Использование композиционных материалов при проектировании ветроэнергетических установок



Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-08-00243 а

В статье описаны преимущества использования композиционных материалов при проектировании ветроэнергетических установок, рассмотрены основные виды композитов. Приведены данные о практическом применении композиционных материалов в ветроэнергетике. Основной целью данной статьи является выбор соответствующих композиционных материалов для производства лопастей турбин, которые менее склонны к повреждениям и дефектам, при этом имеют малую плотность и высокую жесткость. Проведен анализ основных характеристик и свойств композиционных материалов. Обобщая результаты сравнения свойств композитов, выявлен оптимальный материал для производства элементов ветрогенераторов.

Ключевые слова: композиционные материалы, ветроэнергетика, лопасти турбин, карбоновое волокно.

Использование энергии ветра – одно из перспективных направлений современной энергетики. К началу 2016 года общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила 432 ГВт. Несмотря на это, с момента появления, ветроэнергетике приходится бороться, чтобы конкурировать с другими формами выработки электроэнергии. Борьба сводится к необходимости улучшить экономику ветровой энергии за счет увеличения захвата энергии. Мощность ветрогенератора зависит от площади, ометаемой лопастями генератора, и высоты над поверхностью. Таким образом, необходимость увеличения мощности приводит к росту размера турбин и лопастей несущего винта, а, следовательно, к увеличению веса всей системы. В настоящее время новые композиционные материалы получили широкое распространение при проектированииветроэнергетических установок, которые позволяют увеличивать площади лопастей без дополнительного увеличение веса лопастей и системы в целом, а также уменьшить возможность раннего старения, обвала и продлевают жизнь лопастей [1].

Самым распространенным материалом, используемым при изготовлении турбин и лопастей несущего винта, является стекловолокно. Стекловолокно обычно состоит из SiO₂, Al₂O₃, и содержит немного других оксидов. Si и O не образуют кристаллическую решетку, и поэтому стекловолокно является аморфным с изотропными свойствами, такими как жесткость и термическое расширение. Существует несколько видов стекловолокна: E-стекло, S-стекло, S2-стекло, R-стекло. Стеклянные волокна имеют диаметр в интервале от 10 до 20 мкм и изготовлены из расплавленного стекла, путем вытягивания волокон через фильеры в пучки. Число отдельных волокон в пучке колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч. Их поверхности, обычно, покрыты с полимерной пропиткой, как правило, силанового соединения, для защиты волокна от трещин и воды и пропиткой многокомпонентного соединения, предназначенной для улучшения соединения стеклянной поверхности с полимерной матрицей. Таким образом, улучшаются свойства композита. Стеклянные волокна имеют хорошую комбинацию свойств: умеренную жесткость, высокую прочность, а также умеренную плотность [2].

Для создания длинной лопасти малого веса, появилась идея преобразования лопасти из е-стекла в более жесткое и легкое карбоновое волокно, не смотря на его дороговизну.

Карбоновое волокно состоит из почти чистого углерода, который образует кристаллическую решетку шестиугольной формы, называемой графитом. Атомы удерживаются сильными ковалентными связями внутри шестиугольника, а связи между плоскостями шестиугольника являются слабыми. Это также подразумевает высокую степень анизотропии, как в механических свойствах, так и при тепловом расширении.

Карбоновое волокно производятся двумя различными способами.

В первом и наиболее распространенном методе используется полиакрилонитрил (ПАН). Прядильный раствор окисляется, растягивается, и, наконец, подвергается термообработке при температуре от 1500 до 2500°C. Таким образом, по мере продвижения прядильного раствора, растворитель из него удаляется, и формируется твердое волокно [3].

Второй способ основывается на использовании натуральных смол, которые содержат графитовые блоки. Различные этапы обработки приводят к получению волокна через фильеры, которые обеспечивают выравнивание плоскостей графита и, таким образом, достигаются требуемые свойства волокна [3].

Оба способа включают довольно дорогое сырье, а также многочисленные и дорогостоящие этапы обработки. В последнее время производится поиск более дешевого сырья, например, лигнина из биомассы, а также рассматриваются методы обработки, с меньшим количеством этапов обработки [4].

