ساخت پره های توربین هوشمند به منظور بهبود انرژی بادی

[am in 25041]

پژوهش گران شیوه ای را توسعه داده اند كه با استفاده از حسگرها و نرم افزار محاسباتی نیروهای وارد شده به پره های توربین بادی را به طور مداوم بررسی می كند. این امر گامی است به سمت بهبود بازدهی توربین های بادی با استفاده از تنظیم وضعیت بسیار متغیر باد.

این پژوهش كه توسط مهندسین دانشگاه پردو و آزمایشگاه های ملی ساندیا انجام شده است بخشی از تلاش برای توسعه ی سازه های توربین بادی هوشمندتر است.

جاناتان وایت دانشجوی دكترای دانشگاه پردو است كه همراه با داگلاس آدامز، استاد مهندسی مكانیك و مدیر مركز یكپارچه سازی سامانه های پردو، سرپرستی این پژوهش را به عهده داشت. جاناتان وایت گفت: "هدف نهایی ارسال اطلاعات از حسگرها به یك سیستم كنترل فعال است كه قسمت هایی را برای بهینه كردن بازدهی وارد سیستم می كند."

این سیستم می تواند به بهبود قابلیت اطمینان توربین نیز كمك كند. این كار با استفاده از تولید اطلاعات بلادرنگ حیاتی برای سیستم كنترل به منظور جلوگیری از صدمات شدید به توربین در اثر بادهای شدید انجام می شود.

آدامز گفت: "انرژی بادی نقش رو به رشدی را در تولید انرژی الكتریكی ایفا می كند. آمریكا هم اكنون بزرگترین استفاده كننده ی انرژی بادی در جهان است. سوال این است كه چگونه می توان بازدهی توربین های بادی را افزایش داد، قیمت تمام شده ی آن ها را كاهش داد و قابلیت اطمینان آن ها را بالا برد؟"

این مهندسین حسگرهایی با نام شتاب سنج های تك محوره و سه محوره را درون پره ی یك توربین بادی هنگام ساخت این پره جاسازی كردند. این پره روی یك توربین بادی تحقیقاتی در آزمایشگاه خدمات پژوهشی كشاورزی دپارتمان كشاورزی آمریكا، usda، در بوشلند تگزاس آزمایش شد. افرادی از ساندیا و usda به این توربین بادی تحقیقاتی در تگزاس نظارت دارند.

چنین حسگرهایی می توانند در پره های توربین های آینده سودمند باشند كه این پره ها دارای "سطوح كنترل" و باله های ساده ای هستند، شبیه آنچه كه در بال های هواپیما وجود دارد و با تغییر دادن مشخصه های ایرودینامیكی پره ها امكان كنترل بهتر را فراهم می كند. با توجه به این كه این باله ها در واكنش به تغییرات باد باید بدون درنگ تغییر كنند،‌ ارسال داده های مداوم به حسگر بسیار ضروری خواهد بود.

خوزه زایاس، مدیر بخش فن آوری های انرژی بادی ساندیا، گفت: "این یك نمونه ی عالی از همكاری بین یك آزمایشگاه ملی و یك موسسه ی آكادمیك در جهت توسعه ی نوآوری ها با استفاده از مهارت های طرفین محسوب می شود."

یافته های این پژوهش نشان دهنده ی این است كه استفاده از حسگرهای سه تایی و نرم افزار "مدل ارزیاب" كه توسط وایت نوشته شده است، با دقت زیادی مقدار نیروی وارد شده به پره ها را مشخص می كند.

این یافته ها در مقاله ای كه 4 می در كنفرانس و نمایشگاه انرژی بادی 2009 شیكاگو ارائه شد، شرح داده شده است. این مقاله توسط وایت، آدامز، زایاس و مارك رامسی (مهندسی از ساندیا) نوشته شده است.

وایت گفت: "در صنعت نسبت به تشخیص بارها و نیروهای وارد شده به پره های توربین و پیش بینی فرسودگی علاقه نشان داده می شود و این كار گامی است در جهت نایل شدن به این خواسته."

