احتمالية Piezoelectric مواد في ويند توربين بلايد أجهزة الاستشعار

The Potential of Piezoelectric Materials in Wind Turbine Blade Sensors

وقد أصبحت الطاقة الحقيقية حجر الزاوية في التحول العالمي إلى الطاقة المتجددة، حيث أن التربينات على نطاق المرافق العامة تتجاوز الآن بصورة روتينية 200 متر في مقياس الطوابق، وحيث أن هذه الآلات تنمو وتشتغل في بيئات خارجية وبحرية متزايدة، فإن الحفاظ على سلامة العمل السافر يصبح أكثر أهمية وأكثر صعوبة، فالإخفاقات في الازدهار لا تتسبب في انخفاض تكلفة المواد التي تصيبها أيضاً في التسبب في أضرار هيكلية الكارثة.

ما هي المواد الكهربية؟

فالكهرباء - من الـ ((FLT:0)) اليونانية - تعني الضغط على ممتلكات بعض المواد البلورية لتوليد شحنة كهربائية عند التعرض للإجهاد الميكانيكي، وهذا التأثير قابل للعكس: فتطبيق حقل كهربائي على نفس الكريستالات يؤدي إلى التشوه آلياً، وينشأ ترتيب إيجابي من بيير وجاكي كوري في عام 1880.

أما أكثر المواد التي تُعرف على نحو طبيعي في مجال الفطائر فهي مادة " كورتز " (ثاني أكسيد السليكون)، غير أنه بالنسبة للتطبيقات الهندسية، تم تطوير مواد اصطناعية توفر قدرا أكبر من الحساسية والمرونة، وتشمل الفئات المشتركة ما يلي:

• Lead zirconate titanate (PZT)] - A ceramic with exceptionally high piezoelectric coefficients, widely used in actuators and sensors. PZT is brittle but can be embedded in composite laminates or bonded to surfaces.
• Polyvinylidene fluoride (PVDF) ] - بوليمر مرن يمكن تشكيله في أفلام نحيفة.
• Piezoelectric composites - Materials that combine piezoelectric particles with a polymer spec, offering a balance of sensitivity and flexibility. These can be tailored for specific frequency ranges or environmental conditions.
• Lead-free alternatives] - Due to environmental concerns about lead, researchers are developing materials such as potassium sodium niobate (KNN) and bismuth sodium titanate (BNT). These are less grown but show promise for large-scale deployment.

وفي أجهزة استشعار شفرة التربين الريحي، يظل الاختبار الأكثر شيوعا للاستشعار النشط بسبب حساسيته الشديدة للإجهاد، غير أنه بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب استشعارا موزعا على مناطق كبيرة، كثيرا ما تكون الأفلام التي تستخدمها القوى الفلطية أو المركبات الفائقة الفطائر أفضل لأنها يمكن أن تدمج في الهيكل المركب الصارخ دون إدخال عقوبات كبيرة على التصلب أو الوزن.

كيف يعمل جهاز الاستشعار في مجال مكافحة الأوبئة في رصد اللوم

ويتمثل الدور الأساسي لجهاز استشعار الفطائر في نصل تربين الرياح في اكتشاف التباينات الدينامية في الإجهاد الناتج عن الحمولات الهوائية أو الأنماط الديموغرافية أو أحداث التأثير، كما أن ناتج الاستشعار هو مؤشر فولتوي يتناسب مع معدل الضلع الفوري، ومن خلال تحليل الخصائص الزمنية - الترددية لهذه الإشارات، يمكن للمشغلين أن يعطوا معلومات عن اللوم.

وضع الاستشعار والاندماج

وترتبط أجهزة الاستشعار الفلزية عادة بالسطح الشفري أو المدمجة في المكبس المائي أثناء التصنيع وتشمل المواقع المشتركة ما يلي:

• Trailing edge] - To monitor flexural and torsional vibrations, which are sensitive to delamination or adhesive joint failure.
• Leading edge] - To detect erosion or impact damage from rain, hail, or debris.
• Root region] – Where bending moments are highest and fatigue cracks often initiate.
• على طول غطاء السبار ] - لتتبع الطوابق داخل الطائرة وخارجها، كشف التغيرات في الشدة بسبب كسر الألياف أو تفكيك المصفوفة.

وعند الدمج، يجب حماية أجهزة الاستشعار من درجات الحرارة العالية من المعالجة ومن الضغوط التي تتعرض لها الصناعة المركبة، وهذا يتطلب اختيارا دقيقا لأجهزة الاستشعار وطبقات العزل، أما بالنسبة للمستشعرات السطحية، فإن المعاطف الواقية تطبق لتخفيف آثار التآكل والإضراب، وفي كلتا الحالتين، يتم دمج أسلاك الأسلاك في النصل لحمل إشارات إلى وحدة لاقتناء البيانات تقع في المركز أو في النخيل.

