پره های نیروگاه بادی، تقویت کننده تولید چندسازه ها
۱۳۸۷/۱۱/۱۹
پره های نیروگاه بادی، تقویت کننده تولید چندسازه ها
تمایل در حال رشد جهانی به انرژی بادی در حال تبدیل پرههای بادی به یکی از جذابترین زمینه های کاربردی چندسازه ها میباشد. ساخت ظرفیتهای بزرگ در تولید انرژی بادی به خصوص در ایالات متحده، چین و اسپانیا، وجود تعداد زیادی از کارخانههای جدید را برای تولید این قطعات چندسازه لازم کرده است. Charles Kazmierski مدیر پروژه Lucintel (شرکت مشاورهای در زمینه پلاستیکها، چندسازه ها و سایر بازارهای صنعتی) بیان میکند که بازار جهانی انرژی بادی طی ده سال اخیر رشد سالانه 23 درصدي را تجربه کرده است. او انتظار یک بازار در حدود 6 میلیارد دلاری را برای چندسازهها در بازار انرژی بادی تا سال 2012 انتظار دارد. صنعت بادی ایالات متحده نشان از یک تاریخچه با چرخه رشد پرپیچ و خم دارد که بیشتر توسط اعتبارات مالیاتی دولت فدرال که به صنعت نیز کمک مالی میکند حمایت شده است. طبق گفته مجمع انرژی بادی امریکا (AWEA) تردید مزمن طی دوره های نوسازی اعتبارات مالیاتی منجر به ورشکستگی این صنعت از سال 2000 تا 2005 شد. از سرگیری مجدد پرداخت کمک از اعتبارات مالیاتی باعث رشد چشمگیر این صنعت طی سال های 2005 تا 2007 گردید. این بازار می تواند دوباره نوعی عقبگرد را تجربه کند در صورتی که قانونگزاران ایالات متحده اعتبارات تخصیصی را در انتهای سال 2008 تجدید ننمایند. حتی با ابهاماتی که در سرنوشت محرکهای مالیاتی فدرال وجود دارد، صنعت بادی ایالات متحده با نصب تاسیسات تولیدی جدید با سرعت وحشتناکی در سه ماهه اول 2008 رو به جلو حرکت کرده است و طبق گزارش AWEA 1400 مگاوات به ارزش 3 میلیارد دلار ظرفیت جدید به وجود آمده است. این صعود در تولید باعث تحمیل فشار شدیدی بر تامینکنندگان رزین، تقویت کننده ها و مواد قالب مثل چوب بالسا و اسفنج PVC شده است. این تامین کنندگان توجه خود را بر برآورد کیفیت و زمان تحویل متمرکز کردهاند زیرا سازندگان توربین بادی در حال جهانی کردن فعالیتهای خود، با توجه به نیاز روزافزون، هستند. Paul Langemeier مدیر توسعه بازار جهانی برای تولید اپوکسی از شرکت Hexion Specialty Chemicals می گوید تا کنون این یک تجارت مختص به اروپا بوده است اما اکنون به صورت یک تجارت جهانی با تامین کنندگانی در مناطق مختلف درآمده است. بیشتر ناظران بر این امر توافق دارند که رشد طولانی مدت نیاز به نوآوریهای فنی دارد تا انرژی بادی را با سایر منابع انرژی قابل رقابت گرداند. یکی از گرایشهاي کلیدی افزایش بهرهوری است. تولید پره از طریق پخت در خلا یا قالبگیری پیشآغشته کاربر است و سازندگان به دنبال راههایی جهت کاهش زمان چرخه و هزینهها هستند. لایه گذاری با روبات، تکنیکهای تکمیلی بهبود یافته، پره های دو تکه یا بخش بخش و تولید در محل ابزارهایی بالقوه در اصلاح هزینه های کارگری و پشتیبانی هستند. گفته میشود که تکنیکهای جدید قالب گیری پیش آغشته ظاهر سطح را بهبود می دهند و عملیات تکمیلی را تسهیل می کند. تامین کنندگان رزین و پیش آغشته در حال معرفی موادی هستند که در دمای پایین تر و سریع تر پخت می شوند. با افزایش ظرفیت تولید بادی، گرایش به پرههای بزرگتر و سبکتر نیز رو به افزایش است. برخی بر این خیال هستند که میتوان از الیاف کربن، بهرغم گرانتر بودن و منابع محدود آن، به خاطر سفتی بالاتر و وزن کمتر نسبت به E-glass استاندارد بیشتر استفاده کرد. در این حال E-glass و محصولات خاص شیشهای با بهره گیری از شیمی جدید و بهبود در احتیاجات کاربردی، رقابت الیاف کربن با آنها را منتفی می کند.
پره های بادی چندسازه معمولا به صورت دو تکه قالب گیری می شوند و سپس توسط چسب اپوکسی به هم متصل می شوند.
