Table of Contents
الحاجة المتزايدة إلى مواد توربينية دائمة
وتزداد الطاقة المتجددة بسرعة أكبر في جميع أنحاء العالم، حيث تزيد القدرة على تركيبها على 900 غولاً، حيث تنمو الأربينات وتنتقل إلى مناطق أبعد من المناطق البحرية، وتزداد الضغوط الميكانيكية والبيئية على مكوناتها، كما أن الغلفات، والزوارق الدوارة، والوصلات، والوصلات الصاروخية، يجب أن تكون ملوثة باستمرار، ورش الملح الازدي، ودرجات حرارة عالية، وتقلبات كبيرة.
وقد برزت سبائك التيتانيوم كمرشحة رئيسية لأجزاء التوربينات الريحية الحرجة، حيث إن هذه المادة، مع مزيج فريد من القوة العالية المحددة، ومقاومة التآكل العالقة، والممتلكات البغيضة الممتازة، تساعد على حل التحدي الطويل الأجل في المنشآت الساحلية والخارجية على السواء، وتدرس العلوم وراء سبائك التيتانيوم، وتطبيقاتها العملية في التربينات الريحية، والفوائد الاقتصادية والتشغيلية التي تقدمها.
لماذا تيتانيوم كلويات حلويات ويند توربينز
ولا تكون سبائك التيتانيوم جديدة في مطالبة الصناعات - وقد استخدمت منذ وقت طويل في الفضاء الجوي والبحري والتجهيز الكيميائي، ويعتمدها في الطاقة الريحية على نفس الخصائص الأساسية التي تجعلها لا غنى عنها في تلك الميادين.
نسبة القوة إلى الوزن
ويمكن أن تتجاوز مساحات التوربينات الريحية الحديثة 100 متر، كما أن المحركات الدوارة وصناديق التروس التي تنقل عروقها الهائلة يجب أن تكون قوية وخفيفة، كما أن سبائك التيتانيوم مثل تي -6 ألف - 4V (المجموعة 5) توفر قوة متأصلة تبلغ حوالي 950 ميغاواطا بينما لا تزن سوى 60 في المائة من فولاذ ذي قوة مكافئة.
كما أن عناصر الإضاءة تبسط التركيب والاستبدال في البيئات الخارجية حيث تكون الرافعات باهظة التكلفة والنوافذ الجوية ضيقة، وبالنسبة للتربينات البحرية العائمة، فإن كل كيلوغرام يتم توفيره على رأس الكتل يحسن استقرار المنبر ويقلل من متطلبات الحشد.
مقاومة الكوروزيون الخارق
وتمارس توربينات الرياح البحرية في أحد أكثر البيئات شيوعا على الأرض: هواء ملوحة، الرطوبة المستمرة، والارتطام الدوري من رذاذ البحر، ويجب حماية مكونات الصلب من المعاطف الثقيلة، ونظم حماية الكاسيد، والصيانة الدقيقة، وتشكل المحار التيتانيوم، على النقيض، طبقة مستقرة من أكسيد التدفئة ذاتيا (الضغط على الحرق، حتى الإجهاد الناجم عن الارتداد).
وهذه السلبية الطبيعية تلغي الحاجة إلى نظم خارجية لحماية التآكل في أجزاء التيتانيوم، ولا تقتصر النتيجة على مدة أطول من عمر الخدمة بل أيضا على فترات تفتيش أقل وتدني النفايات الكيميائية من المعاطف، وفي التوربينات الشاطئية الواقعة قرب المناطق الساحلية أو المناطق الصناعية الملوثة، فإن مقاومة التآكل نفسها تطيل حياة المكونات البحرية التي نادرا ما تكون متاحة للنفقة.
الأداء الميداني غير المستقر
وتعاني مكونات التربينات الريحية من ملايين دورات الحمولة على مدى فترة تصميم تتراوح بين 20 و30 سنة، وتبدأ الشقوق الفاتاغية وتنمو في الفولاذ تحت ضغط متكرر، ولا سيما في المفاصل المبللة ومناطق تركيز الإجهاد، وتظهر سبائك التيتانيوم حداً عالياً للدهن، وكثيراً ما تتراوح بين 50 و60 في المائة من قوتها الضعية النهائية، مما يعني أنها قادرة على تحمل المزيد من دورات أخرى قبل الفشل.