تحديد الهوية وتحليل البيانات

ويُستخدم إنتاج الفولط الخام من جهاز استشعار فطيرة صغيرة جداً (المليفولات إلى فولت) وتتطلب تكبيراً وتصفيراً، ويُستخدم مضخم شحن أو مضخم فولتاج، إلى جانب جهاز تصفية منخفض التمرين أو من قطع الطرق لإلغاء الضوضاء وعزل نطاق الترددات بين الفائدة - 0.1 هرتز إلى عدة كيلوهرتز لرصد الصاروخ.

واستُخدمت نُهجتان تحليليتان رئيسيتان:

• الاستشعار الباسيف (انبعاثات الصوت) - يستمع جهاز الاستشعار إلى موجات الإجهاد العالية التردد التي تولدت عن نمو الكراك أو كسر الألياف، وهذا مماثل للاستماع إلى صوت كسر الهيكل، ويتيح الكشف المبكر عن الضرر، ولكن الإشارات عابرة وتتطلب اعترافاً متقدماً بالنمط.
• Activeens (pitch-catch or pulse-echo)] — A piezoelectric a controlled elastic wave through the blade, and a second sensor picks it up. Changes in wave propagation characteristics (delay, attenuation, mode conversion) indicate damage along the path processing.

وفي النظم الحديثة، تستخدم الخوارزميات للتعلم الآلي بشكل متزايد لتصنيف أنواع الضرر وتقدير مدى الحياة المفيدة المتبقية، مثلا، يمكن تدريب آلة دعم أو شبكة عصبية للثورة على بيانات مختبرية للتعرف على توقيعات الإنزال أو الشقوق الدهنية أو الفشل في السندات المتأصلة.

Advantages of Piezoelectric Sensors for Wind Turbine Blades

وتقدم أجهزة الاستشعار الفلزية عدة مزايا متميزة على التكنولوجيات البديلة مثل قياسات الألياف الضوئية، أو أجهزة التسارع، أو أجهزة الاستشعار الصوتية للانبعاثات:

ارتفاع درجة الحساسية للتغيرات الميكانيكية

ويمكن أن تكشف المواد الكهربية عن وجود سلالات صغيرة جداً إلى ميكروستر واحد (عشرة-6) أو أقل، وهذا الحساسية يتيح لها تحديد التغيرات الطفيفة في التشفير أو القذف قبل ظهور ضرر واضح، وعلى النقيض من ذلك، تتطلب قياسات الضغط المقاومة ضغطاً كبيراً لإنتاج ناتج قابل للقياس وأكثر عرضة للانجراف في درجة الحرارة.

الدوام في بيئة هرش

وتعاني شتلات التربين الريحية من دورات حرارة شديدة، ومن الإشعاع فوق البنفسج، ومن العدم، ومن الرذاذ الملحي (في المنشآت البحرية) كما أن البيوتسينية مثل PZT هي بطيئة ويمكن أن تعمل على مدى درجات حرارة واسعة (50 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية) دون تدهور كبير، شريطة أن تكون مكتظة بشكل سليم.

الاتفاق وتصميم الوزن الخفيف

والعنصر المثير للثديث هو عادة قرص رقيق أو فيلم لا يتجاوز بضعة مليمترات سميكة ويزن بضعة غرامات، ولا يغير هذا العدد الكبير من الديناميات الهيكلية لل نصل، خلافا للمقاييس التقليدية التي قد تزن عشرات الغرامات وتحتاج إلى قوسين متصاعدتين، كما أن انخفاض الصورة يسمح أيضا بتوزيع أجهزة الاستشعار المتعددة على نطاق واسع دون التأثير على الهواء.

استهلاك الطاقة المنخفضة

وفي حالة عدم وجود أي قدرة خارجية، لا تتطلب أجهزة استشعار الفطائر أي توليد طاقة خارجية لها من الطاقة الميكانيكية لل نصل، وهذا ميزة كبيرة بالنسبة لشبكات الاستشعار ذات الطاقة الذاتية، وخاصة في المزارع البعيدة التي يكون فيها استبدال البطاريات باهظ التكلفة، وحتى في وسائل الاستشعار النشطة، فإن الطاقة اللازمة لأجهزة الاستنبات ذات النطاق العريض القصيرة أقل بكثير من تلك اللازمة لنظم الموجات فوق الصوتية المستمرة.

