Kompozitaj materialoj progresas en la konstruado de ekipaĵo por la akvoenergia industrio. Esploro pri materiala forto kaj aliaj kriterioj rivelas multajn pliajn aplikojn, precipe por malgrandaj kaj mikroaj unuoj.
Ĉi tiu artikolo estis taksita kaj redaktita laŭ recenzoj faritaj de du aŭ pli da profesiuloj, kiuj havas koncernan sperton. Ĉi tiuj kolegaj recenzistoj juĝas manuskriptojn laŭ teknika precizeco, utileco kaj ĝenerala graveco ene de la hidroelektra industrio.
La apero de novaj materialoj provizas ekscitajn ŝancojn por la hidroelektra industrio. Ligno — uzata en la originalaj akvoradoj kaj akvokonduktejoj — estis parte anstataŭigita per ŝtalaj komponantoj en la fruaj 19-aj jaroj. Ŝtalo konservas sian forton per alta laciĝa ŝarĝo kaj rezistas kavitacian erozion kaj korodon. Ĝiaj ecoj estas bone komprenitaj kaj la procezoj por fabrikado de komponantoj estas bone evoluintaj. Por grandaj unuoj, ŝtalo verŝajne restos la preferata materialo.
Tamen, konsiderante la kreskon de malgrandaj (sub 10 MW) ĝis mikro-grandaj (sub 100 kW) turbinoj, kompozitaj materialoj povas esti uzataj por ŝpari pezon kaj redukti fabrikadajn kostojn kaj median efikon. Ĉi tio estas aparte grava konsiderante la daŭran bezonon de kresko en elektroprovizo. La instalita monda akvoenergia kapacito, preskaŭ 800 000 MW laŭ studo de 2009 de Norwegian Renewable Energy Partners, estas nur 10% de la ekonomie farebla kaj 6% de la teknike farebla akvoenergio. La potencialo alporti pli da teknike farebla akvoenergio en la sferon de ekonomie farebla pliiĝas kun la kapablo de kompozitaj komponantoj provizi ekonomion de skalo.
Fabrikado de kompozitaj komponentoj
Por fabriki la akvokonduktejon ekonomie kaj kun konstante alta forto, la plej bona metodo estas filamenta volvado. Granda mandrelo estas volvita per fibro-faskoj, kiuj estis trairitaj tra rezina bano. La faskoj estas volvitaj en ringajn kaj helikformajn padronojn por krei forton por interna premo, longituda fleksado kaj manipulado. La rezulta sekcio sube montras la koston kaj pezon po futo por la du akvokonduktejaj grandecoj, bazitaj sur oferto de lokaj provizantoj. La oferto montris, ke la dezajna dikeco estis pelita de instalaj kaj manipuladaj postuloj, anstataŭ la relative malalta premŝarĝo, kaj por ambaŭ ĝi estis 2,28 cm.
Du fabrikadmetodoj estis konsideritaj por la pordetoj kaj subtenaj flankoj; malseka metu kaj vakua infuzaĵo. Malseka metu uzas sekan ŝtofon, kiu estas impregnita per verŝado de rezino super la ŝtofon kaj uzado de rulpremiloj por puŝi la rezinon en la ŝtofon. Ĉi tiu procezo ne estas tiel pura kiel vakua infuzaĵo kaj ne ĉiam produktas la plej optimuman strukturon laŭ la fibro-rezina proporcio, sed ĝi daŭras malpli da tempo ol la vakua infuzaĵoprocezo. Vakua infuzaĵo metas sekan fibron en la ĝustajn orientiĝoj, kaj la seka stako estas poste vakue ensakigita kaj ekstraj akcesoraĵoj estas alkroĉitaj, kiuj kondukas al rezina provizo, kiu estas tirata en la parton kiam la vakuo estas aplikita. La vakuo helpas konservi la kvanton de rezino je optimuma nivelo kaj reduktas la liberigon de volatilaj organikaĵoj.
La volvaĵa kazo uzos manan meblon en du apartajn duonojn sur vira muldilo por certigi glatan internan surfacon. Ĉi tiuj du duonoj tiam estos kunligitaj kun fibro aldonita al la ekstero ĉe la ligpunkto por certigi adekvatan forton. La premŝarĝo en la volvaĵa kazo ne postulas alt-fortan altnivelan kompoziton, do malseka meblo de vitrofibra ŝtofo kun epoksirezino estos sufiĉa. La dikeco de la volvaĵa kazo estis bazita sur la sama dezajna parametro kiel la akvokonduktilo. La 250-kW unuo estas aksa flumaŝino, do ne estas volvaĵa kazo.
Turbina kurento kombinas kompleksan geometrion kun altaj ŝarĝopostuloj. Lastatempa laboro montris, ke alt-fortaj strukturaj komponantoj povas esti fabrikitaj el hakita prepreg SMC kun bonega forto kaj rigideco.5 La pendobrako de la Lamborghini Gallardo estis desegnita uzante plurajn tavolojn de hakita prepreg SMC konata kiel forĝita kompozito, kunpreme muldita por produkti la bezonatan dikecon. La sama metodo povas esti aplikita al la Francis- kaj helicaj kurentoj. La Francis-kurento ne povas esti farita kiel unu unuo, ĉar la komplekseco de la klinga interkovro malhelpus la eltiron de la parto el la muldilo. Tiel, la kurentaj klingoj, krono kaj bendo estas fabrikitaj aparte kaj poste kunligitaj kaj plifortigitaj per rigliloj tra la ekstero de la krono kaj bendo.
