности и Условия обслуживания Google.
Как работает ветряная турбина — текстовая версия
Сила ветра
Ветряные турбины используют ветер — чистый, бесплатный и широко доступный возобновляемый источник энергии — для выработки электроэнергии. На этой странице представлена текстовая версия интерактивной анимации: Как работает ветряная турбина.
Как работает ветряная турбина
Ветряная турбина преобразует энергию ветра в электричество за счет аэродинамической силы лопастей ротора, которые работают как крыло самолета или лопасти винта вертолета. Когда ветер обдувает лопасть, давление воздуха на одной стороне лопасти уменьшается. Разница в давлении воздуха по обеим сторонам лопасти создает как подъемную силу, так и сопротивление. Подъемная сила больше, чем сопротивление, и это заставляет ротор вращаться. Ротор соединяется с генератором либо напрямую (если это турбина с прямым приводом), либо через вал и ряд шестерен (редуктор), которые ускоряют вращение и позволяют уменьшить физически размер генератора.
Этот перевод аэродинамической силы во вращение генератора создает электричество.
Как работает ветряная электростанция
Ветряные электростанции производят электроэнергию за счет множества ветряных турбин, расположенных в одном месте. На размещение ветряной электростанции влияют такие факторы, как ветровые условия, окружающая местность, доступ к линиям электропередач и другие факторы размещения. На ветряной электростанции коммунального масштаба каждая турбина вырабатывает электроэнергию, которая поступает на подстанцию, где затем передается в сеть, где питает наши сообщества.
Передача инфекции
Линии электропередач передают электричество высокого напряжения на большие расстояния от ветряных турбин и других генераторов энергии в районы, где эта энергия необходима.
Трансформеры
Трансформаторы получают электроэнергию переменного тока при одном напряжении и повышают или понижают напряжение для подачи электроэнергии по мере необходимости.
Ветряная электростанция будет использовать повышающий трансформатор для повышения напряжения (тем самым уменьшая требуемый ток), что снижает потери мощности, возникающие при передаче больших токов на большие расстояния по линиям электропередач. Когда электричество достигает сообщества, трансформаторы снижают напряжение, чтобы сделать его безопасным и пригодным для использования зданиями и домами в этом сообществе.
Подстанция
Подстанция соединяет систему передачи с системой распределения, которая поставляет электроэнергию населению. Внутри подстанции трансформаторы преобразуют электроэнергию с высокого напряжения в более низкое напряжение, которое затем может быть безопасно доставлено потребителям электроэнергии.
Башня ветряной турбины
Башня, изготовленная из трубчатой стали, поддерживает конструкцию турбины. Башни обычно состоят из трех секций и собираются на месте. Поскольку скорость ветра увеличивается с высотой, более высокие башни позволяют турбинам захватывать больше энергии и генерировать больше электроэнергии.
Ветры на высоте 30 метров (примерно 100 футов) и выше также менее турбулентны.
Направление ветра
Определяет конструкцию турбины. Ветряные турбины, подобные показанной здесь, обращены к ветру, а подветренные — в сторону. Большинство наземных ветряных турбин коммунального масштаба являются ветряными турбинами.
Флюгер
Флюгер измеряет направление ветра и сообщается с приводом рыскания, чтобы правильно ориентировать турбину относительно ветра.
Анемометр
Анемометр измеряет скорость ветра и передает данные о скорости ветра на контроллер.
Лезвия
Большинство турбин имеют три лопасти, изготовленные в основном из стекловолокна. Лопасти турбин различаются по размеру, но типичная современная наземная ветряная турбина имеет лопасти длиной более 170 футов (52 метра).
Самая большая турбина — морская ветряная турбина GE Haliade-X с лопастями длиной 351 фут (107 метров) — примерно такой же длины, как футбольное поле. Когда ветер обдувает лопасть, давление воздуха на одной стороне лопасти уменьшается. Разница в давлении воздуха по обеим сторонам лопасти создает как подъемную силу, так и сопротивление. Подъемная сила больше, чем сопротивление, и это заставляет ротор вращаться.
Наземная турбина с редуктором
Трансмиссия турбины с редуктором состоит из ротора, главного подшипника, главного вала, редуктора и генератора. Трансмиссия преобразует низкоскоростное вращение ротора турбины (лопасти и узел ступицы) с высоким крутящим моментом в электрическую энергию.
Гондола
Гондола находится на вершине башни и содержит редуктор, низкоскоростные и высокоскоростные валы, генератор и тормоз. Некоторые гондолы больше дома и для турбины с редуктором мощностью 1,5 МВт могут весить более 4,5 тонн.
Система рыскания
Привод рыскания поворачивает гондолу на ветряных турбинах, чтобы они оставались обращенными к ветру при изменении направления ветра. Для этого двигатели рыскания приводят в действие привод рыскания.
Ветряные турбины не требуют привода рыскания, потому что ветер вручную уносит ротор от него.
Система подачи
Система шага регулирует угол наклона лопастей ветряной турбины по отношению к ветру, контролируя скорость вращения ротора. Регулируя угол наклона лопастей турбины, система шага определяет, сколько энергии могут извлекать лопасти. Система шага также может «раскачивать» лопасти, регулируя их угол, чтобы они не создавали силы, которая могла бы вызвать вращение ротора. Оперение лопастей замедляет ротор турбины, чтобы предотвратить повреждение машины, когда скорость ветра слишком высока для безопасной работы.
