Ветровые турбины подают в сеть экологически чистую электроэнергию. Чтобы снизить их вес, большинство больших лопастей ротора изготавливаются из пластика, армированного волокном.
В настоящее время эти материалы редко перерабатываются, отчасти потому, что это очень сложно сделать. Поэтому исследователи из Института станков и технологий формовки им. Фраунгофера IWU в Хемнице сосредоточили свое внимание на металле, и особенно на стали, в качестве материала для лезвий. В небольших установках больший вес стальных лопастей не имеет значения; по мере увеличения размеров установок можно использовать легкие сплавы для снижения веса лопастей.
Сотрудничая с коллегами из Брюссельского свободного университета (VUB) в проекте HyBlade, Fraunhofer IWU разрабатывает необходимую аэродинамику, а также необходимые производственные цепочки.Производство стальных лезвий дает множество преимуществ. «Во-первых, это делает турбины значительно более экологичными, поскольку более 90 процентов стали можно перерабатывать, поэтому использование металлических лопастей ротора делает ветроэнергетику по-настоящему экологически чистой», — объясняет Марко Прол, исследователь из IWU. «Более того, по сравнению с аналогичными лопастями, изготовленными из армированного волокном пластика, стоимость серийного производства лопастей ротора снижается на целых 90 процентов — и лопасти могут изготавливаться более точно».
Металлические лезвия также можно изготавливать быстрее. При условии, что процессы выполняются параллельно — например, когда новый металлический лист подается в производственную линию, как только первая лопасть завершит первый этап процесса — тогда готовая лопасть ротора скатывается с конвейерной ленты примерно каждые 30 секунд.
В случае пластиков, армированных волокном, этот процесс обычно занимает несколько часов.Подходит для крупномасштабных и автоматизированных производственных процессовОсновная причина этих различий кроется в производственном процессе. Лезвия из армированного волокном пластика часто требуют значительной ручной обработки: сначала для лезвий необходимо изготовить подходящую форму.
В зависимости от варианта производства рабочие укладывают волокнистые маты в этой форме, вводят смолу и оставляют компонент для затвердевания на несколько часов в печи. Это дает две половинки оболочки; как только их края будут обрезаны, половинки можно склеить.
Эти этапы можно выполнять одновременно, как при изготовлении лезвий из листового металла, но это не делает их быстрее. Потребовались бы десятки параллельно работающих установок, чтобы производить пластиковые лопасти с такой же скоростью, что и металлические.Напротив, производство металлических роторов легко автоматизировать: процессы аналогичны процессам в автомобильной промышленности, что означает, что они подходят для серийного производства.
Исследователи начинают с плоского металлического листа, который они складывают с помощью гибочного штампа, чтобы придать ему типичную форму лезвия. Затем они сваривают края лазером, чтобы сформировать замкнутый профиль. Поместив предварительно сформованную деталь в инструмент желаемой окончательной формы, исследователи затем закачивают многоразовую водно-масляную смесь внутрь лезвия и подвергают ее давлению в несколько тысяч бар. Это эквивалентно давлению под водой на глубине многих тысяч метров.
Это эффективно раздувает лезвие, придавая ему окончательную форму. «Тот факт, что мы формируем лезвие изнутри, позволяет нам компенсировать любые неточности на предыдущих этапах», — объясняет Проль. «Геометрия получается идеальной после первого этапа производства, когда лезвия соответствуют профилю потока, фрезерованному в инструменте с точностью до 0,1 миллиметра».Исследователи уже создали лезвие шириной 15 сантиметров и длиной 30 сантиметров, используя его для оптимизации отдельных этапов обработки.
Их следующим шагом будет производство целого ротора для турбины с вертикальной осью, с лопастями длиной 2,8 метра и диаметром 2 метра. После того, как он будет установлен на полигоне для испытаний малых ветряных турбин на бельгийском побережье, он будет подвергнут испытаниям.