بخشی از مقاله
بررسی تکنولوژي ساخت و تولید پره هاي توربین بادي
چکیده :
پره ها یکی ازقسمتهاي منحصر به فرد در ساختار توربینهاي بادي هستند. به گونه اي که داراي ویژگیهاي خاص مکانیکی (در زمینه نوع مواد و تنشهاي وارد برآن) و آیرودینامیکی می باشند. با گسترش نیروگاههاي بادي و رشد روزافزون توربینهاي بادي به منظور تولید و تامین انرژي الکتریکی، برابعاد و اندازه پره هاي توربین بادي افزوده شده است.
تکنولوژي ساخت و تولید پره هاي توربین بادي در هر دو زمینه ي فرآیند و مواد مورد استفاده در آنها با پیشرفتهاي جدیدي روبرو شده است به گونه اي که تولید کنندگان بزرگ این پره ها با انتخاب طرحها و استفاده از مواد جدید سعی در بهینه سازي خواص مکانیکی در آیرودینامیکی پره ها دارند. فیبرهاي کامپوزیتی و رزینهاي متفاوت از جمله مواد مختلف مورد استفاده در تولید روتور پره هاي توربین بادي می باشد.
در این مقاله به معرفی پره توربین بادي به عنوان یکی از مهمترین اجزاء توربین بادي می پردازیم و درادامه به بررسی مواد مورد استفاده در آنها و روشهاي مختلف قالب گیري درساخت و تولید آنها می پردازیم. این مقاله بر اساس قسمتی از تحقیقات پایان نامه کارشناسی ارشد نویسنده در مورد کاهش تاثیرات زیست محیطی دفع پره هاي توربین بادي در دانشگاه گاتلند1 در کشور سوئد نوشته شده است.
کلمات کلیدي: پره توربین بادي ، ساخت و تولید ، مواد و فرآیند ، قالب گیري.
-1 مقدمه
توربین بادي انرژي جنبشی موجود در باد را به انرژي الکتریکی تبدیل می نماید. قسمت اصلی هرتوربین بادي روتور آن میباشد که شامل تعداد متفاوتی پره می باشد . توربین بادي استاندارد دانمارکی داراي سه پره می باشد. [1]
شکل -1 توربین بادي استاندارد دانمارك[2]
باد دراثر عبور ازمیان پره ها باعث به چرخش درآمدن آنها می شود. این چرخش بوسیله محوراصلی به گیربکس و درآخر به ژنراتور منتقل می شود.
براي به چرخش درآمدن روتور توربین بادي پره ها باید داراي طراحی آیرودینامیکی باشند به گونه اي که فشار هوایی که از سطح بالایی ایرفویل پره می گذرد کمتر از فشار هوایی باشد که از سطح پایینی ایرفویل آن می گذرد. علاوه برطراحی آیرودینامیکی ،پره هاي توربین باید از لحاظ مکانیکی نیز ویژگیهاي خاصی را دارا باشند . به طوري که بتوانند درهنگام بروز بادهاي شدید و طوفان ، که باعث ایجاد تنشهاي شدید متوالی و خستگی زیاد درآنها می شود مقاومت کنند. ازطرف دیگر از لحاظ اقتصادي ساخت و تولید آنها با وجود این خواص مکانیکی و آیرودینامیکی باید مقرون به صرفه نیز باشند.
با رشد زیاد توربینهاي بادي در دهه گذشته ، ابعاد و اندازه پره هاي توربین بادي نیز افزایش یافته است درنتیجه وزن هزینه تولید آنها نیز به تناسب افزایش یافته است .
براساس یک محاسبه کلی به ازاء افزایش هرکیلووات توان اسمی توربین بادي به 10 کیلوگرم از مواد مورد استفاده در پره نیاز می باشد که این افزایش به ازاء هرمگاوات برابر10 تن می باشد.[3] این درحالی است که درسال2001به میزان 5×107 کیلوگرم مواد پلاستیکی متفاوت در تولید پره هاي توربین بادي درجهان به کار رفته است .[4] این میزان به طور شگفت آوري تا سال2010 افزایش پیدا کرده است به گونه اي که تنها درقاره اروپا و امریکا این میزان به 131× 107 کیلوگرم رسیده است . لازم به ذکر است که کشورهاي درحال توسعه مانند چین و هند و کشورهاي دیگري مانند مکزیک ، برزیل ،کانادا ، استرالیا و... به سرعت درحال گسترش نیروگاههاي بادي می باشند .[5]
پره هاي توربین بادي 10 – 15 درصد از هزینه کل تولید توربین بادي را به خود اختصاص می دهند و به این واسطه برروي هزینه انرژي الکتریکی تولیدي تأثیر مستقیم دارند.[1] نسل جدید پره هاي توربین بادي با کاهش زیادي در میزان مواد اولیه مصرفی، وزن و هزینه تولید مواجه بوده است اما تلاش براي طراحی هاي بهینه تر و مقرون به صرفه تر همچنان ادامه دارد.
