Innowacyjne ekrany akustyczne opracowują naukowcy z trzech uczelni wchodzących w skład Politechnicznej Sieci Via Carpatia. Do tego celu wykorzystają gigantyczne łopaty turbin wiatrowych, jakie zalegają na wysypiskach odpadów, szczególnie w zachodniej Polsce.
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 skupionych w Politechnicznej Sieci Via Carpatia: Politechniki Białostockiej, Politechniki Rzeszowskiej i Politechniki Lubelskiej, postanowili zaproponować nowatorski sposób wykorzystania takiego „złomu” przy jak największym poszanowaniu środowiska naturalnego.
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 z Katedry Konstrukcji Budowlanych i Mechaniki Budowli Wydziału Budownictwa i Nauk o Środowisku Politechniki Białostockiej.
Zespół naukowców tej uczelni od kwietnia ubiegłego roku pracuje nad projektem, którego celem jest wykorzystanie materiału kompozytowego uzyskanego ze złomowanych łopat turbin wiatrowych do budowy drogowych ekranów akustycznych. Badacze stwierdzili, że nie ma 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. Z kolei inżynierowie z Politechniki Rzeszowskiej zaproponowali wykorzystanie łopat w mostownictwie do wykonywania elementów nośnych kładek dla pieszych. Ten pomysł został włączony do programu realizowanego w ramach konkursu ISKRA – budowanie międzyuczelnianych zespołów badawczych. Obejmuje on opracowanie systemów drogowych ekranów akustycznych z wykorzystaniem elementów kompozytowych śmigieł turbin wiatrowych.
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 – wymienia prof. Broniewicz. – Żadne z tych rozwiązań nie jest idealne: 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 – wyjaśnia.
Doskonałym materiałem kompozytowym jest właśnie materiał odpadowy ze śmigieł elektrowni wiatrowych. Dobrze wyprofilowane śmigło pomaga przenieść na wirnik turbiny jak największą porcję energii wiatrowej, ale też stanowi wyzwanie przy projektowaniu ekranów akustycznych.
Te elementy mają ciągłą krzywiznę – zmienia się i przekrój i grubość. Tworząc wstępną koncepcję, założyliśmy pocięcie śmigieł na mniejsze elementy, z których będą składane panele ekranów akustycznych – tłumaczy naukowiec z PB.
Śmigła są wykonywane z różnego rodzaju materiałów: wewnętrzne żebra wzmacniające – 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, zaś sam rdzeń powstał z drewna balsa. Aby wykorzystać jak największą ilość materiału z każdego śmigła, zbadano właściwości mechaniczne litego kompozytu, jak i właściwości mechaniczne materiału trójwarstwowego. Zastosowano do tego dobrze znaną Metodę Elementów Skończonych. W ten sposób stworzono model numeryczny przykładowego panelu akustycznego.
Obciążyliśmy go zgodnie z wymaganiami norm przedmiotowych – uwzględniliśmy zarówno wiatr działający na ekrany drogowe, jak i ruch samochodowy, i w sposób numeryczny sprawdziliśmy wytrzymałość paneli – wyjaśnia prof. Broniewicz. – Wyniki wyszły zadowalające, bo stopień wytężenia panelu akustycznego od najbardziej ekstremalnych obciążeń wynosił 47%, czyli według symulacji są to elementy bardzo wytrzymałe – dodaje.
Teraz nadszedł czas na badania doświadczalne. W hali Wydziału Budownictwa i Nauk o Środowisku Politechniki Białostockiej 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. Najpierw za pomocą wyspecjalizowanych programów, czyli narzędzi informatycznych, a następne już dużej komorze akustycznej, jaką dysponuje Politechnika Rzeszowska. Zakończenie projektu przewidziano na koniec lipca 2025 roku.
MK, źródło: PB