نقش فولاد در انرژی های تجدیدپذیر: توربین های بادی و پنل های خورشیدی

در چند سال گذشته، فشار برای توسعه منابع انرژی سازگار با محیط زیست، پیشرفت تحقیقاتی فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر را افزایش داده است. به ویژه انرژی باد و خورشید به عنوان امیدوار کننده ترین راه حل ها برای دستیابی به این هدف که اتکای کمتر به منابع متعارف انرژی – فسیل ها است، ظاهر شده است. هسته اصلی چارچوب این کاربردهای تجدیدپذیر فولاد است، ماده ای قوی که در ساخت آسیاب بادی و همچنین کاربردهای فتوولتائیک و حرارتی نقش اساسی دارد. ویژگی‌های فولاد آن را برای تسهیل ساختار این سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر مناسب می‌کند و در این فرآیند، قابلیت اطمینان و پایداری نیرو را تضمین می‌کند. این داشنامه به نقش فولاد در انرژی های تجدیدپذیر و به طور مشخص در توربین های بادی و پنل های خورشیدی می پردازد.

اهمیت فولاد در انرژی های تجدیدپذیر

فولاد یکی از پرمصرف ترین مواد در سراسر جهان است که به دلیل کیفیت هایی مانند استحکام، دوام و همچنین به دلیل اینکه مواد بازیافتی هستند. در مورد مثال‌هایی از کاربردهای انرژی تجدیدپذیر، فولاد به راحتی در توربین‌های بادی و سازه‌های خورشیدی قرار می‌گیرد، جایی که دارای ویژگی‌های قابل توجهی از استقامت و انعطاف‌پذیری است که در معرض محیط‌های طاقت‌فرسا مختلف قرار می‌گیرد. با توجه به خواصی مانند استحکام و دوام، فولاد می‌تواند به افزایش طول عمر پروژه بادی و خورشیدی کمک کند و هزینه‌های ناشی از آسیب‌دیدگی تجهیزات به دلیل اختلالات آب‌وهوای متحمل شده در طول عمر پروژه را کاهش دهد.

فولاد همچنین با مواد سازگار با محیط زیست مطابقت دارد زیرا می توان آن را بازیافت کرد، با این فرض که ویژگی های خاص فولاد به خطر نیفتد، می توان آن را بازیافت کرد و می توان از آن در تاسیسات انرژی در مقیاس بزرگ استفاده کرد. بر اساس جهت‌گیری‌های استراتژیک جهان کنونی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و حفظ منابع طبیعی، آشکار است که قابلیت پردازش مجدد فولاد با چشم‌انداز بخش انرژی‌های تجدیدپذیر مطابقت دارد.

فولاد در توربین های بادی

ژنراتورهای برق بادی از انرژی جنبشی تولید شده توسط باد برای تولید برق استفاده می کنند. ساختار یک توربین بادی بلند و مستحکم است و شامل سه بخش اصلی است: بین برج، ناسل و پره‌های روتور. در این قطعات، فولاد در تامین استحکام و پایداری لازم برای عملکرد خود در توربین غالب است.

۱. برج های توربین بادی

این برج یک بخش فرعی حیاتی از یک توربین بادی است زیرا ناسل و تیغه روتور توربین را حمل می کند. برج‌های استاندارد اغلب از فولاد لوله‌ای ساخته می‌شوند، زیرا بادهای شدید و سایر شرایط آب‌وهوایی احتمالاً برآورده می‌شوند و این ماده محافظت فوق‌العاده‌ای را ارائه می‌کند. این برج‌ها معمولاً لوله‌ای هستند و بنابراین فضایی را برای کار روی ناسلی که در بالای سازه قرار دارد فراهم می‌کنند. برای توربین های بادی، باد در حال وزش باید در ارتفاع خوبی برخورد شود. از این رو، فولاد در ارائه پشتیبانی لازم از طریق استحکام کششی مناسب است.

ارتفاع و سفتی این گونه برج ها از مهمترین عوامل تولید انرژی بادی است. آنها اظهار داشتند که برج های بلندتر می توانند بادهای بهتری را در ارتفاعات بالاتر ثبت کنند، بنابراین انرژی بیشتری تولید می کنند. این برج‌ها با داشتن نسبت‌های قدرت به وزن بالا، می‌توانند هم بلند و هم محکم باشند و از این رو انرژی تولید کنند و در عین حال از نظر فولاد ترکیبی ارزان باشند.

۲. تیغه های ناسل و روتور

ناسل حاوی قطعاتی است که انرژی باد را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. ژنراتور، گیربکس و ترمز. ناسل همچنین باید از استحکام مکانیکی بالایی برخوردار باشد، زیرا از سنگین ترین و ظریف ترین اجزای توربین پشتیبانی می کند. فولاد در اینجا مورد استفاده قرار می گیرد زیرا بسیار قوی است و قادر به جذب ضربه است، به خصوص ضربه هایی که ممکن است به قطعات داخلی یا تجهیزات آسیب برساند.