الاستجابة السريعة

ويمكن للمستشعرات الفلزية أن تعمل من شبه شركة التعمير إلى عدة ميغاهيرتز، تغطي كامل نطاق الاهتزازات الصاروخية، من الترددات البطيئة في الممرات (0.1-1-1 هز) إلى الانبعاثات الصوتية العالية التردد (100 كيلوهرتز - 1 ميغاهرتز)، وهذا الصلاحية يعني أن من نوع واحد من أجهزة الاستشعار يمكن أن يخدم وظائف متعددة في مجال الإدارة البشرية المستدامة، مما يقلل من التعقيد.

التحديات والحدود الحالية

وعلى الرغم من إمكاناتها، تواجه أجهزة الاستشعار الفطائرية عدة عقبات عملية يجب التغلب عليها قبل أن تصبح سمة موحدة في كل نصل توربيني.

تدهور المواد على مر الزمن

ومن بين الشواغل الرئيسية الاستقرار الطويل الأجل للمعاملات الفائقة الفلزات، حيث يمكن أن تنفجر السيراميات على مر الزمن بسبب التدوير الحراري، والزمن الميكانيكي، وميادين كهربائية قوية، وقد أظهرت الدراسات أنه بعد أن تخفض ملايين دورات الحمولة، كما يشهد ذلك إنتاج دوارة على مدى عقود، يمكن أن يخفض بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة، كما أن الأفلام التي تُنتج عن طريق الفلفاروسات المتعددة الكلور تُس في مجالا.

تعقيد التكامل والاعتماد عليه

كما أن الوصل بين جهاز الاستشعار والمصفوفة المركبة يجب أن يكون مصمماً لتجنب تركيزات الإجهاد التي يمكن أن تشعل التسمية، كما أن الاتصالات الكهربائية - الآلات، والوصلات، والوصلات المشتركة - هي في كثير من الأحيان أضعف وصلة في النظام، وفي حالة الثرثرة التي تخضع لملايين دورات الإقراض، يمكن أن تُضفي الأسلاك على البيانات غير المستقرة، ولكن الكسر.

تفسير الإشارة والمعايرة

وتتأثر إشارات فطيرة الفطائر الراو بالحرارة والرطوبة والحمولات التشغيلية )سرعة الرياح، سرعة الدوار، زاوية القذف( كما أن فصل التغيرات المتصلة بالأضرار عن التغيرات البيئية والتشغيلية يشكل تحديا كبيرا، إذ يلزم إنشاء مكتبة من التوقيعات الأساسية في ظل ظروف مختلفة للكشف الموثوق به، ويجب أن يتم إجراء إجراءات المعايرة بعد التركيب، ودوريا طوال فترة الحياة التي تتطلب تعطلا.

التكلفة والقابلية للتسويق

وفي حين أن عناصر فطيرة الفطائر الفردية غير مكلفة، فإن التكلفة الإجمالية للنظام تشمل الأسلاك، والالكترونيات المكيّفة للإشارة، ومعدات اقتناء البيانات، وعمالة التركيب، أما بالنسبة ل نصل مع أجهزة الاستشعار من 50 إلى 100، فإن التكلفة يمكن أن تصل بسهولة إلى عدة آلاف دولار للنفقات غير الغذائية لمزرعة رياح كبيرة، ومع زيادة أحجام التصنيع والإلكترونيات إلى أدنى حد، فمن المتوقع أن تتراجع التكاليف انخفاضا كبيرا.

دراسات حالات البحث والتطوير

وقد أظهرت عدة أفرقة بحثية واتحادات صناعية بالفعل رصداً مكثفاً في المختبرات والمختبرات الميدانية.

مختبرات سانديا الوطنية

وقد قام الباحثون في سانديا بضم صفائف من أجهزة الاستشعار الخاصة بمحطة PZT في شفرات التربين الريحية الألياف وأخضعوها لفحص البدين، ونجحوا في اكتشاف بدء حدوث الضرر وتطوره في خط السندات المتحركة، وربط التغيرات في ناتج أجهزة الاستشعار ببيانات التفتيش البصري، وأبرزت الدراسة أهمية إعادة تطهير أجهزة الاستشعار للتعويض عن تدهور أجهزة الاستشعار الفردية.

الجامعة التقنية للدانمرك

وقام الباحثون في الوحدة بتقييم أجهزة الاستشعار التي تستخدمها قوات الدفاع الشعبي على شفرة كاملة تحت حمولات ثابتة ودينامية، ووجدوا أن هذه الأجهزة يمكن أن تقيس بشكل موثوق ترددات ونسب التكرار في الموديل، حتى تحت الأمطار وتراكم الجليد، وأن مرونة هذه الأجهزة تسمح لها بأن تتوافق مع السطحات المكشوفة دون أن تسبب في الإنهيار.

