ساخت پره های توربین هوشمند به منظور بهبود انرژی بادی

پژوهش گران شیوه ای را توسعه داده اند که با استفاده از حسگرها و نرم افزار محاسباتی نیروهای وارد شده به پره های توربین بادی را به طور مداوم بررسی می کند. این امر گامی است به سمت بهبود بازدهی توربین های بادی با استفاده از تنظیم وضعیت بسیار متغیر باد. این پژوهش که 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 دکترای دانشگاه پردو است که همراه با داگلاس آدامز، استاد مهندسی مکانیک و مدیر مرکز یکپارچه سازی سامانه های پردو، سرپرستی این پژوهش را به عهده داشت. جاناتان وایت گفت: "هدف نهایی ارسال اطلاعات از حسگرها به یک سیستم کنترل فعال است که قسمت هایی را برای بهینه کردن بازدهی وارد سیستم می کند." این سیستم می تواند به بهبود قابلیت اطمینان توربین نیز کمک کند. این کار با استفاده از تولید اطلاعات بلادرنگ حیاتی برای سیستم کنترل 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 الکتریکی ایفا می کند. آمریکا هم اکنون بزرگترین استفاده کننده ی انرژی بادی در جهان است. سوال این است که چگونه می توان بازدهی توربین های بادی را افزایش داد، قیمت تمام شده ی آن ها را کاهش داد و قابلیت اطمینان آن ها را بالا برد؟" این مهندسین حسگرهایی با نام شتاب سنج های تک محوره و سه محوره را درون پره ی یک توربین بادی هنگام ساخت این پره جاسازی کردند. این پره روی یک توربین بادی تحقیقاتی در آزمایشگاه خدمات پژوهشی کشاورزی دپارتمان کشاورزی آمریکا، 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 که این پره ها دارای "سطوح کنترل" و باله های ساده ای هستند، شبیه آنچه که در بال های هواپیما وجود دارد و با تغییر دادن مشخصه های ایرودینامیکی پره ها امکان کنترل بهتر را فراهم می کند. با توجه به این که این باله ها در واکنش به تغییرات باد باید بدون درنگ تغییر کنند،‌ ارسال داده های مداوم به حسگر بسیار ضروری خواهد بود. خوزه زایاس، مدیر بخش فن آوری های انرژی بادی ساندیا، گفت: "این یک نمونه ی عالی از همکاری بین یک آزمایشگاه ملی و یک موسسه ی آکادمیک در جهت توسعه ی نوآوری ها با استفاده از مهارت های طرفین محسوب می شود." یافته های این پژوهش نشان دهنده ی این است که استفاده از حسگرهای سه تایی و نرم افزار "مدل ارزیاب" که توسط وایت نوشته شده است، با دقت زیادی مقدار نیروی وارد شده به پره ها را مشخص می کند. این یافته ها در مقاله ای که 4 می در کنفرانس و نمایشگاه انرژی بادی 2009 شیکاگو ارائه شد، شرح داده شده است. این مقاله توسط وایت، آدامز، زایاس و مارک 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 کار گامی است در جهت نایل شدن به این خواسته." اجزای اصلی یک 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 کربنی تقویت می گردند. آدامز گفت: "هدف اصلی، به کارگیری ژنراتور و توربین به کارآمدترین شکل ممکن است اما این کار دشوار است چون سرعت باد همواره در حال نوسان است. ما باید بتوانیم ژنراتور یا پره ها را کنترل کنیم تا با کاهش دادن نیروهای وارده به قطعات توربین حین بادهای بسیار شدید و افزایش بار در بادهای ضعیف، دریافت انرژی را بهتر کنیم. 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 یک سیستم هوشمند داده های حسگر باید مورد استفاده قرار گیرد تا سرعت توربین با استفاده از افزایش خودکار انحنای پره بهتر کنترل شود، این در حالی است که به ژنراتور نیز فرمان داده می شود که حرکت خود را اصلاح کند. داده های حسگر برای طراحی پره های انعطاف پذیر نیز به کار گرفته خواهد شد. رامسی از ساندیا گفت: "تصور ما بر این است که سیستم های هوشمند گام بسیار بزرگ و رو به جلویی برای توربین ها خواهند بود. هنوز کارهای زیادی هست که باید انجام شوند اما ما معتقدیم که 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 کنند که این کار برای تعیین دقیق خمش و پیچش پره و لرزش های کوچک در نوک پره که در نهایت موجب آسیب دیدگی می شود، ضروری است. همچنین این حسگرها دو نوع شتاب را اندازه می گیرند. نوع اول شتاب دینامیکی است که از بادهای شدید و ناگهانی حاصل می شود در حالی که نوع دوم یعنی شتاب استاتیکی در اثر جاذبه ی زمین و بادهای یکنواخت ایجاد می شود. لازم است که هر دو شتاب به منظور برآورد نیروهای وارده به پره ها به دقت اندازه گیری شوند. داده های حسگر به خوبی نشان می دهد که پره در اثر باد به چه میزان دچار خمش و پیچش شده است. این پژوهش در حال پیشرفت است و مهندسین هم اکنون در حال پیگیری کاربرد سیستم خود در پره های توربین آینده و پیشرفته ای هستند که بسیار خمیده تر از پره های کنونی هستند. این شکل پیچیده تر به کارگیری این شیوه را جالب توجه تر می کند. در سال 2008 آمریکا 8358 مگاوات به ظرفیت انرژی بادی خود اضافه کرد که این به معنی ساخت هزاران توربین جدید است چون هر توربین بادی به طور میانگین 1.5 مگاوات تولید می کند. این ظرفیت جدید، کل انرژی بادی نصب شده ی آمریکا را به 25170 مگاوات افزایش داد که از ظرفیت آلمان به عنوان بزرگترین استفاده کننده ی انرژی بادی پیشی گرفت. آدامز گفت: "هدف ما انجام دو کار است - افزایش قابلیت اطمینان و جلوگیری از بروز نقص - و کوتاه 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 آمریکا قرار گرفت.