Ocena możliwości wykorzystania wycofanych z użytku łopat turbin wiatrowych w wybranych obszarach inżynierii lądowej
Identyfikator grantu: PT01106
Kierownik projektu: Jakub Zembrzuski
Politechnika Gdańska
Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska
Gdańsk
Data otwarcia: 2024-01-09
Streszczenie projektu
Tematem projektu jest analiza możliwości zastosowania wycofanych z użytku łopat turbin wiatrowych jako elementów nośnych w budownictwie. Wyniki otrzymane wskutek przeprowadzonych badań materiałowych oraz symulacji numerycznych będą podstawą do przygotowania rozprawy doktorskiej Jakuba Zembrzuskiego, której promotorem jest dr hab. inż. Mikołaj Miśkiewicz, natomiast promotorem pomocniczym jest dr inż. Bartosz Sobczyk.
Celem głównym badania jest ocena możliwości ponownego wykorzystania wycofanych łopat wirnika turbiny wiatrowej w inżynierii lądowej, w sposób zgodny z ideą zrównoważonego rozwoju oraz koncepcją gospodarki cyrkularnej. Po 20-25 latach eksploatacji każda łopata wirnika traci swoje właściwości i musi zostać wycofana z eksploatacji. Łopaty turbin wiatrowych, wykonane z kompozytu strukturalnego FRP cechuje bardzo wysoka wytrzymałość, sztywność oraz odporność na degradacyjne działanie czynników zewnętrznych przy jednoczesnym zachowaniu niskiego ciężaru własnego. Cechy te sprawiają jednak, że recykling tego typu odpadów staje się dużym wyzwaniem. Laminat FRP ze względu na swoją wytrzymałość i trwałość jest materiałem, którego rozkład na czynniki składowe, mający na celu odzyskanie i ponowne użycie w procesie produkcyjnym zbrojenia (włókno szklane), jest praktycznie niemożliwy. Obecnie przeważająca większość zużytych łopat turbin wiatrowych podlega składowaniu na wysypiskach lub mieleniu, a następnie paleniu. Obydwie ze wspomnianych metod radzenia sobie z powstałymi odpadami są sprzeczne z koncepcją gospodarki cyrkularnej, a w perspektywie rozwoju energetyki wiatrowej w Europie, również w Polsce, jako źródła tzw. „zielonej”, odnawialnej energii stają się jeszcze bardziej problematyczne. Nie oznacza to jednak, że nie istnieją metody, pozwalające w znacznie większym stopniu wykorzystać potencjał elementów o tak wysokiej wytrzymałości i sztywności, niskim ciężarze własnym oraz znacznej rozpiętości (sięgającej nawet 80 m), przy jednoczesnym zachowaniu niskiego poziomu emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Jednym z nich jest ponowne użycie łopat, jednak w celu zupełnie innym, niż ten, do którego pierwotnie zostały zaprojektowane i wykonane, na przykład jako dźwigar mostu lub zadaszenie konstrukcji wiaty rowerowej.
Projekt zakłada przeprowadzenie szeregu testów niszczących oraz nieniszczących, takich jak min. statyczna próba rozciągania oraz ściskania, oględziny wizualne z wykorzystaniem mikroskopu i aparatu fotograficznego z obiektywem makro czy piroliza. Dane uzyskane wskutek przeprowadzonych badań mają posłużyć do budowy modeli w środowisku metody elementów skończonej (MES) różnych typów konstrukcji, wybranych spośród wielu opracowanych koncepcji. Przykładowe konstrukcje, których modele numeryczne zostaną wykonane to kładka dla pieszych, której ustrój nośny stanowić będzie fragment łopaty turbiny wiatrowej, oraz wiata rowerowa, wykonana w całości z materiału pochodzącego z recyklingu. Następnie przeprowadzone zostaną symulacje numeryczne, mające na celu określenie wytężenia materiału użytego do budowy konstrukcji oraz sprawdzenie czy spełnione są warunki stanów granicznych SLS i ULS, narzucone przez zestaw norm Eurokod. Do wykonania analiz i symulacji numerycznych, niezbędnych do określenia przydatności badanego materiału do budowy wspomnianych konstrukcji, konieczny jest dostęp do oprogramowania wykorzystującego metodę elementów skończonych, umożliwiającego definiowanie materiałów warstwowych (FRP) oraz wykonywanie obliczeń statycznych i dynamicznych, również z uwzględnieniem nieliniowości geometrycznej i materiałowej. Programem spełniającym wszystkie te wymagania jest np. Abaqus.