مواد و روش ها یک توربین بادی از چندین قطعه ي چندسازه تشکیل شده است اما پرهها که از اپوکسی یا پلی استر غیر اشباع تقویت شده با الیاف ساخته میشوند بیشترین استفاده از ماده را دارند. سایر قطعات توربین که از پلی استر ساخته می شوند شامل بدنه (مکان قرارگیری جعبه دنده، ژنراتور و سایر اجزاء) و توپی میباشد. روش فرایندی غالب پخت رزین در خلا میباشد. در این فرایند VOC پایین ایجاد میشود و میتواند قطعات بزرگ را با مقدار کنترل شده ای از رزین به طور یکنواخت خیس کند و در نتیجه تولید پره های سبکتر و ارزانتر را میسر سازد. قالبگیری پیش آغشته با یک پارچه شیشهای بافته یا تک جهتی هزینه بیشتری دارد اما یکنواختی بیشتری حاصل میکند زیرا پیشآغشته خود حاوی ماده ماتریس است (نوعا اپوکسی). بسته به اندازه پره، قالبگیری يا پخت در خلا پیش آغشته 12 تا 24 ساعت طول می کشند. پرهها که حاوی 70 تا 75 درصد وزنی شیشه هستند و به صورت ایرودینامیک طراحی شدهاند بایستی خواص مکانیکی دقیقی داشته باشند مثلا سختی و مقاومت به پیچش و خستگی بالایی داشته باشند. نیروهای زیاد ایستا و پویا در محدوده وسیع دمایی در یک دوره عمر مفید 20 ساله معمول هستند. یک پره استاندارد 35 تا 40 متری برای یک توربین 5/1 مگاواتی در حدود 6 تا 7 تن وزن دارد. هم اپوکسی و هم پلی استر و تا حد کمتری وینیل استر بازار پره بادی را در روزهای اول در دست داشتند اما با بزرگتر شدن پره ها استفاده از اپوکسی ترجیح داده شد. فرایند کردن پلی استر آسانتر است و قیمت پایینتری هم دارد اما اپوکسی کارایی مکانیکی بالاتری را برای پرههای بزرگتر از 26 متر به دست میدهد. برعکس اپوکسی، پلی استر نیاز به پس پخت ندارد اما پره حاصل از آن عموما سنگینتر است. E-glass تاکنون بیشترین تقویت کننده مورد استفاده بوده است در حالی که الیاف کربن گرانتر به مقدار بسیار کمتری و برای حصول سفتی بالاتر و کاهش وزن در پرههای بلندتر استفاده میشود. موانع بر سر راه ورود به تولید پره بادی بسیار دشوار است. این موانع شامل مقیاس فیزیکی قطعات، نیاز به فناوری قابل رقابت، منابع اولیه خوب، حضور جهانی و سرمایه گذاری هنگفت می باشند. در حدود 12 تامین کننده جهانی توربین بادی وجود دارد که چهار تای اول آنها 72 درصد بازار را در اختیار دارند. بیشتر این تامین کنندگان اصلی خود پرههایشان را میسازند اما برخی مانند GE Energy با شرکتهایی مانند Molded Fiber Glass Companies، Ashtabula، Ohio و TPI Composites Inc. قرارداد میبندند. سازندگان پیشرو توربینهای بادی در جهان شرکت دانمارکی Vestas Wind Systems (سهم 23 درصدی از بازار) و پس از آن GE Energy، Gamesa از اسپانیا (17 درصد)، Enercon از آلمان، Suzlon از هند (5/10 درصد) و Siemens آلمان هستند. سازنده پیشرو پره در دنیا شرکت دانمارکی LM Glasfiber A/S است که بین 8000 و 9000 پره در سال تولید می کند و سهم آن از بازار در حدود 25 درصد است. این شرکت فعالیت خود در این زمینه را در 1978 آغاز کرده است و آن را به سایر نقاط دنیا از جمله ایالات متحده توسعه داده است. آنها ادعا دارند که دارای بیشترین پره نصب شده در دنیا هستند و از هر سه توربین، یکی با پرههای آنها تنظیم شده است.
لایه گذاری پارچه شیشهای در فرایند پخت رزین در خلا جهت ساخت یک پره بادی. گرایش به سمت اتوماسیون بیشتر در در ساخت پره میباشد. LM از پخت در خلا و آنچه را که "مهندسی هوشمند" می نامد، در ساخت پره های بادی پلی استر با قیمت پایینتر از اپوکسی اما با کارایی بالا بهره میگیرد. این فرایند جهت حصول یک سیستم لایهای محکم و یکنواخت با سخت شدن سریعتر بهینه شده است که زمان تولید را چندین ساعت کاهش میدهد. LM این فناوری را برای ساخت بلندترین پره های بادی در صنعت تطبیق داده است. پره 5/61 متری که برای یک توربین 5 مگاواتی ساخته شده است 8/17 تن وزن دارد. این توربین قطر چرخنده 126 متری دارد و سه پره آن سطحی به اندازه دو زمین فوتبال را پوشش میدهند. از نکات قابل توجه می توان به قابلیت LM در استفاده از E-glass برای سفتی و وزن سبک در بالاتر از طول بحرانی 40 متر است که در این ناحیه استفاده از الیاف کربن ارجح است. در ایالات متحده MFG به زودی کارخانه جدیدی در Aberdeen جهت ساخت پرههای معمول GE در توربین های 5/1 مگاواتی خواهد گشود. MFG در اواخر دهه هشتاد با ساخت پره های 9 متری وارد بازار شد و طی شش سال گذشته 8 برابر رشد در فروش داشته است. MFG مانند سایر سازندگان پره از پخت در خلا بهره میگیرد. طراحی و بهینه سازی فرایند نقش کلیدی دارند. همه چیز در جزئیات است و اینکه چگونه لایهگذاری پارچه انجام می شود، قالب چگونه پر میشود و قالب چگونه با رزین پر می شود. از آنجا که حجم تولید کنونی به گونهای است که بهره گیری از اتوماسیون را میسر می سازد، MFG از قواعد 6-Sigma جهت بهبود فرایند استفاده میکند. TPI Composites یک شرکت قدرتمند دیگر در ایالات متحده است که اخیرا توسعه بیشتری یافته است. این شرکت تامین کننده پرههای مورد استفاده GE Energy از کارخانه های خود در چین و امریکا است. با قرارداد همکاری مشترک این شرکت و شرکت ژاپنی Mitsubishi Power Systems ظرفیت تولید پره TPI را سه برابر کرده است. TPI از فناوری ثبت شده خود با نام SCRIMP استفاده می کند که نوعی پخت در خلا است. اجزاء ساخته شده با این فناوری میزان الیاف بالاتری دارند. آنها ادعا دارند که نسبت شیشه به رزین در حدود 70 به 30 و بالاتر قابل حصول است و در نتیجه قطعات سبکتر و محکمتر به دست میآیند.