Такие крупные компании как Vestas Wind Systems и Gamesa Technology Сorporation разработали свои турбины с использованием карбонового волокна и, в силу этого, вся стоимость системы меньше, чем система с полностью стекловолоконными лопастями. Стоит отметить, что плотность карбонового волокна (1,7-1,8 г/см³) много меньше, чем плотность стекловолокна (2,5 г/см³), при этом его давление (220-240 ГПа) гораздо больше, чем у стекловолокна (72 ГПа) [5].Таким образом, становится возможным изготовление более тонких лопастей. Более тонкие, а соответственно более легкие лопасти требуют менее надежные турбины и компоненты башни, поэтому экономия на каскад оправдывает дополнительные затраты на углерод [2]. Это позволило увеличить КПД турбины. Например, переход на карбоновое волокно позволило Vestas, на начальном этапе, чтобы добавить 5 м / 16 футов в длину лопасти без дополнительного утяжеления. Турбина Vestas V112-3MW предназначена для низкого и среднего ветра и имеет длину лопасти 54,6м / 179-футов. Эти лопасти имеют такую же ширину, как 4 м / 144-футовых лопасти компании, но их площадь составляет на 55 процентов больше. В результате выходная энергия значительно выше [5].

Совсем недавно, GE Energy (Greenville) представив лопасти нового поколения из карбонового волокна, лопасти имеют длину 48,7 м / 160 футов для турбин 1,6-100. Старший ведущий инженер энерго-производственных технологий GE, отметил, что при большей автоматизации и совершенствования производственных процессов из углеродного волокна, приведет к увеличению длины лопасти в системе 1,6 МВт, что позволит увеличить КПД системы. Решение компании GE поставить ротор диаметром 100 метров [328 футов] на турбине 1,6 МВт обратило внимание многих компаний в отрасли ветроэнергетики.

Помимо карбонового, как альтернатива стекловолокну, представляет интерес базальтовое волокно. Базальтовое волокно – это материал, который получают из природных минералов путём их плавки и преобразования в волокно без использования химических добавок. Сырьем для производства базальтовых волокон являются базальтовые горные породы, их химический состав в процентном соотношении от массы: SiO₂ (48,78 %); TiO₂ (1,3%); Al₂O₃ (15,8%); Fe₂O₃(5,37%);+ FeO (6,34%); MnO (0,25-0,5%); MgO (3,0-8,5%); CaO (7-11,0%); Na₂О (2,7-7,5%); К₂О (2,5-7,5%); P₂O5 (не более 0,5%); SO3 (не более 0,5%); прочие породы (не более 5%) [6].

Различают два основных типа базальтового волокна — штапельное и непрерывное. Базальтовое непрерывное волокно получают путем вытяжки из базальтового расплава с одновременной обработкой первичной нити специальными замасливателями, для придания нити эластичности и совместимости с различными видами смол: эпоксидными, эпоксифенольными, фенолформальдегидными. Изготовление штапельных волокон производится из расплава, имеющего вязкость при 1400 °С менее 90 П и верхний предел кристаллизации 1250 °С методом вертикального раздува воздухом [4].

Базальтовое волокно имеет хорошие механические свойства. Оно на 30 % жестче, на 15-20 % прочнее и на 8-10 % легче, чем стекловолокно, при этом оно намного дешевле, чем карбоновое. Преимущества использования базальтового волокна вместо стеклянного в том,что оно имеет превосходные данные по прочности, стойкости к разрушениям и имеет хорошие амортизирующие характеристики. Следовательно, базальтовое волокно следует предпочитать стеклянному [7].

Как правило, природные полимерные композиты изготовлены с использованием тех же методов обработки, которые используются для обычных синтетических волокон, армированных полимерным композиционным материалом [8].

Из-за необходимости снижения веса лопастей при сохранении основных характеристик были разработаны матричные материалы. Благодаря этому изобретению стало возможным контролировать вязкость, расслаивание, разрушение материала, а также влиять на продолжительность жизни композита. Существует два вида матриц это реактопласты и термопласты [9]. И те, и другие считаются довольно мягкими и гибкими (жесткость менее 4 ГПа). Жесткость и деформация при разрушении умеренна 5-8%. Матрицы вызывают прочность в композитах, в частности с помощью механизмов, поглощающих энергию.

Реактопласты представляют собой разновидность эпоксибов, полиэстеров и винилистеров. Все они имеют значения жесткости 3-4 ГПа и плотность 1,1-1,3 г / см³. Реактопласты состоят на 80 % из армирующего полиэстера. Преимущество реактопластов в низкой температуре отверждения и низкой вязкости. Таким образом достигается лучшая пропитка и сцепление. Ввиду сравнительно небольшой стоимости реактопластов и несложного технологического процесса производства, они являются более надежными и долговечными материалами [10, 7, 11].