Celem głównym badania jest ocena możliwości ponownego wykorzystania wycofanych łopat wirnika turbiny wiatrowej w inżynierii lądowej, w sposób zgodny z ideą zrównoważonego rozwoju oraz koncepcją gospodarki cyrkularnej. Po 20-25 latach eksploatacji każda łopata wirnika traci swoje właściwości i musi zostać wycofana z eksploatacji. Łopaty turbin wiatrowych, wykonane z kompozytu strukturalnego FRP cechuje bardzo wysoka wytrzymałość, sztywność oraz odporność na degradacyjne działanie czynników zewnętrznych przy jednoczesnym zachowaniu niskiego ciężaru własnego. Cechy te sprawiają jednak, że recykling tego typu odpadów staje się dużym wyzwaniem. Laminat FRP ze względu na swoją wytrzymałość i trwałość jest materiałem, którego rozkład na czynniki składowe, mający na celu odzyskanie i ponowne użycie w procesie produkcyjnym zbrojenia (włókno szklane), jest praktycznie niemożliwy. Obecnie przeważająca większość zużytych łopat turbin wiatrowych podlega składowaniu na wysypiskach lub mieleniu, a następnie paleniu. Obydwie ze wspomnianych metod radzenia sobie z powstałymi odpadami są sprzeczne z koncepcją gospodarki cyrkularnej, a w perspektywie rozwoju energetyki wiatrowej w Europie, również w Polsce, jako źródła tzw. „zielonej”, odnawialnej energii stają się jeszcze bardziej problematyczne. Nie oznacza to jednak, że nie istnieją metody, pozwalające w znacznie większym stopniu wykorzystać potencjał elementów o tak wysokiej wytrzymałości i sztywności, niskim ciężarze własnym oraz znacznej rozpiętości (sięgającej nawet 80 m), przy jednoczesnym zachowaniu niskiego poziomu emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Jednym z nich jest ponowne użycie łopat, jednak w celu zupełnie innym, niż ten, do którego pierwotnie zostały zaprojektowane i wykonane, na przykład jako dźwigar mostu lub zadaszenie konstrukcji wiaty rowerowej.
Projekt zakłada przeprowadzenie szeregu testów niszczących oraz nieniszczących, takich jak min. statyczna próba rozciągania oraz ściskania, oględziny wizualne z wykorzystaniem mikroskopu i aparatu fotograficznego z obiektywem makro czy piroliza. Dane uzyskane wskutek przeprowadzonych badań mają posłużyć do budowy modeli w środowisku metody elementów skończonej (MES) różnych typów konstrukcji, wybranych spośród wielu opracowanych koncepcji. Przykładowe konstrukcje, których modele numeryczne zostaną wykonane to kładka dla pieszych, której ustrój nośny stanowić będzie fragment łopaty turbiny wiatrowej, oraz wiata rowerowa, wykonana w całości z materiału pochodzącego z recyklingu. Następnie przeprowadzone zostaną symulacje numeryczne, mające na celu określenie wytężenia materiału użytego do budowy konstrukcji oraz sprawdzenie czy spełnione są warunki stanów granicznych SLS i ULS, narzucone przez zestaw norm Eurokod. Do wykonania analiz i symulacji numerycznych, niezbędnych do określenia przydatności badanego materiału do budowy wspomnianych konstrukcji, konieczny jest dostęp do oprogramowania wykorzystującego metodę elementów skończonych, umożliwiającego definiowanie materiałów warstwowych (FRP) oraz wykonywanie obliczeń statycznych i dynamicznych, również z uwzględnieniem nieliniowości geometrycznej i materiałowej. Programem spełniającym wszystkie te wymagania jest np. Abaqus.