سنباده زنی و عملیات تکمیلی از مراحل کاربر در ساخت پره هستند که میتوانند با اتوماسیون یا مواد و فرایند بهبود یافته کاهش یابند.
طراحی منحصر به فرد یک تکه بیشتر سازندگان توربین در حال جهانی کردن تولید خود هستند. Siemens Wind Power آلمان یک واحد پره بادی در Fort Madison گشوده است. در این حال Vestas دانمارک برنامه خود در ساخت یک واحد در Brighton را اعلام کرده است. این دو کارخانه قادر به تولید 3600 پره در سال از هنگام بازگشایی واحد Brighton در سال 2010 خواهند بود. Siemens یک فرایند ابداعی در ساخت پره یک تکه دارد. فناوری IntegralBlade شرکت Siemens از پخت در خلا جهت تولید پرههای شیشه/ اپوکسی در یک فرایند بسته بهره میگیرد. سیستم قالب گیری دارای یک قالب بیرونی بسته و یک دیافراگم درونی منعطف است. رزین اپوکسی تحت خلا تزریق میشود و پره در دمای بالا در قالب پخت میشود. پس از پخت پره از قالب بیرونی خارج میشود در حالی که دیافراگم درونی توسط خلا از پره جدا می شود. به کرات گزارش شده است که سیستم IntegralBlade چندین مزیت دارد که شامل چرخههای کوتاه تر و استفاده موثرتر از نیروی انسانی و فضا می باشد. به علاوه پره دارای ساختاری یکپارچه بدون هیچ چسب خوردگی می باشد که ساختاری قوی تر با نفوذ آب کمتر حاصل می کند. این روش برای تولید پره هایی به طول 30 تا 52 متر استفاده شده است. Gamesa از اسپانیا دارای دو واحد تولید پره در Ebensburg و Fairless Hills با ظرفیت 4500 پره در سال می باشد. این شرکت یکی از تنها دو شرکتی است که (در کنار Vestas) از قالبگیری پیش آغشته اپوکسی بهره میگیرند. در قالب گیری پیش آغشته رزین به طور یکنواخت تری توزیع میشود. این امر ضخامت یکسان، آرایش یافتگی بهتر الیاف و نقاط ضعف کمتری را حاصل میکند که منجر به خواص مکانیکی بهتر و وزن کمتر نسبت به پخت در خلا میگردد. یک شرکت کوچکتر در این زمینه Knight & Carver است که پیش از این قایق تولید می کرد و حدود 10 سال پیش مشغول به تولید و تعمیر پره شد. محصول این شرکت پرههای 25 متری از جنس پیش آغشته اپوکسی است. به علاوه آنها پرههایی 9 متری جهت کاربردهایی جدید میسازند. این پرهها از وینیل استر با پخت سریعتر ساخته میشوند.
مواد با بازدهی بالاتر سازندگان پره بر روی نیاز در حال رشد جهت پیدا کردن موادی جدید برای افزایش بهره وری، کاهش چرخه تولید و کاهش هزینه ها، در جدال هستند. برای مثال شرکت Dow Epoxy Systems بر ارائه فرمول بنديهای جدید جهت کارایی خاص پره تاکید دارد. Hexion با مشتریان در حال تعامل است تا محصولات جدیدی را توسعه دهد که وزن را کاهش دهند، خواص مکانیکی را بهبود دهند و پره بیشتری را در واحد زمان به دست دهند. در این حال Huntsman Advanced Materials در حال توسعه نوعی اپوکسی است که مقاومت ترک و پیرشدگی بهتری برای پرههای بلندتر به دست دهد. همچنین اپوکسیها برای چسباندن نیمههای پره بیشترین استفاده را دارند. تامین کنندگان پلی استر و وینیل استر در حال کار روی فرمولهای جدید با خواص مکانیکی بهبود یافته هستند. در Reichhold Inc. یک گونه جدید وینیل استر، مقاومت خستگی 10 تا 15 درصد بالاتر و چقرمگی بیشتری برای پره های بلندتر و سبکتر به ارمغان آورده است. Ashland Composite Polymers Div. پلی استرهای G300 و M300 را برای LM GlasFiber و سایر سازندگان پره تامین میکند. اخیرا وینیل استر Derakane 601-200 توسط این شرکت معرفی شده است که پیش بینی میشود بتواند استاندارد جهانی جهت استفاده در سامانههای انرژی بادی را به دست آورد. خواص فیزیکی این ماده از پلی استر بهتر بوده و به اپوکسی نزدیک است. یک مزیت آن نسبت به اپوکسی زمان پس پخت کوتاهتر است. تامین کنندگان شیشه به رقابت الیاف کربن برای ساخت پرههای بلندتر و سبکتر پاسخ دادهاند. OCV Reinforcements نوع خاصی از الیاف شیشه را ارائه کرده اند که اظهار میشود 30 درصد قوی تر، 15 تا 20 درصد محکم تر و 8 تا 10 درصد سبک تر از E-glass مرسوم است. استفاده از این ماده راه حلی کمهزینهتر نسبت به استفاده از الیاف کربن برای پره های با طول بیش از 40 متر ارائه کرده است. PPG Industries الیاف شیشه Hybon 2026 با مقاومت خستگی بالاتر از محصولات استاندارد را با استفاده از بهبود در شیمی شیشه توسعه بخشیده است. همچنین آنها در حال کار روی تقویت کنندههای محکم تری هستند که فاصله خالی میان E-glass و الیاف کربن را پر کند. شرکت فنلاندی Ahlstrom نیز CombiFlow را ارائه کرده است که یک پارچه از الیاف شیشه E-glass است که جهت پخت آسانتر و سریعتر رزین با لایهای از PET همراه شده است. این PET بین دو لایه شیشه ای قرار گرفته است.
