لطالما واجهت وزارة الطاقة الأمريكية تحديًا كبيرًا في تبسيط عملية تركيب توربينات الرياح: وهو الحجم الهائل للعمل المطلوب لتصنيع الشفرات. بفضل التقدم في تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد، تمتلك الوزارة الآن مقاربة جديدة قد تحدث تغييرًا جذريًا في سرعة تصميم وبناء هذه الشفرات خفيفة الوزن.
بدلاً من الاعتماد حصريًا على العملية التقليدية لإنشاء نموذج بالحجم الكامل (plug) قبل تصنيع قالب الشفرة، يبحث العلماء عن طرق لاستخدام قوالب كبيرة مطبوعة ثلاثية الأبعاد لجعل عملية التصنيع أسرع وأكثر فعالية من حيث التكلفة، وحتى لزيادة المرونة في تصميم الشفرات المستقبلية. يعتبر التصميم الأمثل الحالي لشفرات توربينات الرياح هو الدوار ذو المحور الأفقي ثلاثي الشفرات، ولكن هذا قد يتغير بشكل كبير إذا أصبحت الشفرات التجريبية أكثر سهولة في التصنيع.
تتجه جهود الطباعة ثلاثية الأبعاد هذه حاليًا في اتجاهات مختلفة ومتعددة، بمشاركة مكتب تقنيات طاقة الرياح ومكتب التصنيع المتقدم التابعين لوزارة الطاقة، إلى جانب المختبرات الوطنية وشركاء من القطاع الخاص. توفر طاقة الرياح بالفعل أكثر من 10% من كهرباء الولايات المتحدة، وتولد طاقة كافية لعشرات الملايين من المنازل الأمريكية. بهذه التطورات، يمكن لوزارة الطاقة أن تدفع البنية التحتية للطاقة المتجددة في البلاد إلى آفاق جديدة تمامًا، ومن الجدير بالذكر أن الولايات المتحدة تضم أيضًا العديد من كبرى الشركات المصنعة لتوربينات الرياح.
كيف يتم إنتاج شفرات توربينات الرياح تقليديًا؟
في السنوات الماضية، كان إنتاج شفرات توربينات الرياح يبدأ ببناء نموذج مادي بالحجم الكامل يُعرف باسم القابس (plug). ثم يُستخدم هذا القابس لإنشاء القالب الذي يشكل الشفرة المركبة النهائية. يبدو الأمر بسيطًا، لكنه في الواقع يتطلب قدرًا كبيرًا من الوقت والجهد والمال لإنجازه. يجب أن تدوم هذه الشفرات لعقود، مما يعني ضرورة بنائها على أكمل وجه. لكن مفهوم الكمال يعتمد على السيناريو، وهذا يعني الحاجة إلى عدد لا يحصى من القوابس المختلفة.
تخيل الأمر: لا يوجد طول مثالي واحد لشفرة توربينات الرياح، مما يعني الحاجة إلى قوابس مختلفة لجميع تلك الأطوال المتنوعة. ستحتاج أكبر توربينات الرياح وأصغرها إلى أحجام شفرات مختلفة تمامًا. يمكن أن تأتي توربينات الرياح البحرية والبرية أيضًا بأطوال شفرات مختلفة تمامًا. ومع الطباعة ثلاثية الأبعاد، يمكن للمهندسين ببساطة إنشاء جميع تلك القوالب المتنوعة مباشرة من ملف تصميم رقمي.
لنأخذ على سبيل المثال آلة التصنيع الإضافي للمساحات الكبيرة (BAAM) في مختبر أوك ريدج الوطني. تقوم هذه الآلة ببناء القالب طبقة تلو الأخرى باستخدام مادة مركبة ساخنة قبل أن يقوم العمال بتطبيق الألياف الزجاجية، وتشكيل السطح بالدقة المطلوبة، وتركيب قنوات التسخين المدمجة، وتجميع القالب المكتمل. نظرًا لأن BAAM يمكنها طباعة مكونات بوليمرية أكبر بأكثر من عشر مرات من أنظمة التصنيع الإضافي الصناعية التقليدية، بينما تعمل أسرع بمئات المرات، فإنها توفر الحجم المطلوب لهذه القوالب الضخمة. بعبارة أخرى، لا حاجة لقابس.
مستقبل شفرات توربينات الرياح مع الطباعة ثلاثية الأبعاد
إن تبني تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد في تصنيع شفرات توربينات الرياح يمثل نقلة نوعية نحو مستقبل أكثر كفاءة واستدامة للطاقة المتجددة. هذه التقنية لا تسرع من وتيرة الإنتاج وتقلل التكاليف فحسب، بل تفتح أيضًا الأبواب أمام ابتكارات تصميمية لم تكن ممكنة من قبل، مما يعزز قدرة الولايات المتحدة والعالم على تحقيق أهدافها في مجال الطاقة النظيفة.