Kvankam la tubo estas plej facile fabrikebla per filamenta volvado, ĉi tiu procezo ne estas surmerkatigita uzante naturajn fibrojn. Tial, mana aranĝo estis elektita, ĉar ĉi tio estas norma metodo de fabrikado, malgraŭ la pli altaj laborkostoj. Uzante viran muldilon similan al mandrelo, la aranĝo povas esti kompletigita kun la muldilo horizontala kaj poste turnita vertikala por hardi, malhelpante sinkadon sur unu flanko. La pezo de la kompozitaj partoj varios iomete depende de la kvanto de rezino en la preta parto. Ĉi tiuj nombroj baziĝas sur 50% da fibropezo.
La totalaj pezoj por la ŝtala kaj kompozita 2-MW turbino estas 9,888 kg kaj 7,016 kg, respektive. La 250-kW ŝtalaj kaj kompozitaj turbinoj estas 3,734 kg kaj 1,927 kg, respektive. La sumoj supozas 20 pordetajn pordegojn por ĉiu turbino kaj akvokonduktejan longon egalan al la kapo de la turbino. Estas probable, ke la akvokondukteja akvo estus pli longa kaj postulus akcesoraĵojn, sed ĉi tiu nombro donas bazan takson de la pezo de la unuo kaj rilataj flankaparatoj. La generatoro, rigliloj kaj pordega funkciiga aparataro ne estas inkluzivitaj kaj estas supozataj similaj inter la kompozitaj kaj ŝtalaj unuoj. Ankaŭ indas rimarki, ke la restrukturado de la rotoro necesa por konsideri streĉkoncentriĝojn viditajn en la FEA aldonus pezon al la kompozitaj unuoj, sed la kvanto estas supozata esti minimuma, ĉirkaŭ 5 kg por plifortigi punktojn kun streĉkoncentriĝo.
Kun la donitaj pezoj, la 2-MW kompozita turbino kaj ĝia akvokonduktejo povus esti levitaj per la rapida V-22 Osprey, dum la ŝtala maŝino bezonus pli malrapidan, malpli manovreblan Chinook-helikopteron kun duobla rotoro. Ankaŭ, la 2-MW kompozita turbino kaj akvokonduktejo povus esti trenitaj per F-250 4×4, dum la ŝtala unuo bezonus pli grandan kamionon, kiun estus malfacile manovrebla sur arbaraj vojoj se la instalaĵo estus malproksima.
Konkludoj
Eblas konstrui turbinojn el kompozitaj materialoj, kaj oni observis pezredukton de 50% ĝis 70% kompare kun konvenciaj ŝtalaj komponantoj. La reduktita pezo ebligas la instaladon de kompozitaj turbinoj en malproksimaj lokoj. Krome, la muntado de ĉi tiuj kompozitaj strukturoj ne postulas veldajn ekipaĵojn. La komponantoj ankaŭ postulas malpli da boltitaj partoj kune, ĉar ĉiu peco povas esti farita en unu aŭ du sekcioj. Ĉe la malgrandaj produktadserioj modelitaj en ĉi tiu studo, la kosto de la muldiloj kaj aliaj iloj superregas la koston de la komponantoj.
La malgrandaj serioj indikitaj ĉi tie montras kiom kostus komenci plian esploradon pri ĉi tiuj materialoj. Ĉi tiu esplorado povas trakti kavitacian erozion kaj UV-protekton de la komponantoj post instalado. Eble eblos uzi elastomerajn aŭ ceramikajn tegaĵojn por redukti kavitacion aŭ certigi, ke la turbino funkcias en la fluo- kaj premo-reĝimoj, kiuj malhelpas kavitacion. Estos grave testi kaj solvi ĉi tiujn kaj aliajn problemojn por certigi, ke la unuoj povas atingi similan fidindecon al ŝtalaj turbinoj, precipe se ili estos instalitaj en areoj kie prizorgado estos malofta.
Eĉ ĉe tiuj malgrandaj serioj, iuj kompozitaj komponantoj povas esti kostefikaj pro la malpliigita laboro bezonata por fabrikado. Ekzemple, volvaĵujo por la 2-MW Francis-unuo kostus 80 000 dolarojn por esti veldita el ŝtalo kompare kun 25 000 dolaroj por kompozita fabrikado. Tamen, supozante sukcesan dezajnon de turbinaj kurentoj, la kosto por muldi la kompozitajn kuretojn estas pli alta ol tiu de ekvivalentaj ŝtalaj komponantoj. La 2-MW-kurento kostus ĉirkaŭ 23 000 dolarojn por fabrikado el ŝtalo, kompare kun 27 000 dolaroj el kompozita. Kostoj povas varii laŭ maŝino. Kaj la kosto por kompozitaj komponantoj falus konsiderinde ĉe pli altaj produktadserioj se ŝimoj povus esti reuzitaj.
Esploristoj jam esploris la konstruadon de turbinrodantoj el kompozitaj materialoj.8 Tamen, ĉi tiu studo ne traktis kavitacian erozion kaj la fareblecon de konstruado. La sekva paŝo por kompozitaj turbinoj estas desegni kaj konstrui skalmodelon, kiu permesos pruvi fareblecon kaj ekonomion de fabrikado. Ĉi tiu unuo povas esti testita por determini efikecon kaj aplikeblecon, same kiel metodojn por malhelpi troan kavitacian erozion.
Afiŝtempo: 15-a de februaro 2022
