Mae deunyddiau cyfansawdd yn gwneud cynnydd mewn adeiladu offer ar gyfer y diwydiant pŵer trydan dŵr. Mae ymchwiliad i gryfder deunyddiau a meini prawf eraill yn datgelu llawer mwy o gymwysiadau, yn enwedig ar gyfer unedau bach a micro.
Mae'r erthygl hon wedi'i gwerthuso a'i golygu yn unol ag adolygiadau a gynhaliwyd gan ddau neu fwy o weithwyr proffesiynol sydd ag arbenigedd perthnasol. Mae'r adolygwyr cymheiriaid hyn yn barnu llawysgrifau am gywirdeb technegol, defnyddioldeb, a phwysigrwydd cyffredinol o fewn y diwydiant trydan dŵr.
Mae cynnydd deunyddiau newydd yn cynnig cyfleoedd cyffrous i'r diwydiant trydan dŵr. Cafodd pren — a ddefnyddiwyd yn yr olwynion dŵr a'r pyllau dŵr gwreiddiol — ei ddisodli'n rhannol gan gydrannau dur yn gynnar yn y 1800au. Mae dur yn cadw ei gryfder trwy lwyth blinder uchel ac yn gwrthsefyll erydiad ceudod a chorydiad. Mae ei briodweddau wedi'u deall yn dda ac mae'r prosesau ar gyfer cynhyrchu cydrannau wedi'u datblygu'n dda. Ar gyfer unedau mawr, mae'n debyg mai dur fydd y deunydd o ddewis o hyd.
Fodd bynnag, o ystyried cynnydd tyrbinau bach (o dan 10 MW) i ficro-faint (o dan 100 kW), gellir defnyddio cyfansoddion i arbed pwysau a lleihau cost gweithgynhyrchu ac effaith amgylcheddol. Mae hyn yn arbennig o berthnasol o ystyried yr angen parhaus am dwf yn y cyflenwad trydan. Dim ond 10% o'r hyn sy'n economaidd hyfyw a 6% o'r ynni dŵr sy'n dechnegol hyfyw yw capasiti ynni dŵr y byd sydd wedi'i osod, bron i 800,000 MW yn ôl astudiaeth yn 2009 gan Bartneriaid Ynni Adnewyddadwy Norwy, sy'n cyfateb i 10% o'r hyn sy'n economaidd hyfyw ac yn dechnegol 6%. Mae'r potensial i ddod â mwy o'r ynni dŵr sy'n dechnegol hyfyw i faes yr hyn sy'n economaidd hyfyw yn cynyddu gyda gallu cydrannau cyfansawdd i ddarparu economi graddfa.
Gweithgynhyrchu cydrannau cyfansawdd
I gynhyrchu'r pwll draen yn economaidd a chyda chryfder uchel cyson, y dull gorau yw weindio ffilament. Mae mandrel mawr wedi'i lapio â thyniadau o ffibr sydd wedi'u rhedeg trwy faddon resin. Mae'r tyniadau wedi'u lapio mewn patrymau cylch a throellog i greu cryfder ar gyfer pwysau mewnol, plygu hydredol a thrin. Mae'r adran canlyniadau isod yn dangos y gost a'r pwysau fesul droedfedd ar gyfer y ddau faint o bwll draen, yn seiliedig ar ddyfynbris gan gyflenwyr lleol. Dangosodd y dyfynbris fod y trwch dylunio wedi'i yrru gan ofynion gosod a thrin, yn hytrach na'r llwyth pwysau cymharol isel, ac ar gyfer y ddau roedd yn 2.28 cm.
Ystyriwyd dau ddull gweithgynhyrchu ar gyfer y gatiau wiced a'r faniau aros; gosod gwlyb a thrwytho gwactod. Mae gosod gwlyb yn defnyddio ffabrig sych, sy'n cael ei drwytho trwy dywallt resin dros y ffabrig a defnyddio rholeri i wthio'r resin i'r ffabrig. Nid yw'r broses hon mor lân â thrwytho gwactod ac nid yw bob amser yn cynhyrchu'r strwythur mwyaf optimaidd o ran cymhareb ffibr-i-resin, ond mae'n cymryd llai o amser na'r broses trwytho gwactod. Mae trwytho gwactod yn gosod ffibr sych yn y cyfeiriadau cywir, ac yna caiff y pentwr sych ei fagio dan wactod ac mae ffitiadau ychwanegol yn cael eu cysylltu sy'n arwain at gyflenwad resin, sy'n cael ei dynnu i'r rhan pan gymhwysir y gwactod. Mae'r gwactod yn helpu i gynnal faint o resin ar lefel optimaidd ac yn lleihau rhyddhau organigion anweddol.