وعلاوة على ذلك، فإن أدنى أسلوب للذات في التيتانيوم (نحو نصف الصلب) يسمح للمكونات بالارتفاع قليلا تحت الحمولة، وتوزيع الإجهاد بشكل أكثر إنصافا، وتخفيض قيم الإجهاد الذري، ويمكن أن يحمي هذا " التساهل " الأجزاء المتاخمة مثل الخيوط من التحميل الحواف، مما يزيد من تحسين موثوقية النظام.
درجة الحرارة العالية
ويمكن أن تسخن الأنبوبات الناكسة من الاحتكاك الداخلي والإشعاع الشمسي، في حين قد تواجه الموصلات الصاروخية والناقلات الخارجية درجات حرارة تحت الصفر خلال العواصف الشتوية، وتحافظ السبيكة على قوتها وقوتها من - 270 درجة مئوية إلى أكثر من 400 درجة مئوية، مما يتجاوز بكثير النطاق التشغيلي لمعدات نقل الطاقة، ويضمن هذا الاستقرار عدم تحول أجزاء التيتانيوم إلى از في بيئات المتجمدية الباردة.
تطبيقات السواحل التيتانيومية في ويند توربينيس
ويقوم المصنعون بإدماج سبائك التيتانيوم في عدة نظم فرعية رئيسية للاستفادة من هذه الممتلكات، وفي حين أن التيتانيوم أكثر تكلفة لكل كيلوغرام من الفولاذ أو الألمنيوم، فإن التكلفة الإجمالية للملكية كثيرا ما تفضّل استخدامها في مواقع محددة عالية الجودة يصعب الوصول إليها.
عناصر الإطار المرجعي
وكثيرا ما يكون صندوق المعدات هو أكثر النظم الفرعية تعرضا للفشل في توربين الرياح، حيث يمثل حصة غير متناسبة من تكاليف التعطل والإصلاح، ويجب أن تنقل معدات وأجهزة الصمامات ارتفاعا في سرعة متفاوتة مع وجود حمولات صدمات من الاضطرابات والعواصف، كما أن معدات التيتانيوم المصنوعة من تي - 6 ألف - 4 - 5 أو أزهار جديدة من طراز تي - 3
كما أن انخفاض الوزن يعني أن صناديق التروس يمكن تصميمها باستخدام طاقة أعلى - أكبر من الطاقة التي تنقل عبر نفس المظروف المادي - وهو أمر ذو قيمة خاصة بالنسبة للتوربينات البحرية حيث يؤثر الكتلة المسطحة مباشرة على تكاليف المؤسسة، وقد اختبرت عدة أوسمات من طراز توربين الريح أجهزة التكتاتيوم الداخلية في التجارب الميدانية، وأبلغت عن مستويات يقظة أقل وحياة أطول من التروس تحت ضغط عال.
روتور شافتس
ويربط هذا العمود المركز بصندوق التروس )أو مباشرة بالمولد في تصميمات المحرك المباشر( ويجب عليه مقاومة الركود والتمزق الدوريين مع دعم وزن اللافندر والزاوية، كما أن مواسير التيتانيوم تقلل من الحمولة الميتة على المحك الرئيسي، التي تمتد بدورها إلى الحياة، وفي التربينات التي تعمل على دفع الزواحف، حيث تحمل الخفقان المولدات الحرارية.
وبالنسبة إلى الأربينات البحرية الكبيرة (10 ميغاواط وما فوق)، يمكن أن يكون عمود التيتانيوم أقل من مكافئ فولاذي بنسبة 40 إلى 50 في المائة، وأن تكون سلاسل الادخار من خلال جميع أجهزة الدعم الهيكلي - البرج، والبرج نفسه، وأن تكون البقالة نفسها.
