مزایای استفاده از FRP - بخش دوم

مزایای استفاده از FRP - بخش دوم: زیرساخت‌ها

مروری جامع بر کاربردهای FRP در زیرساخت‌ها

کامپوزیت‌های پلیمری تقویت ‌شده با الیاف (FRP) همچنان نقش حیاتی در بخش انرژی ایفا کرده و مزایای قابل توجهی را در کاربردهای مختلف از تولید انرژی تجدید پذیر گرفته تا ذخیره و توزیع انرژی ارائه می‌دهند. پیشرفت‌ها و مطالعات موردی اخیر، اهمیت روزافزون این مواد پیشرفته را در شکل‌ دهی به آینده انرژی برجسته می‌کند.

کاربردهای انرژی تجدید پذیر

از مهم ترین کاربردهای انرژی تجدید پذیر می‌توان به این موارد اشاره کرد:

1. انرژی باد

الف. پره‌های توربین بادی: پره‌های توربین بادی مدرن عمدتا با استفاده از پلیمرهای تقویت ‌شده با الیاف شیشه (GFRP) یا پلیمرهای تقویت ‌شده با الیاف کربن (CFRP) ساخته می‌شوند. این مواد امکان ساخت پره‌های بلندتر و سبک ‌تر را فراهم می‌کند که می‌توانند انرژی باد بیشتری را جذب کرده و با راندمان بالاتری کار کنند. همچنین، دهانه پره‌های FRP می‌توانند تا ۱۰۰ متر یا بیشتر باشد که ظرفیت تولید برق توربین‌های منفرد را به میزان قابل توجهی افزایش خواهد داد. در یک مطالعه موردی تیغه قابل بازیافت زیمنس گیمسا در سپتامبر 2021، مشخص شد که شرکت انرژی‌های تجدید پذیر زیمنس گیمسا اولین تیغه توربین بادی قابل بازیافت جهان را با نام تیغه قابل بازیافت معرفی کرد. این طراحی نوآورانه امکان جداسازی کارآمد رزین از مواد کامپوزیت را در پایان عمر تیغه و همچنین امکان استفاده مجدد از مواد را در کاربردهای جدید فراهم می‌کند.

ب. تولید افزایشی برای پره‌های بادی: آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدید پذیر (NREL) درحال بررسی فرایند چاپ سه‌ بعدی پره‌های بادی ترموپلاستیک باهدف بهبود قابلیت بازیافت است. این فرآیند جدید از یک فرآیند جوشکاری حرارتی استفاده می‌کند که چسب‌ها را حذف کرده و امکان بازیافت بهتر را فراهم می‌کند زیرا ترموپلاستیک‌ها را می‌توان در پایان عمر گرم کرد تا پلیمرهای اصلی را جدا کرد.

2. انرژی خورشیدی

الف. سیستم‌های نصب پنل فتوولتائیک: سازه‌های FRP درمقایسه با فلزات سنتی مقاومت به خوردگی بالاتری دارند و این امر آنها را به ویژه برای محیط‌های ساحلی و خشن مناسب می‌کند. وزن سبک FRP موجب نصب آسان‌تر و کاهش بار سازه‌ای بر روی ساختمان‌ها می‌شود.

ب. سیستم‌های انرژی خورشیدی متمرکز (CSP): کامپوزیت‌های FRP در ساخت ناودان‌های سهموی و سازه‌های نگهدارنده برای نیروگاه‌های CSP استفاده شده و دوام و پایداری ابعادی را تضمین می‌کنند.

پ. پره‌های توربین جزر و مدی: همچون توربین‌های بادی، سیستم‌های انرژی جزر و مدی از کامپوزیت‌های FRP برای پره‌های توربین استفاده می‌کنند و از مقاومت در برابر خوردگی و استحکام بالای آنها در محیط‌های دریایی بهره می‌برند.

