Els materials compostos estan fent incursions en la construcció d'equips per a la indústria hidroelèctrica. Una investigació sobre la resistència dels materials i altres criteris revela moltes més aplicacions, especialment per a unitats petites i micro.
Aquest article ha estat avaluat i editat d'acord amb les revisions realitzades per dos o més professionals amb experiència rellevant. Aquests revisors jutgen els manuscrits per la seva precisió tècnica, utilitat i importància general dins de la indústria hidroelèctrica.
L'auge de nous materials ofereix oportunitats interessants per a la indústria hidroelèctrica. La fusta, utilitzada en les rodes hidràuliques i les conductes forçades originals, va ser substituïda en part per components d'acer a principis del segle XIX. L'acer conserva la seva resistència a través d'una alta càrrega de fatiga i resisteix l'erosió i la corrosió per cavitació. Les seves propietats es coneixen bé i els processos de fabricació de components estan ben desenvolupats. Per a les unitats grans, és probable que l'acer continuï sent el material preferit.
Tanmateix, donat l'augment de les turbines petites (inferiors a 10 MW) fins a les micro (inferiors a 100 kW), els materials compostos es poden utilitzar per estalviar pes i reduir el cost de fabricació i l'impacte ambiental. Això és especialment rellevant tenint en compte la necessitat contínua de creixement del subministrament d'electricitat. La capacitat hidroelèctrica mundial instal·lada, gairebé 800.000 MW segons un estudi del 2009 de Norwegian Renewable Energy Partners, és només el 10% de l'energia hidroelèctrica econòmicament viable i el 6% de l'energia hidroelèctrica tècnicament viable. El potencial per portar més energia hidroelèctrica tècnicament viable a l'àmbit econòmicament viable augmenta amb la capacitat dels components compostos per proporcionar una economia d'escala.
Fabricació de components compostos
Per fabricar la conducta forçada de manera econòmica i amb una resistència elevada i consistent, el millor mètode és l'enrotllament de filaments. Un mandril gran s'embolica amb fils de fibra que s'han fet passar per un bany de resina. Els fils s'emboliquen en patrons en forma d'arc i helicoïdal per crear resistència a la pressió interna, la flexió longitudinal i la manipulació. La secció de resultats següent mostra el cost i el pes per peu per a les dues mides de conducta forçada, basant-se en un pressupost de proveïdors locals. El pressupost va mostrar que el gruix del disseny estava determinat pels requisits d'instal·lació i manipulació, en lloc de la càrrega de pressió relativament baixa, i per a tots dos va ser de 2,28 cm.
Es van considerar dos mètodes de fabricació per a les comportes de porxo i els àleps d'aigüera: la capa humida i la infusió al buit. La capa humida utilitza teixit sec, que s'impregna abocant resina sobre el teixit i utilitzant corrons per empènyer la resina dins del teixit. Aquest procés no és tan net com la infusió al buit i no sempre produeix l'estructura més optimitzada pel que fa a la relació fibra-resina, però triga menys temps que el procés d'infusió al buit. La infusió al buit disposa la fibra seca en les orientacions correctes, i la pila seca s'envasa al buit i s'hi instal·len accessoris addicionals que condueixen a un subministrament de resina, que s'aspira a la peça quan s'aplica el buit. El buit ajuda a mantenir la quantitat de resina a un nivell òptim i redueix l'alliberament de compostos orgànics volàtils.
La caixa de voluta utilitzarà una capa manual en dues meitats separades en un motlle mascle per garantir una superfície interior llisa. Aquestes dues meitats s'uniran amb fibra afegida a l'exterior al punt d'unió per garantir una resistència adequada. La càrrega de pressió a la caixa de voluta no requereix un compost avançat d'alta resistència, per la qual cosa una capa humida de teixit de fibra de vidre amb una resina epoxi serà suficient. El gruix de la caixa de voluta es va basar en el mateix paràmetre de disseny que la conducta forçada. La unitat de 250 kW és una màquina de flux axial, per la qual cosa no hi ha caixa de voluta.
Un rodet de turbina combina una geometria complexa amb uns requisits de càrrega elevats. Treballs recents han demostrat que es poden fabricar components estructurals d'alta resistència a partir d'un SMC prepreg tallat amb una excel·lent resistència i rigidesa.5 El braç de suspensió del Lamborghini Gallardo es va dissenyar utilitzant múltiples capes d'un SMC prepreg tallat conegut com a compost forjat, modelat per compressió per produir el gruix requerit. El mateix mètode es pot aplicar als rodets Francis i d'hèlix. El rodet Francis no es pot fabricar com una sola unitat, ja que la complexitat de la superposició de les pales impediria que la peça s'extregués del motlle. Per tant, les pales del rodet, la corona i la banda es fabriquen per separat i després s'uneixen i es reforcen amb cargols a través de l'exterior de la corona i la banda.