معهد فراونهوفر لنظم الطاقة الشتوية (ألمانيا)

وقد أدمجت شبكة " فرونهوفر " الدولية لأجهزة الاستشعار الفطائرية مع نموذج لاسلكي لنقل البيانات في نموذج من طراز " 30 متر " ، وقد أحال النظام بيانات عن الاهتزاز إلى محطة أرضية أثناء التشغيل، مما أدى إلى تحقيق حياة البطارية لعدة أشهر، وقد أثبت هذا المفهوم أن شبكات الاستشعار اللاسلكية ذات الطاقة الذاتية قابلة للتطبيقات البحرية.

الاتجاهات والابتكارات في المستقبل

وتطلعاً إلى الأمام، فإن تكنولوجيا الاستشعار الفطائري جاهزة للتطور في عدة اتجاهات يمكن أن تعزز بشكل كبير رصد الصحة في الريح.

أجهزة الاستشعار ذاتية الدفع ومحركة الطاقة

ونظرا لأن المواد الفطيرة تولد رسوما تحت الضغط الميكانيكي، فإنها يمكن أن تضاعف كحصاد للطاقة، ويقوم الباحثون بتطوير دوائر تخزن الطاقة المحصولة في أجهزة مكثف أو بطاريات صغيرة، مما ينشئ أجهزة استشعار لاسلكية مستقلة حقا، مما سيلغي الحاجة إلى البطاريات أو الطاقة اللاسلكية، ويبسط التركيب ويخفض الصيانة، وقد أظهرت النماذج الأولية وجود كثافة في الطاقة تكفي لدفع جهاز إرسال منخفض من طراز بلوتوشن.

Smart Blades with Distributed Sensing

ويمكن أن تتضمن التصميمات السوفية في المستقبل آلاف العناصر المصغرة لتثبيت الفلزات التي تطبع مباشرة على الطبقات المركبة أثناء التصنيع، وباستخدام تقنيات التصنيع المضافة (مثل طباعة الطائرات المأهولة)، ويمكن إيداع الحبر الفائق في أنماط تشكل مشهداً كثيفاً، مما يتيح رسم خرائط كاملة للمواقع، بحيث يكون هناك " جلد اصطناعي " على جهاز الاستخبارات الاصطناعي.

التكامل مع البيانات الجوية غير الطبيعية للبحوث الدولية للحد من الكوارث الطبيعية والبيانات الجوية

ويمكن للمستشعرات الفلزية أن توفر بيانات عالية الجودة عن الاهتزازات الصاروخية، ولكن تفسير هذه البيانات يتطلب معرفة القوى الأيرودينامية التي تقودها، ومن خلال صمامات الاستشعار التي تستخدم لقياس التدفق الحقيقي من الناسيل المزودة بالليزر وثدييات الأرصاد الجوية، يمكن للمشغلين التمييز بين الاستجابة التشغيلية العادية والتغيرات الناجمة عن الضرر.

تجهيز الإشارات المسبقة باستخدام التعلم في مجال الآلات

وكثيراً ما يتم تدريب نماذج التعلم الآلات الحالية الخاصة بالإدارة المستدامة للأراضي على مجموعات البيانات المحدودة، وتتمثل الخطوة التالية في تطوير تقنيات تعلم التحويل التي يمكن أن تكيف النماذج التي يتم تدريبها على نوع من أنواع التربينات مع نوع آخر، مما يقلل الحاجة إلى بيانات مرجعية واسعة النطاق، وبالإضافة إلى ذلك، فإن بيانات التجهيز الحاسوبي المباشر على أساس العقدة المستشعرة تخفض نطاق نقل البيانات وتتيح الكشف عن الشذوذ في الوقت الحقيقي دون الربط السحابي.

خاتمة

وتُقدم المواد الانشطارية مزيجاً مُلحاً من الحساسية، والقدرة على الاستمرار، وانخفاض استهلاك الطاقة، مما يجعلها مناسبة مثالية للرصد الهيكلي لصمامات التوربين، ومن الاختبارات الأولية للمختبرات إلى المظاهرات الميدانية الكاملة، ثبت أن التكنولوجيا قادرة على كشف الضرر في المراحل المبكرة، وتوفير البيانات في الوقت الحقيقي اللازمة للانتقال من الاستعادة إلى الصيانة المتوقعة، وفي حين أن التحديات ما زالت قائمة في مجال التصنيع المادي والموثوقية، وتزيد من حيث التكلفة.

For further reading on the underlying physics and recent advances, readers may consult the ScienceDirect overview of piezoelectric sensors or the NREL research page on structural health monitoring for wind turbines.