نقش کامپوزیت در توربین های بادی

نقش کامپوزیت در توربین های بادی: در یک توربین بادی اصلی ترین و مهم ترین جایگاه را روتور دارد؛ عضو چرخنده ای که وظیفه جذب انرژی 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(Fan Blade) توربین ها با توجه به اصول پیشرفتۀ علم آیرودینامیک ساخته می شوند تا هرچه بهتر و بیشتر انرژی موجود در باد را جذب کنند. هندسه حاکم بر پره ها(فن بلید 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(Fan Blade) 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 می شود.

تخریب خستگی بسیار خطرناک تر از تخریب استاتیکی است، زیرا رشد ترک در این نوع تخریب قابل مشاهده نبوده و تخریب در یک لحظه رخ می دهد. بنابراین در طراحی و ساخت این پره ها(Fan Blade) 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 می شود تا به این امر دقت بیشتری شود. استفاده از فناوری پیشرفتۀ ساخت کامپوزیت ها در این زمینه گام مهمی در جهت برطرف شدن مشکل خستگی در سازه پره(Fan Blade) بوده است، زیرا این مواد عمر خستگی طولانی تری نسبت به فلزات دارند.

مزایا

به طور کلی آزمایش های انجام شده بر روی خستگی سازه های کامپوزیتیبه این نتایج ختم شده 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 می شوند.

این به آن معنی است که این اجزا بایستی بیش از ۱۲۰ هزار ساعت کاری را در شرایط طوفانی و باد متغیر تحمل کنند. نتایج یک پژوهش انجام شده نشان می دهد 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(فن بلید ها)، کاهش وزن سازه به میزان بسیار قابل توجهی است که خود باعث کاهش بارهای گریز از مرکز و بارهای خستگی می شود.

این کاهش از آنجا ناشی می شود که طبیعت این مواد به گونه ای است که می توان 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 می دهد که در مقایسه با پره ساخته شده از فلز، پره(Fan Blade) کامپوزیتی برتری های بسیاری دارد.

همانگونه که نتایج نشان می دهند، 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 (Fan Blade)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 می شود. همچنین مواد مرکب با الیاف کربن در ترمزهای نوک پره به جای فولاد زنگ نزن کاربردهای روزافزونی می یابند.