Центр
Часть трансмиссии турбины, лопасти турбины входят в ступицу, соединенную с главным валом турбины.
Коробка передач
Трансмиссия состоит из ротора, главного подшипника, главного вала, редуктора и генератора. Трансмиссия преобразует низкоскоростное вращение ротора турбины (лопасти и узел ступицы) с высоким крутящим моментом в электрическую энергию.
Ротор
Лопасти и ступица вместе образуют ротор турбины.
Тихоходный вал
Часть трансмиссии турбины, низкоскоростной вал соединен с ротором и вращается со скоростью 8–20 оборотов в минуту.
Подшипник главного вала
Часть трансмиссии турбины, главный подшипник поддерживает вращающийся низкоскоростной вал и уменьшает трение между движущимися частями, чтобы силы от ротора не повреждали вал.
Высокоскоростной вал
Часть трансмиссии турбины, высокоскоростной вал соединяется с коробкой передач и приводит в движение генератор.
Генератор
Генератор приводится в движение высокоскоростным валом. Медные обмотки вращаются через магнитное поле в генераторе для производства электроэнергии. Некоторые генераторы приводятся в действие редукторами (показанными здесь), а другие представляют собой прямые приводы, в которых ротор присоединяется непосредственно к генератору.
Контроллер
Контроллер позволяет запускать машину при скорости ветра около 7–11 миль в час (миль в час) и выключает машину, когда скорость ветра превышает 55–65 миль в час. Контроллер выключает турбину при более высоких скоростях ветра, чтобы избежать повреждения различных частей турбины. Думайте о контроллере как о нервной системе турбины.
Тормоз
Турбинные тормоза не похожи на автомобильные тормоза. Тормоз турбины удерживает ротор от вращения после того, как он был отключен системой шага.
Как только лопасти турбины останавливаются контроллером, тормоз удерживает лопасти турбины в неподвижном состоянии, что необходимо для технического обслуживания.
Морская ветряная турбина с прямым приводом
Турбины с прямым приводом упрощают системы гондол и могут повысить эффективность и надежность за счет устранения проблем с коробкой передач. Они работают, соединяя ротор напрямую с генератором для выработки электроэнергии.
Морской флюгер и анемометр с прямым приводом
Флюгер измеряет направление ветра и сообщается с приводом рыскания, чтобы правильно ориентировать турбину относительно ветра.
Анемометр измеряет скорость ветра и передает данные о скорости ветра на контроллер.
Система рыскания с прямым приводом
Электродвигатели рыскания приводят в действие привод рыскания, который вращает гондолы ветряных турбин, чтобы они оставались обращенными к ветру при изменении направления ветра.
Лопасти генератора с прямым приводом
Большинство турбин имеют три лопасти, изготовленные в основном из стекловолокна. Когда ветер обдувает лопасть, давление воздуха на одной стороне лопасти уменьшается. Разница в давлении воздуха по обеим сторонам лопасти создает как подъемную силу, так и сопротивление. Подъемная сила больше, чем сопротивление, и это заставляет ротор вращаться. Лопасти турбины GE Haliade X имеют длину 351 фут (107 метров) — примерно такую же длину, как футбольное поле!
Система шага с прямым приводом
Система шага регулирует угол наклона лопастей ветряной турбины по отношению к ветру, контролируя скорость вращения ротора. Регулируя угол наклона лопастей турбины, система шага определяет, сколько энергии могут извлекать лопасти. Система шага также может «раскачивать» лопасти, регулируя их угол, чтобы они не создавали силы, которая могла бы вызвать вращение ротора.
Оперение лопастей замедляет ротор турбины, чтобы предотвратить повреждение машины, когда скорость ветра слишком высока для безопасной работы.
Концентратор прямого привода
Лопасти турбины вставляются в ступицу, соединенную с генератором турбины.
Ротор с прямым приводом
Лопасти и ступица вместе образуют ротор турбины.
Генератор с прямым приводом
Генераторы с прямым приводом не используют редуктор для выработки электроэнергии. Они генерируют энергию, используя гигантское кольцо постоянных магнитов, которые вращаются вместе с ротором, производя электрический ток, проходя через стационарные медные катушки. Большой диаметр кольца позволяет генератору создавать большую мощность при вращении с той же скоростью, что и лопасти (8–20 оборотов в минуту), поэтому ему не нужен редуктор, чтобы разогнать его до тысяч оборотов. в минуту требуют другие генераторы.
Контроллер прямого привода
Контроллер позволяет запускать машину при скорости ветра около 7–11 миль в час (миль в час) и выключает машину, когда скорость ветра превышает 55–65 миль в час. Контроллер выключает турбину при более высоких скоростях ветра, чтобы избежать повреждения различных частей турбины. Думайте о контроллере как о нервной системе турбины.
Тормоз с прямым приводом
Турбинные тормоза — это не автомобильные тормоза. Тормоз турбины удерживает ротор от вращения после того, как он был отключен системой шага. Как только лопасти турбины останавливаются контроллером, тормоз удерживает лопасти турбины в неподвижном состоянии, что необходимо для технического обслуживания.
Подшипник ротора прямого привода
Подшипник ротора поддерживает основной вал и уменьшает трение между движущимися частями, чтобы силы от ротора не повреждали вал.