الخيوط والهوب
ويتزايد استخدام التيتانيوم في حمل الأقفاص والعناصر المتداولة والعرق في كل من الملامح الرئيسية وعلامات القذف/النسيج، وتؤمن مقاومة التكليل بأن تحمل آثارها تتناسب مع الدقة حتى عندما تتعرض للرطوبة أو للتكثيف داخل ناسيل، وفي نظم الياو التي تدور فيها ناسيل لتتبع الريح، وتقاوم حلقات البلوطية في النسيج والوسط.
ويستفيد مركز الرواد الذي يربط بين الشوفان والجزر أيضا من التيتانيوم، ويحسن تخفيض وزنه من الحياة الدهنية لنظام الرمي ويتيح للصوص الأكبر حجما أن يتكونوا من أبراج قائمة دون إدخال تعديلات كبيرة، وقد استخدمت بعض النماذج الأولية محاور التيتانيوم لإدخالات أو محاور الفولاذ الهجينة.
أجهزة التفجير والمكثفات
وتعتمد نظم الاحتفاظ بالبلود على المحركات العالية، وتضيف تلك الحمولات المبلورة إلى المركز، وهذه الصومعات يصعب تفتيشها والاستعاضة عنها بمجرد إنشاء التربينات، ولا سيما تلك التي تصنع من سبائك البيتاتينيوم مثل تينفي - 15 - 3 - Cr-M-3Al-Fe-F-F-O-F-M-O-F-O-F-F-O-F-F-F-F-F-F-
وقد استبدلت لوحات ربط اللوم، التي كثيرا ما تكون مصنوعة من الفولاذ أو الحديد الصبغي، بالتيتانيوم في عدة تصميمات ذات أداء عال، ووفورات الوزن عند مصممي الشفرة في المنطقة - المتدفقة بدرجة عالية من التنويم، من أجل تحقيق الحد الأمثل للقصف الجوي من أجل نصلات أطول وأكثر كفاءة.
تطبيقات ناشئة أخرى
كما توجد سبائك التيتانيوم في الحوض الهيدروليكي، ومبادلات الحرارة )لزيت التبريد(، وأقواس هيكلية داخل الناتشيل، بالإضافة إلى مكونات التيتانيوم المصنعة بصورة مضافة، تنتج عن ضخ مسحوق الليزر أو حزام الشعاع الكهربائي مما يتيح إحداثيات معقدة كان من المستحيل في السابق القذف أو الآلة، وتشمل الأمثلة على ذلك قنوات التبريد الداخلية في الأسلحة الرملية.
فوائد استخدام سبائك التيتانيوم
وتمتد مزايا التيتانيوم إلى ما يتجاوز الأداء على مستوى العنصر إلى المكاسب الاقتصادية والتشغيلية الأوسع نطاقا.
مدى الحياة في الخدمة وخفض الصيانة
وتشير البيانات الميدانية المستمدة من المشاريع التجريبية إلى أن معدات وأجهزة التيتانيوم يمكن أن تضاعف الوقت المتوسط بين الفشل (MTBF) مقارنة بقطع الصلب التقليدية، وبالنسبة للتوربينات البحرية، حيث يمكن لاستبدال مجموعة معدات واحدة أن يكلف 000 500 دولار - 1 مليون دولار (بما في ذلك سفينة الرافعة، وساعات التكنيك، والجيل المفقود)، فإن انخفاض معدل الفشل يترجم مباشرة إلى انخفاض في نفقات التشغيل مدى الحياة.
وقد تم القضاء على الفشل المتصل بالكوروسيون تقريبا على سطح التيتانيوم، بحيث يمكن فصل عمليات التفتيش عن بعضها البعض، وقد أبلغ عدد من المشغلين عن حدوث انخفاضات في مواسير التيتانيوم بعد خمس سنوات من الخدمة في ظروف قاسية في بحر الشمال.
تعزيز السلامة والتخفيف من المخاطر
فالفشل الكارثي لربط موصل للشق أو السيف يمكن أن يلقي الحطام ويضر بالتوربينات المتاخمة ويتسبب في توقف طويل، إذ أن ارتفاع كسور التيتانيوم وبطء معدل النمو يوفر هامش أمان أكبر حتى وإن بدأ الشقق، فإنه ينشر ببطء أكبر بكثير من الفولاذ، ويعطي المشغلين الوقت للكشف عنه أثناء عمليات التفتيش الروتينية.
