Kompozitní materiály si razí cestu do konstrukce zařízení pro vodní elektrárny. Zkoumání pevnosti materiálu a dalších kritérií odhaluje mnohem více aplikací, zejména pro malé a mikroelektrárny.
Tento článek byl hodnocen a upraven v souladu s recenzemi provedenými dvěma nebo více odborníky s relevantními znalostmi. Tito recenzenti posuzují rukopisy z hlediska technické přesnosti, užitečnosti a celkového významu v rámci hydroenergetického průmyslu.
Vzestup nových materiálů nabízí vzrušující příležitosti pro hydroelektrárny. Dřevo – používané v původních vodních kolech a vakuových potrubích – bylo na počátku 19. století částečně nahrazeno ocelovými komponenty. Ocel si zachovává svou pevnost díky vysokému únavovému zatížení a odolává kavitační erozi a korozi. Její vlastnosti jsou dobře pochopeny a procesy výroby komponentů jsou dobře vyvinuty. Pro velké jednotky pravděpodobně zůstane ocel preferovaným materiálem.
Vzhledem k nárůstu malých (pod 10 MW) až mikroturbín (pod 100 kW) lze kompozity použít k úspoře hmotnosti a snížení výrobních nákladů a dopadu na životní prostředí. To je obzvláště důležité vzhledem k trvalé potřebě růstu dodávek elektřiny. Instalovaná světová vodní kapacita, která podle studie společnosti Norwegian Renewable Energy Partners z roku 2009 činí téměř 800 000 MW, představuje pouze 10 % ekonomicky proveditelné a 6 % technicky proveditelné vodní energie. Potenciál přenést více technicky proveditelné vodní energie do sféry ekonomicky proveditelných se zvyšuje se schopností kompozitních komponentů zajistit úspory z rozsahu.
Výroba kompozitních komponentů
Pro ekonomickou výrobu vakuového potrubí s konzistentně vysokou pevností je nejlepší metodou navíjení vláken. Velký trn je omotán kabely z vláken, které prošly pryskyřičnou lázní. Kabely jsou omotány do kruhových a spirálových vzorů, aby se vytvořila pevnost pro vnitřní tlak, podélný ohyb a manipulaci. Níže uvedená část s výsledky ukazuje náklady a hmotnost na stopu pro dvě velikosti vakuového potrubí na základě cenové nabídky od místních dodavatelů. Cenová nabídka ukázala, že konstrukční tloušťka byla dána spíše požadavky na instalaci a manipulaci než relativně nízkým tlakovým zatížením, a pro obě velikosti činila 2,28 cm.
Pro branky branek a příčníky byly zvažovány dvě metody výroby: mokré vrstvení a vakuová infuze. Mokré vrstvení využívá suchou tkaninu, která je impregnována nalitím pryskyřice na tkaninu a pomocí válečků k vtlačení pryskyřice do tkaniny. Tento proces není tak čistý jako vakuová infuze a ne vždy produkuje nejoptimálnější strukturu z hlediska poměru vláken k pryskyřici, ale trvá kratší dobu než proces vakuové infuze. Vakuová infuze vrství suchá vlákna ve správné orientaci a suchý svazek je poté vakuově balen do sáčků a jsou připojeny další tvarovky, které vedou k přívodu pryskyřice, která je při aplikaci vakua nasávána do dílu. Vakuum pomáhá udržovat množství pryskyřice na optimální úrovni a snižuje uvolňování těkavých organických látek.
Spirální skříň bude ručně svařována do dvou samostatných polovin na formě, aby se zajistil hladký vnitřní povrch. Tyto dvě poloviny budou poté spojeny dohromady s přidáním vlákna na vnější stranu v místě spojení, aby se zajistila dostatečná pevnost. Tlakové zatížení ve spirálové skříni nevyžaduje vysoce pevný pokročilý kompozit, takže bude postačovat mokré vrstvení sklolaminátové tkaniny s epoxidovou pryskyřicí. Tloušťka spirálové skříně byla založena na stejných konstrukčních parametrech jako u vřetena. Jednotka o výkonu 250 kW je axiální stroj, takže spirálová skříň není k dispozici.
Oběžné kolo turbíny kombinuje složitou geometrii s vysokými požadavky na zatížení. Nedávné práce ukázaly, že z nasekaného prepregu SMC lze vyrobit vysoce pevné konstrukční komponenty s vynikající pevností a tuhostí.5 Rameno zavěšení kol vozu Lamborghini Gallardo bylo navrženo s použitím více vrstev nasekaného prepregu SMC, známého jako kovaný kompozit, lisovaných za účelem dosažení požadované tloušťky. Stejnou metodu lze použít pro oběžné kolo Francis a vrtule. Oběžné kolo Francis nelze vyrobit jako jeden celek, protože složitost překrytí lopatek by zabránila vyjmutí dílu z formy. Proto se lopatky oběžného kola, koruna a pás vyrábějí samostatně a poté se spojí dohromady a vyztuží šrouby skrz vnější stranu koruny a pásu.