-2 ساختار پره :
پره توربین بادي همانند بال هواپیما از یک ایروفویل تشکیل شده است . ایروفویلهایی که در ساخت هواپیما استفاده میشود اکراًث با نام NACA شناخته می شوند. از این ایرفویلها تا سال 1990 در ساخت پره هاي توربین بادي استفاده می شد اما از 1990 ایرفویلهاي مخصوص توربین بادي توسعه پیدا نمودند. [1] ضخامت پره توربین بادي در طول آن متفاوت می باشد و براساس درصدي از پهناي آن تغییر می کند . [6] ایرفویل پره توربین بادي داراي قسمتهاي متفاوتی می باشد:
-1 لبه حمله -2 لبه فرار -3 قسمت میانی -4 سطح پایینی -5 سطح فوقانی -6 خط وتر اما به طور کلی از لحاظ ساختار می توان آن را به دو بخش پوسته خارجی و تیرك داخلی تقسیم نمود. [6]
شکل -2 قسمتهاي مختلف پره توربین بادي [6]
اندازه طول پره توربین بادي تأثیر مستقیم برمساحت جاروب2 و میزان کشت باد و در نتیجه توان تولیدي آن می گذارد. با رشد توان تولیدي توربینهاي بادي از 1980 تا کنون اندازه پره ها نیز افزایش یافته است . به گونه اي که امروزه پره هایی با طول تقریبی 100 متر براي توربینهاي مولتی مگاواتی مورد استفاده در کشتزارهاي بادي دریایی دردست تولید می باشند. این افزایش اندازه در پره ها باعث افزایش مواد مصرفی ، وزن و پیچیده تر شدن روند تولید و حمل و نقل آنها شده است. [4] شکل 3 نشان دهنده افزایش وزن و اندازه پره هاي توربین بادي از 750 کیلووات تا 4/5 مگاوات می باشد.
شکل -3 افزایش وزن و اندازه پره توربین بادي [4]
-3 مواد مصرفی در تولید پره ها :
پره هاي توربین بادي در طی عملکرد خود تحت تأثیر نیروها و بارهاي متفاوتی قرار می گیرند. این بارها به طور متناوب بر پره ها وارد می شوند بنابراین پره ها باید توانایی تحمل چنین بارهایی را در مدت 20 تا 25 سال عملکرد مفید توربین بادي داشته باشند. بر این اساس مواد مصرفی درپره هاي توربین بادي باید خاصیت انعطاف پذیري و مقاومت در برابر تنشها و کرنشهاي ایجاد شده درآن را داشته باشد.[1] از طرف دیگر این مواد براي تأمین خواص مکانیکی و آیرودینامیکی باید سبک و سخت نیز باشند. مواد مورد استفاده در
تولید پره هاي توربین باديعموماً از فیبرهاي کامپوزیتی تشکیل می شوند . که شامل فیبرهاي کربنی و فایبرگلاس می باشند.( فیبرهاي کربنی به علت قیمت گران آنها کمتر مورد استفاده قرار می گیرند). فایبرگلاسهاي متفاوت به همراه رزینهاي اپوکسی و پلی استر از مواد اساسی تشکیل دهنده پره توربینهاي بادي مدرن می باشند. اگر چه تلاشهاي مستمري براي بهبود بکارگیري مواد متنوع دیگري درساختار پره همچنان ادامه دارد . اپوکسی ، وینیل استر، پلی استر و مواد ترموپلاستیک و ترموست از مواد معروف و شناخته شده مورد استفاده توسط تولید کنندگان بزرگ اروپایی می باشند که براساس فاکتورهاي گوناگونی حجم مشخصی از ساختارپره را تشکیل می دهند. این فاکتورها با توجه به سیاستهاي شرکتهاي متفاوت و همچنین معیارهاي طراحی آنها متفاوت می باشند. [7]
-4 فرایند ساخت و تولید پره ها :
کمپانی هاي متفاوتی درجهان تولید پره هاي توربین بادي را انجام می دهند . اما از این تعداد تنها 4 شرکت عمده 3/4 این تولید را دردست دارند. [7]
شکل -4 سهم تولید شرکتهاي تولید پره توربین بادي در جهان]٨[
فرآیند ساخت و تولید پره هاي توربین بادي یک فرآیند تولید در قالب تزیقی می باشد که روشهاي متفاوتی در تولیدآن وجود دارد .
