ফর্স্টার স্মল হাইড্রো টারবাইনের জন্য কীভাবে কম্পোজিট উপকরণ ব্যবহার করা যেতে পারে

জলবিদ্যুৎ শিল্পের জন্য যন্ত্রপাতি নির্মাণে কম্পোজিট উপকরণগুলি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করছে। উপাদানের শক্তি এবং অন্যান্য মানদণ্ডের তদন্তে আরও অনেক প্রয়োগ দেখা যায়, বিশেষ করে ছোট এবং ক্ষুদ্র ইউনিটের ক্ষেত্রে।
এই প্রবন্ধটি প্রাসঙ্গিক দক্ষতা সম্পন্ন দুই বা ততোধিক পেশাদারের পর্যালোচনা অনুসারে মূল্যায়ন এবং সম্পাদনা করা হয়েছে। এই সমকক্ষ পর্যালোচকরা জলবিদ্যুৎ শিল্পের মধ্যে প্রযুক্তিগত নির্ভুলতা, উপযোগিতা এবং সামগ্রিক গুরুত্বের জন্য পাণ্ডুলিপিগুলি বিচার করেন।
নতুন উপকরণের উত্থান জলবিদ্যুৎ শিল্পের জন্য উত্তেজনাপূর্ণ সুযোগ তৈরি করে। ১৮০০ সালের গোড়ার দিকে কাঠ - যা মূল জলচাকা এবং পেনস্টকে ব্যবহৃত হত - আংশিকভাবে ইস্পাত উপাদান দ্বারা প্রতিস্থাপিত হয়েছিল। উচ্চ ক্লান্তি লোডিংয়ের মাধ্যমে ইস্পাত তার শক্তি ধরে রাখে এবং গহ্বরের ক্ষয় এবং ক্ষয় প্রতিরোধ করে। এর বৈশিষ্ট্যগুলি সুপরিচিত এবং উপাদান তৈরির প্রক্রিয়াগুলি সুবিন্যস্ত। বৃহৎ ইউনিটগুলির জন্য, ইস্পাত সম্ভবত পছন্দের উপাদান হিসাবে থাকবে।
তবে, ছোট (১০ মেগাওয়াটের নিচে) থেকে মাইক্রো-আকারের (১০০ কিলোওয়াটের নিচে) টারবাইন তৈরির ফলে ওজন সাশ্রয় এবং উৎপাদন খরচ এবং পরিবেশগত প্রভাব কমাতে কম্পোজিট ব্যবহার করা যেতে পারে। বিদ্যুৎ সরবরাহ বৃদ্ধির ক্রমাগত প্রয়োজনের প্রেক্ষাপটে এটি বিশেষভাবে প্রাসঙ্গিক। নরওয়েজিয়ান রিনিউয়েবল এনার্জি পার্টনারস-এর ২০০৯ সালের একটি গবেষণা অনুসারে, স্থাপিত বিশ্ব জলবিদ্যুৎ ক্ষমতা, প্রায় ৮০০,০০০ মেগাওয়াট, অর্থনৈতিকভাবে সম্ভাব্যতার মাত্র ১০% এবং প্রযুক্তিগতভাবে সম্ভাব্য জলবিদ্যুতের ৬%। কম্পোজিট উপাদানগুলির দক্ষতার সাথে সাথে অর্থনৈতিকভাবে সম্ভাব্যতার ক্ষেত্রে আরও প্রযুক্তিগতভাবে সম্ভাব্য জলবিদ্যুৎকে আনার সম্ভাবনা বৃদ্ধি পায়।

কম্পোজিট উপাদান তৈরি
পেনস্টকটি সাশ্রয়ী মূল্যে এবং ধারাবাহিকভাবে উচ্চ শক্তির সাথে তৈরি করার জন্য, সর্বোত্তম পদ্ধতি হল ফিলামেন্ট ওয়াইন্ডিং। একটি বৃহৎ ম্যান্ড্রেল ফাইবারের টো দিয়ে মোড়ানো হয় যা একটি রজন বাথের মধ্য দিয়ে চালানো হয়। অভ্যন্তরীণ চাপ, অনুদৈর্ঘ্য বাঁক এবং পরিচালনার জন্য শক্তি তৈরি করার জন্য টোগুলিকে হুপ এবং হেলিকাল প্যাটার্নে মোড়ানো হয়। স্থানীয় সরবরাহকারীদের উদ্ধৃতি অনুসারে, নীচের ফলাফল বিভাগে দুটি পেনস্টক আকারের জন্য প্রতি ফুট খরচ এবং ওজন দেখানো হয়েছে। উদ্ধৃতিটি দেখায় যে নকশার বেধ তুলনামূলকভাবে কম চাপের লোডের পরিবর্তে ইনস্টলেশন এবং পরিচালনার প্রয়োজনীয়তা দ্বারা চালিত হয়েছিল এবং উভয়ের জন্যই এটি ছিল 2.28 সেমি।
