Τα σύνθετα υλικά κάνουν ολοένα και μεγαλύτερη χρήση στην κατασκευή εξοπλισμού για τη βιομηχανία υδροηλεκτρικής ενέργειας. Μια έρευνα σχετικά με την αντοχή του υλικού και άλλα κριτήρια αποκαλύπτει πολλές ακόμη εφαρμογές, ιδιαίτερα για μικρές και πολύ μικρές μονάδες.
Αυτό το άρθρο έχει αξιολογηθεί και επιμεληθεί σύμφωνα με κριτικές που διεξήχθησαν από δύο ή περισσότερους επαγγελματίες με σχετική εμπειρία. Αυτοί οι κριτές κρίνουν τα χειρόγραφα ως προς την τεχνική τους ακρίβεια, τη χρησιμότητα και τη συνολική τους σημασία στον κλάδο της υδροηλεκτρικής ενέργειας.
Η άνοδος νέων υλικών προσφέρει συναρπαστικές ευκαιρίες για την υδροηλεκτρική βιομηχανία. Το ξύλο — που χρησιμοποιήθηκε στους αρχικούς υδροτροχούς και τους αγωγούς πένσας — αντικαταστάθηκε εν μέρει από χαλύβδινα εξαρτήματα στις αρχές του 1800. Ο χάλυβας διατηρεί την αντοχή του μέσω της υψηλής κόπωσης και αντιστέκεται στη διάβρωση και τη διάβρωση λόγω σπηλαίωσης. Οι ιδιότητές του είναι καλά κατανοητές και οι διαδικασίες κατασκευής εξαρτημάτων είναι καλά ανεπτυγμένες. Για μεγάλες μονάδες, ο χάλυβας πιθανότατα θα παραμείνει το υλικό επιλογής.
Ωστόσο, δεδομένης της αύξησης των μικρών (κάτω των 10 MW) σε πολύ μικρές (κάτω των 100 kW) ανεμογεννήτριες, τα σύνθετα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εξοικονόμηση βάρους και μείωση του κόστους κατασκευής και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό δεδομένης της συνεχιζόμενης ανάγκης για αύξηση της προσφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Η εγκατεστημένη παγκόσμια υδροηλεκτρική ισχύς, σχεδόν 800.000 MW σύμφωνα με μελέτη του 2009 από την Norwegian Renewable Energy Partners, αντιστοιχεί μόνο στο 10% της οικονομικά εφικτής και στο 6% της τεχνικά εφικτής υδροηλεκτρικής ενέργειας. Η δυνατότητα να ενταχθεί περισσότερο η τεχνικά εφικτή υδροηλεκτρική ενέργεια στο πεδίο της οικονομικά εφικτής αυξάνεται με την ικανότητα των σύνθετων στοιχείων να παρέχουν οικονομία κλίμακας.
Κατασκευή σύνθετων εξαρτημάτων
Για την οικονομική κατασκευή του αγωγού πεταλούδας και με σταθερά υψηλή αντοχή, η καλύτερη μέθοδος είναι η περιέλιξη με νήμα. Ένας μεγάλος άξονας τυλίγεται με ίνες που έχουν περάσει μέσα από ένα λουτρό ρητίνης. Οι ίνες τυλίγονται σε σχήμα δακτυλίου και ελικοειδή μοτίβα για να δημιουργηθεί αντοχή στην εσωτερική πίεση, τη διαμήκη κάμψη και τον χειρισμό. Η παρακάτω ενότητα αποτελεσμάτων δείχνει το κόστος και το βάρος ανά πόδι για τα δύο μεγέθη αγωγού πεταλούδας, με βάση μια προσφορά από τοπικούς προμηθευτές. Η προσφορά έδειξε ότι το πάχος σχεδιασμού καθορίστηκε από τις απαιτήσεις εγκατάστασης και χειρισμού, παρά από το σχετικά χαμηλό φορτίο πίεσης, και για τα δύο ήταν 2,28 cm.
