Иновации в роторните лопатки

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 3, 2013

Европейските цели за използване на енергия от възобновяеми източници и развитието на офшорните пазари продължават да стимулират производителите на вятърни генератори да създават все по-големи турбини с по-голяма изходна мощност. Някои от работещите в момента конструкции са с диаметър на ротора над 150 м. Роторните лопатки заемат около 20-25% от общата стойност на турбината, което повишава изискванията към тях по отношение на максимална ефективност, дълъг експлоатационен живот с минимална поддръжка и оптимално съотношение цена - производителност. За целта производителите непрекъснато развиват методите за производство на лопатките и интегрираните в процеса технологии.

Като цяло тенденциите са насочени към увеличаване на диаметъра на ротора и създаване на все по-устойчиви материали за изработката на лопатките. Специалисти прогнозират, че тази насока на развитие ще продължи и през следващото десетилетие. Причината е, че макар големите вятърни турбини да са по-скъпи за инсталиране и експлоатация от малките, общата себестойност на киловатчас произведена електроенергия намалява с увеличаване на размера на вятърните турбини.

Очаква се ветрогенераторите, разработени и инсталирани през следващите 10-15 години, да достигнат диаметър на ротора от 180-200 м. Това, от своя страна, ще наложи създаването на нови конструктивни решения и материали, тъй като използваните до момента не позволяват производството на роторни лопатки и други компоненти на турбината с подобни размери. Увеличаването на диаметъра на ротора неизбежно води до нарастване на натоварването върху вятърната турбина.

Очаква се това натоварване да доминира над натоварването от вятъра и да доведе до значително увеличение на теглото и себестойността на роторната система. Също така при по-висока линейна скорост на върховете на роторните лопатки при голямогабаритните океански вятърни турбини има опасност от огъване на дългите лопатки и е необходимо да се увеличи гъвкавостта им. Разработките в тази насока са свързани със създаването на нови материали с по-висока якост.

За изработката на съвременните лопатки основно се използват армирани композити от фибростъкло и специални смоли. За да намалят теглото и да увеличат якостта на големите пропелери, някои производители използват при изработката им въглеродни влакна.

Увеличените диаметри налагат монтирането на осите на роторите високо над терена - 50-70 и повече метра, което утежнява и, съответно, оскъпява цялата конструкция, въпреки че във височина скоростта на вятъра е чувствително по-висока. Наред с оскъпяването на самите компоненти на ветрогенератора се утежнява и неговото изграждане и монтаж.

Въпреки това производителите на ротори се придържат към тенденцията за увеличаване на дължината на роторните лопатки, опитвайки да се справят с все още нерешените докрай физически, технологични, механични и аеродинамични проблеми с високите периферни скорости поради големите роторни диаметри, при което и загубите на енергия са големи.

В опит да решат някои от тези проблеми конструкторите намаляват оборотите на турбината до няколко десетки в минута, изработват стесняващи се периферии на лопатките, за да се намаляват загубите, но по този начин и въртящият момент става по-малък. Това може да се компенсира чрез увеличаване на мощността за сметка на ограничено повишаване на оборотите, но това на свой ред увеличава периферната скорост.

Интелигентни лопатки с активно управление

Производителите разработват роторни лопатки с все по-сложен дизайн. Ключови аспекти в производството са здравината, устойчивостта на натоварвания и влиянието им върху производителността на турбината. Повечето от съвременните ветрогенератори имат вградена функция за управление на ъгъла на лопатките спрямо посоката на вятъра (pitch control), позволяваща при по-слаб вятър лопатките да се обръщат в посока, в която го улавят максимално. На базата на измерения ъгъл на работните лопатки системата, регулираща стъпката им (pitch drive) и системата за ориентация на ротора (azimuth drive), осигуряват експлоатация на ветрогенератора в границите на определения работен обхват.

