نسل جدید توربین های بادی با کامپوزیت

به گزارش "برق نیوز" به نقل از انجمن کامپوزیت ایران، توربین های بادی، یک کارخانه کامل تولید الکتریسیته هستند که از اجزای بسیاری تشکیل شده اند. روتور در یک توربین بادی اصلی ترین و مهم ترین جایگاه را دارد؛ عضو گردنده ای که وظیفه جذب انرژی از باد و انتقال آن به گیربکس ژنراتور و… را به عهده دارد. در میان اجزاء و سیستم های روتور، پره به جهت شکل ویژه آیرودینامیکی، مهم ترین جزء است. امروزه پره توربین ها با توجه به اصول پیشرفتۀ علم آیرودینامیک ساخته میشوند تا هرچه بهتر و بیشتر انرژی باد را جذب کنند.

هندسه حاکم بر پره ها بسیار پیچیده تر از هندسه حاکم بر بال هواپیما و یا پره بالگرد است به گونه ای که دارای باریک شوندگی و پیچش مقطعی برای برآورد بازده بالای آیرودینامیکی است. به علت ویژگی متغیر باد و بازه وسیع نیروهای وارد بر یک توربین بادی، این ماشین ها و به ویژه پره آنها همواره در معرض بارهای مداوم و تغییر پذیر قرار دارند. یکی از مهم ترین بارهای وارده به اجزای توربین به ویژه پره، بارهای تناوبی است که باعث تخریب از نوع خستگی میشود. این نوع تخریب بسیار خطرناک تر از تخریب استاتیکی است، زیرا رشد ترک در آنها قابل مشاهده نبوده و تخریب در یک لحظه رخ میدهد.
بنابراین در طراحی و ساخت این پره ها باید تمهیدات لازم برای ازبین بردن این مشکل درنظر گرفته شود. هزینه بسیار بالای تعویض و تعمیر پره های خسته شده و همچنین بالا بودن هزینه استخراج انرژی الکتریکی از انرژی باد، موجب میشود تا به این امر دقت بیشتری معطوف شود. استفاده از فناوری پیشرفتۀ ساخت کامپوزیت ها در این عرصه گام مهمی در جهت چیره شدن بر مشکل خستگی در سازه پره بوده است، زیرا این مواد عمر خستگی طولانی تری نسبت به فلزات دارند.
 به طور کلی آزمایش های انجام شده بر روی خستگی سازه های کامپوزیتی بیانگر این مطلب بوده اند که این سازه ها از نمونه های همتای فلزی خود در برابر پدیده خستگی مقاوم تر بوده و هستند. اجزای یک توربین بادی برای یک عمر خستگی ۲۰ ساله طراحی میشوند. این به آن معنی است که این اجزا بایستی بیش از ۱۲۰ هزار ساعت کاری را در شرایط طوفانی و باد متغیر تحمل کنند. اگر چنین چیزی با یک موتور خودرو مقایسه شود. اجزای خودرو تنها باید حدود ۵۰۰۰ ساعت کاری را تحمل کنند. مواد مرکب از آغاز طراحی توربین های نوین جایگاه ویژه ای داشته اند.

نتایج یک پژوهش انجام شده نشان میدهد که بیش از ۸۹ درصد توربین های ساخته شده در دهه ۸۰ از ماده مرکب الیاف شیشه استفاده کرده اند. افزون بر مسئله خستگی، مسائلی همچون شکل دهی، هزینه تولید و سرویس های پس از تولید و به کارگیری، ازجمله مواردی هستند که صاحبان این صنعت را به سوی استفاده از کامپوزیت ها سوق داده است. هرچند هزینه اولیه تولید به وسیله کامپوزیت ها بیشتر از مواد موجود کنونی است، اما کاهش هزینه های بعدی ناشی از نگهداری، سرویس و مقاومت آن در برابر پدیده خوردگی و به ویژه هزینه پایین فرایند تولید و سادگی مراحل تولید پره های با شکل پیچیده حاکم بر آنها، همه مواردی هستند که سبب شده کامپوزیت ها از جایگاه ویژه ای در این صنعت برخوردار باشند.

یکی دیگر از مزایای منحصر به فرد استفاده از این فناوری در طراحی و ساخت پره ها، کاهش وزن سازه به میزان بسیار قابل توجهی است که خود باعث کاهش بارهای گریز از مرکز و بارهای خستگی میشود. این کاهش از آنجا ناشی میشود که طبیعت این مواد به گونه ای است که میتوان آنها را در جهت مورد نظر تقویت کرد و بدین ترتیب از تقویت در جهاتی که نیاز به مقاوم سازی ندارند و بالطبع از افزایش وزن سازه جلوگیری کرد. معماری قابل تغییر شیوۀ ساخت کامپوزیت ها باعث شده است که در موارد مشابه وزن سازه از نمونه های موجود بسیار کمتر باشد. نتایج یک پژوهش انجام شده که به تحلیل سازه ای پره یک توربین بادی ۳۰۰ کیلوواتی پرداخته، نشان میدهد که در مقایسه با پره ساخته شده از فلز، پره کامپوزیتی برتری های بسیاری دارد.

همانگونه که نتایج نشان میدهند، سازۀ پره کامپوزیتی وزن بسیار کم تری نسبت به نمونه همتای فلزی خود دارد (۲۹ درصد وزن سازه فلزی) و این در حالی است که سازه در برابر بارهای خمشی و پیچشی نسبت به نمونه فلزی، سفتی و مقاومت بیشتری داشته و همچنین جابجایی نوک آن نیز کمتر است. بسامد طبیعی ارتعاشات آزاد پره کامپوزیتی کمتر از پره فلزی است، یعنی برای رساندن پره کامپوزیتی به حالت ارتعاشات رزونانس به انرژی بیشتری نسبت به نمونه فلزی نیاز است. امروزه با گسترش کاربرد این مواد در توربین های بادی علاوه بر پره آن در برج، محفظه ماشین خانه (ناسل) و توپی روتور (هاب) نیز استفاده از مواد مرکب افزایش یافته است به گونه ای که در بسیاری از توربین های بادی به ویژه توربین های کلاس متوسط و بزرگ از برج های استوانه ای مخروطی با پوشش مواد کامپوزیت، توپی روتور کامپوزیتی و محفظه ماشین خانه تمام کامپوزیتی استفاده شده و میشود. همچنین مواد مرکب با الیاف کربن در ترمزهای نوک پره به جای فولاد زنگ نزن (Stainless Steel) کاربردهای روزافزونی می یابند.