Δύο μέθοδοι κατασκευής εξετάστηκαν για τις πύλες wicket και τα πτερύγια στήριξης: η υγρή τοποθέτηση και η έγχυση κενού. Η υγρή τοποθέτηση χρησιμοποιεί ξηρό ύφασμα, το οποίο εμποτίζεται με την έκχυση ρητίνης πάνω στο ύφασμα και τη χρήση κυλίνδρων για την ώθηση της ρητίνης μέσα στο ύφασμα. Αυτή η διαδικασία δεν είναι τόσο καθαρή όσο η έγχυση κενού και δεν παράγει πάντα την πιο βελτιστοποιημένη δομή όσον αφορά την αναλογία ινών προς ρητίνη, αλλά απαιτεί λιγότερο χρόνο από τη διαδικασία έγχυσης κενού. Η έγχυση κενού τοποθετεί τις ξηρές ίνες στους σωστούς προσανατολισμούς και στη συνέχεια η ξηρή στοίβα συσκευάζεται σε σακούλα κενού και προσαρτώνται επιπλέον εξαρτήματα που οδηγούν σε τροφοδοσία ρητίνης, η οποία εισέρχεται στο εξάρτημα όταν εφαρμόζεται κενό. Το κενό βοηθά στη διατήρηση της ποσότητας ρητίνης σε βέλτιστο επίπεδο και μειώνει την απελευθέρωση πτητικών οργανικών ουσιών.
Το σπειροειδές περίβλημα θα τοποθετηθεί χειροκίνητα σε δύο ξεχωριστά μισά σε ένα αρσενικό καλούπι για να εξασφαλιστεί μια λεία εσωτερική επιφάνεια. Αυτά τα δύο μισά θα συγκολληθούν στη συνέχεια μεταξύ τους με ίνες που θα προστεθούν στο εξωτερικό στο σημείο συγκόλλησης για να εξασφαλιστεί επαρκής αντοχή. Το φορτίο πίεσης στο σπειροειδές περίβλημα δεν απαιτεί προηγμένο σύνθετο υλικό υψηλής αντοχής, επομένως μια υγρή τοποθέτηση υφάσματος από υαλοβάμβακα με εποξειδική ρητίνη θα είναι επαρκής. Το πάχος του σπειροειδούς περιβλήματος βασίστηκε στην ίδια παράμετρο σχεδιασμού με τον αγωγό πένας. Η μονάδα 250 kW είναι μια μηχανή αξονικής ροής, επομένως δεν υπάρχει σπειροειδές περίβλημα.
Ένας δρομέας τουρμπίνας συνδυάζει μια σύνθετη γεωμετρία με υψηλές απαιτήσεις φορτίου. Πρόσφατη εργασία έχει δείξει ότι τα δομικά στοιχεία υψηλής αντοχής μπορούν να κατασκευαστούν από ένα κομμένο prepreg SMC με εξαιρετική αντοχή και ακαμψία.5 Ο βραχίονας ανάρτησης της Lamborghini Gallardo σχεδιάστηκε χρησιμοποιώντας πολλαπλά στρώματα ενός κομμένου prepreg SMC γνωστού ως σφυρήλατο σύνθετο υλικό, χυτευμένου με συμπίεση για να παράγει το απαιτούμενο πάχος. Η ίδια μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί στους δρομείς Francis και προπέλας. Ο δρομέας Francis δεν μπορεί να κατασκευαστεί ως μία μονάδα, καθώς η πολυπλοκότητα της επικάλυψης των πτερυγίων θα εμπόδιζε την εξαγωγή του εξαρτήματος από το καλούπι. Έτσι, τα πτερύγια, η κορώνα και η ταινία του δρομέα κατασκευάζονται ξεχωριστά και στη συνέχεια συνδέονται μεταξύ τους και ενισχύονται με βίδες στο εξωτερικό της κορώνας και της ταινίας.