اگرچه تیغه های روتور از مواد بسیار سبک وزن برای بهبود آیرودینامیک ساخته شده اند، فولاد برای ریشه های تیغه هایی که استحکام بالا مطلوب است استفاده می شود. ریشه‌های تیغه‌ها قسمت‌هایی هستند که تیغه‌ها به توپی متصل می‌شوند و طبیعت از آن‌ها می‌خواهد که فشار زیادی را تحمل کنند، زیرا تیغه‌ها برای تولید برق در حرکت دائمی هستند. فولاد در اینجا نقش مهمی را ایفا می کند و پلت فرمی را تشکیل می دهد که در آن تیغه ها باید در حین کار حتی زمانی که باد شدید می وزد کار کنند.

۳. نگهداری و طول عمر

قدرت یکی از ویژگی های ضروری در بخش انرژی باد است. توربین ها برای کار بدون توقف با زمان محدود مورد نیاز برای کشتار قرار دارند. ژنراتورهای بادی معمولاً در مناطقی نصب می‌شوند که دسترسی به آن‌ها سخت است یا در خارج از ساحل، و تعمیر و نگهداری معمولاً مستلزم هزینه‌های زیادی است. به دلیل نیاز کم آن به تعمیر و نگهداری و مقاومت درجه یک آن در برابر خوردگی؛ استفاده از فولاد برای چنین شرایطی به شدت توصیه می شود. به دلیل خوردگی آب شور، قطعات فولادی توربین های دریایی معمولاً با ماده خاصی پوشانده می شوند که طول عمر توربین ها را افزایش می دهد.

فولاد در پنل های خورشیدی

انرژی خورشیدی خورشید را به روش‌های رایج در سیستم‌های فتوولتائیک (PV) یا سیستم‌های حرارتی خورشیدی مهار می‌کند. فولاد سازه ای به طور گسترده در ساختار پشتیبانی کننده این سیستم ها گنجانده شده است تا سازه های نیروگاه خورشیدی را قادر می سازد تا تحت شرایط آب و هوایی مختلف به طور محکم ثابت شوند. تأسیسات خورشیدی که از فولاد استفاده می کنند عمدتاً آرایه های خورشیدی روی زمین و سیستم های پشت بام هستند که در زیر تعریف شده اند.

۱. آرایه های خورشیدی نصب شده روی زمین

اقساط خورشیدی در مقیاس کاربردی به مزارع خورشیدی گفته می شود که بر روی زمین برای جذب بیشترین مقدار برق از نور خورشید فراهم می شوند. چنین آرایه‌هایی معمولاً با استفاده از تکیه‌گاه‌های فولادی که باید روی زمین ثابت شوند، نصب می‌شوند. از آنجایی که قاب‌ها برای نگه داشتن چندین پانل در موقعیت خود قرار دارند، طراحی قاب‌ها به گونه‌ای است که می‌توانند به طور موثری در برابر نیروهای برگشتی مانند باد یا باران مقاومت کنند. از آنجایی که این تاسیسات در مناطق وسیعی گسترش می‌یابند، استفاده از فولاد از نظر مالی عاقلانه است و از آنجایی که مواد طولانی مدت است.

علاوه بر این، به لطف تطبیق پذیری فولاد، آرایه ها هنگام نصب روی زمین می توانند طرح های بسیار متنوعی داشته باشند. سایر سیستم ها از مکانیزم ردیابی استفاده می کنند که به ردیابی موقعیت خورشید کمک می کند و از این رو زاویه پانل ها را در طول روز بهینه می کند. فولاد به دلیل استحکام و توانایی پشتیبانی از اعضای مکانیکی که پانل ها را جابجا می کنند در این سیستم های ردیابی استفاده می شود.

۲. سیستم های خورشیدی پشت بام

سقف فلزی تهویه در سیستم خورشیدی پشت بام نیز مزیت دیگری دارد زیرا مناطق شهری و مسکونی از این سیستم ها تشکیل شده و برای نصب و پشتیبانی نیاز به پایه فولادی دارند. با توجه به فضای محدود روی سقف ها، نسبت استحکام به وزن فولاد از این نظر سودمند است. نصب تجهیزات باید بدون تحمیل بارهای اضافی بر سازه ساختمان به خوبی ایمن شود. پایه‌ها و براکت‌های فولادی برای پشتیبانی از پانل‌های خورشیدی در شیب مناسب برای قرار گرفتن در معرض خورشید با احتیاط در ایمنی و استحکام استفاده می‌شوند.

همچنین، ادغام فولاد در سیستم‌های پشت بام می‌تواند مکمل طیف وسیعی از سیستم‌های سقف باشد که در این مقاله به بررسی بیشتر آن‌ها خواهیم پرداخت. پایه‌های فولادی نیز ممکن است به گونه‌ای تنظیم شوند که طرح‌های متفاوتی از سقف‌ها را در خود جای دهند تا شانس بی‌حرکتی پنل خورشیدی را بدون آسیب رساندن به سقف افزایش دهند. اطمینان از اینکه انرژی خورشیدی برای انواع مختلف سازه‌ها از خانه‌های مسکونی گرفته تا تأسیسات تجاری و صنعتی واقعیت دارد، راحت است.