Bydd y cas sgrôl yn defnyddio gosodiad â llaw mewn dwy hanner ar wahân ar fowld gwrywaidd i sicrhau arwyneb mewnol llyfn. Yna bydd y ddwy hanner hyn yn cael eu bondio gyda'i gilydd gyda ffibr yn cael ei ychwanegu at y tu allan wrth y pwynt bondio i sicrhau cryfder digonol. Nid yw'r llwyth pwysau yn y cas sgrôl yn gofyn am gyfansawdd uwch cryfder uchel, felly bydd gosodiad gwlyb o ffabrig gwydr ffibr gyda resin epocsi yn ddigonol. Roedd trwch y cas sgrôl yn seiliedig ar yr un paramedr dylunio â'r stoc llif. Mae'r uned 250-kW yn beiriant llif echelinol, felly nid oes cas sgrôl.
Mae rhedwr tyrbin yn cyfuno geometreg gymhleth â gofynion llwyth uchel. Mae gwaith diweddar wedi dangos y gellir cynhyrchu cydrannau strwythurol cryfder uchel o SMC prepreg wedi'i dorri gyda chryfder ac anystwythder rhagorol.5 Dyluniwyd braich atal y Lamborghini Gallardo gan ddefnyddio haenau lluosog o SMC prepreg wedi'i dorri a elwir yn gyfansawdd ffug, wedi'i fowldio â chywasgiad i gynhyrchu'r trwch gofynnol. Gellir cymhwyso'r un dull i'r rhedwyr Francis a phropelor. Ni ellir gwneud y rhedwr Francis fel un uned, gan y byddai cymhlethdod gorgyffwrdd y llafn yn atal y rhan rhag cael ei thynnu o'r mowld. Felly, mae llafnau'r rhedwr, y goron a'r band yn cael eu cynhyrchu ar wahân ac yna'n cael eu bondio gyda'i gilydd a'u hatgyfnerthu â bolltau trwy du allan y goron a'r band.
Er bod y tiwb drafft yn cael ei gynhyrchu hawsaf gan ddefnyddio weindio ffilament, nid yw'r broses hon wedi'i masnacheiddio gan ddefnyddio ffibrau naturiol. Felly, dewiswyd gosod â llaw, gan mai dyma'r dull gweithgynhyrchu safonol, er gwaethaf y costau llafur uwch. Gan ddefnyddio mowld gwrywaidd tebyg i mandrel, gellir cwblhau'r gosodiad gyda'r mowld yn llorweddol ac yna'n cael ei droi'n fertigol i wella, gan atal sagio ar un ochr. Bydd pwysau'r rhannau cyfansawdd yn amrywio ychydig yn dibynnu ar faint o resin yn y rhan orffenedig. Mae'r niferoedd hyn yn seiliedig ar 50% o bwysau ffibr.
Mae cyfanswm pwysau'r tyrbin dur a chyfansawdd 2-MW yn 9,888 kg a 7,016 kg, yn y drefn honno. Mae'r tyrbinau dur a chyfansawdd 250-kW yn 3,734 kg ac 1,927 kg, yn y drefn honno. Mae'r cyfansymiau'n tybio 20 giât wiced ar gyfer pob tyrbin a hyd cronfa ddŵr sy'n hafal i ben y tyrbin. Mae'n debygol y byddai'r cronfa ddŵr yn hirach ac y byddai angen ffitiadau, ond mae'r rhif hwn yn rhoi amcangyfrif sylfaenol o bwysau'r uned a'r perifferolion cysylltiedig. Nid yw'r generadur, bolltau a chaledwedd gweithredu'r giât wedi'u cynnwys a thybir eu bod yn debyg rhwng yr unedau cyfansawdd a dur. Mae hefyd yn werth nodi y byddai'r ailgynllunio rhedwr sy'n ofynnol i ystyried crynodiadau straen a welir yn yr Asesiad Effaith Ariannol (FEA) yn ychwanegu pwysau at yr unedau cyfansawdd, ond tybir bod y swm yn fach iawn, tua 5 kg i gryfhau pwyntiau gyda chrynodiad straen.