بزرگ تر، محکم تر، سبکتر جهت کاهش هزینه انرژی بادی بایستی میزان توان بادی قابل حصول را به بیشترین مقدار رساند. این امر منجر به احساس نیاز به توربینهایی با ظرفیت مگاوات بزرگ تر و در نتیجه افزایش در طول پره گردیده است. طی دهه گذشته متوسط ظرفیت توربینهای بادی دو برابر شده است و در نتیجه 50 درصد از تعداد توربین های مورد نیاز جهت حصول مقدار معین انرژی کاهش یافته است. امروزه بزرگترین واحدها دارای ظرفیت 5/7 مگاوات هستند که توسط Clipper Windpower توسعه یافتهاند. پرههای این توربین 50 تا 60 متر دارند.
اندازه واقعی پره های بادی و کیفیت مورد نیاز، دو مانع بر سر راه ورود سازندگان چندسازه هستند. بسیاری از صنعتگران عقیده دارند که توربینهای بزرگ تر نیاز به الیاف کربن جهت حصول استحکام لازم با وزن کم دارند. استفاده جهانی از الیاف کربن در انرژی بادی امروزه تنها در حدود 10 تا 12 میلیون پوند در سال است در حالی که مصرف شیشه 200 میلیون پوند میباشد. Vestas و Gamesa دو شرکت معتبری هستند که از الیاف کربن در ساختار پره بهره گرفته اند. بیشترین الیاف کربن در اروپا مصرف میشود. قیمت الیاف کربن در حدود 10 تا 13 دلار بر پوند است و در مقایسه با E-glass 5 تا 20 بار گرانتر است. بنابراین هدف استفاده انتخابی از الیاف کربن برای حصول استحکام و سفتی با هزینه معقول است. بسته به طراحی، اقتصادی بودن الیاف کربن در پرههای بلندتر از 40 متر می باشد. به هر حال بعضی نیز با الیاف شیشه پرههایی به طول 5/61 متر ساخته اند و به نظر میرسد استفاده وسیع از الیاف کربن در کوتاه مدت به دلیل قیمت بالای آن ممکن نباشد.
بیشتر پرههای بادی توسط پخت در خلا ساخته میشوند، برخی از قالبگیری پیش آغشته اپوکسی تهیه میشوند. پیش آغشتههای جدیدتر برای حصول پخت سریع تر و عملیات تکمیلی کمتر بهبود یافته اند.
پیشرفت در پیش آغشته افزایش بهرهوری بیانگر توسعه اخیر در زمینه قالبگیری پیش آغشته میباشد. Hexcel Composites Ltd. یک پیش آغشته جدید از اپوکسی را معرفی کرده است که گفته می شود زمان پخت را 15 تا 20 درصد کاهش می دهد. یک مزیت اصلی این پیش آغشته احتمال اندک گرمادهی غیر قابل کنترل در مقاطع ضخیم است. چرخههای سریعتر پخت هزینههای قالب گیری را تا 10 درصد کاهش می دهد. این شرکت در حال کار روی یک سامانه پیش آغشته با ظاهر سطحی بهتر است تا نیاز به عملیات تکمیلی را کاهش دهد. جهت پاسخگویی بهتر به نیاز بالای ایالات متحده، Hexcel یک واحد تولید پیش آغشته جدید در Colorado در سال 2009 تاسیس خواهد کرد. یک تامینکننده پیشرو دیگر در این زمینه Gurit انگلستان میباشد که روی میزان الیاف و کاهش حفرات در لایههای پخت شده تمرکز کرده است. جهت رفع مشکلات در ظاهر قطعات، این شرکت Sprint IPT را توسعه بخشیده است. همچنین آنها پیش آغشته Sprint را توسعه دادهاند که متشکل از لایههای متناوب از پارچه خشک و فیلم اپوکسی میباشد و میزان حفره در آن را کاهش میدهد.
اتوماسیون در حال ورود یک سازنده کوچک اسپانیایی توربین ها و پره های بادی، یک فرایند تولید خودکار پره را توسعه بخشیده است که نیاز به کارگر را کاهش می دهد و زمان چرخه را تا 75 درصد کم می کند و پرههای پایدارتری تولید مینماید. MTorres یک فرایند پخت در خلا را در حال ثبت دارد که هیچ محدودیتی از لحاظ طول پره ندارد. این سامانه نیاز به تنها 5 کارگر برای 5 قسمت شامل لایهگذاری، چادركشي، پخت، اتصال و رنگ آمیزی دارد. یک سامانه جرثقیلی فرایند لایه گذاری را خودکار می کند. Champa یک محیط اتاق پاک را با سامانه دقیق کنترل دمایی و عملیات خودکار تکمیلی تشریح می نماید. این شرکت با بزرگ ترین سازنده توربین در ایالات متحده و اروپا همکاری می کند و معتقد است آن را تا سال آینده تجاری می نماید. سامانه فرایندی در حدود 5 تا 6 میلیون دلار، با بازگشت سرمایه دو ساله، ارزش گذاری شده است. یک برنامه تحقیقاتی وسیع با سرمایه گذاری اتحادیه اروپا با نام Upwind متشکل از بیش از 40 متخصص در انرژی بادی است که مواد و روش های تولید جدید برای ساخت پره های بزرگ از 70 تا 120 متر را به ورطه آزمایش می آورند. این پروژه نگاهی بر مواد طبیعی مثل چوب و بامبو و الیاف سلولز دارد. این مواد طبیعی نسبت استحکام به وزن مشابه با الیاف شیشه دارند اما فرایند آنها مشکل است. همچنین گرمانرم هایی مانند PET و PP و رزینهای طبیعی نیز در حال بررسی هستند. Upwind همچنین در حال بررسی راهحلهای جدید در ساخت پرههایی با اجزاء چندگانه هستند. همچنین کنترل بهتر فرایند و اتوماسیون نیز در دستور کار قرار دارند
