Главная » Исследования » Использование базальтовых композитов в производстве лопастей для ветровых установок
Тема ветроэнергетики на выставке Composites Europe 2015.
Тема ветроэнергетики на выставке Composites Europe 2015. Источник: k-zeitung.de

Использование базальтовых композитов в производстве лопастей для ветровых установок

Согласно отчету Европейской ассоциации ветровой энергетики (EWEA), совокупная мощность ветровых электростанций на европейском континенте составила почти 129 ГВт, что на 9,7% выше показателей предыдущего года. Эти цифры показывают устойчивую динамику в отрасли, ежегодный прирост мощностей в которой составляет в среднем 9,8%, начиная с 2000 года.

Лидером ветроэнергетики в Европе является Германия, а мировая пальма первенства принадлежит Китаю, где в 2014 году суммарные установленные мощности достигли 115 ГВт (данные Глобального ветроэнергетического Совета GWEC). Неудивительно, что оборудование для ветровых установок становится темой исследований ученых, занимающихся базальтовыми композитами.

В июне 2014 года группа исследователей из технологического университета Petronas, Малайзия, представила исследование на тему «Базальтово-карбоновые композиты для производства лопастей ротора ветровых установок: краткий обзор», по результатам которого резюмировали:

«Лопасти ветровых установок — главный конструктивный элемент и самый дорогостоящий компонент в ветроэнергетических установках. Размеры современных лопастей ветровых установок увеличиваются, что вызвано стремлением увеличить эффективность и выходную мощность на единицу площади лопасти, а также уменьшить себестоимость киловатт-часа.

Однако из-за увеличения размера лопастей критическое значение приобрел вопрос выбора материала. Чтобы получить улучшенную конструкцию лопастей ветроустановки при выборе исходных материалов нужно учитывать такие параметры, как высокий предел усталости, небольшой вес, низкая стоимость и возможность повторной переработки.

Базальтовое волокно – относительный новичок среди полимеров, армированных волокнами, и композиционных материалов конструкционного назначения. С учетом его прекрасных механических свойств, базальтовое волокно является интересной альтернативой из числа композиционных материалов для современных лопастей ветроустановок.

Некоторые производители утверждают, что по своим эксплуатационным характеристикам базальтовое волокно не уступает или даже превосходит волокно из S-2-стекла и дешевле углеродного волокна. Сочетание базальтового и углеродного волокон – одно из самых передовых и интересных направлений в гибридных технологиях.

В работе «Базальтово-карбоновые композиты для производства лопастей ротора ветровых установок: краткий обзор» рассматриваются преобладающие свойства базальтового волокна в сравнении с композитными материалами, армированными другими волокнами, и подчеркивается, что особые свойства базальта в сочетании с углеродными волокнами могут уменьшить стоимость и вес лопастей ветроустановок при повышении их эффективности. Эта работа также показывает, почему базальтово-углеродный гибридный композиционный материал был бы идеальной альтернативой для производства лопастей ветроустановок.»

Похожее исследование, «Армирование композиционных материалов многокомпонентными волокнами и нанопорошком для лопастей ветроустановок», провела группа ученых под руководством Николоза Чихрадзе из Грузинского технического университета, Тбилиси. Они пришли к следующим выводам:

«1.  Несмотря на солидный объем информации по композиционным материалам, армированным многокомпонентными волокнами, данные о физико-механических свойствах композитов, в состав которых входит базальтовое волокно, а также зависимости этих свойств от предполагаемых условий эксплуатации чрезвычайно ограничены. Это мешает использованию базальтового волокна как конструкционного материала.

2.  При добавлении к эпоксидной смоле карбида кремния в количестве, равном 7% от массы смолы, наблюдается увеличение статической прочности на 11%, а модуля упругости – на 24%. Добавление к смоле того же количества базальтового порошка приводит к увеличению этих показателей на 15% и 25% соответственно. Исходя из этих данных, эффект от армирования эпоксидной смолы базальтовым порошком заслуживает внимания, поскольку базальт – очень доступный и дешевый наполнитель для широкого диапазона смол.

3.  Коэффициент усталости образцов с карбидом кремния и базальтовым порошком под циклическими переменными нагрузками с частотой 100 циклов в минуту находится в диапазоне 0,21-0,24.

4.  Статистическая прочность при кратковременной нагрузке базальтового волокна составляет 2000Мпа. Коэффициент долговременной прочности ровинга с линейной плотностью 110-130 текс равен 0,25-0,3.

5.  Коэффициент усталости композита, изготовленного из эпоксидной матрицы и высокопрочного высокомодульного углеродного волокна равен 0,25. В гибридном композите с частичной заменой углеродного волокна высокопрочным базальтовым (20% или 40%), коэффициент усталости составляет 0,22 и 0,18 соответственно. Таким образом, при замене углеродного волокна более дешевым базальтовым материал может сохранять свою работоспособность при кручении.

6.  Предполагаемая временная экстраполяция ветродвигателя при повышенной температуре (до 330К), определенная как 35 лет, вызывает уменьшение коэффициента рабочих условий на изгибе композита, произведенного на основе эпоксидной матрицы, углеродных и стекловолокон, которые рассматривалось в исследовании, до 0,75-0,8.

7.  При тех же самых условиях уменьшение коэффициента рабочих условий для композитов с многокомпонентным армированием (углерод, стекло, базальт) также присутствует, но не ниже 0,62, что допустимо.

8.  Таким образом, при производстве лопастей ветровых установок рекомендуется частичная замена (до 20-30%) дорогих высокопрочных высокомодульных углеродных волокон на базальтовое волокно.»

Полностью данные исследования «Армирование композиционных материалов многокомпонентными волокнами и нанопорошком для лопастей ветроустановок» доступны для бесплатного ознакомления благодаря спонсорской поддержке Ассоциации металлургии, материалов и минералов Бразилии (Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração). Напомним, что летом этого года представители российского ЗАО «Базальтовые проекты» подписали меморандум о сотрудничестве с делегацией бразильского штата Парана.

О Oksana Tkachenko

x

Читайте также

Ураласбест выпускает присадку для асфальтобетона с базальтоволокном

Ураласбест выпускает присадку для асфальтобетона с базальтовым волокном

Стабилизирующую добавку с базальтовым волокном «Стилобит» производят на одноименном дочернем предприятии ОАО «Ураласбест». Она увеличивает ...