Gyda'r pwysau a roddir, gellid codi'r tyrbin cyfansawdd 2-MW a'i bibell gan yr Osprey cyflym V-22, tra byddai'r peiriant dur angen hofrennydd rotor deuol Chinook arafach a llai symudadwy. Hefyd, gellid tynnu'r tyrbin cyfansawdd 2-MW a'r bibell gan F-250 4×4, tra byddai'r uned ddur angen tryc mwy a fyddai'n anodd ei symud ar ffyrdd coedwig pe bai'r gosodiad yn anghysbell.
Casgliadau
Mae'n ymarferol adeiladu tyrbinau o ddeunyddiau cyfansawdd, a gwelwyd gostyngiad pwysau o 50% i 70% o'i gymharu â chydrannau dur confensiynol. Gall y pwysau is ganiatáu i dyrbinau cyfansawdd gael eu gosod mewn lleoliadau anghysbell. Yn ogystal, nid oes angen offer weldio i gydosod y strwythurau cyfansawdd hyn. Mae'r cydrannau hefyd angen llai o rannau i'w bolltio at ei gilydd, gan y gellir gwneud pob darn mewn un neu ddwy adran. Yn y rhediadau cynhyrchu bach a fodelwyd yn yr astudiaeth hon, cost y mowldiau ac offer eraill sy'n dominyddu cost y cydrannau.
Mae'r rhediadau bach a nodir yma yn dangos faint fyddai'n ei gostio i ddechrau ymchwil pellach i'r deunyddiau hyn. Gall yr ymchwil hon fynd i'r afael ag erydiad ceudod ac amddiffyniad UV y cydrannau ar ôl eu gosod. Efallai y bydd modd defnyddio haenau elastomer neu seramig i leihau ceudod neu sicrhau bod y tyrbin yn rhedeg yn y cyfundrefnau llif a phen sy'n atal ceudod rhag digwydd. Bydd yn bwysig profi a datrys y problemau hyn a materion eraill i sicrhau y gall yr unedau gyflawni dibynadwyedd tebyg i dyrbinau dur, yn enwedig os ydynt i'w gosod mewn ardaloedd lle bydd cynnal a chadw yn anaml.
Hyd yn oed yn y rhediadau bach hyn, gall rhai cydrannau cyfansawdd fod yn gost-effeithiol oherwydd y llai o lafur sydd ei angen ar gyfer gweithgynhyrchu. Er enghraifft, byddai cas sgrôl ar gyfer yr uned Francis 2-MW yn costio $80,000 i'w weldio o ddur o'i gymharu â $25,000 ar gyfer gweithgynhyrchu cyfansawdd. Fodd bynnag, gan dybio bod rhedwyr tyrbin yn cael eu dylunio'n llwyddiannus, mae cost mowldio'r rhedwyr cyfansawdd yn fwy na chydrannau dur cyfatebol. Byddai'r rhedwr 2-MW yn costio tua $23,000 i'w gynhyrchu o ddur, o'i gymharu â $27,000 o gyfansawdd. Gall costau amrywio yn ôl peiriant. A byddai cost cydrannau cyfansawdd yn gostwng yn sylweddol ar rediadau cynhyrchu uwch pe bai modd ailddefnyddio mowldiau.
Mae ymchwilwyr eisoes wedi ymchwilio i adeiladu rhedwyr tyrbinau o ddeunyddiau cyfansawdd.8 Fodd bynnag, ni wnaeth yr astudiaeth hon ymdrin ag erydiad ceudod a dichonoldeb adeiladu. Y cam nesaf ar gyfer tyrbinau cyfansawdd yw dylunio ac adeiladu model graddfa a fydd yn caniatáu prawf o ddichonoldeb ac economi gweithgynhyrchu. Yna gellir profi'r uned hon i bennu effeithlonrwydd a chymhwysedd, yn ogystal â dulliau ar gyfer atal erydiad ceudod gormodol.
Amser postio: Chwefror-15-2022
