6 مه 2024 -توسط بریتانی انوس، آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر-اسپار توربین جزر و مدی فولاد ضد زنگ چاپ سه بعدی تحت آزمایش در NREL قرار می گیرد. اعتبار: جو دلنرو، NREL
شیر و کلوچه. کره بادام زمینی و ژله. ماکارونی و پنیر. همه جفت های فوق العاده عالی محققان آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر (NREL) یک جفت امیدوارکننده دیگر را کشف کردند: انرژی دریایی و تولید مواد افزودنی.
از فوریه 2022، محققان NREL و آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام در حال بررسی این موضوع بوده اند که چگونه تولید افزودنی می تواند فناوری های انرژی دریایی را تکمیل کند. تولید افزودنی که بیشتر به عنوان چاپ سه بعدی شناخته می شود، فرآیندی است که از لایه های نازکی از مواد (مانند پلیمرها، فلزات، سرامیک ها یا موارد دیگر) برای ایجاد یک شی فیزیکی از یک مدل سه بعدی استفاده می کند. یک مدل در یک فایل دیجیتال ایجاد می شود که به چاپگر منتقل می شود.
پل موردی، مهندس مکانیک در NREL و محقق اصلی مطالعه تولید افزودنی های انرژی دریایی، می گوید: «در همان ابتدا، ما به سرعت متوجه شدیم که فرآیندهای معمولی تولید مواد افزودنی پلاستیکی، اجزای آنقدر قوی برای مقابله با نیروهای اقیانوس تولید نمی کنند. آشکار شد که طراحی این سازه بدون استفاده از فلزات غیرممکن خواهد بود.
تیم NREL با پشتیبانی دفتر فناوری‌های نیروی آب وزارت انرژی ایالات متحده برای پیشبرد تحقیق و توسعه بنیادی برای ابتکار عمل به اقتصاد آبی، مواد و روش‌های چاپ را برای اجزای سازنده پره‌های توربین جزر و مدی تجزیه و تحلیل کرده است.
کارشناسان از طریق تحقیقات خود به این نتیجه رسیده اند که فولاد ضد زنگ (یک ماده مقاوم در برابر خوردگی) و رسوب فلز لیزری (روش ساخت افزودنی) امیدوارکننده ترین گزینه ها برای ساخت اسپارهای توربین جزر و مدی هستند.
اما اسپار توربین دقیقاً چیست؟ اسپار به عنوان ستون فقرات تیغه توربین عمل می‌کند و ساختار را در جای خود نگه می‌دارد – به این معنی که یک جزء مهم و باربر است. و این اجزا باید برای محیط اقیانوس دوام بیشتری داشته باشند.
مردی گفت: «ما یک فضای طراحی واقعا منحصر به فرد را از طریق چاپ سه بعدی باز کرده ایم. این پروژه نشان داده است که تولید مواد افزودنی پتانسیل تولید ساختارهای بسیار قوی و سفت را دارد که برای انرژی دریایی مفید خواهد بود.
تولید افزودنی همچنین می‌تواند بسیاری از چالش‌هایی را که انرژی دریایی با آن مواجه است، مانند زمان‌بندی طولانی مدت تولید و هزینه‌های بالا، برطرف کند. به عنوان مثال، تولید افزودنی به متخصصان اجازه می دهد تا اجزایی را با جزئیات منحصر به فرد طراحی کنند – مواد را می توان در مکان های مختلف اضافه کرد و به راحتی از بین برد، بدون افزودن مراحل ساخت یا تأثیر بر زمان بندی. به همین دلیل، توسعه دهندگان می توانند چندین طرح منحصر به فرد را در یک بازه زمانی بسیار کوتاه تر و با سرمایه گذاری بسیار کمتر آزمایش کنند.
Miguel González-Montijo، یک کارآموز فارغ التحصیل در NREL که در حال اخذ مدرک دکترا در رشته مهندسی عمران است، اسپار توربین را طراحی کرد.
González-Montijo گفت: “من به هندسه اسپار علاقه مند بودم و می خواستم مطمئن شوم که شکل، اندازه و پیچیدگی های هندسی اسپار با طراحی تیغه های توربین دریایی موجود مطابقت دارد.”
با طراحی اسپار که می تواند در فن آوری های موجود در توربین های جزر و مدی مورد استفاده قرار گیرد، این تیم امیدوار است که نمونه سازی سریع دستگاه های انرژی دریایی را امکان پذیر کند. داشتن نمونه های اولیه بیشتر امکان آزمایش و تکرارهای طراحی بیشتری را فراهم می کند، که به محققان کمک می کند امیدوارکننده ترین فناوری ها را برای بخش های اقتصاد آبی، مانند آبزی پروری یا ریزشبکه ها در جوامع ساحلی شناسایی کنند.