تمایل در حال رشد جهانی به انرژی بادی در حال تبدیل پرههای بادی به یکی از جذابترین زمینه های کاربردی چندسازه ها میباشد. ساخت ظرفیتهای بزرگ در تولید انرژی بادی به خصوص در ایالات متحده، چین و اسپانیا، وجود تعداد زیادی از کارخانههای جدید را برای تولید این قطعات چندسازه لازم کرده است. Charles Kazmierski مدیر پروژه Lucintel (شرکت مشاورهای در زمینه پلاستیکها، چندسازه ها و سایر بازارهای صنعتی) بیان میکند که بازار جهانی انرژی بادی طی ده سال اخیر رشد سالانه 23 درصدي را تجربه کرده است. او انتظار یک بازار در حدود 6 میلیارد دلاری را برای چندسازهها در بازار انرژی بادی تا سال 2012 انتظار دارد. صنعت بادی ایالات متحده نشان از یک تاریخچه با چرخه رشد پرپیچ و خم دارد که بیشتر توسط اعتبارات مالیاتی دولت فدرال که به صنعت نیز کمک مالی میکند حمایت شده است. طبق گفته مجمع انرژی بادی امریکا (AWEA) تردید مزمن طی دوره های نوسازی اعتبارات مالیاتی منجر به ورشکستگی این صنعت از سال 2000 تا 2005 شد. از سرگیری مجدد پرداخت کمک از اعتبارات مالیاتی باعث رشد چشمگیر این صنعت طی سال های 2005 تا 2007 گردید. این بازار می تواند دوباره نوعی عقبگرد را تجربه کند در صورتی که قانونگزاران ایالات متحده اعتبارات تخصیصی را در انتهای سال 2008 تجدید ننمایند. حتی با ابهاماتی که در سرنوشت محرکهای مالیاتی فدرال وجود دارد، صنعت بادی ایالات متحده با نصب تاسیسات تولیدی جدید با سرعت وحشتناکی در سه ماهه اول 2008 رو به جلو حرکت کرده است و طبق گزارش AWEA 1400 مگاوات به ارزش 3 میلیارد دلار ظرفیت جدید به وجود آمده است. این صعود در تولید باعث تحمیل فشار شدیدی بر تامینکنندگان رزین، تقویت کننده ها و مواد قالب مثل چوب بالسا و اسفنج PVC شده است. این تامین کنندگان توجه خود را بر برآورد کیفیت و زمان تحویل متمرکز کردهاند زیرا سازندگان توربین بادی در حال جهانی کردن فعالیتهای خود، با توجه به نیاز روزافزون، هستند. Paul Langemeier مدیر توسعه بازار جهانی برای تولید اپوکسی از شرکت Hexion Specialty Chemicals می گوید تا کنون این یک تجارت مختص به اروپا بوده است اما اکنون به صورت یک تجارت جهانی با تامین کنندگانی در مناطق مختلف درآمده است. بیشتر ناظران بر این امر توافق دارند که رشد طولانی مدت نیاز به نوآوریهای فنی دارد تا انرژی بادی را با سایر منابع انرژی قابل رقابت گرداند. یکی از گرایشهاي کلیدی افزایش بهرهوری است. تولید پره از طریق پخت در خلا یا قالبگیری پیشآغشته کاربر است و سازندگان به دنبال راههایی جهت کاهش زمان چرخه و هزینهها هستند. لایه گذاری با روبات، تکنیکهای تکمیلی بهبود یافته، پره های دو تکه یا بخش بخش و تولید در محل ابزارهایی بالقوه در اصلاح هزینه های کارگری و پشتیبانی هستند. گفته میشود که تکنیکهای جدید قالب گیری پیش آغشته ظاهر سطح را بهبود می دهند و عملیات تکمیلی را تسهیل می کند. تامین کنندگان رزین و پیش آغشته در حال معرفی موادی هستند که در دمای پایین تر و سریع تر پخت می شوند. با افزایش ظرفیت تولید بادی، گرایش به پرههای بزرگتر و سبکتر نیز رو به افزایش است. برخی بر این خیال هستند که میتوان از الیاف کربن، بهرغم گرانتر بودن و منابع محدود آن، به خاطر سفتی بالاتر و وزن کمتر نسبت به E-glass استاندارد بیشتر استفاده کرد. در این حال E-glass و محصولات خاص شیشهای با بهره گیری از شیمی جدید و بهبود در احتیاجات کاربردی، رقابت الیاف کربن با آنها را منتفی می کند.
پره های بادی چندسازه معمولا به صورت دو تکه قالب گیری می شوند و سپس توسط چسب اپوکسی به هم متصل می شوند.
