1-1- کلیات
افزایش تأثیرات منفی انرژی فسیلی بر روی محیط زیست، مانند گرم شدن جهانی و بحران در دسترس بودن انرژی، بسیاری از کشورها را بر آن داشته است که از انرژیهای جایگزین دیگری مانند انرژی خورشید، باد و خورشید-هیدروژن استفاده کنند. این انرژیها تجدیدپذیر و دوستدار محیط زیست هستند، به گونهای که پاسخگوی تقاضای روزافزون بشر برای انرژی میباشند. انرژی باد، سریعترین منبع انرژی رو به رشد در جهان، یک منبع انرژی تجدیدپذیر و تمیز است. اکنون کشورهای بسیاری، به خصوص در اروپا، ایالات متحده آمریکا، چین و ملل دیگر، توجه خاصی به این منبع انرژی دارند ]1[.
بر اساس اطلاعات سازمان انرژیهای نو ایران (سانا)،استفاده از انرژی باد در طول سالیان اخیر بیشترین رشد را در مقایسه با سایر انرژیهای نو تجربه کرده است و توربینهای بادی هر روز بهینهتر و با ظرفیت توان بیشتر به بازار عرضه میشوند. تاریخچه انرژی بادی یک سیر تکاملی را به استفاده از قطعات سبک و ساده برای به حرکت درآوردن پرهها بوسیله نیروی بازدارنده[1] طی کرده است. آسیابهای بادی که در قدیم مورد استفاده قرار میگرفتند نخستین نوع توربینهای بادی بودند که به عقیده تمامی کارشناسان نخستین بار توسط ایرانیان به کار گرفته شد ]2[.
با وجود این پیشینه ارزشمند تاریخی و علی‌رغم پتانسیلهای موجود و مناطق مستعد بادخیز کشور، توسعه صنعت باد در ایران با پیشرفت مناسبی روبرو نشده است. در حال حاضر در وزارت نیرو، نصب MW5000 نیروگاه تجدیدپذیر در قانون برنامه پنجم توسعه هدفگذاری شده است که از این میزان MW4500 آن برای توسعه باد در نظر گرفته شده است و میتوان گفت در پنج سال آینده قریب به MW4000 بازار برای توسعه بخش خصوصی وجود خواهد داشت. هم اکنون سایتهای بادی بینالود و منجیل، بزرگترین سایتهای بادی کشور محسوب شده که تقریبا MW100 از برق مورد نیاز کشور را تامین میکنند، این مقدار سهم ناچیزی از مقدار کل انرژی برق تولید شده در کشور را تشکیل میدهد ]2[.
اما بر خلاف رویه موجود در داخل کشور، سایر کشورهای جهان به طور گسترده در راستای توسعه صنعت بادی خود گام برداشتهاند و میزان انرژی الکتریکی تولید شده بوسیله باد روز به روز سهم بیشتری از کل انرژی تولیدی جهان را تشکیل میدهد. به عنوان نمونهای از سیاستگذاریهای کلان در این زمینه میتوان به تصمیم اتحادیه اروپا برای تولید 20% از انرژی خود از منابع پاک تا سال 2020 اشاره کرد. شکل 1-1 ظرفیت کلی انرژی بادی تولیدی در جهان را تا سال 2011 را نشان میدهد ]2[.
جدول1-1 نیز میزان ظرفیت نیروگاههای بادی نصب شده در کشورهای شاخص استفاده کننده از انرژی باد را نشان میدهد.
اغلب پرههای توربین، چه کوچک و چه بزرگ، قسمتهای اصلی مشابهی دارند: پرهها، شفتها، چرخدندهها، ژنراتور، و یک کابل (برخی از توربینها ممکن است دارای جعبه دنده نباشند). کلیه این قسمتها با هم کار میکنند تا انرژی باد را به الکتریسیته تبدیل نمایند. در این بین، پره یکی از مهمترین اجزای توربینهای بادی است که وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن محور اصلی توربین است. طراحی پره توربینهای بادی یکی از مهمترین و اصلیترین بخشهای طراحی توربین به شمار میشود که با توجه به شرایط بسیار متغیر بهرهبرداری و اعمال بارهای شدید بر آن، انتخاب جنس و طراحی سازهای آن از اهمیت زیادی برخوردار است. مواد مورد استفاده در ساخت پرهها به طور قابل ملاحظهای بر روی کارایی و خواص آنها، مانند وزن پره، مکانیزم آسیب، و عمر خستگی اثرگذار است. پرههای توربینهای بادی از مواد ناهمسانگرد ساخته میشوند که معمولاً از کامپوزیتهای زمینه پلیمری، در ترکیبی از یک تک پوسته و کامپوزیت ساندویچی تهیه شدهاند. طراحیهای امروزی عمدتاً بر اساس کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف شیشه[1] (GFRP) صورت میگیرد. به طور کلی مواد مورد استفاده در ساخت پرههای توربین بادی بایستی تحمل بارگذاریهای خستگی شدید را در شرایط کاری داشته باشند ]1[.