I když se sací trubice nejsnadněji vyrábí navíjením vlákna, tento proces nebyl komerčně využit s použitím přírodních vláken. Proto byla zvolena ruční výroba, protože se jedná o standardní metodu výroby, a to i přes vyšší náklady na pracovní sílu. Pomocí samčí formy podobné trnu lze výrobu dokončit s formou v horizontální poloze a poté ji otočit ve vertikální poloze pro vytvrzení, čímž se zabrání prohýbání na jedné straně. Hmotnost kompozitních dílů se bude mírně lišit v závislosti na množství pryskyřice v hotovém dílu. Tato čísla jsou založena na 50% hmotnosti vláken.
Celková hmotnost ocelové a kompozitní turbíny o výkonu 2 MW je 9 888 kg, respektive 7 016 kg. Ocelová a kompozitní turbína o výkonu 250 kW váží 3 734 kg, respektive 1 927 kg. Celkové hmotnosti předpokládají 20 branek pro každou turbínu a délku vřetena rovnou délce hlavy turbíny. Je pravděpodobné, že vřeteno by bylo delší a vyžadovalo by armatury, ale toto číslo poskytuje základní odhad hmotnosti jednotky a souvisejících periferií. Generátor, šrouby a ovládací prvky vřetena nejsou zahrnuty a předpokládá se, že u kompozitních a ocelových jednotek budou podobné. Za zmínku také stojí, že úprava oběžného kola nutná k zohlednění koncentrací napětí pozorovaných v metodě konečných prvků by zvýšila hmotnost kompozitních jednotek, ale předpokládá se, že toto množství bude minimální, řádově 5 kg pro zesílení bodů s koncentrací napětí.
S danými hmotnostmi by kompozitní turbínu o výkonu 2 MW a její vakuové potrubí mohl zvednout rychlý vrtulník V-22 Osprey, zatímco ocelový stroj by vyžadoval pomalejší a méně obratný dvourotorový vrtulník Chinook. Kompozitní turbínu o výkonu 2 MW a její vakuové potrubí by mohl táhnout vrtulník F-250 4×4, zatímco ocelová jednotka by vyžadovala větší nákladní automobil, se kterým by bylo obtížné manévrovat na lesních cestách, pokud by byla instalace odlehlá.
Závěry
Je možné konstruovat turbíny z kompozitních materiálů a ve srovnání s konvenčními ocelovými komponenty bylo pozorováno snížení hmotnosti o 50 % až 70 %. Snížená hmotnost umožňuje instalaci kompozitních turbín ve vzdálených lokalitách. Montáž těchto kompozitních konstrukcí navíc nevyžaduje svařovací zařízení. Komponenty také vyžadují méně dílů k sešroubování, protože každý kus lze vyrobit v jedné nebo dvou sekcích. U malých výrobních sérií modelovaných v této studii dominují náklady na formy a další nástroje nákladům na komponenty.
Zde uvedené malé série ukazují, kolik by stálo zahájení dalšího výzkumu těchto materiálů. Tento výzkum se může zabývat kavitační erozí a UV ochranou součástí po instalaci. Je možné použít elastomerové nebo keramické povlaky ke snížení kavitace nebo k zajištění toho, aby turbína běžela v režimech proudění a spádu, které zabraňují vzniku kavitace. Bude důležité tyto a další problémy otestovat a vyřešit, aby se zajistilo, že jednotky dosáhnou podobné spolehlivosti jako ocelové turbíny, zejména pokud mají být instalovány v oblastech, kde bude údržba méně častá.
I u těchto malých sérií mohou být některé kompozitní komponenty nákladově efektivní díky snížené pracnosti potřebné k výrobě. Například svařování spirálového tělesa pro 2MW Francisův blok by stálo 80 000 dolarů z oceli ve srovnání s 25 000 dolary při výrobě z kompozitu. Za předpokladu úspěšného návrhu oběžných kol turbíny jsou však náklady na formování kompozitních oběžných kol vyšší než u ekvivalentních ocelových komponentů. Výroba 2MW oběžného kola z oceli by stála přibližně 23 000 dolarů ve srovnání s 27 000 dolary při výrobě z kompozitu. Náklady se mohou lišit v závislosti na stroji. A náklady na kompozitní komponenty by se při vyšších výrobních sériích výrazně snížily, pokud by bylo možné formy znovu použít.
Výzkumníci již zkoumali konstrukci oběžných kol turbín z kompozitních materiálů.8 Tato studie se však nezabývala kavitační erozí a proveditelností konstrukce. Dalším krokem u kompozitních turbín je návrh a výroba modelu v měřítku, který umožní prokázat proveditelnost a hospodárnost výroby. Tato jednotka pak může být testována za účelem stanovení účinnosti a použitelnosti, jakož i metod pro prevenci nadměrné kavitační eroze.
Čas zveřejnění: 15. února 2022
