ProÞ le stosowane w konstrukcjach ïopat elektrowni wiatrowych

W pierwszych konstrukcjach elektrowni wiatrowych, jak np. w wiatrakach typu holender czy koělak, ïopaty wykonane byïy z drewna. Materiaï ten okazaï siÚ jednak niewystarczajÈcy do zapewnienia wysokiej niezawodnoĂci i odpowiedniej

mocy elektrowni wiatrowych. Silne podmuchy wiatru powodowaïy ïamanie siÚ ïopat. ZaczÚto wówczas stosowaÊ ïopaty metalowe. Problemem okazaï siÚ sposób ich ïÈczenia. PoïÈczenia nitowane, Ărubowe bÈdě spawane czÚsto ulegaïy pÚkniÚ-ciom zmÚczeniowym, co znacznie zmniejszyïo wytrzymaïoĂÊ ïopat. Zmusiïo to konstruktorów do poszukiwania innych materiaïów, które zarówno speïniaïyby kryteria wytrzymaïoĂciowe, jak i zapewniaïyby wysokÈ sprawnoĂÊ aerodynamicznÈ elektrowni wiatrowych. JednoczeĂnie zaczÚto braÊ pod uwagÚ masÚ ïopaty, a wiÚc zaczÚto kïaĂÊ nacisk na wysokie wïaĂciwoĂci mechaniczne stosowanych mate-riaïów. Wprowadzono wiÚc tworzywa sztuczne, które charakteryzujÈ siÚ maïym ciÚĝarem oraz dobrymi wïaĂciwoĂciami wytrzymaïoĂciowymi.

Pierwsze typy profili ïopat elektrowni wiatrowych zapoĝyczono z ïatwo dostÚp-nych baz profili, stworzodostÚp-nych na potrzeby lotnictwa. Niskie wartoĂci wspóïczyn-ników aerodynamicznych tych profili oraz ich podatnoĂÊ na gromadzenie siÚ za-nieczyszczeñ na krawÚdzi natarcia, spowodowane caïkowicie wypukïym ksztaïtem bez jakichkolwiek wklÚsïoĂci, staïy siÚ boděcem do rozwoju metod projektowania ksztaïtu ïopat elektrowni wiatrowych. PoczÈtkowo modyfikowano jedynie ksztaïty profili ïopat, wprowadzajÈc fragmenty wklÚsïe lub ugiÚcia na krawÚdzi spïywu.

Nowoczesne ïopaty elektrowni wiatrowych wykonywane sÈ z wïókien szkla-nych wzmacniaszkla-nych poliestrem, ĝywicÈ epoksydowÈ bÈdě wïóknami wÚglowymi czy kevlarem, przy czym stosowanie tych ostatnich jest bardzo kosztowne. Badania wykazaïy, ĝe materiaïy te charakteryzujÈ siÚ wysokÈ wytrzymaïoĂciÈ zmÚczeniowÈ oraz maïÈ masÈ. MajÈ jednak jednÈ waĝnÈ wadÚ, tj. wysokie koszty produkcji, co automatycznie podnosi koszt elektrowni. Czynniki te spowodowaïy, ĝe w elek-trowniach o poziomej osi obrotu stosuje siÚ obecnie od 2 do 3 ïopat. Rzadziej jako materiaï do konstrukcji ïopat stosuje siÚ drewno wzmacniane ĝywicÈ epoksydowÈ lub innymi tworzywami sztucznymi, ale, jak dotÈd, nie zdobyïy one wiÚkszej po-pularnoĂci. W elektrowniach o bardzo maïej Ărednicy koïa wiatrowego stosowane sÈ ïopaty stalowe i aluminiowe, przy czym sÈ one bardzo ciÚĝkie i podatne na zmÚczenie materiaïu [12].

Rodzaj materiaïu uĝywanego do produkcji ïopat bezpoĂrednio wpïywa na ksztaït profilu ïopaty. PoczÈtkowo ïopaty wykonywane z wïókien szklanych – cha-rakteryzowaïy siÚ obrysem o ksztaïcie okrÚgu, stopniowym przejĂciem ze Ărodko-wej czÚĂci do owalnej podstawy oraz przegubem obrotowym umieszczonym we-wnÈtrz ïopaty. Profile te mogïy mieÊ duĝÈ odlegïoĂÊ pomiÚdzy krawÚdziÈ natarcia a krawÚdziÈ spïywu, w znacznym oddaleniu od miejsca zamocowania w wirniku. Duĝe wymiary wewnÚtrzne tych ïopat pozwalaïy na wytwarzanie przez elektrowniÚ wiatrowÈ duĝych mocy, jednak duĝe zuĝycie materiaïu zwiÚkszaïo koszt produk-cji, co czyniïo budowÚ elektrowni wiatrowej nieopïacalnÈ. Aby wyeliminowaÊ tÚ wadÚ, nastÈpiïo stopniowe przejĂcie ze Ărodkowej czÚĂci do owalnej podstawy