مواد و روش ها یک توربین بادی از چندین قطعه ي چندسازه تشکیل شده است اما پرهها که از اپوکسی یا پلی استر غیر اشباع تقویت شده با الیاف ساخته میشوند بیشترین استفاده از ماده را دارند. سایر قطعات توربین که از پلی استر ساخته می شوند شامل بدنه (مکان قرارگیری جعبه دنده، ژنراتور و سایر اجزاء) و توپی میباشد. روش فرایندی غالب پخت رزین در خلا میباشد. در این فرایند VOC پایین ایجاد میشود و میتواند قطعات بزرگ را با مقدار کنترل شده ای از رزین به طور یکنواخت خیس کند و در نتیجه تولید پره های سبکتر و ارزانتر را میسر سازد. قالبگیری پیش آغشته با یک پارچه شیشهای بافته یا تک جهتی هزینه بیشتری دارد اما یکنواختی بیشتری حاصل میکند زیرا پیشآغشته خود حاوی ماده ماتریس است (نوعا اپوکسی). بسته به اندازه پره، قالبگیری يا پخت در خلا پیش آغشته 12 تا 24 ساعت طول می کشند. پرهها که حاوی 70 تا 75 درصد وزنی شیشه هستند و به صورت ایرودینامیک طراحی شدهاند بایستی خواص مکانیکی دقیقی داشته باشند مثلا سختی و مقاومت به پیچش و خستگی بالایی داشته باشند. نیروهای زیاد ایستا و پویا در محدوده وسیع دمایی در یک دوره عمر مفید 20 ساله معمول هستند. یک پره استاندارد 35 تا 40 متری برای یک توربین 5/1 مگاواتی در حدود 6 تا 7 تن وزن دارد. هم اپوکسی و هم پلی استر و تا حد کمتری وینیل استر بازار پره بادی را در روزهای اول در دست داشتند اما با بزرگتر شدن پره ها استفاده از اپوکسی ترجیح داده شد. فرایند کردن پلی استر آسانتر است و قیمت پایینتری هم دارد اما اپوکسی کارایی مکانیکی بالاتری را برای پرههای بزرگتر از 26 متر به دست میدهد. برعکس اپوکسی، پلی استر نیاز به پس پخت ندارد اما پره حاصل از آن عموما سنگینتر است. E-glass تاکنون بیشترین تقویت کننده مورد استفاده بوده است در حالی که الیاف کربن گرانتر به مقدار بسیار کمتری و برای حصول سفتی بالاتر و کاهش وزن در پرههای بلندتر استفاده میشود. موانع بر سر راه ورود به تولید پره بادی بسیار دشوار است. این موانع شامل مقیاس فیزیکی قطعات، نیاز به فناوری قابل رقابت، منابع اولیه خوب، حضور جهانی و سرمایه گذاری هنگفت می باشند. در حدود 12 تامین کننده جهانی توربین بادی وجود دارد که چهار تای اول آنها 72 درصد بازار را در اختیار دارند. بیشتر این تامین کنندگان اصلی خود پرههایشان را میسازند اما برخی مانند GE Energy با شرکتهایی مانند Molded Fiber Glass Companies، Ashtabula، Ohio و TPI Composites Inc. قرارداد میبندند. سازندگان پیشرو توربینهای بادی در جهان شرکت دانمارکی Vestas Wind Systems (سهم 23 درصدی از بازار) و پس از آن GE Energy، Gamesa از اسپانیا (17 درصد)، Enercon از آلمان، Suzlon از هند (5/10 درصد) و Siemens آلمان هستند. سازنده پیشرو پره در دنیا شرکت دانمارکی LM Glasfiber A/S است که بین 8000 و 9000 پره در سال تولید می کند و سهم آن از بازار در حدود 25 درصد است. این شرکت فعالیت خود در این زمینه را در 1978 آغاز کرده است و آن را به سایر نقاط دنیا از جمله ایالات متحده توسعه داده است. آنها ادعا دارند که دارای بیشترین پره نصب شده در دنیا هستند و از هر سه توربین، یکی با پرههای آنها تنظیم شده است.
لایه گذاری پارچه شیشهای در فرایند پخت رزین در خلا جهت ساخت یک پره بادی. گرایش به سمت اتوماسیون بیشتر در در ساخت پره میباشد. LM از پخت در خلا و آنچه را که "مهندسی هوشمند" می نامد، در ساخت پره های بادی پلی استر با قیمت پایینتر از اپوکسی اما با کارایی بالا بهره میگیرد. این فرایند جهت حصول یک سیستم لایهای محکم و یکنواخت با سخت شدن سریعتر بهینه شده است که زمان تولید را چندین ساعت کاهش میدهد. LM این فناوری را برای ساخت بلندترین پره های بادی در صنعت تطبیق داده است. پره 5/61 متری که برای یک توربین 5 مگاواتی ساخته شده است 8/17 تن وزن دارد. این توربین قطر چرخنده 126 متری دارد و سه پره آن سطحی به اندازه دو زمین فوتبال را پوشش میدهند. از نکات قابل توجه می توان به قابلیت LM در استفاده از E-glass برای سفتی و وزن سبک در بالاتر از طول بحرانی 40 متر است که در این ناحیه استفاده از الیاف کربن ارجح است. در ایالات متحده MFG به زودی کارخانه جدیدی در Aberdeen جهت ساخت پرههای معمول GE در توربین های 5/1 مگاواتی خواهد گشود. MFG در اواخر دهه هشتاد با ساخت پره های 9 متری وارد بازار شد و طی شش سال گذشته 8 برابر رشد در فروش داشته است. MFG مانند سایر سازندگان پره از پخت در خلا بهره میگیرد. طراحی و بهینه سازی فرایند نقش کلیدی دارند. همه چیز در جزئیات است و اینکه چگونه لایهگذاری پارچه انجام می شود، قالب چگونه پر میشود و قالب چگونه با رزین پر می شود. از آنجا که حجم تولید کنونی به گونهای است که بهره گیری از اتوماسیون را میسر می سازد، MFG از قواعد 6-Sigma جهت بهبود فرایند استفاده میکند. TPI Composites یک شرکت قدرتمند دیگر در ایالات متحده است که اخیرا توسعه بیشتری یافته است. این شرکت تامین کننده پرههای مورد استفاده GE Energy از کارخانه های خود در چین و امریکا است. با قرارداد همکاری مشترک این شرکت و شرکت ژاپنی Mitsubishi Power Systems ظرفیت تولید پره TPI را سه برابر کرده است. TPI از فناوری ثبت شده خود با نام SCRIMP استفاده می کند که نوعی پخت در خلا است. اجزاء ساخته شده با این فناوری میزان الیاف بالاتری دارند. آنها ادعا دارند که نسبت شیشه به رزین در حدود 70 به 30 و بالاتر قابل حصول است و در نتیجه قطعات سبکتر و محکمتر به دست میآیند.
سنباده زنی و عملیات تکمیلی از مراحل کاربر در ساخت پره هستند که میتوانند با اتوماسیون یا مواد و فرایند بهبود یافته کاهش یابند.