উইকেট গেট এবং স্টে ভ্যানের জন্য দুটি উৎপাদন পদ্ধতি বিবেচনা করা হয়েছিল; ওয়েট লেআপ এবং ভ্যাকুয়াম ইনফিউশন। ওয়েট লেআপে শুকনো কাপড় ব্যবহার করা হয়, যা কাপড়ের উপর রজন ঢেলে এবং রোলার ব্যবহার করে কাপড়ের মধ্যে রজন ঠেলে গর্ভধারণ করা হয়। এই প্রক্রিয়াটি ভ্যাকুয়াম ইনফিউশনের মতো পরিষ্কার নয় এবং ফাইবার-টু-রজন অনুপাতের দিক থেকে সর্বদা সর্বাধিক অনুকূলিত কাঠামো তৈরি করে না, তবে ভ্যাকুয়াম ইনফিউশন প্রক্রিয়ার তুলনায় এটি কম সময় নেয়। ভ্যাকুয়াম ইনফিউশন সঠিক দিকনির্দেশনায় শুষ্ক ফাইবার স্থাপন করে, এবং শুষ্ক স্ট্যাকটি ভ্যাকুয়াম ব্যাগে রাখা হয় এবং অতিরিক্ত ফিটিং সংযুক্ত করা হয় যা একটি রজন সরবরাহের দিকে পরিচালিত করে, যা ভ্যাকুয়াম প্রয়োগ করার সময় অংশে টানা হয়। ভ্যাকুয়াম রেজিনের পরিমাণ সর্বোত্তম স্তরে বজায় রাখতে সাহায্য করে এবং উদ্বায়ী জৈব পদার্থের মুক্তি হ্রাস করে।
স্ক্রোল কেসটি একটি পুরুষ ছাঁচে দুটি পৃথক অর্ধেকে একটি হাত দিয়ে লেআউট ব্যবহার করবে যাতে ভেতরের পৃষ্ঠটি মসৃণ হয়। পর্যাপ্ত শক্তি নিশ্চিত করার জন্য এই দুটি অংশকে বন্ধন বিন্দুতে বাইরের দিকে ফাইবার যুক্ত করে একসাথে আবদ্ধ করা হবে। স্ক্রোল কেসে চাপ লোডের জন্য উচ্চ-শক্তির উন্নত কম্পোজিট প্রয়োজন হয় না, তাই ইপোক্সি রেজিন সহ ফাইবারগ্লাস ফ্যাব্রিকের একটি ভেজা লেআউট যথেষ্ট হবে। স্ক্রোল কেসের পুরুত্ব পেনস্টকের মতো একই নকশা প্যারামিটারের উপর ভিত্তি করে তৈরি করা হয়েছিল। 250-কিলোওয়াট ইউনিটটি একটি অক্ষীয় প্রবাহ যন্ত্র, তাই কোনও স্ক্রোল কেস নেই।

একটি টারবাইন রানার জটিল জ্যামিতির সাথে উচ্চ লোডের প্রয়োজনীয়তার সমন্বয় করে। সাম্প্রতিক গবেষণায় প্রমাণিত হয়েছে যে উচ্চ-শক্তির কাঠামোগত উপাদানগুলি একটি কাটা প্রিপ্রেগ SMC থেকে চমৎকার শক্তি এবং দৃঢ়তার সাথে তৈরি করা যেতে পারে।5 ল্যাম্বোরগিনি গ্যালার্ডোর সাসপেনশন আর্মটি একটি নকল কম্পোজিট নামে পরিচিত একটি কাটা প্রিপ্রেগ SMC-এর একাধিক স্তর ব্যবহার করে ডিজাইন করা হয়েছিল, যা প্রয়োজনীয় পুরুত্ব তৈরি করার জন্য কম্প্রেশন ছাঁচে তৈরি করা হয়েছিল। ফ্রান্সিস এবং প্রোপেলার রানারগুলিতে একই পদ্ধতি প্রয়োগ করা যেতে পারে। ফ্রান্সিস রানারকে একক ইউনিট হিসাবে তৈরি করা যাবে না, কারণ ব্লেড ওভারল্যাপের জটিলতার কারণে ছাঁচ থেকে অংশটি বের করা সম্ভব হবে না। এইভাবে, রানার ব্লেড, ক্রাউন এবং ব্যান্ড আলাদাভাবে তৈরি করা হয় এবং তারপর একসাথে আবদ্ধ করা হয় এবং ক্রাউন এবং ব্যান্ডের বাইরের দিকে বোল্ট দিয়ে শক্তিশালী করা হয়।
