Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт энергетики

Кафедра «Электроэнергетика и электротехника»

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Физико-химические основы материаловедения и технологии получения композитных материалов»

на тему: «Использование композиционных материалов при проектировании ветроэнергетических установок»

Выполнил: студент группы м-ЭЛЭТ-22

Бунтаков Д.В.

Проверил: Зав.каф. ЭЛЭТ., д.т.н., доцент

Калганова С.Г.

Содержание

композиционный материал ветроэнергетика сэндвич

Введение

1. Использование композиционных материалов при проектировании ветроэнергетических установок

1.1 Композиционные материалы, используемые в ветроэнергетике

1.2 Преимущества и сравнение механических характеристик композиционных материалов в ветроэнергетики

2. Патентный поиск

2.1 Композиционный материал для сэндвич-структур и облегченная лопасть ветрогенератора на их основе

Заключение

Список используемой литературы

Введение

В данном реферате описаны преимущества использования композиционных материалов при проектировании ветроэнергетических установок, рассмотрены основные виды композитов. Приведены данные о практическом применении композиционных материалов в ветроэнергетике.

Основной целью данного реферата 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.

1. Использование композиционных материалов при проектировании ветроэнергетических установок

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 проектировании ветроэнергетических 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.

1.1 Композиционные материалы, используемые в ветроэнергетике

Самым распространенным материалом, используемым при изготовлении турбин и лопастей несущего винта, является стекловолокно (рис 1).

Рисунок 1 Лопасть несущего винта ветрогенератора изготовленный из стекловолокна

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.

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 (рис 2.) производятся двумя различными способами.

Рисунок 2 Карбоновое волокно

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 [1].

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 [1].

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. 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) [2].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. 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 [2].

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 (рис 3.).

Рисунок 3 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%) [3].

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.

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.

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

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 [4]. 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 эпоксидов, 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 [5].

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.

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 [6].

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.

Уже к 2010 году, использовалось более 100 комплектов бамбуковых лопастей. 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.

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.

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

Арамидные волокна (рис. 4.) среди всех органических волокон имеют наиболее высокие рабочие характеристики.

Рисунок 4 Арамидные волокна

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 удлинением при разрыве, отличной термостойкостью, постоянством размеров, огнестойкостью [7, 8].

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.

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

1.2 Преимущества и сравнение механических характеристик композиционных материалов в ветроэнергетики

Каждый из представленных материалов имеет свои преимущества и недостатки.

Стеклянные волокна имеют хорошую комбинацию свойств: умеренную жесткость, высокую прочность, а также умеренную плотность.

Карбоновое волокно имеет высокую степень анизотропии, как в механических свойствах, так и при тепловом расширении.

Базальтовое волокно имеет превосходные данные по прочности, стойкости к разрушениям и имеет хорошие амортизирующие характеристики.

Лопасти из бамбукового волокна имеют достаточно хорошие характеристики, включая высокую прочность, хорошую коррозионную стойкость, высокую стойкость к трению, плотность, твердость и устойчивость к климатическим воздействиям.

К преимуществам арамидных волокон можно отнести устойчивость к высоким температурам, органическим растворителям, нефтепродуктам.

Преимуществом термопластов является возможность вторичного использования.

Преимущество реактопластов в низкой температуре отверждения и низкой вязкости.

В довершение сравним основные механические характеристики волокон.

Таблица 1

Механические характеристики волокон

2. Патентный поиск

2.1 Композиционный материал для сэндвич-структур и облегченная лопасть ветрогенератора на их основе

Авторами [10] предложено технология 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.

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 сверх высокомолекулярного 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.

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 [10].

Рисунок 1 Облегченная лопасть ветрогенератора на основе композиционного материала: 1 - толщина стенки внешней оболочки; 2 - перегородочный лист композиционного материала; 3 - первый слой сотового наполнителя; 4 - второй слой сотового наполнителя; 5 - многослойная полимерная композиционная сотовая конструкция; 6 - перегородочный лист с нанесенным полиуретановым клеевым составом

Заключение

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 [9].

Список используемой литературы

1. Беркович, А. К. Синтез полимеров на основе акрилонитрила. Технология получения ПАН и углеродных волокон. Учеб. пособие для студентов по специальности «Композиционные наноматериалы» / А. К. Беркович, и [др.]. Москва: Химлит., 2010. 63 с.

2. Wind turbine blades: Glass vs. carbon fiber / http://www.compositesworld.com/articles/wind-turbine-blades-glass-vs-carbon-fiber // Дата обращения: 19.12.2022 г.

3. Ильиных, Е. Л. Углерод-углеродные композиционные материалы и технология изготовления излучателей из углерод-углеродных композиционных материалов // Е. Л. Ильиных. Аэрокосмическая техника: высокие технологии и инновации. Том 1, 2015. 170 с.

4. Ершов, О. В. Современные композиционные материалы на основе полимерной матрицы / О.В. Ершов и [др.]. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований, 2015. 18 с.

5. Лизунов, Д. А. Высокопрочные углепластики на основе эпоксидосодержащих олигомеров / Д.А. Лизунов и [др.]. Успехи в химии и химической технологии. Том 28, 2014. 44 с.

6. Чернышов, Е. А., Современные технологии производства изделий из композиционных материалов / Е. А. Чернышов, А. Д. Романов. Современные наукоемкие технологии, 2014. 51 с.

7. Ибатуллина, А. Р. Свойства материалов на основе арамидных волокон и область их применения / А.Р. Ибатуллина. Казань: КПФУ, 2015. 172 с.

8. Ибатуллина, А. Р. Внедрение обработки высокочастотной плазмой пониженного давления в технологический процесс получения арамидных волокон / А. Р. Ибатуллина, Е. А. Сергеева. Казань: КПФУ, 2012. 118 с.

9. Соловьева, А. А. Использование композиционных материалов при проектировании ветроэнергетических установок / А. А. Соловьева, К. С. Кулак, Е. Ю. Артамонова. Молодой ученый, 2016. 54 c.

10. Патент 2 680 510 Российская Федерация, Композиционный материал для сэндвич - структур и облегченная лопасть ветрогенератора на их основе / Э.О. Фенюк; патентообладатель Э.О. Фенюк; заявка 2016145378 от 18.11.2016; опубликован 21.02.2019; Бюл. №. 15. www.fips.ru.

Размещено на Allbest.ru