Naukowcy zamienią śmigła elektrowni wiatrowych w drogowe ekrany akustyczne

Cykl życia śmigła wiatrowego wynosi średnio 20-25 lat. Jak zauważa dr hab. inż. Mirosław Broniewicz, prof. PB, po roku 2035 około 225 tys. ton zużytych śmigieł powinno zostać poddanych recyklingowi. „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” - tłumaczy w komunikacie uczelni prof. Broniewicz z Katedry Konstrukcji Budowlanych i Mechaniki Budowli Wydziału Budownictwa i Nauk o Środowisku PB.

Jak podano w komunikacie, zwłaszcza przy zachodniej granicy Polski składowane są setki olbrzymich łopat śmigieł, które praktycznie nie ulegną rozkładowi. Są one wykonane z materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem szklanym, który naukowcy z trzech uczelni ze ściany wschodniej zrzeszeni w Politechnicznej Sieci Via Carpatia chcą wykorzystać do budowy drogowych ekranów akustycznych.

JAK BUDOWANE SĄ EKRANY DROGOWE?

Obecnie żelbetonowe ekrany drogowe są bardzo trwałe, ale – jak tłumaczy prof. Broniewicz - „opierają się one na wykorzystaniu cementu, którego produkcja bardzo obciąża środowisko”. Ekrany akustyczne wykonywane z elementów z tworzyw sztucznych 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” - wyjaśnia naukowiec.

Takim doskonałym materiałem kompozytowym jest właśnie materiał odpadowy z kompozytowych śmigieł elektrowni wiatrowych.

JAK ZBUDOWAĆ EKRAN DROGOWY ZE ŚMIGIEŁ?

Naukowcy z PB, tworząc wstępną koncepcję, założyli pocięcie śmigieł na mniejsze elementy, z których będą składane panele ekranów akustycznych.

Śmigło stanowi wyzwanie przy projektowaniu ekranów akustycznych. „Te elementy mają ciągłą krzywiznę – zmienia się i przekrój i grubość” – podkreśla prof. Broniewicz, lider zespołu naukowców w Politechnice Białostockiej.

Nad rozwiązaniami pracuje zespół w składzie: dr inż. Krzysztof Czech, także z Katedry Konstrukcji Budowlanych i Mechaniki Budowli Wydziału Budownictwa i Nauk o Środowisku PB, dr inż. Robert Andrzej Stachniewicz z Katedry Budownictwa Zrównoważonego i Instalacji Budowlanych WBiNŚ oraz doktorant mgr inż. Filip Broniewicz.

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

„Aby wykorzystać jak największą ilość materiału z każdego śmigła, zbadaliśmy właściwości mechaniczne litego kompozytu, jak i właściwości mechaniczne materiału trójwarstwowego” – tłumaczy prof. Broniewicz. Naukowcy wykorzystali Metodę Elementów Skończonych i stworzyli 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” – wyjaśnia kolejny krok w badaniach prof. Broniewicz. „Wyniki wyszły zadowalające, bo stopień wytężenia panelu akustycznego od najbardziej ekstremalnych obciążeń wynosił 47 proc., czyli według symulacji są to elementy bardzo wytrzymałe” - zaznacza naukowiec.

BADANIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE I AKUSTYCZNE

Jak informuje uczelnia w komunikacie, 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” – planuje prof. Broniewicz.

Po badaniach wytrzymałościowych modelowe panele przejdą badania akustyczne, czyli naukowcy sprawdzą efektywność akustyczną paneli - zapowiada uczelnia. Najpierw – za pomocą wyspecjalizowanych programów, czyli narzędzi informatycznych, a następne już w dużej komorze akustycznej, jaką dysponuje Politechnika Rzeszowska – partnerska uczelnia w Politechnicznej Sieci Via Carpatia. „Nasz element w skali naturalnej zostanie zbadany z zastosowaniem specjalistycznego sprzętu do badania właściwości akustycznych” – zapowiada prof. Broniewicz.

Wspólny projekt naukowców z trzech uczelni: Politechniki Białostockiej, Politechniki Rzeszowskiej oraz Politechniki Lubelskiej jest elementem programu ISKRA, polegającego na budowaniu międzyuczelnianych zespołów badawczych. Zakończenie projektu pt. „Wtórne wykorzystanie łopatek turbin wiatrowych w konstrukcjach inżynierskich” planowane jest na koniec lipca 2025 roku.

Jednocześnie naukowcy z wszystkich trzech uczelni sieci przygotowują pierwszą międzynarodową publikację w piśmie naukowym dotyczącą prowadzonych badań.

Jak czytamy na stronach PB, dotychczas na świecie nie istnieją efektywne metody 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.

Nauka w Polsce

amk/ agt/