ساختار کامپوزیتی به عنوان یک نوع خاص از کامپوزیتهای لایهای تلقی میشود و مقبولیت گستردهای به عنوان یک ساختار عالی برای دستیابی به اجزایی با وزن کم و ساختارهایی با سفتی خمشی[2] بسیار بالا، استحکام زیاد، و مقاومت کمانشی بسیار زیاد به دست آورده است.
این مواد توسط روش قالبگیری انتقال رزین[3] (RTM)، RTM به کمک خلاء[4]، لایهگذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلاء[5] (VIP) ساخته میشوند. تفاوت روش VIP با روش RTM در آن است که در این روش تنها یک سمت از قالب جامد است در صورتی که در روش RTM هر دو سمت جامد هستند. علاوه بر آن، از یک خلأ اعمالی به منظور نیرو محرکه برای انتقال رزین به تقویتکننده استفاده میشود ]3[.
در تولید پرههای توربین بادی کوچک و متوسط معمولاً از روش لایهگذاری دستی و در پره بزرگ و حتی متوسط با توجه به اهمیت وزن و استحکام سازه از روش تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) استفاده میشود. یکی از موضوعاتی که باید در طراحی محصولات مهندسی مورد استفاده قرار گیرد آن است که عمر محصول تولیدی چقدر خواهد بود. عمر در این محصولات به صورت مدت زمانی تعریف میشود که محصول قادر است تحت بارهای سرویس عملکرد مورد انتظار را داشته باشد. عمر یک قطعه میتواند به کوتاهی یک بار استفاده تعیین شود، از سوی دیگر در برخی محصولات باید قابلیت تحمل میلیونها سیکل در نظر گرفته شود که توربینهای بادی نیز از این دستهاند. محصولاتی با چنین عمرهای بالایی مستعد برای شکست خستگی هستند.
گسترش ابزارهای مورد نیاز جهت تعیین عمر خستگی مواد ساخته شده از کامپوزیت با کندی روبروست، دلیل این امر را باید در ماهیت لایهای و غیریکنواخت این مواد جست و جو کرد، به طور مثال اگر در فلزات تنها عامل خرابی را طول ترک تشکیل میدهد، مواد کامپوزیتی حالت‌های مختلف شکست را از خود بروز میدهند که از آن جمله میتوان به ترک خوردن زمینه[6]، جدایش الیاف از زمینه[7]، کمانش الیاف، جدایش لایهها[8]، شکست تکلایه و شکست الیاف اشاره کرد. معمولاً در یک شکست ناشی از خستگی در مواد کامپوزیتی ترکیبی از مکانیزمهای فوق فعال است و این مسأله به خودی خود تحلیلهای خستگی را با چالشهای فراوانی روبرو میکند. حال اولین قدم در تحلیلهای خستگی تعیین منحنی S-N به صورت آزمایشگاهی و در قدم بعد شناسایی مکانیزمهای مختلف واماندگی خستگی میباشد. با مشخص شدن این داده‌ها، مهندسین می‌توانند به تخمینهای اولیه خستگی جهت ساخت محصول برای صنعت و خریداران کمک نمایند.
