كيف يمكن استخدام المواد المركبة في توربينات فورستر الكهرومائية الصغيرة

تكتسب المواد المركبة زخمًا متزايدًا في صناعة معدات صناعة الطاقة الكهرومائية. ويكشف البحث في متانة المواد ومعايير أخرى عن تطبيقات أخرى عديدة، لا سيما للوحدات الصغيرة والمتناهية الصغر.
تم تقييم هذه المقالة وتحريرها وفقًا لمراجعات أجراها اثنان أو أكثر من الخبراء ذوي الخبرة ذات الصلة. يُقيّم هؤلاء المُراجعون المخطوطات من حيث الدقة الفنية، والفائدة، والأهمية العامة في قطاع الطاقة الكهرومائية.
يُتيح ظهور مواد جديدة فرصًا واعدة لصناعة الطاقة الكهرومائية. ففي أوائل القرن التاسع عشر، استُبدل الخشب - المستخدم في النواعير المائية وأنابيب المياه - جزئيًا بمكونات الفولاذ. يحتفظ الفولاذ بقوته من خلال تحمله أحمال التعب العالية، ويقاوم تآكل التجويف والتآكل. خصائصه مفهومة جيدًا، وعمليات تصنيع مكوناته متطورة. ومن المرجح أن يظل الفولاذ هو المادة المفضلة للوحدات الكبيرة.
مع ذلك، ونظرًا لتزايد عدد التوربينات الصغيرة (أقل من 10 ميجاوات) إلى التوربينات متناهية الصغر (أقل من 100 كيلووات)، يُمكن استخدام المواد المركبة لتوفير الوزن وتقليل تكلفة التصنيع والأثر البيئي. ويكتسب هذا أهمية خاصة نظرًا للحاجة المستمرة إلى نمو إمدادات الكهرباء. تُمثل الطاقة الكهرومائية المُركبة عالميًا، والتي تُقارب 800,000 ميجاوات وفقًا لدراسة أجرتها شركة "شركاء الطاقة المتجددة النرويجية" عام 2009، 10% فقط من الطاقة الكهرومائية المجدية اقتصاديًا و6% من الطاقة الكهرومائية المجدية تقنيًا. وتزداد إمكانية إدخال المزيد من الطاقة الكهرومائية المجدية تقنيًا إلى نطاق الجدوى الاقتصادية مع قدرة المكونات المركبة على توفير وفورات الحجم.

تصنيع المكونات المركبة
لتصنيع أنبوب الخيط بشكل اقتصادي وبقوة عالية ثابتة، فإن أفضل طريقة هي لف الخيوط. يُغلَّف عمود كبير بخيوط من الألياف تُمرَّر عبر حوض راتنجي. تُغلَّف الخيوط بأنماط دائرية وحلزونية لتوفير قوة تحمل للضغط الداخلي والانحناء الطولي والتحميل. يوضح قسم النتائج أدناه التكلفة والوزن لكل قدم لحجمي أنبوب الخيط، بناءً على عرض سعر من موردين محليين. أظهر عرض السعر أن سمك التصميم كان مدفوعًا بمتطلبات التركيب والتحميل، وليس بحمل الضغط المنخفض نسبيًا، وكان لكليهما 2.28 سم.
تم النظر في طريقتين لتصنيع بوابات البوابات وريشات التثبيت: الصب الرطب والتسريب الفراغي. يستخدم الصب الرطب نسيجًا جافًا، يُشرب بصب الراتنج عليه واستخدام بكرات لدفع الراتنج إلى داخله. هذه العملية ليست بنفس نظافة التسريب الفراغي، ولا تُنتج دائمًا أفضل بنية من حيث نسبة الألياف إلى الراتنج، ولكنها تستغرق وقتًا أقل من التسريب الفراغي. يُرسي التسريب الفراغي الألياف الجافة في الاتجاهات الصحيحة، ثم تُعبأ الرصة الجافة في أكياس مفرغة من الهواء، وتُربط وصلات إضافية تُوصل بمصدر راتنج، يُسحب إلى القطعة عند تطبيق التفريغ. يُساعد التفريغ على الحفاظ على كمية الراتنج عند المستوى الأمثل، ويُقلل من انبعاث المواد العضوية المتطايرة.