تحسين القدرات والكفاءة في مجال الطاقة
وتتطلب محركات العجلات الثقيلة مزيدا من الطاقة لتسريع وتباطؤها، مما يمكن أن يقلل من قدرة التربين على الاستيلاء على الطاقة أثناء ظروف الغسيل، إذ أن أجزاء التناوب التيتانيوم الخفيفة تحسن الاستجابة الدينامية للنظام، مما يتيح للدوار أن يسرع بسرعة أكبر بعد التموين، وأن يلقي الطاقة الزائدة أثناء فترة الانتقال إلى الشبكة، ويمكن أن تضيف هذه المكاسب الصغيرة في الكفاءة إلى زيادة الطاقة يمكن قياسها.
انخفاض تكاليف الطاقة على المستوى الأدنى
وفي حين أن مكونات التيتانيوم تكلف أكثر من ثلاثة إلى ٥ أضعاف مكو ِّن الفولاذ على أساس الكيلوغرام - فإن مجموع تكلفة الملكية غالبا ما تكون معلومة في خدمة التيتانيوم عندما تُحسب تكاليف الصيانة والتعطل وتكاليف الاستبدال في الاعتبار. وقد وجدت دراسة أجريت في عام ٢٠٢٢ بواسطة مختبر الطاقة المتجددة الوطني )NREL[5٪ من مكوّنات التفيوم في عام ١.
ومع ارتفاع إنتاج مسحوق التيتانيوم والتصنيع المضاف، لا تزال الفجوة في التكلفة مع الفولاذ تضيق، وبعض مشاريع المحللين التي يمكن أن تصل مكونات سبائك التيتانيوم إلى التكافؤ في التكاليف مع الفولاذ العالي الطي في غضون عقد من الزمن.
اعتبارات التصنيع والتكاليف
ويتطلب اعتماد سبائك التيتانيوم تقييما دقيقا لعمليات التصنيع، وموثوقية سلسلة الإمداد، وتصميما لظروف محددة للتحميل.
اختيار المواد وسائقي التكاليف
أما أكثر السواحل التيتانيوم استخداماً في التوربينات الريحية - التي - 6 ألف - 4V - فهي متاحة في شكل البار والصحن وشبه الشبكة، فتتمثل تكلفتها في عملية استخراج كبريت الكثيفة الطاقة، والتحول الكهربائي اللازم، غير أن التقدم في إنتاج مسحوق التيتانيوم (مثل عملية أرمسترونغ) وطرق إعادة التدوير، في تخفيض تكاليف المواد الخام.
فرص التصنيع المضافة
3Dطباعة بواسطة مسحوق التيتانيوم يسمح للمهندسين بإنتاج أجزاء معقدة ذات أجسام عالية لا تستخدم إلا المواد اللازمة لتلبية متطلبات الحمولة، فمثلاً يمكن طبع مجموعة من معدات التيتانيوم بواسطة أضلاع داخلية تتابع مسارات الإجهاد، وتنقذ نسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة من الكتلة مقارنة بالخصائص التقليدية. GE Renewable Energy[FLT:
كما أن التصنيع الإضافي يتيح وضع النماذج السريعة والإنتاج المنخفض الحجم، وهو مثالي لتشكيلات التربينات الجمركية أو لإنتاج قطع غيار على متن الأساطيل القائمة.
تصميم التيتانيوم
فببساطة، يؤدي استبدال التيتانيوم من أجل الفولاذ في تصميم قائم إلى نتائج دون المستوى الأمثل، ويجب على المهندسين إعادة تصميم المكونات لاستغلال الموصلات الأقل قوة من التيتانيوم، وزيادة القوة، مثلا، يمكن جعل محرك التيتانيوم أكثر رقاقة في قطره مع الوفاء بالمتطلبات المتعجرفة، وقد يتطلب انخفاض درجة تركيزه تعديلات على عناصر التعبئة المتاخمة (التفاؤلية).