Tot i que el tub de tirador es fabrica més fàcilment mitjançant l'enrotllament de filaments, aquest procés no s'ha comercialitzat utilitzant fibres naturals. Per tant, es va triar la col·locació manual, ja que és el mètode estàndard de fabricació, tot i els costos laborals més elevats. Utilitzant un motlle mascle similar a un mandril, la col·locació es pot completar amb el motlle horitzontal i després girar-lo verticalment per curar-lo, evitant que s'enfonsi per un costat. El pes de les peces compostes variarà lleugerament depenent de la quantitat de resina a la peça acabada. Aquestes xifres es basen en un 50% de pes de fibra.
Els pesos totals de la turbina d'acer i composta de 2 MW són de 9.888 kg i 7.016 kg, respectivament. Les turbines d'acer i compostes de 250 kW són de 3.734 kg i 1.927 kg, respectivament. Els totals assumeixen 20 comportes de porxo per a cada turbina i una longitud de conducte forçat igual al cap de la turbina. És probable que la conducte forçat sigui més llarga i requereixi accessoris, però aquesta xifra dóna una estimació bàsica del pes de la unitat i els perifèrics associats. El generador, els cargols i el maquinari d'accionament de la comporta no s'inclouen i se suposa que són similars entre les unitats compostes i d'acer. També val la pena assenyalar que el redisseny del rodet necessari per tenir en compte les concentracions d'esforços observades a l'anàlisi de elements finits afegiria pes a les unitats compostes, però se suposa que la quantitat és mínima, de l'ordre de 5 kg per reforçar els punts amb concentració d'esforços.
Amb els pesos donats, la turbina composta de 2 MW i la seva conducta forçada podrien ser aixecades pel ràpid V-22 Osprey, mentre que la màquina d'acer requeriria un helicòpter Chinook de doble rotor més lent i menys maniobrable. A més, la turbina composta de 2 MW i la conducta forçada podrien ser remolcades per un F-250 4×4, mentre que la unitat d'acer requeriria un camió més gran que seria difícil de maniobrar en carreteres forestals si la instal·lació fos remota.
Conclusions
És factible construir turbines amb materials compostos, i es va observar una reducció de pes del 50% al 70% en comparació amb els components d'acer convencionals. La reducció de pes permet instal·lar turbines compostes en llocs remots. A més, el muntatge d'aquestes estructures compostes no requereix equips de soldadura. Els components també requereixen menys peces per cargolar, ja que cada peça es pot fabricar en una o dues seccions. En les petites tirades de producció modelades en aquest estudi, el cost dels motlles i altres eines domina el cost dels components.
Les petites tirades indicades aquí mostren quant costaria començar més investigacions sobre aquests materials. Aquesta investigació pot abordar l'erosió per cavitació i la protecció UV dels components després de la instal·lació. Pot ser possible utilitzar recobriments elastòmers o ceràmics per reduir la cavitació o garantir que la turbina funcioni en règims de flux i alçada que evitin que es produeixi cavitació. Serà important provar i resoldre aquests i altres problemes per garantir que les unitats puguin aconseguir una fiabilitat similar a les turbines d'acer, especialment si s'han d'instal·lar en zones on el manteniment serà poc freqüent.
Fins i tot en aquestes petites tirades, alguns components compostos poden ser rendibles a causa de la menor mà d'obra necessària per a la fabricació. Per exemple, una caixa de espiral per a la unitat Francis de 2 MW costaria 80.000 dòlars per ser soldada amb acer, en comparació amb els 25.000 dòlars per a la fabricació de materials compostos. Tanmateix, suposant un disseny reeixit dels col·lectors de turbina, el cost de modelar els col·lectors compostos és superior al dels components d'acer equivalents. El col·lector de 2 MW costaria uns 23.000 dòlars per fabricar amb acer, en comparació amb els 27.000 dòlars del material compost. Els costos poden variar segons la màquina. I el cost dels components compostos disminuiria considerablement en tirades de producció més altes si es poguessin reutilitzar els motlles.
Els investigadors ja han investigat la construcció de rodets de turbina a partir de materials compostos.8 Tanmateix, aquest estudi no va abordar l'erosió per cavitació ni la viabilitat de la construcció. El següent pas per a les turbines compostes és dissenyar i construir un model a escala que permeti provar la viabilitat i l'economia de fabricació. Aquesta unitat es pot provar per determinar l'eficiència i l'aplicabilitat, així com els mètodes per prevenir l'erosió excessiva per cavitació.
Data de publicació: 15 de febrer de 2022