3.3. Profile stosowane w konstrukcjach ïopatelektrowni wiatrowych

trzecim fragmentem. ’opata o takim ksztaïcie miaïa mniejszÈ czÚĂÊ o ksztaïcie okrÚgu, a wiÚc wytwarzaïa mniejszÈ moc, koszt jej byï znacznie mniejszy. Aby zapobiec stratom generowanej mocy, zwiÚkszano dïugoĂÊ ïopaty. ZwiÚkszanie dïugoĂci ïopaty, a tym samym Ărednicy koïa wiatrowego, okazaïo siÚ efektywne w porównaniu ze znacznÈ redukcjÈ czÚĂci z obrysem o ksztaïcie okrÚgu, co wiÈzaïo siÚ ze zmniejszeniem kosztów materiaïowych. Poniewaĝ moc uĝyteczna elektrow-ni wiatrowej zaleĝy od prÚdkoĂci wiatru, wiÚc zwiÚkszenie dïugoĂci ïopaty, a tym samym Ărednicy koïa wiatrowego, pozwala na „pozyskanie” wiÚkszej czÚĂci energii wiatru [12]. Nabilustracjach 5 i 6 przedstawiono wspóïczesnÈ strukturÚ ïopat.

Il. 5. Struktura wybranej sekcji ïopaty [13]

Wypadkowy kierunek powietrza uderzajÈcego w ïopaty jest inny niĝ kierunek wiatru w terenie, z wyjÈtkiem sytuacji, gdy wirnik jest nieruchomy. WiÚkszoĂÊ turbin pracuje ze staïÈ prÚdkoĂciÈ obrotowÈ. Typowa szybkoĂÊ, z jakÈ koñcówki ïopaty przecinajÈ powietrze, wynosi 64 m/s, podczas gdy prÚdkoĂÊ w Ărodku piasty wynosi zero. W jednej czwartej dïugoĂci ïopaty prÚdkoĂÊ ta bÚdzie wynosiÊ okoïo 16 m/s. Jeĝeli ïopatÚ wirnika przyjmiemy za nasz punkt odniesienia, to idÈc wzdïuĝ niej od Ărodka aĝ do koñcówki, zaobserwujemy, ĝe wiatr bÚdzie opïywaï pïat pod coraz wiÚkszym kÈtem. Dlatego ïopata wirnika musi byÊ skrÚcona, aby utrzymaÊ optymalne kÈty natarcia na caïej jej dïugoĂci.

SkrÚcenie ïopaty wirnika przedstawiono na ilustracji 7. DziÚki takiemu roz-wiÈzaniu wirnik pracuje bardziej wydajnie.

Il. 7. SkrÚcenie ïopaty wirnika, powodujÈce staïy kÈt natarcia na caïej dïugoĂci ïopaty (opracowanie wïasne)

ProjektujÈc elektrowniÚ wiatrowÈ, naleĝy dÈĝyÊ do uzyskania moĝliwie naj-wiÚkszej wartoĂci mocy przy jak najmniejszych kosztach produkcji. WartoĂÊ mocy wyjĂciowej elektrowni wiatrowej wzrasta trzykrotnie w stosunku do dïugoĂci ïo-paty, wiÚc produkowanie lekkich i coraz dïuĝszych ïopat jest opïacalne. Koszt pro-dukcji ïopat stanowi jedynie okoïo 10% caïkowitego kosztu elektrowni wiatrowej, toteĝ wydatki na innowacje w konstrukcjach ïopat, metodach ich wytwarzania oraz stosowanych materiaïach sÈ maïym udziaïem w caïkowitych kosztach produkcji. Lĝejsza i lepsza konstrukcyjnie ïopata pozwala zmniejszyÊ wymagania stawiane piaĂcie i wieĝy, zmniejszajÈc tym samym koszty produkcji i eksploatacji caïej elektrowni. Powoduje to, ĝe firmy wytwarzajÈce ïopaty elektrowni wiatrowych stanowiÈ dla siebie duĝÈ konkurencjÚ w produkcji coraz to dïuĝszych, lĝejszych i tañszych ïopat [9, 12].