Термопласты представляют интересную альтернативу реактопластам. Их важным преимущество является возможность вторичного использования. Отрицательным качеством термопластов в сравнении с реактопластами является необходимость применения высоких температур при производстве, сложность построения длинных и тонких элементов из-за его высокой вязкости [4].

Синтетические волокна, такие как стекло и углерод не поддаются биологическому разложению в природе и, следовательно, представляют собой серьезную угрозу для экологической системы. Экологические проблемы привели к развитию и использованию натуральных волокон, таких как бамбуковое волокно и биокомпозиты [12, 13].

Бамбуковое волокно, это слоистый материал, который формируется из блоков деревянного шпона смоченного бамбуковой смолой, далее подложка из прямоугольных панелей отправляется под горячее прессование. В качестве сырья для получения бамбукового волокна используется бамбук небольшого диаметра; при этом содержание бамбука в волокне может достигать более 90%. По сравнению с лопастями из стекловолокна, лопасти из бамбукового волокна на 10% легче. Стоимость лопастей из этого волокна на 15% ниже, чем из стекловолокна. Бамбуковые лопасти имеют достаточно хорошие характеристики, включая высокую прочность, хорошую коррозионную стойкость, высокую стойкость к трению, плотность, твердость и устойчивость к климатическим воздействиям [7].

Уже к 2010 году, использовалось более 100 комплектов бамбуковыхлопастей. Ветровыелопасти прошли статическое испытание на 2МВт, 2,5 МВт, 3МВт. Бамбуковые лопасти находятся в стадии усовершенствования для выхода на мировой рынок в качестве промышленной технологии производства лопастей для ветрогенераторов. Поскольку бамбуковое волокно имеет достаточно хорошее соотношение цены, производительности, а также преимущества в сохранении окружающей среды, такой композитный материал будет постепенно заменять древесину и стекловолоконные материалы [12].

Биокомпозиты представляют собой натуральные волокна, в основе которых биоразлагаемые или нефтяные матрицы, не поддающиеся биохимическому разложению полимера. Когда натуральные волокна армируют не поддающейся биохимическому разложению полимерной матрицей, волокно становится частично биоразлагаемым композитом. Когда полимерный композиционный материал изготавливают путем усиления натуральных волокон биоразлагаемым полимером, его называют полностью биоразлагаемым или зеленым композитом. Существуют различные полимеры, в основе которых возобновляемые материалы, которые полностью биоразлагаемы как поли молочная кислота, сложные эфиры целлюлозы, поли гидроксильные -бутираты и пластики на основе крахмала. Экологически чистые материалы, таких как биокомпозитные материалы важны для обеспечения решения проблем, связанных с загрязнением окружающей среды традиционными материалами [12].

Помимо вышеперечисленного перспективного материала, для производства композитов являются арамидные волокна.

Арамидные волокна среди всех органических волокон имеют наиболее высокие рабочие характеристики. К их преимуществам можно отнести устойчивость к высоким температурам, органическим растворителям, нефтепродуктам. В сравнении с углеродными и стеклянными волокнами арамиды менее хрупкие. Они отличаются прочностью при растяжении, высоким модулем упругости, относительное низким удлинениемпри разрыве, отличной термостойкостью, постоянством размеров, огнестойкостью [14, 15, 7].

Несмотря на вышеперечисленные высокие механические свойства сами по себе арамиды не гарантируют наличия у композитов, изготовленных на их основе, высоких механических свойств.

Технологический процесс создания композита является довольно трудоемким и требует не малых затрат, так как необходимо создание определенных условий (высоких давлений и температур), что в свою очередь подразумевает потребность конструирования или закупа объемного, сложного и дорого оборудования [16].

Необходимость создания специальных условий в рабочей области производства композитных материалов связана с низкой проникающей способностью матрицы в армирующий материал.

Каждый из представленных материалов имеет свои преимущества и недостатки. В довершение сравним основные механические характеристики волокон.

