توربین های بادی وسایلی هستند که انرژی جنبشی باد را استخراج کرده و به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند، که سپس بیشتر به شکل قابل استفاده تر انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

انرژی به کار گرفته شده از باد در حال حاضر تقریباً 10 درصد از عرضه انرژی جهان را تأمین می کند و حضور آن در بخش انرژی های تجدیدپذیر تنها با تحقق بیشتر پتانسیل آن افزایش خواهد یافت. به منظور رقابتی ماندن با فناوری‌های موجود، بهینه‌سازی راندمان توربین‌های بادی بسیار مهم است و توسط طراحی مهندسی که با انتخاب دقیق مواد تکمیل می‌شود، ضروری است. علاوه بر این، مواد باید بادوام، در حالت ایده آل قابل بازیافت و از نظر ساخت کم هزینه باشند تا اثرات مثبت زیست محیطی و مزایای اقتصادی انرژی باد را خنثی نکنند.

یک توربین بادی از سه جزء اصلی تشکیل شده است: برج، ناسل و پره های روتور.

شکل 1. دانمارک طرفدار قوی انرژی باد است، توربین های بادی حتی در جزایر فارو ظاهر می شوند.

برج

برج تکیه گاه ساختاری را فراهم می کند که تیغه های ناسل و روتور روی آن قرار دارند و از فولاد لوله ای، بتن یا شبکه فولادی ساخته شده است. به طور طبیعی، مواد باید از نظر طبیعت قوی و مستحکم باشند تا در برابر شرایط سخت محیطی و بادهای شدید مقاومت کنند.

ناسل

ناسل ماشین آلات داخلی از جمله ژنراتور را در خود جای داده است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. از آنجایی که ناسل عمدتاً شامل بخش های مکانیکی عملکرد توربین بادی است، مواد به ویژه در معرض انحرافات و تغییرات زیادی نیستند.

شکل 2. داخل اجزای مکانیکی ناسل در یک توربین بادی.

تیغه روتور

روتور با حرکت چرخشی خود هنگام چرخش تیغه ها، گشتاور آیرودینامیکی را از باد تولید می کند. بهینه‌سازی شکل و جنس پره‌ها باید به تیغه اجازه دهد تا سریع‌تر بچرخد و باد را با سرعت‌های پایین‌تر جذب کند تا راندمان توربین افزایش یابد. شکل تیغه روتور باید آیرودینامیک باشد، دقیقاً شبیه بال‌های هواپیما. مواد تیغه ها باید به جای جلوگیری از آیرودینامیک آنها را بهبود بخشد و معیارهای زیر را برآورده کند: سفتی بالا برای آیرودینامیک بهینه، چگالی کم برای کاهش نیروهای گرانشی، و عمر خستگی طولانی برای کاهش تخریب مواد. طول عمر 20 ساله معمولاً استاندارد صنعت برای عمر طولانی خستگی است که 10 سال را حفظ می کند⁸-10⁹ چرخه های تنشی که مواد می توانند قبل از شکست تحمل کنند.

در ارزیابی دسته‌های وسیع مواد موجود، فوم‌ها، پلیمرها و لاستیک‌ها به دلیل سفتی و چگالی ناکافی آنها برای یک تیر کنسول که به عنوان مدلی برای تیغه روتور عمل می‌کند حذف می‌شوند. سرامیک ها در برابر بارهای خستگی طولانی مدت به خوبی مقاومت نمی کنند، به این معنی که می توانند به راحتی شکسته شوند. این باعث می شود چوب ها و کامپوزیت هایی باقی بمانند که این نیازهای مواد را برآورده می کنند. چوب یک گزینه سازگار با محیط زیست با مزیت داشتن چگالی کم است. با این حال، سفتی کم آن، مواد را مستعد خم شدن و انحراف در باد می‌کند و کارایی کلی توربین را به شدت به خطر می‌اندازد. مواد کامپوزیتی کاربردی ترین و رایج ترین انتخاب باقی می مانند. در این خانواده از مواد، تنوع غنی از امکانات نوآورانه بررسی شده است.

شکل 3. تیغه های روتور برای مونتاژ آماده می شوند.

الیاف

مواد الیافی با این واقعیت مشخص می شوند که به طور قابل توجهی طولانی تر از عرض آنها هستند. استحکام و سفتی استثنایی الیاف آنها را به کاندیدای عالی برای مواد پره توربین تبدیل می کند، جایی که الیاف بلند هنگام تراز موازی در طول تیغه، سفتی طولی ایجاد می کنند. الیاف اغلب شکننده هستند و به راحتی می‌شکنند، بنابراین به تنهایی به عنوان ماده استفاده نمی‌شوند، بلکه بیشتر به عنوان تقویت‌کننده افزودنی استفاده می‌شوند.

