اختيار مادة التوربينات الريحية
تعتبر الشفرات عنصراً مهماً في توربينات الرياح. وهو ينقل طاقة الرياح إلى دوار المولد ، مما يؤدي إلى تدويرها وقطع خطوط القوة المغناطيسية لتوليد الكهرباء. لضمان التشغيل الآمن والآمن على المدى الطويل في البيئات القاسية للغاية في المجال ، فإن متطلبات مواد الشفرة هي: 1 كثافة منخفضة وقوة إجهاد مثالية وخصائص ميكانيكية ، قادرة على تحمل الظروف القاسية والأحمال العشوائية (مثل العواصف) (إلخ) يضمن التشغيل الآمن لأكثر من 20 سنة ؛ 2 التكلفة (مذكورة بدقة حسب التكلفة المخصصة لكل كيلوواط) منخفضة ؛ 3 مرونة النصل ، القصور في الدوران وخصائص تردد الاهتزاز طبيعية ، ويتم نقلها إلى الكل استقرار ثبات نظام توليد الطاقة جيد ؛ 4 - مقاومة التآكل ، المقاومة للأشعة فوق البنفسجية (UV) ومقاومة الصواعق جيدة ؛ 5 تكاليف الصيانة منخفضة.
يمكن لـ FRP تلبية المتطلبات المذكورة أعلاه بشكل كامل وهي أفضل مادة شفرة توربين الرياح.
1.1GFRP
معظم شفرات المروحة التجارية الكبيرة المصنعة حاليا مصنوعة من البلاستيك المقوى بألياف الزجاج (GFRP). خصائص شفرات GFRP هي:
1 وفقا لخصائص قوة شفرات المروحة ، قوة وتصلب شفرات المروحة هي أساسا قوة طولية ، وهذا هو ، الانحناء الديناميكي وقوة الطرد المركزي. حمل الانحناء الأيروديناميكي أكبر بكثير من قوة الطرد المركزي ، و إجهاد القص الناتج عن القص و الالتواء ليس كبيراً. باستخدام نظرية القوة التي تسيطر عليها الألياف الزجاجية (GF) ، يمكن وضع GF الرئيسي في الاتجاه الطولي للشفرة ، بحيث يمكن أن يكون النصل أخف.
2 الجسر الجليدي سهل التشكيل ، يمكنه تحقيق أقصى قدر من الكفاءة الديناميكية الهوائية من أجل تحقيق أفضل تأثير ديناميكي هوائي ، وذلك باستخدام الشكل الديناميكي المعقّد للشفرة ، وتصميم طول وتر شفرة مختلفة ، وسمك ، وزاوية الالتواء والجنيب عند أقطار نصف قطر عجلة الرياح المختلفة ، كما صناعة المعادن صعبة للغاية. في نفس الوقت ، يمكن إنتاج شفرات GFRP بكميات كبيرة.
3 مدة الاستخدام تصل إلى 20 عامًا ، ويمكنها تحمل أكثر من 108 حمولة بديلة تعبها GFRP لديها قوة أعلى من الإجهاد ، حساسية منخفضة ، تخميد داخلي كبير وأداء زلزالي جيد.
4 مقاومة جيدة للتآكل بسبب احتواء GFRP على مقاومة الأحماض والقلويات والماء ، يمكن تركيب المروحة في الهواء الطلق. خاصة بالنسبة لمزارع الرياح البحرية التي تم تطويرها في السنوات الأخيرة ، يمكن تثبيت توربينات الرياح في البحر ، بحيث توربينات الرياح وشفراتها تجربة اختبار المناخات المختلفة.
من أجل تحسين أداء GFRP ، يمكن أيضًا تعديل GF عن طريق المعالجة السطحية ، التحجيم والطلاء. وقد أظهرت الدراسات في الولايات المتحدة أن استخدام ترسب البلازما بترددات الراديو إلى معطف E-GF ، ومقاومة الشد والتعب يمكن أن تصل إلى مستوى ألياف الكربون (CF).
تكمن خاصية القوة في GFRP في قدرتها على تحمل ضغط الشد العالي في اتجاه GF ، بينما تكون القوة في الإتجاهات الأخرى صغيرة نسبيًا.
تتكون النصل من الجلد والشعاع الرئيسي. الجلد محصور ، الطبقة الوسطى هي رغوة جامدة أو خشب البلسا ، والطبقات العليا والسفلى هي GFRP. تتكون الطبقة العليا من طبقة أحادية الاتجاه وطبقة ± 45 درجة. يمكن وضع الطبقة أحادية الاتجاه بنسيج أحادي الاتجاه أو GF أحادي الاتجاه ، وعمومًا بقطعة قماش 7 أو 4GF لتحمل الضغط المحوري الناتج عن قوة الطرد المركزي ولحظة الانحناء الهوائي ؛ من أجل تبسيط عملية التشكيل ، يمكن حذف طبقة GF ± 45 °. يتم استخدام قطعة قماش 1: 1GF ، التي يتم وضعها على طول الاتجاه المحوري لتحمل إجهاد القص الذي ينتج أساسًا عن عزم الدوران ، ويتم وضعها عمومًا على السطح الخارجي للطبقة أحادية الاتجاه. يمكن أن يكون الشكل الهيكلي للحزمة إما بنية شطيرة أو بنية GFRP صلبة. ومع ذلك ، يجب أن يكون مفصل الجلد والحزمة الرئيسية ، أي الغطاء المتطاير ، عبارة عن هيكل صلب من GFRP. وذلك لأن جزء الحزم يتفاعل مع الجلد والضغط كبير ، ويجب ضمان قوة وصلابة الجلد.
