Исследователи из Университета Конкордия (Канада) разработали новый метод производства небольших ветряных турбин, который позволяет сделать их более легкими, дешевыми и простыми в изготовлении. В своей работе ученые применили технологию 4D-печати, превращающую плоские углеродные панели в изогнутые лопасти для ветрогенераторов с вертикальной осью вращения — без использования сложных пресс-форм.
Фото: Interesting Engineering
Ветрогенераторы с вертикальной осью все чаще используются в городах благодаря устойчивости к переменчивым потокам ветра и возможности установки на крышах зданий. Однако изготовление изогнутых лопастей для них до сих пор оставалось сложной задачей. Традиционное производство требует специальных формовочных процессов и индивидуальных пресс-форм, что удорожает изделия, увеличивает время изготовления и добавляет лишний вес.
Команда под руководством докторанта Эмада Фахими и профессора Суонг Ван Хоа из Центра композитов Университета Конкордия разработала «обратный» процесс проектирования. Вместо того чтобы подбирать раскладку углеродного волокна и смотреть, какая форма получится, инженеры сначала определили желаемую форму лопасти, а затем рассчитали, как именно нужно расположить слои композита, чтобы заготовка приняла нужную конфигурацию.
Метод основан на 4D-печати – технологии, при которой материалы меняют форму после изготовления. Исследователи начинали с плоских листов углепластика или эпоксидного композита. После отверждения и охлаждения эти листы самостоятельно изгибались в требуемую криволинейную форму. Это происходит благодаря тому, что разные слои композита обладают различными свойствами и спроектированы таким образом, чтобы деформироваться в нужном направлении.
Заранее рассчитав расположение слоев, ученые смогли получать лопасти без дополнительных этапов формовки. Упрощенное производство исключает необходимость в тяжелых пресс-формах, сохраняя при этом точную геометрию лопастей, необходимую для эффективной работы турбин.
Испытания показали, что готовые композитные лопасти по форме практически идентичны коммерческим алюминиевым. Однако их главное преимущество – вес. Композитные лопасти оказались на 80% легче алюминиевых аналогов, что упрощает их изготовление и монтаж.
Лабораторные тесты также продемонстрировали улучшение характеристик турбин: генераторы с композитными лопастями вращались быстрее, чем с алюминиевыми. Это говорит о том, что более легкая конструкция может способствовать выработке большего количества энергии в одинаковых условиях.
Исследователи полагают, что новый подход позволит снизить производственные затраты на малые ветрогенераторы и сделать легкие технологии возобновляемой энергетики более доступными. Поскольку метод использует простые производственные процессы и композитные материалы, он может найти применение и в других инженерных проектах, где требуются изогнутые легкие детали.
Помимо ветроэнергетики, данный обратный метод проектирования может помочь инженерам изготавливать сложные композитные детали с меньшим количеством этапов, используя меньше материала и снижая затраты. Исследование опубликовано в журнале Polymer Composites.
