Анализ жизненного цикла объектов строительства на примере ветроэнергетических сооружений

Введение. Строительство играет ключевую роль в экономике Российской Федерации, способствуя устойчивому развитию и улучшению условий жизни населения. Современные строительные объекты представляют собой жилые и коммерческие здания, коммунальные и инфраструктурные сооружения, такие как дороги и мосты, а также промышленные и энергетические объекты, включая ветроэнергетические сооружения. Ветроэнергетика становится важной частью строительной отрасли, способствуя инновациям и технологическому прогрессу. Как объекты строительной отрасли ветроэнергетические сооружения (ВЭС) проходят свой жизненный цикл, включающий основные этапы: проектирование, строительство, эксплуатацию и утилизацию (реновацию). Каждый этап требует эффективного управления для обеспечения надежного функционирования и безопасности объекта. Так, для обеспечения в будущем генерации экологически безопасной энергии ветроэнергетическим сооружением возникает необходимость анализа планируемого объекта строительства и, как следствие, управление решениями еще на этапах проектирования и строительства. В ходе такого анализа появляется возможность выявить потенциальные проблемы этапа эксплуатации ветроэнергетического сооружения. К ним прежде всего можно отнести износ, коррозию конструктивных элементов и обморожение лопастей.

Данные проблемы являются причиной снижения производительности и срока службы объекта. В связи с этим целью работы являлся поиск возможности увеличения срока эксплуатации в жизненном цикле ветроэнергетических сооружений за счет решения проблемы обледенения лопастей на этапах проектирования и строительства.

Материалы и методы. Исследования базируются на методе анализа жизненного цикла строительных объектов, включающем систематизацию и оптимизацию процессов управления ими. Модель жизненного цикла ветроэнергетических сооружений, разработанная автором ранее, помогла выявить проблемы этапа эксплуатации объекта. Наиболее значимой проблемой, существенно влияющей на продолжительность этапа эксплуатации, является проблема обледенения лопастей. Анализ жизненного цикла ветроэнергетического сооружения показал, что обеспечить успешное решение этой проблемы целесообразно на этапах проектирования и строительства объекта. Данные проведенного анализа проблемы базируются на результатах исследований отечественных и зарубежных авторов.

В результате произведено обобщение и систематизация существующих методов борьбы с обледенением, на основе чего предложен новый способ реализации и разработана соответствующая методика выполнения работ. Такое решение, предусмотренное еще на этапе проектирования строительного объекта, позволит успешно управлять его жизненным циклом и, в частности, этапом эксплуатации.

Результаты исследования. В ходе проведенных исследований автором достигнута цель — увеличение продолжительности этапа эксплуатации в жизненном цикле ветроэнергетических сооружений. Для достижения поставленной цели проведен анализ жизненного цикла объектов строительства, в ходе которого выявлены причины, оказывающие влияние на срок эксплуатации объекта. Наиболее значимой причиной, приводящей к резкому сокращению срока службы объекта строительства, является проблема обледенения лопастей в холодный период года.

На основе анализа условий эксплуатации определены причины обледенения лопастей ветроэнергетических сооружений, установлены основные принципы защиты от обледенения и предложен новый способ решения этой проблемы с применением беспилотного летательного аппарата (далее — БПЛА), а также разработана методика нанесения гидрофобных покрытий для предотвращения процесса обледенения. Внедрение результатов исследования позволит обеспечить требуемую производительность, что, в свою очередь, увеличит срок службы ветроэнергетического сооружения.

Обсуждение и заключение. Успешное управление жизненным циклом таких объектов строительства как ветроэнергетические сооружения требует внимания не только на этапе эксплуатации объекта, но и на этапах проектирования и строительства. Ключевая задача этапа эксплуатации ветроэнергетического сооружения — обеспечение необходимой производительности и увеличение срока службы объекта — может быть решена путем тщательного анализа жизненного цикла и предотвращением будущих проблем эксплуатации еще на этапах проектирования и строительства. Предложенный в исследовании способ борьбы с обледенением лопастей может быть внедрен не только для существующих ветроэнергетических сооружений, не имеющих специальных систем против обледенения, но и для проектируемых объектов. Причем предлагаемые решения для борьбы с обледенением лопастей могут быть включены в проектную документацию как обязательные виды работ, осуществляемые на этапе строительства, а также впоследствии — на этапе эксплуатации с определенной периодичностью.