Ενώ ο σωλήνας έλξης κατασκευάζεται πιο εύκολα με περιέλιξη νήματος, αυτή η διαδικασία δεν έχει εμπορευματοποιηθεί με φυσικές ίνες. Έτσι, επιλέχθηκε η χειροκίνητη τοποθέτηση, καθώς αυτή είναι η τυπική μέθοδος κατασκευής, παρά το υψηλότερο κόστος εργασίας. Χρησιμοποιώντας ένα αρσενικό καλούπι παρόμοιο με έναν άξονα, η τοποθέτηση μπορεί να ολοκληρωθεί με το καλούπι οριζόντια και στη συνέχεια να περιστραφεί κάθετα για να σκληρυνθεί, αποτρέποντας τη χαλάρωση στη μία πλευρά. Το βάρος των σύνθετων μερών θα διαφέρει ελαφρώς ανάλογα με την ποσότητα ρητίνης στο τελικό εξάρτημα. Αυτοί οι αριθμοί βασίζονται στο 50% του βάρους των ινών.
Τα συνολικά βάρη για τον χαλύβδινο και σύνθετο στρόβιλο 2 MW είναι 9.888 kg και 7.016 kg, αντίστοιχα. Οι χαλύβδινοι και σύνθετοι στρόβιλοι 250 kW είναι 3.734 kg και 1.927 kg, αντίστοιχα. Τα σύνολα υποθέτουν 20 πύλες wicket για κάθε στρόβιλο και μήκος αγωγού ίσο με την κεφαλή του στροβίλου. Είναι πιθανό ο αγωγός να είναι μακρύτερος και να απαιτεί εξαρτήματα, αλλά αυτός ο αριθμός δίνει μια βασική εκτίμηση του βάρους της μονάδας και των σχετικών περιφερειακών. Η γεννήτρια, οι βίδες και το υλικό ενεργοποίησης της πύλης δεν περιλαμβάνονται και θεωρούνται παρόμοια μεταξύ των σύνθετων και χαλύβδινων μονάδων. Αξίζει επίσης να σημειωθεί ότι ο επανασχεδιασμός του δρομέα που απαιτείται για να ληφθούν υπόψη οι συγκεντρώσεις τάσεων που παρατηρούνται στο FEA θα πρόσθετε βάρος στις σύνθετες μονάδες, αλλά η ποσότητα θεωρείται ελάχιστη, της τάξης των 5 kg για την ενίσχυση των σημείων με συγκέντρωση τάσεων.
Με τα δεδομένα βάρη, η σύνθετη τουρμπίνα 2 MW και το στόμιο άντλησης θα μπορούσαν να ανυψωθούν από το γρήγορο V-22 Osprey, ενώ η χαλύβδινη μηχανή θα απαιτούσε ένα πιο αργό, λιγότερο ευέλικτο ελικόπτερο Chinook με δύο έλικες. Επίσης, η σύνθετη τουρμπίνα 2 MW και το στόμιο άντλησης θα μπορούσαν να ρυμουλκηθούν από ένα F-250 4×4, ενώ η χαλύβδινη μονάδα θα απαιτούσε ένα μεγαλύτερο φορτηγό που θα ήταν δύσκολο να ελιχθεί σε δασικούς δρόμους εάν η εγκατάσταση ήταν απομακρυσμένη.
Συμπεράσματα
Είναι εφικτή η κατασκευή στροβίλων από σύνθετα υλικά και παρατηρήθηκε μείωση βάρους από 50% έως 70% σε σύγκριση με τα συμβατικά χαλύβδινα εξαρτήματα. Το μειωμένο βάρος μπορεί να επιτρέψει την εγκατάσταση σύνθετων στροβίλων σε απομακρυσμένες τοποθεσίες. Επιπλέον, η συναρμολόγηση αυτών των σύνθετων κατασκευών δεν απαιτεί εξοπλισμό συγκόλλησης. Τα εξαρτήματα απαιτούν επίσης λιγότερα εξαρτήματα για να βιδωθούν μεταξύ τους, καθώς κάθε κομμάτι μπορεί να κατασκευαστεί σε ένα ή δύο τμήματα. Στις μικρές σειρές παραγωγής που μοντελοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη, το κόστος των καλουπιών και άλλων εργαλείων κυριαρχεί στο κόστος των εξαρτημάτων.
