Ekrany akustyczne ze śmigieł zużytych turbin wiatrowych

Program badawczy realizowany w ramach konkursu ISKRA – budowanie międzyuczelnianych zespołów badawczych – obejmuje opracowanie systemów drogowych ekranów akustycznych z wykorzystaniem elementów kompozytowych śmigieł turbin wiatrowych. To badania koncepcyjne, badania eksperymentalne w skali naturalnej oraz badania numeryczne MES.

Na czele zespołu Politechniki Białostockiej stoi dr hab. inż. Mirosław Broniewicz, prof. PB z Katedry Konstrukcji Budowlanych i Mechaniki Budowli Wydziału Budownictwa i Nauk o Środowisku Politechniki Białostockiej. W jego skład wchodzą dr inż. Krzysztof Czech, także z Katedry Konstrukcji Budowlanych i Mechaniki Budowli Wydziału Budownictwa i Nauk o Środowisku Politechniki Białostockiej, dr inż. Robert Andrzej Stachniewicz z Katedry Budownictwa Zrównoważonego i Instalacji Budowlanych WBiNŚ oraz doktorant mgr inż. Filip Broniewicz. 

„Z grupą naukowców spostrzegliśmy, że są ogromne problemy związane z utylizacją śmigieł elektrowni wiatrowych, które wyszły z użytkowania bądź są zamieniane na bardziej efektywne pod względem rozwiązań technicznych. Cykl życia śmigła wiatrowego wynosi średnio 20–25 lat. Oznacza to, że po roku 2035 około 225 tys. ton zużytych śmigieł powinno zostać poddanych recyklingowi” – wyjaśnia genezę badań dr hab. inż. Mirosław Broniewicz, prof. PB z Katedry Konstrukcji Budowlanych i Mechaniki Budowli Wydziału Budownictwa i Nauk o Środowisku Politechniki Białostockiej. 

Okazuje się, że przy zachodniej granicy Polski składowane są setki olbrzymich łopat śmigieł, które praktycznie nie ulegną rozkładowi – są wykonane z materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem szklanym. Naukowcy z trzech uczelni ze Ściany Wschodniej zrzeszeni w Politechnicznej Sieci Via Carpatia postanowili zaproponować nowatorski sposób wykorzystania takich odpadów przy jak największym poszanowaniu środowiska naturalnego. 

Zespół naukowców Politechniki Białostockiej od kwietnia 2023 r. pracuje nad projektem pt. „Wtórne wykorzystanie łopat turbin wiatrowych w konstrukcjach inżynierskich”, którego celem jest wykorzystanie materiału kompozytowego uzyskanego ze złomowanych łopat turbin wiatrowych do budowy drogowych ekranów akustycznych.

Dotychczas na świecie nie ma bowiem efektywnych metod ponownego wykorzystania łopat turbin wiatrowych. Naukowcy amerykańscy w procesie pirolizy pod wpływem wysokiej temperatury dokonują rozkładu materiału kompozytowego, oddzielając materiał organiczny od nieorganicznych włókien szklanych, uzyskując w ten sposób materiał, który spalając wykorzystuje się do wytwarzania energii. Niestety jest to proces długotrwały i energochłonny. Duńczycy z kolei zamieniają łopaty śmigieł na elementy małej architektury typu ławki, przystanki, wiaty dla rowerów czy meble ogrodowe. Naukowcy z Politechniki Rzeszowskiej zaproponowali wykorzystanie łopat w mostownictwie do wykonywania elementów nośnych kładek dla pieszych. 

„Ten pomysł został włączony do programu Politechnicznej Sieci Via Carpatia i pozwoli na wykorzystanie do budowy ekranów drogowych prawie całych łopat turbin wiatrowych” – wyjaśnia autorskie rozwązanie prof. Broniewicz. 