در مطالعه پروژه انرژی دریایی NREL و دانشگاه ایالتی مونتانا در آوریل 2021، به NREL و دانشگاه ایالتی مونتانا بودجه‌ای برای اعمال فناوری‌های تولید افزایشی و کامپوزیت در دستگاه‌های انرژی دریایی اعطا شد. این پروژه شامل تولید افزایشی قالب‌های داخلی است که برای تبدیل شدن به یک بخش دائمی از سازه نهایی تحمل بار طراحی شده‌اند، قالب‌های پره توربین جزر و مدی را در چهار بخش چاپ می‌کنند و آنها را در شمع‌های کامپوزیتی می‌پیچند تا نقاط شکست را از بین ببرند.

3. کاربردهای ذخیره ‌سازی انرژی

الف. سیستم‌های ذخیره‌ سازی هیدروژن

- مخازن هیدروژن با فشار بالا: مخازن CFRP می‌توانند هیدروژن را با اطمینان در فشارهای تا ۷۰۰ بار ذخیره کنند که برای وسایل نقلیه پیل سوختی و کاربردهای برق ثابت ضروری است. این مخازن درمقایسه با مخازن فلزی، کاهش وزن قابل توجهی دارند که برای کاربردهای سیار بسیار مهم است. در مطالعه مخازن ذخیره‌ سازی هیدروژن گروه Voith، گروه Voith سیستم ذخیره ‌سازی پلاگ2 را توسعه داده است؛ یک سیستم کامل از نازل مخزن تا ورودی پیل سوختی برای کامیون‌های سنگین. مخزن کربن 4 ساخته شده از فیبر کربن T700 و یک رزین مخصوص بر پایه اپوکسی، کاهش وزن قابل توجه و عملکرد بهبود یافته‌ای در ذخیره سازی هیدروژن دارد.

- ذخیره‌ سازی هیدروژن در مقیاس بزرگ: در بررسی‌های قطب هیدروژن پاک Mississippi شرکت Hy Stor Energy، این شرکت درحال ساخت قطب هیدروژن پاک Mississippi است که در آن تولید هیدروژن سبز در محل با ذخیره‌ سازی زیرزمینی غارهای نمکی ترکیب می‌شود. این شرکت همچنین با لابراتوارهای ملی وزارت انرژی جهت آزمایش و توسعه فناوری‌ها، مواد و طرح‌های جدید ذخیره‌سازی هیدروژن همکاری می‌کند.

چالش‌ها و تحولات آینده

اگرچه کامپوزیت‌های FRP از مزایای بی‌شماری در کاربردهای انرژی برخوردار هستند اما چالش‌هایی مانند بازیافت و دفع پس از پایان عمر مفید نیز همچنان پابرجاست. با این حال، تحقیقات و توسعه‌های مداوم درحال بررسی این مسائل هستند ازجمله:

1. بازیافت تیغه بادی: دانشگاه تنسی و شرکت کربن ریورز مبلغ ۱.۱ میلیون دلار کمک مالی برای توسعه و تجاری‌ سازی فناوری جدید بازیابی الیاف شیشه در پره‌های توربین بادی از رده خارج شده دریافت کردند.

2. مواد پیشرفته برای راکتورهای همجوشی: مرکز ملی کامپوزیت‌ها (بریتانیا) و سازمان انرژی اتمی بریتانیا در طرح HASTE-F باهدف توسعه کامپوزیت‌های سرامیکی کاربید سیلیکون (SiC/SiC) با درجه همجوشی همکاری می‌کنند.