مزایای زیست محیطی و پایداری فولاد در انرژی های تجدیدپذیر

افزودن ارزش به پروژه های انرژی تجدیدپذیر از طریق استفاده از فولاد دارای مزایای زیست محیطی است که آن را برای توسعه دهندگان جذاب می کند. آهن و فولاد از جمله بازیافتی ترین موادی هستند که صنعت فولاد برای محدود کردن اثرات زیست محیطی خود دستخوش تغییرات چشمگیری شده است. تولید فولاد معاصر دلالت بر افزایش سهم مواد بازیافتی در اینجا دارد، اگرچه پیشرفت‌ها در جنبه‌های فناوری، تولید راندمان انرژی را در اولویت قرار داده است.

ادغام فولاد در پروژه‌های انرژی تجدیدپذیر، مواد تشکیل‌دهنده را قادر می‌سازد تا یک بار دیگر در انجام یک چرخه و در نتیجه بهینه‌سازی استفاده از منابع مورد استفاده، بازیابی و استفاده قرار گیرند. چنین مفهوم مدیریت چرخه عمر برای کمک به تحقق اقتصاد کم کربن بسیار مهم است. به عنوان یک محصول بازیافتی، چرخه عمر فولاد از تولید، استفاده و بازیافت با هدف کلی انرژی سبز یعنی عقب نشینی از استخراج سنگ معدن های بکر و به حداقل رساندن انتشار همسو می شود.

پیشرفت در فناوری فولاد برای انرژی های تجدیدپذیر

با رشد مداوم استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید، فشاری برای اتصالات داخلی و مصالح ساختمانی با عملکرد بالاتر، در درجه اول فولاد، وجود دارد. یکی از آن ها فولاد کم آلیاژی با استحکام بالا (HSLA) است که نه تنها از مزایای افزایش استحکام، خوردگی کمتر، بلکه توانایی استفاده از مواد کمتر نیز برخوردار است. این نوع فولاد به ویژه در توربین‌های بادی دریایی کاربرد دارد، زیرا شرایط به دلیل جو دریایی به سطوح بالایی از ماندگاری نیاز دارد.

یک روند نسبتاً جدید در سازه های خورشیدی، استفاده از فولاد گالوانیزه و همچنین مقاوم در برابر هوا است. در حالی که C&Cها از آلیاژ آلومینیوم ساخته شده اند که به راحتی خورده می شوند، چارچوب از فولاد گالوانیزه پوشیده شده با دندانه های روی ساخته شده است که توانایی آنها را در مقاومت در برابر زنگ زدگی افزایش می دهد زیرا آنها در خارج از ساختمان برای پشتیبانی از نصب محصولات خورشیدی نصب می شوند. فولادی که چند ماه در رطوبت می ایستد، سپس یک پوشش محافظ برای بقیه لایه بیرونی ایجاد می کند و باعث می شود که به دلیل طول عمر زیاد در سازه های انرژی خورشیدی و باد نیز مورد استفاده قرار گیرد و همچنین نیاز به نگهداری کمی دارد.

سازندگان فولاد همچنین در حال بررسی مواد هیبریدی هستند که فولاد را با سایر کامپوزیت ها ترکیب می کنند تا اجزای سبک تر، قوی تر و بادوام تر ایجاد کنند. این نوآوری‌ها برای کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر کردن سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر ضروری هستند و به پیشبرد صنعت کمک می‌کنند.

نتیجه گیری

نقش فولاد امروزی برای صنعت انرژی های تجدیدپذیر به ویژه برای بخش های بادی و خورشیدی بسیار مهم شده است. به دلیل این ویژگی ها، می توان از آن برای استقرار سازه های سیستم انرژی پایدار و بادوام استفاده کرد که می توانند به طور موثر در شرایط مختلف آب و هوایی عمل کنند. استفاده از فولاد توسط پروژه های انرژی تجدیدپذیر هزینه تعمیر و نگهداری را تا زمان عملیاتی بالاتر کاهش می دهد و به توسعه پایدار کمک می کند زیرا فولاد قابل بازیافت است.

در آینده، فولاد یک ماده مهم در بهبود عملکرد و قابلیت اقتصادی فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر باقی خواهد ماند. فناوری‌ها و فرآیندهای پیشرفته فولادی مانند آلیاژهای با استحکام بالا و محافظت در برابر خوردگی به دلیل شرایط آب و هوایی غالب، امکان افزایش دارایی‌های انرژی را باز می‌کنند. آینده سبز و آینده پایدار همه در مورد انرژی پاک و تولیدات آن است، از این رو، فولاد در انرژی های تجدیدپذیر در ایجاد زیرساخت هایی که از تولید انرژی کارآمد برای منافع مردم پشتیبانی می کند، بسیار مهم است.

منبع: Steel Technology
برای مشاهده دانشنامه‌های بیشتر در زمینه فولاد و آهن آلات کلیک کنید