طراحی منحصر به فرد یک تکه بیشتر سازندگان توربین در حال جهانی کردن تولید خود هستند. Siemens Wind Power آلمان یک واحد پره بادی در Fort Madison گشوده است. در این حال Vestas دانمارک برنامه خود در ساخت یک واحد در Brighton را اعلام کرده است. این دو کارخانه قادر به تولید 3600 پره در سال از هنگام بازگشایی واحد Brighton در سال 2010 خواهند بود. Siemens یک فرایند ابداعی در ساخت پره یک تکه دارد. فناوری IntegralBlade شرکت Siemens از پخت در خلا جهت تولید پرههای شیشه/ اپوکسی در یک فرایند بسته بهره میگیرد. سیستم قالب گیری دارای یک قالب بیرونی بسته و یک دیافراگم درونی منعطف است. رزین اپوکسی تحت خلا تزریق میشود و پره در دمای بالا در قالب پخت میشود. پس از پخت پره از قالب بیرونی خارج میشود در حالی که دیافراگم درونی توسط خلا از پره جدا می شود. به کرات گزارش شده است که سیستم IntegralBlade چندین مزیت دارد که شامل چرخههای کوتاه تر و استفاده موثرتر از نیروی انسانی و فضا می باشد. به علاوه پره دارای ساختاری یکپارچه بدون هیچ چسب خوردگی می باشد که ساختاری قوی تر با نفوذ آب کمتر حاصل می کند. این روش برای تولید پره هایی به طول 30 تا 52 متر استفاده شده است. Gamesa از اسپانیا دارای دو واحد تولید پره در Ebensburg و Fairless Hills با ظرفیت 4500 پره در سال می باشد. این شرکت یکی از تنها دو شرکتی است که (در کنار Vestas) از قالبگیری پیش آغشته اپوکسی بهره میگیرند. در قالب گیری پیش آغشته رزین به طور یکنواخت تری توزیع میشود. این امر ضخامت یکسان، آرایش یافتگی بهتر الیاف و نقاط ضعف کمتری را حاصل میکند که منجر به خواص مکانیکی بهتر و وزن کمتر نسبت به پخت در خلا میگردد. یک شرکت کوچکتر در این زمینه Knight & Carver است که پیش از این قایق تولید می کرد و حدود 10 سال پیش مشغول به تولید و تعمیر پره شد. محصول این شرکت پرههای 25 متری از جنس پیش آغشته اپوکسی است. به علاوه آنها پرههایی 9 متری جهت کاربردهایی جدید میسازند. این پرهها از وینیل استر با پخت سریعتر ساخته میشوند.
مواد با بازدهی بالاتر سازندگان پره بر روی نیاز در حال رشد جهت پیدا کردن موادی جدید برای افزایش بهره وری، کاهش چرخه تولید و کاهش هزینه ها، در جدال هستند. برای مثال شرکت Dow Epoxy Systems بر ارائه فرمول بنديهای جدید جهت کارایی خاص پره تاکید دارد. Hexion با مشتریان در حال تعامل است تا محصولات جدیدی را توسعه دهد که وزن را کاهش دهند، خواص مکانیکی را بهبود دهند و پره بیشتری را در واحد زمان به دست دهند. در این حال Huntsman Advanced Materials در حال توسعه نوعی اپوکسی است که مقاومت ترک و پیرشدگی بهتری برای پرههای بلندتر به دست دهد. همچنین اپوکسیها برای چسباندن نیمههای پره بیشترین استفاده را دارند. تامین کنندگان پلی استر و وینیل استر در حال کار روی فرمولهای جدید با خواص مکانیکی بهبود یافته هستند. در Reichhold Inc. یک گونه جدید وینیل استر، مقاومت خستگی 10 تا 15 درصد بالاتر و چقرمگی بیشتری برای پره های بلندتر و سبکتر به ارمغان آورده است. Ashland Composite Polymers Div. پلی استرهای G300 و M300 را برای LM GlasFiber و سایر سازندگان پره تامین میکند. اخیرا وینیل استر Derakane 601-200 توسط این شرکت معرفی شده است که پیش بینی میشود بتواند استاندارد جهانی جهت استفاده در سامانههای انرژی بادی را به دست آورد. خواص فیزیکی این ماده از پلی استر بهتر بوده و به اپوکسی نزدیک است. یک مزیت آن نسبت به اپوکسی زمان پس پخت کوتاهتر است. تامین کنندگان شیشه به رقابت الیاف کربن برای ساخت پرههای بلندتر و سبکتر پاسخ دادهاند. OCV Reinforcements نوع خاصی از الیاف شیشه را ارائه کرده اند که اظهار میشود 30 درصد قوی تر، 15 تا 20 درصد محکم تر و 8 تا 10 درصد سبک تر از E-glass مرسوم است. استفاده از این ماده راه حلی کمهزینهتر نسبت به استفاده از الیاف کربن برای پره های با طول بیش از 40 متر ارائه کرده است. PPG Industries الیاف شیشه Hybon 2026 با مقاومت خستگی بالاتر از محصولات استاندارد را با استفاده از بهبود در شیمی شیشه توسعه بخشیده است. همچنین آنها در حال کار روی تقویت کنندههای محکم تری هستند که فاصله خالی میان E-glass و الیاف کربن را پر کند. شرکت فنلاندی Ahlstrom نیز CombiFlow را ارائه کرده است که یک پارچه از الیاف شیشه E-glass است که جهت پخت آسانتر و سریعتر رزین با لایهای از PET همراه شده است. این PET بین دو لایه شیشه ای قرار گرفته است.