ويمكن أن تزيد المعالجة السطحية، مثل التبول بالرصاص أو التدحرج العميق، من تعزيز مقاومة التيتانيوم البدينة، فالتكنات غير ضرورية عموما، ولكن التضليل )الفصل الثاني أو الثالث( يمكن أن يوفر مقاومة إضافية للملابس على سطح الاتصال دون أن يلحق ضررا بأداء التآكل.
الاتجاهات والبحوث في المستقبل
وتشير عدة تطورات واعدة إلى توسيع استخدام سبائك التيتانيوم في التوربينات الريحية.
New Alloy Compositions
ويقوم الباحثون بتطوير سبائك تيتانيوم أقل تكلفة تحافظ على القوة ومقاومة التآكل، مع تخفيض كمية عناصر السبيكة الباهظة التكلفة مثل الفاناديوم.
التصميمات المعدنية الهجينة
ويمكن أن يؤدي الجمع بين التيتانيوم والمواد الأخرى إلى تحقيق أقصى قدر من التكلفة والأداء، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يتم صنع منصة رواد من فولاذية محمولة إلى أنبوب تيتانيوم، أو يمكن أن يستخدم مسكن للتركات الغازية أضافات في المناطق المرتفعة التوتر مع الاحتفاظ بالصلب في أماكن أخرى، ويجري حاليا دراسة مفاصل مستخرجة ومختلطة ومتداخلة لإنتاج وصلات متداخلة موثوقة.
إعادة التدوير والاقتصاد العلماني
وتعاد تدوير التيتانيوم بنسبة 100 في المائة دون فقدان النوعية، كما أن عناصر توربين الرياح لها جدول زمني نهائي يمكن التنبؤ به، ويمكن أن تؤدي برامج استعادة التيتانيوم من التوربينات الملغومة إلى تجريبها منظمات مثل U.S. Department of Energy’s Wind Energy Technologies Office.]
التوائم الرقمية والصيانة الافتراضية
ويمكن أن تغذي عناصر التيتانيوم المدمجة مع أجهزة الاستشعار في الوقت الحقيقي، بيانات الإجهاد ودرجات الحرارة والتآكل في النماذج الرقمية التوأم، ويمكن أن تنبأ خوارزميات التعلم الماكنة ببقايا الحياة المفيدة وتعهد الجدول الزمني عند الحاجة تحديداً، ويقوم عدد من مشغلي المزارع الريحية بالفعل بنشر أجهزة استشعارية تعمل بالبطنيوم تتواصل عبر شبكات إيوت، مما يتيح الصيانة القائمة على الظروف بدلاً من الصيانة الزمنية.
خاتمة
وتوفر سبائك التيتانيوم مجموعة من الممتلكات اللازمة لعناصر توربين الرياح: قوة عالية، وزن خفيف، مقاومة التآكل، وقابلية الدهون، والاستقرار الحراري، وفي حين أن التكلفة المادية الأولية لا تزال أعلى من الصلب التقليدي، فإن التكلفة الإجمالية لمزايا الملكية - الصيانة، والعمر الأطول للخدمة، وتحسين السلامة، وانخفاض مستوى البلطانيوم المتحول إلى ثاني أكسيد الكربون، يمثل خيارا جذابا متزايدا للطلب على التطبيقات الساحلية والخارجية.
ومع نمو التكنولوجيا التحويلية وتطوير الهياكل الأساسية لإعادة التدوير، سيزداد دور التيتانيوم في الطاقة الريحية، وسيكون المهندسون والمشغلون الذين يستثمرون في تصميمات قابلة للتداول بالتيتانيوم أفضل في وضع يسمح لهم بتحقيق أهداف الموثوقية والربحية اللازمة للتعجيل بالتحول العالمي للطاقة، وستكون النتيجة هي التوربينات الريحية التي لا تولد الطاقة النظيفة على مدى عقود فحسب، بل ستؤدي إلى انخفاض تكاليف الانقطاع عن الحياة.