اجزای اصلی یك توربین بادی شامل پره های روتور، جعبه دنده و ژنراتور می شود. پره های توربین بادی از فایبرگلاس و چوب "بالسا" ساخته می شوند و گاهی اوقات با فیبر كربنی تقویت می گردند.

آدامز گفت: "هدف اصلی، به كارگیری ژنراتور و توربین به كارآمدترین شكل ممكن است اما این كار دشوار است چون سرعت باد همواره در حال نوسان است. ما باید بتوانیم ژنراتور یا پره ها را كنترل كنیم تا با كاهش دادن نیروهای وارده به قطعات توربین حین بادهای بسیار شدید و افزایش بار در بادهای ضعیف، دریافت انرژی را بهتر كنیم. علاوه بر بهبود بازدهی، باید قابلیت اطمینان نیز بهتر شود. برج های توربین بادی 200 فوت (حدود 61 متر) یا بیشتر ارتفاع دارند، بنابراین تعمیر و نگه داری قطعات آسیب دیده بسیار هزینه بر خواهد بود."

در یك سیستم هوشمند داده های حسگر باید مورد استفاده قرار گیرد تا سرعت توربین با استفاده از افزایش خودكار انحنای پره بهتر كنترل شود، این در حالی است كه به ژنراتور نیز فرمان داده می شود كه حركت خود را اصلاح كند. داده های حسگر برای طراحی پره های انعطاف پذیر نیز به كار گرفته خواهد شد.

رامسی از ساندیا گفت: "تصور ما بر این است كه سیستم های هوشمند گام بسیار بزرگ و رو به جلویی برای توربین ها خواهند بود. هنوز كارهای زیادی هست كه باید انجام شوند اما ما معتقدیم كه نتیجه بسیار عالی خواهد بود. هدف ما ارائه ی محصولی پربازده و قابل اطمینان به صنعت برق است. ما در حال طراحی اساس توربین های بادی آینده هستیم."

حسگرها قادرند شتاب را در جهت های مختلف اندازه گیری كنند كه این كار برای تعیین دقیق خمش و پیچش پره و لرزش های كوچك در نوك پره كه در نهایت موجب آسیب دیدگی می شود، ضروری است.

همچنین این حسگرها دو نوع شتاب را اندازه می گیرند. نوع اول شتاب دینامیكی است كه از بادهای شدید و ناگهانی حاصل می شود در حالی كه نوع دوم یعنی شتاب استاتیكی در اثر جاذبه ی زمین و بادهای یكنواخت ایجاد می شود. لازم است كه هر دو شتاب به منظور برآورد نیروهای وارده به پره ها به دقت اندازه گیری شوند. داده های حسگر به خوبی نشان می دهد كه پره در اثر باد به چه میزان دچار خمش و پیچش شده است.

این پژوهش در حال پیشرفت است و مهندسین هم اكنون در حال پیگیری كاربرد سیستم خود در پره های توربین آینده و پیشرفته ای هستند كه بسیار خمیده تر از پره های كنونی هستند. این شكل پیچیده تر به كارگیری این شیوه را جالب توجه تر می كند.

در سال 2008 آمریكا 8358 مگاوات به ظرفیت انرژی بادی خود اضافه كرد كه این به معنی ساخت هزاران توربین جدید است چون هر توربین بادی به طور میانگین 1.5 مگاوات تولید می كند. این ظرفیت جدید، كل انرژی بادی نصب شده ی آمریكا را به 25170 مگاوات افزایش داد كه از ظرفیت آلمان به عنوان بزرگترین استفاده كننده ی انرژی بادی پیشی گرفت.

آدامز گفت: "هدف ما انجام دو كار است - افزایش قابلیت اطمینان و جلوگیری از بروز نقص - و كوتاه ترین راه برای رسیدن به این توانایی ها، بررسی مداوم نیروهای وارد شده به پره ها توسط باد است."

این پژوهش به واسطه ی آزمایشگاه های ملی ساندیا مورد حمایت دپارتمان انرژی آمریكا قرار گرفت.