بزرگ تر، محکم تر، سبکتر جهت کاهش هزینه انرژی بادی بایستی میزان توان بادی قابل حصول را به بیشترین مقدار رساند. این امر منجر به احساس نیاز به توربینهایی با ظرفیت مگاوات بزرگ تر و در نتیجه افزایش در طول پره گردیده است. طی دهه گذشته متوسط ظرفیت توربینهای بادی دو برابر شده است و در نتیجه 50 درصد از تعداد توربین های مورد نیاز جهت حصول مقدار معین انرژی کاهش یافته است. امروزه بزرگترین واحدها دارای ظرفیت 5/7 مگاوات هستند که توسط Clipper Windpower توسعه یافتهاند. پرههای این توربین 50 تا 60 متر دارند.
اندازه واقعی پره های بادی و کیفیت مورد نیاز، دو مانع بر سر راه ورود سازندگان چندسازه هستند. بسیاری از صنعتگران عقیده دارند که توربینهای بزرگ تر نیاز به الیاف کربن جهت حصول استحکام لازم با وزن کم دارند. استفاده جهانی از الیاف کربن در انرژی بادی امروزه تنها در حدود 10 تا 12 میلیون پوند در سال است در حالی که مصرف شیشه 200 میلیون پوند میباشد. Vestas و Gamesa دو شرکت معتبری هستند که از الیاف کربن در ساختار پره بهره گرفته اند. بیشترین الیاف کربن در اروپا مصرف میشود. قیمت الیاف کربن در حدود 10 تا 13 دلار بر پوند است و در مقایسه با E-glass 5 تا 20 بار گرانتر است. بنابراین هدف استفاده انتخابی از الیاف کربن برای حصول استحکام و سفتی با هزینه معقول است. بسته به طراحی، اقتصادی بودن الیاف کربن در پرههای بلندتر از 40 متر می باشد. به هر حال بعضی نیز با الیاف شیشه پرههایی به طول 5/61 متر ساخته اند و به نظر میرسد استفاده وسیع از الیاف کربن در کوتاه مدت به دلیل قیمت بالای آن ممکن نباشد.
بیشتر پرههای بادی توسط پخت در خلا ساخته میشوند، برخی از قالبگیری پیش آغشته اپوکسی تهیه میشوند. پیش آغشتههای جدیدتر برای حصول پخت سریع تر و عملیات تکمیلی کمتر بهبود یافته اند.
پیشرفت در پیش آغشته افزایش بهرهوری بیانگر توسعه اخیر در زمینه قالبگیری پیش آغشته میباشد. Hexcel Composites Ltd. یک پیش آغشته جدید از اپوکسی را معرفی کرده است که گفته می شود زمان پخت را 15 تا 20 درصد کاهش می دهد. یک مزیت اصلی این پیش آغشته احتمال اندک گرمادهی غیر قابل کنترل در مقاطع ضخیم است. چرخههای سریعتر پخت هزینههای قالب گیری را تا 10 درصد کاهش می دهد. این شرکت در حال کار روی یک سامانه پیش آغشته با ظاهر سطحی بهتر است تا نیاز به عملیات تکمیلی را کاهش دهد. جهت پاسخگویی بهتر به نیاز بالای ایالات متحده، Hexcel یک واحد تولید پیش آغشته جدید در Colorado در سال 2009 تاسیس خواهد کرد. یک تامینکننده پیشرو دیگر در این زمینه Gurit انگلستان میباشد که روی میزان الیاف و کاهش حفرات در لایههای پخت شده تمرکز کرده است. جهت رفع مشکلات در ظاهر قطعات، این شرکت Sprint IPT را توسعه بخشیده است. همچنین آنها پیش آغشته Sprint را توسعه دادهاند که متشکل از لایههای متناوب از پارچه خشک و فیلم اپوکسی میباشد و میزان حفره در آن را کاهش میدهد.
اتوماسیون در حال ورود یک سازنده کوچک اسپانیایی توربین ها و پره های بادی، یک فرایند تولید خودکار پره را توسعه بخشیده است که نیاز به کارگر را کاهش می دهد و زمان چرخه را تا 75 درصد کم می کند و پرههای پایدارتری تولید مینماید. MTorres یک فرایند پخت در خلا را در حال ثبت دارد که هیچ محدودیتی از لحاظ طول پره ندارد. این سامانه نیاز به تنها 5 کارگر برای 5 قسمت شامل لایهگذاری، چادركشي، پخت، اتصال و رنگ آمیزی دارد. یک سامانه جرثقیلی فرایند لایه گذاری را خودکار می کند. Champa یک محیط اتاق پاک را با سامانه دقیق کنترل دمایی و عملیات خودکار تکمیلی تشریح می نماید. این شرکت با بزرگ ترین سازنده توربین در ایالات متحده و اروپا همکاری می کند و معتقد است آن را تا سال آینده تجاری می نماید. سامانه فرایندی در حدود 5 تا 6 میلیون دلار، با بازگشت سرمایه دو ساله، ارزش گذاری شده است. یک برنامه تحقیقاتی وسیع با سرمایه گذاری اتحادیه اروپا با نام Upwind متشکل از بیش از 40 متخصص در انرژی بادی است که مواد و روش های تولید جدید برای ساخت پره های بزرگ از 70 تا 120 متر را به ورطه آزمایش می آورند. این پروژه نگاهی بر مواد طبیعی مثل چوب و بامبو و الیاف سلولز دارد. این مواد طبیعی نسبت استحکام به وزن مشابه با الیاف شیشه دارند اما فرایند آنها مشکل است. همچنین گرمانرم هایی مانند PET و PP و رزینهای طبیعی نیز در حال بررسی هستند. Upwind همچنین در حال بررسی راهحلهای جدید در ساخت پرههایی با اجزاء چندگانه هستند. همچنین کنترل بهتر فرایند و اتوماسیون نیز در دستور کار قرار دارند
مهندس ابوالفضل کیانی دانشگاه صنعتی امیرکبیر akiani@aut.ac.ir
0 ارسال نظرات:
ارسال یک نظر
با نظرات خود ما را در هر چه بهتر کردن وبلاگ یاری کنید