الیاف کربن دارای خواص مکانیکی برتر با سختی بالا، استحکام بالا و چگالی کم، البته همراه با هزینه های بالاتر. آن‌ها از اتم‌های کربن خالص به‌عنوان واحدهای تکرار شونده شش ضلعی در یک شبکه کریستالوگرافی تشکیل شده‌اند که در صفحات روی هم قرار گرفته‌اند، با نیروهای قوی در داخل صفحه و نیروهای ضعیف بین. این منجر به ناهمسانگردی بالا با سفتی و خواص انبساط حرارتی بالا می شود. چگالی کم تیغه های فیبر کربن طول بیشتری را بدون بار افزایش وزن ارائه می دهد و در نتیجه راندمان توربین را افزایش می دهد. علاوه بر این، تیغه‌های سبک‌تر وزن کلی را کاهش داده و ناسل را تحت فشار قرار می‌دهند.

الیاف شیشه در مقایسه با همتایان کربنی خود با هزینه کمتری در دسترس هستند و بنابراین در صنعت رواج بیشتری دارند. آنها عمدتا از SiO تشکیل شده اند₂ و ال₂O₃، با سایر اکسیدهای موجود در مقادیر کم. از آنجایی که نظم کریستالوگرافی وجود ندارد، این ماده دارای ساختاری بی شکل با خواص همسانگرد است. این بدان معنی است که خواص آن مانند سفتی و انبساط حرارتی در طول و در سراسر فیبر ثابت است. الیاف شیشه 10-20 میکرومتر قطر دارند و سفتی متوسط، استحکام بالا و چگالی متوسط ​​دارند. در اینجا درباره شیشه آلومینوسیلیکات بیشتر بدانید.

• E-glass یا شیشه الکتریکی ساخته شده از آلومینیوم بوروسیلیکات که با مقاومت الکتریکی بالا مشخص می شود.
• شیشه S یا شیشه با استحکام بالا ساخته شده از آلومینوسیلیکات منیزیم اما با هزینه های بالاتر.

الیاف آرامید الیاف مصنوعی هستند که در برابر حرارت بسیار مقاوم هستند و آنها را برای توربین های بادی که در دمای شدید کار می کنند مناسب می کند. الیاف از زنجیره های پلی آمید معطر تشکیل شده اند که توسط پیوندهای هیدروژنی قوی به هم متصل شده اند که به چقرمگی الیاف کمک می کند.

ماتریس پلیمری

ماتریس پلیمری با اتصال الیاف به یکدیگر پشتیبانی ساختاری را فراهم می کند و از دو کلاس اصلی تشکیل شده است: ترموست و ترموپلاستیک. تفاوت فیزیکی اصلی بین آنها رفتار آنها در دماهای مختلف است. در اینجا می توانید در مورد تفاوت ها بیشتر بدانید.

ترموست حاوی پلیمرهایی است که در پیوندهای شیمیایی برگشت ناپذیر به هم متصل شده اند. این باعث می شود در برابر دماهای بالا مقاوم باشند و پس از سرد شدن در حالت جامد دائمی باقی بمانند. این احتمالاً می تواند منجر به تنش داخلی در ساختار کامپوزیت شود. نمونه هایی از پلیمرهای ترموست به شرح زیر است:

ترموپلاستیک ها حاوی پلیمرهایی است که فاقد این پیوندهای شیمیایی قوی هستند به طوری که فعل و انفعالات برگشت پذیر هستند. آنها هنگام گرم شدن مجدد نرم می شوند و امکان قالب گیری مجدد و در صورت لزوم تعمیر را فراهم می کنند. با این حال، این ویژگی همچنین باعث ذوب آنها در دمای بالا می شود و آنها را برای برخی از شرایط سختی که توربین های بادی باید تحمل کنند غیرعملی می کند.

هنگامی که الیاف و ماتریس پلیمری با هم ترکیب می شوند، یک ماده کامپوزیتی با خواص شیمیایی و فیزیکی متفاوت از اجزای تشکیل دهنده آنها تشکیل می دهند. ماده به دست آمده با خواص تکمیلی تقویت شده است که کمبودهای موجود در دیگری را جبران می کند. مواد مرکب حاوی فیبر معمولی که در پره های توربین استفاده می شود با شیشه و کربن هستند. الیاف بلند سفتی و استحکام را فراهم می کنند در حالی که ماتریس پلیمری با ایجاد استحکام خارج از صفحه، انعطاف پذیری، چقرمگی شکست و افزایش سفتی از الیاف پشتیبانی می کند. در یک ترکیب و ترکیب بهینه، تیغه های حاصل سبک وزن با خواص مکانیکی عالی هستند.

Brøndsted، P.، Lilholt، H.، & Lystrup، A. (2005). مواد کامپوزیت برای پره های توربین های بادی. بررسی سالانه تحقیقات مواد، 35. doi:10.1146/annurev.matsci.35.100303.110641

بروندستد، پی، هولمز، جی دبلیو و سورنسن، بی اف (2008). تکنولوژی مواد پره روتور باد. بررسی انرژی پایدار اروپا، (2)، 36-41.

هیمن، بی.، وندل هاینن، جی.، و پوول بروندستد، پی. (2008). چالش های مواد در انرژی باد حال و آینده. بولتن MRS (مهار مواد برای انرژی)، 33(4). doi: 10.1557/mrs2008.70

میشنایفسکی، ال.، جونیور، برانر، ک.، پترسن، اچ. مواد برای پره های توربین بادی: یک مرور کلی. مواد، 10(1285). doi: 10.3390/ma10111285