1.2CFRP
مع تحسين تكنولوجيا تصميم شفرة توربين الرياح ، يتطور توليد طاقة الرياح في اتجاه الطاقة العالية والشفرات الطويلة. تميل الزيادة في طول الشفرة إلى زيادة جودة الشفرة. تشير الإحصائيات على طول النصل من 10 إلى 60 متر إلى أن كتلة الشفرة تزداد بمقدار مكعب الطول. الوزن الخفيف للشفرة له تأثير مهم على العملية ، عمر التعب وإنتاج الطاقة. عندما تولد الشفرة حمولة متناوبة بسبب جاذبيتها ، فإن النصل نفسه والوحدة مرهقان. يمكن لخفض وزن الشفرة أن يقلل من جودة بنية المحور ، والكنة ، والبرج وما شابه.
بالنسبة للشفرات الكبيرة ، يعد التصلب مشكلة كبيرة. للتأكد من أن طرف الشفرة لا يلمس البرج تحت أحمال الرياح الشديدة ، يجب أن يكون للصلب ما يكفي من الصلابة. لتقليل جودة الشفرة وتلبية متطلبات القوة والصلابة ، فإن الطريقة الفعالة هي استخدام البلاستيك المقوى بألياف الكربون (CFRP). معامل الشد من CFRP هو 2 إلى 3 مرات من GFRP. يمكن للشفرات الكبيرة المزودة بتقوية CF أن تستفيد استفادة كاملة من المرونة العالية والوزن الخفيف. وفقاً للتحليل ، يمكن أن يعمل مخطط التحسين الهجين CF / GFRP على تقليل وزن الأوراق بنسبة 20٪ ~ 40٪. ووفقًا لخطة الأبحاث الممولة من الشركة الأوروبية الأوروبية ، فإن إضافة CF إلى الدوار النسيجي ¢ 120 متر يمكن أن يقلل بشكل فعال من الجودة الشاملة بنسبة 38٪ ، كما يقلل من تكلفة التصميم بنسبة 14٪ مقارنة مع GF. وأشار تحليل آخر مماثل للدراسة إلى أن جودة شفرة المروحة التي تم إجراؤها عن طريق إضافة CF سوف يتم تخفيضها بحوالي 32٪ مقارنة مع GF.
في الوقت الحاضر ، تعتبر أكبر شفرة مروحة هجين CF / GFRP في العالم عبارة عن شفرة طولها 56 م طورتها Nodex لوحدات طاقة الرياح البحرية 5MW. قامت Nodex أيضاً بتطوير شفرات مروحة CF / GFRP 43m (9.6t) لوحدات 2.5MW البرية. قامت Enercon بتطوير شفرات CFRP للاستخدام في توربينات الرياح ذات قدرة 4.5 MW. ما إذا كان CF معززًا للشفرات الكبيرة ما زال مثيرًا للجدل. يعتقد بعض الناس أن إدخال تكنولوجيا التليف الكيسي في صناعة طاقة الرياح "غريب" ومكلفة ، وينبغي تجنبه إن أمكن. ومع ذلك ، فإن العديد من المهندسين الإنشائيين مقتنعون بأن قاعدة النطاق الطبيعي تظهر أنه مع زيادة طول الشفرة ، تزداد الكتلة بشكل أسرع من استخراج الطاقة. ولذلك ، فإن استخدام ألياف الهجين CF أو CF / GF ضروري لقمع الزيادة في الكتلة. في الوقت نفسه ، من أجل تقليل تكلفة طاقة الرياح ، من الضروري أيضًا تطوير شفرات أطول بصلابة كافية.
تعتمد القدرة على استخدام CFRP بكميات كبيرة على ريش المروحة على سعر CF. على الرغم من أن أداء CFRP أفضل بكثير من GFRP ، والنصل أو التوربين الكامل للرياح هو الأكثر وزنًا ، فإن السعر أيضًا أغلى سعرًا. حتى إذا انخفض سعر CF إلى $ 11 / Kg ، فإن سعر الشفرة المعدّة مع CFRP لا يزال مرتفعًا جدًا. لذلك ، نحن الآن ندرس بعمق من المواد الخام ، وتكنولوجيا العمليات ، ومراقبة الجودة ، وما إلى ذلك ، من أجل تقليل تكلفة CFRP.
بشكل عام ، يتم تصنيع النوع الأصغر من الشفرة (على سبيل المثال ، 22 م) من كمية كبيرة من GFRP غير مكلفة ، وتتكون مصفوفة الراتنجات بشكل رئيسي من بوليستر غير مشبع ، وراتنج فينيل إستر أو راتنجات إيبوكسي. كما يمكن استخدامها. الشفرات الأكبر (مثل 42 م أطول) تستخدم عادةً CFRP أو CF / GFRP ، ومصفوفة الراتنج هي بشكل رئيسي راتنجات الإيبوكسي.