যদিও ড্রাফ্ট টিউবটি ফিলামেন্ট উইন্ডিং ব্যবহার করে তৈরি করা সবচেয়ে সহজ, প্রাকৃতিক তন্তু ব্যবহার করে এই প্রক্রিয়াটি বাণিজ্যিকীকরণ করা হয়নি। তাই, হাতের তৈরি লে-আপ বেছে নেওয়া হয়েছিল, কারণ এটি তৈরির আদর্শ পদ্ধতি, উচ্চ শ্রম খরচ সত্ত্বেও। ম্যান্ড্রেলের মতো পুরুষ ছাঁচ ব্যবহার করে, লে-আপটি ছাঁচটিকে অনুভূমিকভাবে সম্পন্ন করা যেতে পারে এবং তারপর উল্লম্বভাবে নিরাময় করা যেতে পারে, যা একদিকে ঝুলে পড়া রোধ করে। সমাপ্ত অংশে রজনের পরিমাণের উপর নির্ভর করে কম্পোজিট অংশগুলির ওজন সামান্য পরিবর্তিত হবে। এই সংখ্যাগুলি 50% ফাইবার ওজনের উপর ভিত্তি করে।
ইস্পাত এবং কম্পোজিট 2-মেগাওয়াট টারবাইনের মোট ওজন যথাক্রমে 9,888 কেজি এবং 7,016 কেজি। 250-কিলোওয়াট স্টিল এবং কম্পোজিট টারবাইন যথাক্রমে 3,734 কেজি এবং 1,927 কেজি। মোট হিসাবে প্রতিটি টারবাইনের জন্য 20টি উইকেট গেট এবং টারবাইনের মাথার সমান একটি পেনস্টক দৈর্ঘ্য ধরে নেওয়া হয়। সম্ভবত পেনস্টকটি দীর্ঘ হবে এবং ফিটিংগুলির প্রয়োজন হবে, তবে এই সংখ্যাটি ইউনিট এবং সংশ্লিষ্ট পেরিফেরালগুলির ওজনের একটি প্রাথমিক অনুমান দেয়। জেনারেটর, বোল্ট এবং গেট অ্যাকচুয়েটিং হার্ডওয়্যার অন্তর্ভুক্ত করা হয়নি এবং কম্পোজিট এবং স্টিল ইউনিটের মধ্যে একই রকম বলে ধরে নেওয়া হয়েছে। এটিও লক্ষণীয় যে FEA-তে দেখা স্ট্রেস ঘনত্বের জন্য রানার পুনর্নির্মাণের প্রয়োজন হলে কম্পোজিট ইউনিটগুলিতে ওজন যোগ হবে, তবে পরিমাণটি ন্যূনতম বলে ধরে নেওয়া হয়, স্ট্রেস ঘনত্বের সাথে পয়েন্টগুলিকে শক্তিশালী করার জন্য 5 কেজি।
প্রদত্ত ওজনের সাহায্যে, 2-মেগাওয়াট কম্পোজিট টারবাইন এবং এর পেনস্টক দ্রুত V-22 অস্প্রে দ্বারা উত্তোলন করা যেতে পারে, যেখানে ইস্পাত মেশিনের জন্য একটি ধীর, কম চালচলনযোগ্য চিনুক টুইন রোটার হেলিকপ্টার প্রয়োজন হবে। এছাড়াও, 2-মেগাওয়াট কম্পোজিট টারবাইন এবং পেনস্টক একটি F-250 4×4 দ্বারা টানা যেতে পারে, যেখানে ইস্পাত ইউনিটের জন্য একটি বড় ট্রাকের প্রয়োজন হবে যা দূরবর্তী ইনস্টলেশনের ক্ষেত্রে বনের রাস্তায় চলাচল করা কঠিন হবে।

উপসংহার