W procesie projektowania ïopat elektrowni wiatrowych gïówny nacisk kïadzie siÚ na zmniejszenie ich masy, co z kolei przyczynia siÚ do zmniejszenia obciÈĝeñ masowych i bezwïadnoĂciowych. Podczas gdy Ărednica koïa wiatrowego wzrasta proporcjonalnie do kwadratu dïugoĂci ïopaty, to jej masa, wedïug reguïy opartej na doĂwiadczeniu, powinna wzrastaÊ trzykrotnie. W praktyce jednak zaleĝnoĂÊ ta zostaïa zïagodzona przez wprowadzenie innowacji w postaci konstrukcyjnej ïopat oraz rozwoju metod ich wytwarzania, optymalizujÈcych wïaĂciwoĂci strukturalne laminatów, z których ïopaty sÈ wytwarzane [12].

Jednym ze sposobów zredukowania masy ïopaty elektrowni wiatrowej jest zmiana jej postaci konstrukcyjnej.

3.3. Profile stosowane w konstrukcjach ïopatelektrowni wiatrowych

Tradycyjne podejĂcie – sztywne poïÈczenie poszycia z dwoma děwigarami – charakteryzuje siÚ tym, ĝe:

– poszycie i děwigary wystÚpujÈ w postaci powïok sztywno ze sobÈ poïÈ-czonych,

– děwigary umiejscowione sÈ kolejno w 25 i 50% szerokoĂci ciÚciwy,

– orientacja wïókien laminatu (ca/gl/ca/gl) [14, 15], gdzie gl oznacza wïókna szklane, natomiast ca wïókna wÚglowe, z których wykonane jest poszycie, wynoszÈ odpowiednio (25°/–65°/25°/0°),

– zewnÚtrzna strona poïÈczenia powïok z děwigarami wykonana jest w 60% z laminatu szkïo-wïókno wÚglowe oraz

– wnÚtrze ïopaty wykonane jest z quasi-izotropowego laminatu.

RozwiÈzanie konstrukcyjne polegajÈce na sztywnym poïÈczeniu dwóch belek za pomocÈ pokrywy, tworzÈcej skrzyniÚ, charakteryzuje siÚ tym, ĝe:

– poszycie jest elementem nieprzenoszÈcym obciÈĝenia, a jedynie utrzymu-jÈcym ksztaït profilu aerodynamicznego ïopaty,

– skrzynia jest strukturalnym czïonem, przenoszÈcym podstawowe obciÈ-ĝenia,

– wprowadzenie uĝebrowania zapewnia ksztaït aerodynamiczny,

– děwigary tworzÈce skrzyniÚ umiejscowione sÈ kolejno w 25 i 50% dïugoĂci ciÚciwy,

– orientacja wïókien laminatu (ca/gl/ca/gl), z którego wykonana jest skrzynia, odpowiada kÈtom (23°/–65°/25°/0°),

– orientacja wïókien laminatu (ca/gl/ca), z którego wykonane jest poszycie, odpowiada kÈtom (45°/–45°/0°),

– skrzynia jest belkÈ wykonanÈ z laminatu na osnowie ĝywicy epoksydowej, zbrojonej wïóknami szklanymi i wÚglowymi z pozaosiowo zorientowanymi warstwami, poïÈczonymi z warstwami zorientowanymi na kierunki obciÈ-ĝenia, wykonane metodÈ ukïadania taĂmowego.

Kolejna koncepcja rozwiÈzania konstrukcyjnego ïopaty – sztywne poïÈczenie dwóch skrzyñ bÚdÈcych poïÈczeniem dwóch belek – charakteryzuje siÚ tym, ĝe:

– dwie skrzynie stanowiÈ dwa elementy belkowe spojone ze sobÈ, – skrzynie wykonane sÈ metodÈ nawijania-zwijania wïókien,

– orientacja wïókien laminatu (ca/gl/ca/gl), z którego wykonana jest skrzynia, wynosi odpowiednio (25°/–65°/25°/0°),

– orientacja wïókien laminatu (ca/gl/ca), z którego wykonane jest poszycie, wynosi odpowiednio (45°/–40°/0°),

– wïókna przy poïÈczeniach skrzyñ charakteryzujÈ siÚ przeciwnym ukierun-kowaniem (przeciwne znaki kÈtów zorientowania) oraz równolegïoĂciÈ gïównych kierunków uïoĝenia wïókien [12, 16].

Innym sposobem zmniejszenia masy ïopaty elektrowni wiatrowych oraz zwiÚkszenia sztywnoĂci i trwaïoĂci ïopaty jest odpowiedni dobór materiaïów stoso-wanych na děwigary i poszycia. Modyfikacje kompozytu, z którego wytwarzane jest poszycie, mogÈ polegaÊ na zwiÚkszeniu gruboĂci i gÚstoĂci warstwy balsy, zwiÚksze-niu udziaïu warstw zbrojeniowych, zmiany orientacji bÈdě rodzaju wïókien [12].