Таблица 1

Механические характеристики волокон

№ п/п	Материал	Плотность	Жесткость
1	Карбоновое волокно	1.7-1.8 г/см3	350 ГПА
2	Стеклянное волокно	2,5 г/см3	72 ГПА
3	Базальтовое волокно	2 г/см3	93 ГПА
4	Бамбуковое волокно	0,8-1,2 г / см3	75 ГПА
5	Арамидное волокно	1,4-1,5 г / см3	120 ГПА
6	Термопласты	0,8-1,3 г / см3	3-4 ГПА
7	Реактопласты	1,1-1,3 г / см3	3-4 ГПа

Вывод. Использование композитных материалов при проектировании ВЭУ, в частности лопастей турбин позволяет им выдерживать более сильные нагрузки и сезонные изменения погоды. В производстве лопастей турбин используют новые композиционные материалы, такие как стекловолокно, карбоновое волокно, базальтовое волокно, бамбуковое волокно, арамидное волокно и другие.

Можно подытожить, что карбоновое волокно имеет более высокие характеристики, чем другие волокна, но оно очень дорогое. Экономически не выгодно использовать карбоновое волокно все время. Вместо него есть более дешевое и доступное волокно, обладающее почти такими же свойствами, как и карбоновое, а в некоторых аспектах даже лучше. Данное волокно называется базальтовым. Бамбуковый композиционный материал так же находит применение, оно дешевле и более экологичное. Для удовлетворения потребностей и экономии нужно продолжать дальнейшее изучение и исследование этой области.

Литература:

1. Watson C. J. Composite Materials for Wind Blades // Wind Systems. – 2010. – Vol.66. – С. 46-51.
2. Beauson J., Bech J. I., Brøndsted P. Composite recycling: Characterizing end of life wind turbine blade material // Proceedings of 19th International Conference on Composite Materials. – 2014. – 8 с.
3. Беркович А. К., Сергеев В. Г., Медведев В. А. и др. Синтез полимеров на основе акрилонитрила. Технология получения ПАН и углеродных волокон. Учеб. пособие для студентов по специальности «Композиционные наноматериалы» / под общ. ред. В. В. Авдеева. – Москва: Химлит., 2010. – 63 с.
4. MishnaevskyL.Jr. Composite materials in wind energy technology // Encyclopedia of Life Support Systems. – 2013. – 11 с.
5. Wood K. Wind turbine blades: Glass vs. carbon fiber // Composites World. URL: http://www.compositesworld.com/articles/wind-turbine-blades-glass-vs-carbon-fiber (дата обращения: 6.10.2016).
6. Ильиных Е. Л. Углерод-углеродные композиционные материалы и технология изготовления излучателей из углерод-углеродных композиционных материалов // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации. Том 1. – 2015. – С. 166-170.
7. Ramkrishna R. G. Comprehensive study of composite materials used in wind turbine blades // International Journal of Latest Trends in Engineering and Technology. – 2015. – №.6. – С. 146-155.
8. Miller D. Performance of Composite Materials Subjected to Salt Water Environments / D. Miller, J.F. Mandell, D.D. Samborsky, B.A. Hernandez-Sanchez, D.T. Griffith // AIAA SDM Wind Energy Session. – 2012. – 13 с.
9. Ершов О. В., Ивановский С. К., Чупрова Л. В., Бахаева А. Н. Современные композиционные материалы на основе полимерной матрицы // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – №4-1. – С.14-18.
10. Лизунов Д. А., Водовозов Г. А., Ивашкина В. Н., Осипчик В. С. Высокопрочные углепластики на основе эпоксисосодержащих олигомеров // Успехи в химии и химической технологии. Том 28. – 2014. – №3. – С. 42-44.
11. Brondsted P. Composite materials for wind power turbine blades / P. Brondsted, H. Lilholt, A. Lystrup // Annual Reviews Materials Research. – 2005. – №35. – С. 505-538.
12. Brondsted P., Mikkelsen L. P. Challenges Testing Composite Materials for Wind Turbine Blades // Abstracts. Indo-Danish Workshop On Future Composites Technologies for Wind Turbine Blades. – 2012. – 51 с.
13. Чернышов Е. А., Романов А. Д. Современные технологии производства изделий из композиционных материалов // Современные наукоемкие технологии. – 2014. – №2. – С. 46-51.
14. Ибатуллина А. Р. Свойства материалов на основе арамидных волокон и область их применения // Вестн. Казанского ун-та. Том 18. – 2015. – №2. – С. 270-272.
15. Ибатуллина А. Р., Сергеева Е. А. Внедрение обработки высокочастотной плазмой пониженного давления в технологический процесс получения арамидных волокон // Вестн. Казанского ун-та. Том 15. – 2012. – №14. – С. 115-118.
16. Aymerich F. Composite materials for wind turbine blades: issues and challenges // Materials of presentation. – 2012. – 105 с.