2-1- اجرای پروژه
در گام اول نیاز صنعت در ساخت پرههای توربین بادی مورد بررسی قرار گرفت، از آنجا که آزمون‌های دینامیک با توجه به نوع سازه حائز اهمیت هستند طی جلسات برگزار شده در پژوهشکده هوا خورشید دانشگاه فردوسی مشهد موضوع بررسی رفتار خستگی کامپوزیتهای زمینه پلیمری (اپوکسی) تقویت شده با پارچه بافته شده با الیاف شیشهای E-glass، که در ساخت پرههای توربین بادی به کار میروند، مطرح شد. در ادامه با مطالعه استانداردها و کارهای صورت گرفته بر روی خستگی کامپوزیتهای زمینه پلیمری امکان‌پذیر بودن و قابلیت اجرای پروژه در دستور کار قرار گرفت. برای این کار لایهگذاری نمونهها را به صورت ترکیبی از الیاف با جهات گوناگون در نظر گرفته شد که به نوعی شرایط به شرایط عملکرد واقعی پرههای توربین نزدیکتر شده باشد. در این مرحله نمونه سازی با استفاده از روش دستی و نیز تزریق به کمک خلأ در کارگاه کامپوزیت پژوهشکده هوا خورشید دانشگاه فردوسی مشهد، انجام گرفت. بعد از برش دادن ورقهای کامپوزیتی، به منظور ساخت نمونه، مقاطع برش خورده ماشینکاری شده و در نهایت نمونه نهایی به دست آمد. پیش از شروع آزمون خستگی با تعریف آزمون‌های مورد نیاز و انجام آنها از کالیبره بودن دستگاه مورد استفاده اطمینان حاصل شد. در مرحله بعد با انجام تست کشش و شروع تست خستگی مشکلات اولیه انجام تست از جمله شکستن نمونه در فک‌های دستگاه و مشکلات ساخت نمونه مورد بازبینی قرار گرفت و طی جلساتی راهکارهای حل مشکلات مطرح شد.
در گام بعدی با توجه به تعداد نمونههای لازم جهت آزمون خستگی و کشش ابعاد صفحه اصلی مشخص و نمونه نهایی تولید شد. با انجام آزمون کشش بارهای اعمالی برای انجام آزمون خستگی تعیین و تست بر روی نمونهها آغاز شد. بر روی نمونههای آماده شد به هر دو روش دستی و VIP،رزین و الیاف آنالیز حرارتی TGA صورت گرفت تا بتوان با نتایج به دست آمده از تصویر برداری SEM از سطوح شکست خستگی مکانیزمهای غالب خستگی شناسایی شود.
3-1- هدف از انجام تحقیق
با توجه به اهمیت موضوع خستگی در پرههای کامپوزیتی توربینهای بادی، در این پژوهش، اثر بارگذاری خستگی در دو روش VIP و لایهگذاری دستی مورد بررسی قرار گرفت. لازم به ذکر است که در هر کدام از روشهای مذکور جهتگیریهای معینی از الیاف و پارچه شیشهای به کار گرفته شد تا بتوان تأثیر این پارامتر بر روی خواص خستگی و طول عمر پیشبینی شده برای پرهها را مورد تحقیق و بررسی قرار داد.
در فصل 2 به بررسی مواد مورد استفاده برای ساخت؛ شامل رزین اپوکسی، الیاف و پارچههای E-glass و روشهای مختلف تولید و آزمون‌های صورت گرفته بر روی آنها پرداخته میشود. در فصل 3 روش انجام آزمایش و نحوه آماده‌سازی نمونهها برای آزمون کشش، آزمون خستگی تحت بارگذاری کشش-کشش، تصویربرداری SEM و آنالیز حرارتی TGA با دو روش ساخت، یعنی لایهگذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) آورده شده است. درفصل 4 با استفاده از نتایج آزمون کشش و خستگی، منحنی S-N برای نمونههای ساخته شده به دو روش VIP و لایهگذاری دستی رسم شد و تحلیلهای لازم بر روی داده‌ها صورت گرفت. به کمک نتایج حاصل از تصویربرداری SEM و آنالیز حرارتی TGA، به ترتیب مکانیزمهای واماندگی نمونههای دستی و VIP تحت بارگذاری خستگی و درصد الیاف در نمونههای ساخته شده به روشهای مذکور علاوه بر نوع اتصال بین الیاف تقویت کننده و زمینه تعیین شد. در انتها در فصل 5 نتیجه‌گیری و پیشنهاداتی به منظور ادامه پروژه ارائه شده است.
[1] Glass fiber reinforced plastic
[2] Bending stiffness
[3] Resin transfer molding
[4] Vacuum assisted RTM
[5] Vacuum infusion process
[6] Matrix Cracking
[7] Fiber Debonding
[8] Ply Delamination
[1] Drag
فرم در حال بارگذاری ...