سيستخدم غلاف اللفائف عملية تجميع يدوية في نصفين منفصلين على قالب ذكر لضمان سطح داخلي أملس. ثم يُلصق النصفان معًا بإضافة ألياف إلى الخارج عند نقطة الالتصاق لضمان متانة كافية. لا يتطلب حمل الضغط في غلاف اللفائف مركبًا متقدمًا عالي القوة، لذا يكفي استخدام طبقة رطبة من نسيج الألياف الزجاجية مع راتنج الإيبوكسي. تم تحديد سمك غلاف اللفائف بناءً على نفس معايير تصميم أنبوب النفخ. الوحدة، التي تبلغ قدرتها 250 كيلوواط، تعمل بنظام التدفق المحوري، لذا لا يوجد غلاف لفائف.

يجمع مُشَغِّل التوربينات بين هندسة معقدة ومتطلبات أحمال عالية. وقد أظهرت الأبحاث الحديثة إمكانية تصنيع مكونات هيكلية عالية القوة من مادة صلبة مُشَكَّلة مُسبقًا مُقطَّعة تتميز بقوة وصلابة ممتازتين.5 صُمِّم ذراع التعليق لسيارة لامبورغيني غالاردو باستخدام طبقات متعددة من مادة صلبة مُشَكَّلة مُسبقًا مُقطَّعة تُعرف باسم مركب مطروق، مصبوبة بالضغط لإنتاج السُمك المطلوب. ويمكن تطبيق الطريقة نفسها على مُشَغِّلات فرانسيس والمروحة. لا يُمكن تصنيع مُشَغِّل فرانسيس كوحدة واحدة، لأن تعقيد تداخل الشفرات سيمنع استخراج القطعة من القالب. لذلك، تُصنَع شفرات المُشَغِّل والتاج والشريط بشكل منفصل، ثم تُربط معًا وتُقوَّى بمسامير من خلال الجزء الخارجي من التاج والشريط.
في حين أن تصنيع أنبوب السحب أسهل باستخدام لف الخيوط، إلا أن هذه العملية لم تُسوّق تجاريًا باستخدام الألياف الطبيعية. لذلك، تم اختيار طريقة الرص اليدوي، لأنها طريقة التصنيع القياسية، على الرغم من ارتفاع تكاليف العمالة. باستخدام قالب ذكري يشبه المغزل، يمكن إكمال عملية الرص مع وضع القالب أفقيًا، ثم قلبه رأسيًا للتصلب، مما يمنع ترهل أحد الجانبين. يختلف وزن الأجزاء المركبة قليلاً حسب كمية الراتنج في القطعة النهائية. تستند هذه الأرقام إلى وزن ألياف بنسبة 50%.
يبلغ إجمالي وزن التوربين الفولاذي والمركب بقدرة 2 ميجاوات 9,888 كجم و7,016 كجم على التوالي. أما التوربينات الفولاذية والمركبة بقدرة 250 كيلووات، فتبلغ أوزانها 3,734 كجم و1,927 كجم على التوالي. وتفترض هذه القيم وجود 20 بوابة صغيرة لكل توربين، وطول أنبوب النفخ مساويًا لطول رأس التوربين. ومن المرجح أن يكون أنبوب النفخ أطول ويتطلب تركيبات، إلا أن هذا الرقم يُعطي تقديرًا أساسيًا لوزن الوحدة والملحقات الملحقة بها. ولا يشمل هذا الوزن المولد والمسامير وأجهزة تشغيل البوابة، ويُفترض أن تكون متشابهة بين الوحدات المركبة والفولاذية. تجدر الإشارة أيضًا إلى أن إعادة تصميم المجرى، اللازمة لمراعاة تركيزات الإجهاد الظاهرة في تحليل العناصر المحدودة، ستزيد من وزن الوحدات المركبة، ولكن يُفترض أن تكون الكمية ضئيلة، في حدود 5 كجم لتقوية النقاط ذات تركيز الإجهاد.