Според специалистите по-бърза реакция би могла да бъде постигната, ако самата перка на ротора се извие, когато натоварването върху нея се повиши. Това може да се постигне, ако перките на турбините бъдат разработени с известна извивка. Друго възможно решение е ориентирането на съставляващите перката влакна по начин, който да позволява лесно усукване при натоварване от вятъра. Като тенденция се очертава разработката на интелигентни перки с активно управление, които самостоятелно да могат да променят своите аеродинамични характеристики в съответствие с измерените товари.

Материали за изработка на лопатките

Неотдавна като алтернатива на фибростъклото за изработка на роторни лопатки се появиха въглеродните влакна. Те дават отлични характеристики за издръжливост, висока якост на опън и много добри свойства при продължителна експлоатация. Въглеродното влакно се изработва от полиакрилонитрил (PAN) и се отличава с много висок модул на еластичност (модул на Юнг), напълно съизмерим с този на стоманата. При някои разновидности издръжливостта му достига показатели от порядъка на 700 тона на квадратен милиметър. В същото време е средно четири пъти по-лек от стоманата и с 40% по-лек от алуминия.

Прилагането на въглеродните влакна в роторните лопатки обаче е възпрепятствано от високите разходи за материали и по-високите изисквания към процеса на производство. Като вариант се изследва комбинацията от стъклени и въглеродни влакна, за да се получи композитен хибрид, комбиниращ свойствата на двата компонента.

Други производители експериментират с текстилни материали за перките на вятърните турбини. Според тях с този дизайн на роторните лопатки цената на вятърната енергия ще спадне с 25 до 40%, което е нова стъпка за повишаване на конкурентоспособността на вятърната енергетика. Създадените от тях тъкани ще бъдат здрави, гъвкави, лесни за монтаж и поддръжка. Те ще се опъват около метална рамка, разположена по дължината на лопатката.

Напредъкът в технологията и дизайна на витлата на вятърните турбини ще допринесе за изработването на много по-големи и по-леки вятърни турбини, които могат да оползотворяват енергията на вятъра при ниски скорости. С днешните технологии издигането на турбина с размери на ротора над 120 метра е истинско предизвикателство, поради ограниченията на дизайна, производството, монтажа и транспорта. Формите за изработка на частите от фибростъкло струват милиони, а широките и дълги елементи са изключително трудни за транспортиране.

Всички тези бариери ще бъдат преодолени с новата технология, твърдят производителите. Като допълнително предимство на новия дизайн те посочват, че компонентите могат да се изграждат и асемблират на самото място, където ще бъде издигната вятърната турбина. Предвидено е новите роторни лопатки да имат трайност 20 години.

На пазара се появиха и роторни лопатки, изработени от епоксидна смола.

Конструкцията се състои от слепени тъкани от стъклени и въглеродни влакна, в които под вакуум се инжектира епоксидната смола. Получената структура осигурява стабилност и гъвкавост, като в същото време перките са тънки и леки, защото остават кухи. Според производителите производственият процес на големи роторни лопатки може да бъде ускорен с до 30% чрез новата технология.

Сегментирани роторни лопатки

Производството и транспортирането на големите роторни лопатки утежнява допълнително себестойността на турбината, поради което много производители започнаха да разработват нов дизайн на сегментирани роторни лопатки. Разделените на части лопатки изискват по-лесно производство, транспорт и монтаж, което открива и нови възможности за създаване на производствени предприятия в близост до бъдещи вятърни паркове.

Много компании също експериментират с формата на роторните перки за постигане на по-голяма ефективност и подобряване на рентабилността. Дизайн, който увеличава изходната мощност с 1.5%, е достатъчен да осигури енергия на допълнителни 2500 домакинства, твърдят новаторите.

Защитни покрития за роторните лопатки

Вятърните лопатки са изложени целогодишно на неблагоприятни атмосферни влияния, като сняг, дъжд, UV радиация, екстремни температури и др. С цел удължаване на експлоатационния им живот все повече фирми започнаха производството на защитни покрития за повърхността на лопатките. Разработените технологии се базират на различни материали на акрил-полиуретанова основа, флуор-полимери, епоксидни смоли и др. Предлагат се и различни противообледенителни покрития, които ефективно предотвратяват образуването на лед по роторните лопатки.


Top