Решение проблемы на этапе проектирования объекта позволит обеспечить повышение производительности и увеличение срока службы ветроэнергетического сооружения, функционирующего в условиях холодного и влажного климата. Таким образом, результаты исследования представляют собой теоретическую базу для управления жизненным циклом ветроэнергетических сооружений как одних из перспективных объектов строительства.

1. Бежан А.В. Роль ветроэнергетики в социально-экономическом развитии районов Арктической зоны Российской Федерации (на примере Мурманской области). Арктика: экология и экономика. 2021;11(3):449–457. https://doi.org/10.25283/2223-4594-2021-3-449-457

2. Самарская Н.С., Парамонова О.Н., Лысова Е.П., Чистякова В.Д. Разработка модели жизненного цикла для ветроэнергетической установки. Современные тенденции в строительстве, градостроительстве и планировке территорий. 2022;1(4):25–31. https://doi.org/10.23947/2949-1835-2022-1-4-25-31

3. Умурзаков А.К. Способы борьбы с обледенением лопастей ветрогенератора. Мировые естественно-научные исследования современности. Технический прогресс. 2023;229–230

4. Okulov V, Kabardin I, Mukhin D, Stepanov K, Okulova N. Physical Deicing Techniques for Wind Turbine Blades. Energies. 2021;14(20):6750. https://doi.org/10.3390/en14206750

5. Martini F, Contreras Montoya LT, Ilinca A. Review of Wind Turbine Icing Modelling Approaches. Energies. 2021;14(16):5207. https://doi.org/10.3390/en14165207

6. Wang Q, Yi X, Liu Y, Ren J. Numerical Investigation of Dynamic Icing of Wind Turbine Blades under Wind Shear Conditions. Renewable Energy. 2024;227:120495. https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.120495

7. Contreras Montoya LT, Lain S, Ilinca A. A Review on the Estimation of Power Loss Due to Icing in Wind Turbines. Energies. 2022;15(3):1083. https://doi.org/10.3390/en15031083

8. Meledin VG, Kabardin I, Dvoinishnikov SV, Zuev VO. Experimental Research on Combined Methods against Icing of Wind Turbine Blades. Journal of Engineering Thermophysics. 2024; 33(4):779–791. https://doi.org/10.1134/S181023282404009X

9. Беляев А.В., Антипов С.С. Жизненный цикл объектов строительства при информационном моделировании зданий и сооружений. Промышленное и гражданское строительство. 2019;1:65–72. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36973984 (дата обращения 10.02.2025).

10. Шустиков С.А., Ульянова Н.В. Обзор конструктивных решений по борьбе с обледенением самолета. В: Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве». Нижний Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева; 2021. С. 337–344. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=48286208 (дата обращения 10.02.2025

11. Ахременко С.А., Викторов Д.А., Протченко М.В. Анализ перспектив развития современных систем антиобледенения. В: Материалы международной научно-практической конференции «Инновации в строительстве». Брянск: БГИТУ; 2019. С. 136–142. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=43811094 (дата обращения 10.02.2025).

12. Куркина И.И. Исследование структурных, электрических и оптических свойств фторированного графена и структур графен/фторированный графен/кремний. В: Материалы V Международной конференции с элементами научной школы «Новые материалы и технологии в условиях Арктики». Якутск: СВФУ им. М.К.Аммосова; 2022. С. 43–44. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49580222 (дата обращения 10.02.2025).

13. Лебедева О.С., Лебедев Н.Г. Пьезопроводимость графеновых нанолент. Упругопластические деформации. Физика твердого тела. 2024;66(4):608-614. https://doi.org/10.61011/FTT.2024.04.57799.25

14. Wang H, Wang HS, Ma C, Chen L, Jiang C, Xie X. et al. Graphene Nanoribbons for Quantum Electronics. Nature Reviews Physics. 2021;3(12):791–802. https://doi.org/10.1038/s42254-021-00370-x