أفادت دراسة أجراها باحثون في مختبرات سانديا الوطنية أن مادة جديدة من ألياف الكربون يمكن أن تحقق فوائد من حيث التكلفة والأداء لصناعة الرياح إذا تم تطويرها تجاريًا.
يقل وزن شفرات الرياح التي تحتوي على ألياف الكربون بمقدار 251 تيرابايت 3 تيرابايت عن تلك المصنوعة من مواد الألياف الزجاجية التقليدية. وهذا يعني أن الشفرات المصنوعة من ألياف الكربون يمكن أن تكون أطول من تلك المصنوعة من الألياف الزجاجية، وبالتالي يمكنها التقاط المزيد من الطاقة في المواقع ذات الرياح المنخفضة. وقال براندون إينيس، الباحث في مجال طاقة الرياح في مختبرات سانديا والباحث الرئيسي في المشروع، إن التحول إلى ألياف الكربون يمكن أن يطيل عمر الشفرات لأن مواد ألياف الكربون تتمتع بمقاومة عالية للإجهاد.
يتم تمويل المشروع من قبل مكتب تقنيات طاقة الرياح التابع لوزارة الطاقة في مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة. ومن بين الشركاء في المشروع أوك ريدج ناشيونال المختبر وجامعة ولاية مونتانا.
من بين جميع الشركات المنتجة لتوربينات الرياح، تستخدم شركة واحدة فقط ألياف الكربون المواد على نطاق واسع في تصميمات الشفرات. وقال إينيس إن شفرات توربينات الرياح هي أكبر الهياكل المركبة المكونة من قطعة واحدة في العالم، ويمكن أن تمثل صناعة الرياح أكبر سوق لمواد ألياف الكربون من حيث الوزن إذا توفرت تجارياً مادة تنافس المواد المركبة المقواة بالألياف الزجاجية من حيث التكلفة والقيمة.
تعد التكلفة هي الاعتبار الرئيسي أثناء تصميم المكونات في صناعة الرياح، ومع ذلك يتعين على مصنعي التوربينات أيضًا بناء شفرات تتحمل أحمال الضغط والإجهاد التي تتعرض لها الشفرات أثناء دورانها لمدة تصل إلى 30 عامًا.
تساءل إينيس وزملاؤه عما إذا كان بإمكان ألياف الكربون الجديدة منخفضة التكلفة التي تم تطويرها في مختبر أوك ريدج الوطني أن تلبي احتياجات الأداء مع تحقيق فوائد من حيث التكلفة لصناعة الرياح. تبدأ هذه المادة بسليفة متاحة على نطاق واسع من صناعة النسيج تحتوي على حزم سميكة من ألياف الأكريليك. وتتبع عملية التصنيع، التي تقوم بتسخين الألياف لتحويلها إلى كربون، خطوة وسيطة تسحب ألياف الكربون إلى ألواح خشبية. وتنتج عملية السحب اللولبي لصناعة الألواح الخشبية ألياف الكربون ذات الأداء العالي والموثوقية اللازمة لتصنيع الشفرات وتسمح أيضًا بقدرة إنتاجية عالية.
وعندما قام فريق البحث بدراسة هذه الألياف الكربونية منخفضة التكلفة، اكتشفوا أن أداءها أفضل من المواد التجارية الحالية من حيث الخصائص الخاصة بالتكلفة التي تهم صناعة الرياح.
وقدمت ORNL عينات تطويرية من ألياف الكربون من مرفق تكنولوجيا ألياف الكربون التابع لها والمركبات المصنوعة من هذه المادة بالإضافة إلى مركبات مماثلة مصنوعة من ألياف الكربون المتاحة تجاريًا للمقارنة.
قام زملاؤه في جامعة ولاية مونتانا بقياس الخواص الميكانيكية لألياف الكربون الجديدة مقارنةً بألياف الكربون المتاحة تجاريًا ومركبات الألياف الزجاجية القياسية. ثم جمع إينيس هذه القياسات مع نتائج نمذجة التكلفة من ORNL. واستخدم هذه البيانات في تحليل تصميم الشفرات لتقييم تأثير النظام لاستخدام ألياف الكربون الجديدة، بدلاً من ألياف الكربون القياسية أو الألياف الزجاجية، كدعامة هيكلية رئيسية في شفرة الرياح. تم تمويل الدراسة من قبل مكتب تقنيات طاقة الرياح التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.
وجد إينيس وزملاؤه أن مادة ألياف الكربون الجديدة تتمتع بقوة ضغط 56% أكثر من ألياف الكربون المتاحة تجارياً، وهو خط الأساس في الصناعة. وعادةً ما تستوعب الشركات المصنعة قوة ضغط أقل باستخدام المزيد من المواد لصنع مكون ما، مما يزيد من التكاليف. وبالنظر إلى قوة الانضغاط الأعلى لكل تكلفة للألياف الكربونية الجديدة، توقعت حسابات Ennis توفير 401 تيرابايت لكل دولار في تكاليف المواد لغطاء الصاري الذي يعد المكون الهيكلي الرئيسي لشفرة توربينات الرياح، المصنوع من ألياف الكربون الجديدة مقارنةً بألياف الكربون التجارية.