هوش مصنوعی در تولید کامپوزیت

هوش مصنوعی به طور فزاینده‌ای به منظور بهینه ‌سازی فرآیندهای تولید و غلبه بر کمبود تخصص مورد استفاده قرار می‌گیرد. در تولید کامپوزیت‌های FRP، از هوش مصنوعی در جایگذاری الیاف نقش مهمی دارد. باتوجه به اینکه بخش انرژی همچنان درحال پیشروی به سمت راه‌ حل‌های پایدارتر و کارآمدتر است، انتظار می‌رود کامپوزیت‌های FRP نقش حیاتی فزاینده‌ای در توانمند سازی سیستم‌های پیشرفته تولید، ذخیره‌ سازی و توزیع انرژی ایفا کنند. مطالعات موردی و پیشرفت‌های روزافزون تعهد صنعت به نوآوری و پایداری در استفاده از مواد کامپوزیت برای کاربردهای انرژی را نشان می‌دهد.

کاربردهای FRP دریایی با عملکرد بالا

کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌ شده با الیاف (FRP) درحال ایجاد انقلابی در زیرساخت‌های مختلف هستند و راه ‌حل‌های نوآورانه‌ای را برای چالش‌های دیرینه ارائه می‌دهند. به طور کلی، باتوجه به مطالعات انجام شده می‌توان تطبیق ‌پذیری و اثربخشی FRP را در کاربردهای زیرساختی مشاهده کرد.

پر کردن شکاف:FRP در ساخت و ساز و نوسازی پل‌ها

نوآوری در مواد کامپوزیت، نشان دهنده روند استفاده از FRP در ساخت و ساز و نوسازی پل‌ها است ازجمله:

1. پل جاده کلیسای الیزابت، شهرستان مورگان، تنسی: این پل دارای عرشه ساخته شده از GFRP پیشرفته و مجهز به حسگرهای فیبر نوری برای نظارت بر زمان واقعی است که کاربرد تولید کامپوزیت‌های پیشرفته در مناطق روستایی را نشان می‌دهد.

2. پل خیابان نورث ‌همپتون، ایستون، پنسیلوانیا به فیلیپسبورگ، نیوجرسی: این پل با استفاده از پنل‌های FRP برای عرشه پیاده‌رو ارتقا یافته است که یک راهکار سبک وزن با محدودیت‌های سختگیرانه وزنی را نشان می‌دهد. این پل همچنین دارای ویژگی‌های کنترل و انحراف آب است که انعطاف ‌پذیری طراحی مواد کامپوزیتی را به نمایش می‌گذارد.

3. پل عابر پیاده بندرگاه ساحل شمالی، کلیولند، اوهایو: این پل یک پل متحرک جدید با عرشه ساخته شده از GFRP و طراحی سبک (۱۰ پوند در هر فوت مربع) است که ادغام FRP را در محیط‌های پیچیده شهری نشان می‌دهد.

به طور خلاصه، کاربردهای متنوع FRP در زیرساخت‌ها، تطبیق ‌پذیری و اثربخشی آن را در پرداختن به طیف وسیعی از چالش‌ها نشان می‌دهد. نکات کلیدی که درمورد کامپوزیت‌های FRP باید دانست این است که این کامپوزیت‌ها جایگزین‌های بادوام، پایدار و مقرون ‌به ‌صرفه‌ای برای مصالح سنتی هستند. پیشرفت‌های مداوم در فناوری و عملکرد بلندمدت نیز می‌تواند پذیرش FRP را تسهیل کند. آینده تولید کامپوزیت‌ها شامل فناوری‌هایی مانند جایگذاری خودکار فیبر (AFP)، سیم‌ پیچ رشته‌ای و چاپ سه‌ بعدی فیبر پیوسته است. ازطرفی، ادغام هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی در فرآیندهای تولید کامپوزیت، نویدبخش بهینه‌ سازی بیشتر در طراحی و تولید است. همچنان که ما به گسترش مرزهای ممکن با کامپوزیت‌های FRP ادامه می‌دهیم، می‌توانیم به آینده‌ای چشم بدوزیم که در آن زیرساخت‌های ما نه تنها قوی ‌تر و مقاوم‌تر، بلکه پایدارتر و سازگارتر با محیط زیست نیز باشند.