تصميم عنفة الرياح
حجم العنفة > مواد الشفرة > بوليمر

تُصنع معظم شفرات عنفات الرياح التجارية من مواد مركبة تسمى البوليمرات المقواة بالألياف. هذه المواد هي مزيج من مادة قوية تسمى المصفوفة وألياف طويلة تسمى الألياف البوليمرية.
لنتخيل أن شفرة العنفة هي مثل عصا طويلة وقوية. الألياف البوليمرية هي مثل الأسلاك الطويلة الملتوية داخل العصا. هذه الألياف تعطي الشفرة صلابة وقوة تجعلها تستطيع التحمل وتحمل القوات التي تتعرض لها.
أما المصفوفة، فهي مثل المادة التي تحيط بالألياف وتثبتها. هذه المادة تعطي الشفرة قوة إضافية وتساعدها على تحمل القوى التي تتأثر بها، مثل الكسر والتحميل والقوى التي تعمل في اتجاهات مختلفة. هذا يجعلها قوية ومتينة، مما يساعدها على تحمل القوى الناتجة عن الرياح وتعمل بشكل فعال لتوليد الطاقة.  تعتبر مؤشرات المواد القائمة على تعظيم كفاءة الطاقة ، وصلابة عالية للكسر ، ومقاومة التعب ، والاستقرار الحراري هي الأعلى بالنسبة للبلاستيك المقوى بالزجاج وألياف الكربون (GFRPs و CFRPs).
في ريش العنفات ، يتم استخدام المصفوفات مثل المواد الحرارية أو اللدائن الحرارية ؛ اعتبارًا من عام 2017 ، أصبحت المواد الحرارية أكثر شيوعًا.  هذه تسمح للألياف أن ترتبط ببعضها البعض وتضيف صلابة. تشكل المواد الحرارية 80٪ من السوق  ، نظرًا لأنهما يتمتعان بلزوجة أقل ، ويسمحان أيضًا بمعالجة درجات الحرارة المنخفضة ، تساهم كلتا الميزتين في سهولة المعالجة أثناء التصنيع. توفر اللدائن الحرارية إمكانية إعادة التدوير التي لا توفرها المواد الحرارية ، ولكن درجة حرارة معالجتها ولزوجتها أعلى بكثير ، مما يحد من حجم المنتج وتماسكه ، وكلاهما مهم للشفرات الكبيرة. تكون صلابة الكسر أعلى بالنسبة للبلاستيك الحراري.
شفرات توربينات الرياح المستخدمة في نموذج سيمنز SWT-2.3-101.
يتم تقوية هذه الشفرات بالألياف الزجاجية ، وهي نوع من المواد المركبة المصنوعة من الألياف الزجاجية وراتنج البوليمر.
راتينج البوليمر المستخدم في هذه الشفرات هو الايبوكسي ، وهو نوع من البوليمر المتصلد بالحرارة المعروف بقوته ومتانته ومقاومته للتآكل والمواد الكيميائية.
يعد استخدام شفرات الإيبوكسي المقواة بالألياف الزجاجية في توربينات الرياح أمرًا شائعًا لأنها خفيفة الوزن وقوية ويمكنها تحمل الظروف البيئية القاسية لمزارع الرياح.
يبلغ حجم الشفرات في طراز سيمنز SWT-2.3-101 49 مترًا ، وهو حجم كبير جدًا مقارنة بالمحطة الكهربائية الموجودة خلفها في مزرعة وولف آيلاند للرياح.
يعد حجم الشفرات عاملاً مهمًا في تحديد خرج الطاقة لتوربينات الرياح ، حيث يمكن للشفرات الأكبر حجمًا التقاط المزيد من طاقة الرياح وتوليد المزيد من الكهرباء.
عند تصنيع شفرات عنفات الرياح التي يبلغ طولها حوالي 40 إلى 50 مترًا، يتم استخدام تقنيات مركبة من الألياف الزجاجية. هناك عدة طرق مختلفة يستخدمها الشركات المصنعة مثل Nordex SE و GE Wind، واحدة منها هي عملية التسريب.
تختلف الشركات المصنعة الأخرى في تقنياتها، فبعضها تستخدم الألياف الزجاجية بالتعاون مع المواد الكربونية أو الخشبية والمصفوفة المصنوعة من الإيبوكسي. هناك أيضًا خيارات أخرى مثل الألياف الزجاجية المشبعة مسبقًا وعملية القولبة بنقل الراتينج بمساعدة التفريغ.
كل هذه الخيارات تستخدم مواد مركبة تحتوي على بوليمرات معززة بالألياف الزجاجية والتي تصنع بدرجات تعقيد مختلفة.
من المشاكل الشائعة في عمليات التصنيع الرطبة التي تستخدم قوالب مفتوحة هي انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة. المواد المشبعة مسبقًا وتقنيات ضخ الراتينج تساعد في التحكم بتلك الانبعاثات، ولكن هذه العمليات تواجه بعض التحديات في إنتاج الألواح السميكة المطلوبة للأجزاء الهيكلية.
تُواجه عمليات تصنيع شفرات عنفات الرياح التحديات التي تحتاج إلى حلول إضافية. واحدة من هذه التحديات هي تشكيل الألواح السميكة التي تُستخدم في الأجزاء الهيكلية. في الواقع، تحتاج الشفرات إلى أن تكون قوية ومتينة لتتحمل الرياح القوية. لذا، يُبحث باستمرار عن طرق لتحسين عملية التصنيع وتحقيق أداء أفضل.
واحدة من المشاكل الشائعة التي تواجهها عمليات التصنيع هي انبعاث المركبات العضوية المتطايرة أثناء استخدام القوالب المفتوحة. لحل هذه المشكلة، تم تطوير مواد مشبعة مسبقًا وتقنيات ضخ الراتينج. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات في إنتاج الألواح السميكة المطلوبة للأجزاء الهيكلية.
إحدى الحلول المستخدمة لتحسين توزيع الراتينج هي استخدام الألياف الزجاجية المشبعة جزئيًا. أثناء عملية التجفيف، تسمح الألياف الجافة بتدفق الهواء، وعند تطبق الحرارة والضغط على الألياف، يتسرب الراتينج إلى المنطقة الجافة ويتشكل هيكل صفائحي مشرب بالراتينج بشكل متساوٍ. يتمتع استخدام الألياف الزجاجية المشبعة جزئيًا بعدة مزايا، فهي تعزز قوة وصلابة الشفرات وتساعد في توزيع الراتينج بشكل متساوٍ وفعال.
علاوة على ذلك، تُعد الألياف الزجاجية خفيفة الوزن ومقاومة للتآكل، مما يجعلها مادة مثالية لتصنيع شفرات عنفات الرياح. فضلاً عن ذلك، تمتاز الألياف الزجاجية بقدرتها على تحمل الظروف الجوية القاسية، مثل التغيرات الحرارية والتعرض للأشعة فوق البنفسجية.
بالإضافة إلى استخدام الألياف الزجاجية، يعتبر التصميم الهيكلي للشفرات أيضًا جوانباً هامة في تحقيق الأداء المثلى. يجب أن يتم تصميم الشفرات بعناية لتحقيق توازن مثالي بين القوة والوزن، وتوجيه تدفق الهواء بشكل فعال لزيادة كفاءة الطاقة.