Οι μικρές δοκιμές που αναφέρονται εδώ δείχνουν το κόστος για την έναρξη περαιτέρω έρευνας σχετικά με αυτά τα υλικά. Αυτή η έρευνα μπορεί να αντιμετωπίσει τη διάβρωση από σπηλαίωση και την προστασία από την υπεριώδη ακτινοβολία των εξαρτημάτων μετά την εγκατάσταση. Μπορεί να είναι δυνατή η χρήση ελαστομερών ή κεραμικών επιστρώσεων για τη μείωση της σπηλαίωσης ή για να διασφαλιστεί ότι η τουρμπίνα λειτουργεί στα καθεστώτα ροής και ύψους που αποτρέπουν την εμφάνιση σπηλαίωσης. Θα είναι σημαντικό να δοκιμαστούν και να επιλυθούν αυτά και άλλα ζητήματα για να διασφαλιστεί ότι οι μονάδες μπορούν να επιτύχουν παρόμοια αξιοπιστία με τις χαλύβδινες τουρμπίνες, ειδικά εάν πρόκειται να εγκατασταθούν σε περιοχές όπου η συντήρηση θα είναι σπάνια.
Ακόμα και σε αυτές τις μικρές παρτίδες παραγωγής, ορισμένα σύνθετα εξαρτήματα μπορούν να είναι οικονομικά αποδοτικά λόγω της μειωμένης εργασίας που απαιτείται για την κατασκευή. Για παράδειγμα, ένα σπειροειδές περίβλημα για τη μονάδα Francis 2 MW θα κόστιζε 80.000 δολάρια για συγκόλληση από χάλυβα σε σύγκριση με 25.000 δολάρια για την κατασκευή σύνθετων υλικών. Ωστόσο, υποθέτοντας επιτυχημένο σχεδιασμό δρομέων στροβίλων, το κόστος χύτευσης των σύνθετων δρομέων είναι μεγαλύτερο από ό,τι σε ισοδύναμα χαλύβδινα εξαρτήματα. Ο δρομέας 2 MW θα κόστιζε περίπου 23.000 δολάρια για κατασκευή από χάλυβα, σε σύγκριση με 27.000 δολάρια από σύνθετα υλικά. Το κόστος μπορεί να διαφέρει ανά μηχανή. Και το κόστος για τα σύνθετα εξαρτήματα θα μειωνόταν σημαντικά σε υψηλότερες παρτίδες παραγωγής εάν τα καλούπια μπορούσαν να επαναχρησιμοποιηθούν.
Οι ερευνητές έχουν ήδη διερευνήσει την κατασκευή δρομέων στροβίλων από σύνθετα υλικά.8 Ωστόσο, αυτή η μελέτη δεν ασχολήθηκε με τη διάβρωση λόγω σπηλαίωσης και τη σκοπιμότητα κατασκευής. Το επόμενο βήμα για τους σύνθετους στροβίλους είναι ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός μοντέλου κλίμακας που θα επιτρέπει την απόδειξη της σκοπιμότητας και της οικονομίας κατασκευής. Αυτή η μονάδα μπορεί στη συνέχεια να δοκιμαστεί για να προσδιοριστεί η αποτελεσματικότητα και η εφαρμοσιμότητα, καθώς και οι μέθοδοι για την πρόληψη της υπερβολικής διάβρωσης λόγω σπηλαίωσης.
Ώρα δημοσίευσης: 15 Φεβρουαρίου 2022