باستخدام الأوزان المحددة، يُمكن رفع التوربين المركب بقوة 2 ميجاوات وقضيبه بواسطة طائرة V-22 Osprey السريعة، بينما تتطلب الآلة الفولاذية مروحية شينوك ثنائية الدوار أبطأ وأقل قدرة على المناورة. كما يُمكن سحب التوربين المركب بقوة 2 ميجاوات وقضيبه بواسطة طائرة F-250 رباعية الدفع، بينما تتطلب الوحدة الفولاذية شاحنة أكبر حجمًا يصعب مناورتها على طرق الغابات إذا كان موقع التركيب بعيدًا.

الاستنتاجات
من الممكن بناء توربينات من مواد مركبة، وقد لوحظ انخفاض في الوزن بنسبة 50% إلى 70% مقارنةً بمكونات الفولاذ التقليدية. يسمح هذا الوزن المنخفض بتركيب توربينات مركبة في مواقع نائية. إضافةً إلى ذلك، لا يتطلب تجميع هذه الهياكل المركبة معدات لحام. كما تتطلب المكونات عددًا أقل من الأجزاء التي يتم ربطها معًا بمسامير، حيث يمكن تصنيع كل قطعة من قسم أو قسمين. في دورات الإنتاج الصغيرة التي تم عرضها في هذه الدراسة، تهيمن تكلفة القوالب والأدوات الأخرى على تكلفة المكونات.
تُظهر عمليات التشغيل الصغيرة المشار إليها هنا تكلفة إجراء المزيد من الأبحاث على هذه المواد. يمكن أن يتناول هذا البحث تآكل التجويف وحماية المكونات من الأشعة فوق البنفسجية بعد التركيب. قد يكون من الممكن استخدام طلاءات مطاطية أو سيراميكية لتقليل التجويف أو ضمان تشغيل التوربين في وضعي التدفق والضغط اللذين يمنعان حدوث التجويف. من المهم اختبار هذه المشكلات وغيرها وحلها لضمان تحقيق الوحدات لموثوقية مماثلة لتوربينات الفولاذ، خاصةً إذا تم تركيبها في مناطق لا تتطلب صيانة متكررة.
حتى في هذه الدورات الإنتاجية الصغيرة، يمكن أن تكون بعض المكونات المركبة فعّالة من حيث التكلفة نظرًا لانخفاض تكلفة العمالة اللازمة للتصنيع. على سبيل المثال، تبلغ تكلفة لحام غلاف لولبي لوحدة فرانسيس بقدرة 2 ميجاوات من الفولاذ 80,000 دولار أمريكي، مقارنةً بـ 25,000 دولار أمريكي لتصنيع المكونات المركبة. ومع ذلك، بافتراض نجاح تصميم مجاري التوربينات، فإن تكلفة صب هذه المجاري أعلى من تكلفة تصنيع المكونات الفولاذية المماثلة. تبلغ تكلفة تصنيع مجاري التوربينات بقدرة 2 ميجاوات من الفولاذ حوالي 23,000 دولار أمريكي، مقارنةً بـ 27,000 دولار أمريكي لتصنيع المكونات المركبة. قد تختلف التكاليف باختلاف الآلة. وستنخفض تكلفة المكونات المركبة بشكل كبير عند دورات الإنتاج الأعلى إذا أمكن إعادة استخدام القوالب.
أجرى الباحثون بالفعل أبحاثًا حول بناء مجاري توربينات من مواد مركبة.8 ومع ذلك، لم تتناول هذه الدراسة تآكل التجويف وجدوى البناء. تتمثل الخطوة التالية للتوربينات المركبة في تصميم وبناء نموذج مصغر يُثبت جدوى التصنيع وفعاليته. يمكن بعد ذلك اختبار هذه الوحدة لتحديد كفاءتها وإمكانية تطبيقها، بالإضافة إلى طرق منع تآكل التجويف الزائد.