Ряд компаний уклоняются от строительства ветроэнергетических установок в северных регионах, хотя там ветер дует с большой силой. Начнем с того, что погодные условия представляют собой титаническую проблему: аэродинамические свойства ухудшаются, когда на лопастях ротора образуется слой льда, когда температура опускается до минусовых значений в условиях ледяного шторма.
Турбины производят меньше энергии. Неумолимое перераспределение нагрузок нарушает общий баланс, что, кроме того, означает, что лопасти могут выйти из строя быстрее. Вдобавок к этому существует риск для безопасности, связанный с отламыванием сосулек. Когда возникает риск образования льда, операторы немедленно отключают системы.
Годовая выработка электроэнергии заметно уменьшается — скопления льда вызывают потери мощности от 14 до 20 процентов. Несмотря на огромный потенциал, ветряные турбины с меньшей вероятностью будут построены в регионах с холодным климатом.
Именно здесь вступает в действие проект ЕС «Windheat Project»: работая в сотрудничестве с шестью корпорациями из четырех стран ЕС, исследователи из Института производственной инженерии и автоматизации им. Фраунгофера в Штутгарте разрабатывают энергоэффективную систему обнаружения и защиты от обледенения ( или противообледенительная) для небольших ветряных электростанций. Таким образом следует избегать периодов простоев, связанных с погодными условиями.Покрытие из углеродных нанотрубок заставляет лед таять
Существующие системы защиты от обледенения являются энергоемкими, поскольку они должны нагревать всю лопасть ротора — независимо от того, действительно ли затронута вся лопасть. Но с «Windheat» партнеры по проекту идут другим путем: эта лопасть ротора разделена на множество зон, каждая из которых была покрыта углеродными нанотрубками (УНТ).
Затем отдельный детектор льда интегрируется в каждый отдельный слой УНТ. «Наше покрытие из углеродных нанотрубок нагревает только те зоны, которые фактически покрыты льдом. Это, прежде всего, края лопастей ротора», — говорит Энн Гертен, ученый из IPA.Эти крошечные чувствительные датчики постоянно измеряют температуру и влажность на поверхности, реагируют на малейшие колебания и обнаруживают замерзание воды. Если обнаружен лед, то в считанные секунды детекторы включают нагревательный элемент, который питает соответствующий слой УНТ.
Как только лед растает, нагрев автоматически отключается. «С помощью комбинации, состоящей из покрытия CNT и датчиков, мы можем нацеливать и нагревать обледеневшие зоны и, по сути, только тогда, когда это действительно необходимо», — добавляет Гертен. Цель проекта — повысить энергоэффективность не менее чем на 18 процентов с помощью этой стратегии защиты от обледенения.Слой УНТ толщиной всего несколько микрометров легко наносится на лопасть ротора.
Наносится методом напыления УНТ на самоклеящуюся полимерную пленку. Лак изолирует покрытие и дополнительно защищает его от влаги и механических воздействий.
Исследователи выбрали этот материал из-за его превосходных механических свойств. «В принципе, эти углеродные нанотрубки представляют собой обернутые слои графита, которые соприкасаются друг с другом в разных местах. В этих точках контакта электрический ток преобразуется в тепло», — объясняет исследователь.
Испытания в аэродинамической трубеКакие области лопастей ротора особенно подвержены образованию льда? В проекте они использовали компьютерное моделирование, чтобы понять это. Прежде всего, края лопаток оказываются невралгическими точками.
Исследователи IPA смогли подтвердить эти выводы в ходе испытаний в аэродинамической трубе. При минус 30 градусах Цельсия, во льду, дожде и при скорости ветра до 120 км / ч различные прототипы были испытаны в реальных условиях.
Помимо прочего, ученые оснастили лопасть ротора небольшого ветряного генератора покрытием УНТ. «Мы применили доступные материалы как для датчиков, так и для нагревательных элементов. Это важная предпосылка для того, чтобы сделать систему защиты от обледенения пригодной для серийного производства», — поясняет дипл. Инж. Саша Гетто, коллега Анны Гертен из IPA и исследователь, отвечающий за испытания в аэродинамической трубе. «Мы спроектировали и построили прототипы для небольших ветряных турбин, но они абсолютно подходят для высококлассной модернизации».
Гетто считает, что авиация также является потенциальной областью применения системы Windheat, которая может защищать крылья самолетов от обледенения.