Ekrany drogowe są obecnie budowane na różne sposoby. Elementy panelu akustycznego mogą być wykonywane jako żelbetowe, ze zintegrowaną warstwą tłumiącą, w różny sposób barwione, są również ekrany akustyczne wykonywane z elementów z tworzyw sztucznych czy z blach stalowych. Każde z tych rozwiązań ma dużo cech negatywnych – ekrany żelbetowe są bardzo trwałe, ale opierają się na wykorzystaniu cementu, którego produkcja bardzo obciąża środowisko. Tworzywa sztuczne mogą podlegać degradacji, zaś ekrany wykonywane z blach fałdowych czy trapezowych są mało odporne na warunki środowiskowe, zwłaszcza związane z zasoleniem dróg, i szybko ulegają korozji, stąd pomysł, żeby do budowy ekranów wykorzystać materiał kompozytowy. 

Takim materiałem są właśnie odpady z kompozytowych śmigieł elektrowni wiatrowych.

Dobrze wyprofilowane śmigło pomaga przenieść na wirnik turbiny jak największą porcję energii wiatrowej, ale też stanowi wyzwanie przy projektowaniu ekranów akustycznych. Założeniem wstępnej koncepcji było pocięcie śmigieł na mniejsze elementy kompozytowe, z których będą składane panele ekranów akustycznych. 

Kolejny problem stanowił fakt, że śmigła są wykonywane z różnego rodzaju materiałów. Wewnętrzne żebra wzmacniające są zrobione z pełnego kompozytu o grubości 3 cm, natomiast w pozostałej części zastosowany jest materiał trzywarstwowy typu sandwich, gdzie tylko okładziny zewnętrzne o grubości 3 mm są elementami kompozytowymi, natomiast sam rdzeń wykonany jest z drewna balsa. 

Aby wykorzystać jak największą ilość materiału z każdego śmigła zespół zbadał właściwości mechaniczne litego kompozytu oraz materiału trójwarstwowego. Tu  wykorzystano dobrze znaną Metodę Elementów Skończonych i stworzono model numeryczny przykładowego panelu akustycznego. 

„Obciążyliśmy go zgodnie z wymaganiami norm przedmiotowych – uwzględniliśmy zarówno obciążenie wiatrem działającym na ekrany drogowe, jak i obciążeniem ruchem samochodowym, czyli wszystkimi wymaganymi rodzajami obciążenia i w sposób numeryczny sprawdziliśmy wytrzymałość tych paneli. Wyniki wyszły zadowalające, bo stopień wytężenia panelu akustycznego od najbardziej ekstremalnych obciążeń wynosił 47%, czyli według symulacji są to elementy bardzo wytrzymałe” – wyjaśnia kolejny krok w badaniach prof. Broniewicz.

Teraz nadszedł czas na badania doświadczalne. W hali WBiNŚ czekają na pocięcie olbrzymie śmigła. Są już przygotowane dwuteowniki i ceowniki, które posłużą do wykonania rzeczywistego panelu. 

W ramę z ceownika zimnogiętego zostaną wpasowane elementy wycięte ze śmigła elektrowni wiatrowej, a całość zostanie osadzona na słupach z dwuteownika stalowego 160 mm i będzie obciążana za pomocą systemu siłowników hydraulicznych, żeby zobrazować rzeczywiste obciążenie działające na konstrukcję drogową. 

Po badaniach wytrzymałościowych modelowe panele przejdą badania akustyczne, czyli naukowcy sprawdzą efektywność akustyczną paneli. Najpierw – za pomocą wyspecjalizowanych programów, czyli narzędzi informatycznych, a następne już dużej komorze akustycznej, jaką dysponuje Politechnika Rzeszowska – partnerska uczelnia w Politechnicznej Sieci Via Carpatia.

Element w skali naturalnej zostanie zbadany z zastosowaniem specjalistycznego sprzętu do badania właściwości akustycznych.

Jednocześnie naukowcy z wszystkich trzech uczelni Sieci przygotowują pierwszą międzynarodową publikację w renomowanym piśmie naukowym. 

„Naukowcy z Politechniki Rzeszowskiej już poparli nasz kierunek badań, teraz czekamy na recenzję badaczy z Politechniki Lubelskiej i już wkrótce przedstawimy światu rezultaty naszych wstępnych badań” – planuje prof. Broniewicz. 

Zakończenie projektu pt. „Wtórne wykorzystanie łopatek turbin wiatrowych w konstrukcjach inżynierskich” jest planowane na 31 lipca 2025 r. 

Źródło: Politechnika Białostocka