কম্পোজিট উপকরণ থেকে টারবাইন তৈরি করা সম্ভব, এবং প্রচলিত ইস্পাত উপাদানের তুলনায় ওজন ৫০% থেকে ৭০% হ্রাস লক্ষ্য করা গেছে। কম ওজনের ফলে কম্পোজিট টারবাইনগুলি দূরবর্তী স্থানে ইনস্টল করা সম্ভব। এছাড়াও, এই কম্পোজিট কাঠামোর সমাবেশের জন্য ওয়েল্ডিং সরঞ্জামের প্রয়োজন হয় না। উপাদানগুলিকে একসাথে কম অংশ বোল্ট করার প্রয়োজন হয়, কারণ প্রতিটি অংশ এক বা দুটি অংশে তৈরি করা যেতে পারে। এই গবেষণায় মডেল করা ছোট উৎপাদন রানগুলিতে, ছাঁচ এবং অন্যান্য সরঞ্জামের খরচ উপাদান খরচের উপর প্রাধান্য পায়।
এখানে উল্লেখিত ছোট ছোট ধাপগুলি দেখায় যে এই উপকরণগুলির উপর আরও গবেষণা শুরু করতে কত খরচ হবে। এই গবেষণাটি ইনস্টলেশনের পরে উপাদানগুলির গহ্বর ক্ষয় এবং UV সুরক্ষা মোকাবেলা করতে পারে। গহ্বর হ্রাস করার জন্য ইলাস্টোমার বা সিরামিক আবরণ ব্যবহার করা সম্ভব হতে পারে অথবা নিশ্চিত করা যেতে পারে যে টারবাইনটি প্রবাহ এবং মাথার ব্যবস্থায় কাজ করে যা গহ্বর ঘটতে বাধা দেয়। এই এবং অন্যান্য সমস্যাগুলি পরীক্ষা করা এবং সমাধান করা গুরুত্বপূর্ণ হবে যাতে ইউনিটগুলি ইস্পাত টারবাইনের মতো একই নির্ভরযোগ্যতা অর্জন করতে পারে, বিশেষ করে যদি সেগুলি এমন এলাকায় ইনস্টল করা হয় যেখানে রক্ষণাবেক্ষণ খুব কম হয়।
এই ছোট ছোট রানগুলিতেও, কিছু কম্পোজিট উপাদান তৈরিতে কম শ্রমের কারণে সাশ্রয়ী হতে পারে। উদাহরণস্বরূপ, ২-মেগাওয়াট ফ্রান্সিস ইউনিটের জন্য একটি স্ক্রল কেস ইস্পাত থেকে ঝালাই করতে $৮০,০০০ খরচ হবে যেখানে কম্পোজিট তৈরিতে $২৫,০০০ খরচ হবে। তবে, টারবাইন রানারগুলির সফল নকশা ধরে নিলে, কম্পোজিট রানারগুলিকে ছাঁচনির্মাণের খরচ সমতুল্য ইস্পাত উপাদানগুলির চেয়ে বেশি। ২-মেগাওয়াট রানার ইস্পাত থেকে তৈরি করতে প্রায় $২৩,০০০ খরচ হবে, যেখানে কম্পোজিট থেকে $২৭,০০০ খরচ হবে। মেশিন অনুসারে খরচ ভিন্ন হতে পারে। এবং যদি ছাঁচগুলি পুনরায় ব্যবহার করা যায় তবে উচ্চ উৎপাদন রানগুলিতে কম্পোজিট উপাদানগুলির খরচ উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পাবে।
গবেষকরা ইতিমধ্যেই কম্পোজিট উপকরণ থেকে টারবাইন রানার নির্মাণের উপর তদন্ত করেছেন।8 তবে, এই গবেষণায় ক্যাভিটেশন ক্ষয় এবং নির্মাণের সম্ভাব্যতা নিয়ে আলোচনা করা হয়নি। কম্পোজিট টারবাইনগুলির পরবর্তী ধাপ হল একটি স্কেল মডেল ডিজাইন এবং তৈরি করা যা সম্ভাব্যতা এবং উৎপাদনের সাশ্রয়তার প্রমাণ দেবে। এরপর এই ইউনিটটি দক্ষতা এবং প্রযোজ্যতা নির্ধারণের জন্য পরীক্ষা করা যেতে পারে, সেইসাথে অতিরিক্ত ক্যাভিটেশন ক্ষয় প্রতিরোধের পদ্ধতিগুলিও পরীক্ষা করা যেতে পারে।