گونزالس-مونتیخو گفت: «برای جوامع خاص در مکان‌های خاص، انرژی دریایی می‌تواند یک تغییر دهنده بازی باشد. به عنوان مثال، خانه من، پورتوریکو، می‌تواند از یک شبکه انرژی ارتقا یافته بهره مند شود که فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی هیدروکینتیک دریایی را در خود جای داده است. این فناوری‌ها می‌توانند به بسیاری از شهرهای کوچک کمک کنند تا مقاومت و استقلال انرژی را ایجاد کنند و در عین حال انرژی محلی و تجدیدپذیر را ارائه کنند.»
با استفاده از ترکیبی از فایل‌های طراحی به کمک کامپیوتر یا فایل‌های CAD و نرم‌افزارهای پیشرفته چاپ سه بعدی، می‌توان قطعات را به‌طور منحصربه‌فرد و خاص برای فناوری‌های مختلف طراحی کرد و سپس آنها را به گونه‌ای چاپ کرد که کاملاً در سیستم قرار بگیرند. این تکنیک نه تنها به محققان اجازه می‌دهد تا با استفاده از ابزارهای طراحی مانند نرم‌افزار استاندارد CAD به‌عنوان بخش‌هایی که برای سناریوهای خاص بهترین کار را انجام می‌دهند، تحقیق کنند، بلکه انرژی دریایی را بسیار قابل دسترس‌تر می‌کند.
به عنوان مثال، یک جامعه ساحلی برای کمک به تامین انرژی یک ریزشبکه، یک مبدل انرژی موج نصب می کند، اما یک جزء فرسوده می شود. با دسترسی به یک چاپگر سه بعدی، تیم محلی که دستگاه را نگهداری می کند می تواند یک فایل CAD را وارد کند، قطعه را چاپ کند و آن را جایگزین کند.به عبارت دیگر، تولید افزودنی می‌تواند به ایجاد انعطاف‌پذیری و امنیت انرژی در مناطق ساحلی با رفع سریع نیازهای یک جامعه کمک کند. به جای وابستگی به زنجیره تامین یا رانندگی در مسافت های طولانی برای دریافت قطعات جایگزین، تولید مواد افزودنی به جوامع کنترل بسیار بیشتری بر زیرساخت های انرژی خود می دهد.
تیم تحقیقاتی NREL اکنون در حال آزمایش پرینت سه بعدی خود هستند تا طراحی و ابزارهای مورد استفاده برای مدل‌سازی و ساخت اسپار را تأیید کنند.
مردی گفت: «اعتبارسازی ساختاری برای اطمینان از اینکه اسپار به نیروهای واقعی به روشی که مدل‌های ما پیش‌بینی می‌کنند واکنش نشان می‌دهد، حیاتی است. همچنین به ما کمک می‌کند تا بفهمیم فرآیند جدید تولید افزودنی‌ها با تکنیک‌های تولید فولاد معمولی متفاوت است و چگونه می‌توانیم آن را در طرح‌های آینده به‌کار بگیریم.»
این تیم قصد دارد با افزایش تدریجی مقدار نیرو و وزن بر روی اسپار، آزمایش بار را انجام دهد – به حداکثر 1900 پوند، که 50٪ بیشتر از چیزی است که اسپار برای تحمل آن طراحی شده است. محققان همچنین آزمایش خستگی (یعنی تکرار تنش‌ها و کرنش‌ها) را انجام می‌دهند تا بفهمند اسپار چقدر در برابر شدت محیط اقیانوس مقاومت می‌کند.
مردی گفت: «این آزمایش آخرین قطعه برای تحقیقات ما است و پروژه را کامل خواهد کرد. ما توانسته‌ایم با این پروژه رویکردی فراگیر داشته باشیم: از مدل‌سازی نظری گرفته تا آزمایش‌های مادی، ما تمام قابلیت‌های خود را به کار گرفته‌ایم.
تیم NREL برای ساخت خود اسپار (که چاپ آن حدود یک هفته طول کشید) به Ai-Build متکی بود. با این حال، این پروژه ثابت کرد که داشتن قابلیت پرینت سه بعدی این نوع اجزا به تحقیقات انرژی دریایی و انرژی آب آزمایشگاه به طور کلی سودمند است. به زودی، محققان NREL به یک چاپگر سه بعدی دسترسی خواهند داشت که می تواند اجزای مشابه را با استفاده از فلز و سایر مواد نوآورانه بسازد.
پس از تکمیل آزمایش، تیم NREL نتایج را ترکیب کرده و به تکرار طرح اسپار ادامه خواهد داد. آنها همچنین زمینه های دیگری را که این روش می تواند فناوری های انرژی دریایی را بیشتر کند، بررسی خواهند کرد.
