Material konposatuak aurrera egiten ari dira energia hidroelektrikoaren industriarako ekipamenduen eraikuntzan. Materialen erresistentziari eta beste irizpide batzuei buruzko ikerketa batek aplikazio askoz gehiago agerian uzten ditu, batez ere unitate txiki eta mikroetarako.
Artikulu hau bi profesional edo gehiagok egindako berrikuspenen arabera ebaluatu eta editatu da, adituek espezializazioa dutenak. Parekideen berrikusle hauek eskuizkribuak zehaztasun teknikoa, erabilgarritasuna eta industria hidroelektrikoaren barruan duten garrantzi orokorraren arabera epaitzen dituzte.
Material berrien gorakadak aukera zirraragarriak eskaintzen dizkio industria hidroelektrikoari. Egurra —jatorrizko gurpiletan eta hodi-kongestioetan erabiltzen zena— altzairuzko osagaiek ordezkatu zuten neurri batean 1800eko hamarkadaren hasieran. Altzairuak bere erresistentzia mantentzen du nekearen karga handien bidez eta kabitazio-higadura eta korrosioari aurre egiten dio. Bere propietateak ondo ulertzen dira eta osagaiak fabrikatzeko prozesuak ondo garatuta daude. Unitate handietarako, altzairua izango da ziurrenik aukeratutako materiala.
Hala ere, turbina txikien (10 MW baino gutxiago) eta mikro-tamainako (100 kW baino gutxiago) gorakada ikusita, konpositeak erabil daitezke pisua aurrezteko eta fabrikazio-kostua eta ingurumen-inpaktua murrizteko. Hori bereziki garrantzitsua da elektrizitate-hornikuntzaren hazkundearen etengabeko beharra kontuan hartuta. Munduan instalatutako potentzia hidroelektrikoa, ia 800.000 MW-koa, Norwegian Renewable Energy Partners-ek 2009an egindako ikerketa baten arabera, ekonomikoki bideragarria den energia hidroelektrikoaren % 10 eta teknikoki bideragarria den energia hidroelektrikoaren % 6 baino ez da. Teknikoki bideragarria den energia hidroelektriko gehiago ekonomikoki bideragarria den eremura ekartzeko potentziala handitzen da osagai konpositeek eskala-ekonomia emateko duten gaitasunarekin.
Konpositezko osagaien fabrikazioa
Hodi-hodia ekonomikoki eta erresistentzia handi konstantearekin fabrikatzeko, metodorik onena harizpi-harilkatzea da. Mandril handi bat erretxina-bainu batetik igaro diren zuntz-hariz biltzen da. Hariak uztai- eta helikoidal-ereduetan biltzen dira barne-presiorako, luzetarako tolesturarako eta manipulaziorako erresistentzia sortzeko. Beheko emaitzen atalak bi hodi-hodien tamainarako oin bakoitzeko kostua eta pisua erakusten ditu, tokiko hornitzaileen aurrekontu batean oinarrituta. Aurrekontuak erakutsi zuen diseinuaren lodiera instalazio- eta manipulazio-eskakizunek baldintzatu zutela, eta ez presio-karga nahiko baxuak, eta bietan 2,28 cm-koa izan zen.
Bi fabrikazio-metodo kontuan hartu ziren ate txikietarako eta euskarri-paleteetarako: bustitako geruza eta hutseko infusioa. Bustitako geruzak ehun lehorra erabiltzen du, eta hau erretxina ehunaren gainean isuriz eta arrabolak erabiliz erretxina ehunean sartzeko inpregnatzen da. Prozesu hau ez da hutseko infusioa bezain garbia eta ez du beti egitura optimizatuena sortzen zuntz-erretxina erlazioari dagokionez, baina hutseko infusio-prozesuak baino denbora gutxiago behar du. Hutseko infusioak zuntz lehorra orientazio egokietan jartzen du, eta ondoren pila lehorra hutsean sartzen da eta osagarri gehigarriak jartzen zaizkio erretxina-hornikuntza batera eramaten dutenak, eta hori piezara sartzen da hutsean aplikatzen denean. Hutsean erretxina kantitatea maila optimoan mantentzen laguntzen du eta materia organiko lurrunkorren askapena murrizten du.
Kirribildutako kaxak eskuz jarriko ditu bi erdi bereizitan molde ar batean, barneko gainazal leuna bermatzeko. Bi erdi hauek elkarri lotuko zaizkio, lotura-puntuan kanpoaldean zuntza gehituz, erresistentzia egokia bermatzeko. Kirribildutako kaxaren presio-kargak ez du erresistentzia handiko konposite aurreraturik behar, beraz, beira-zuntzezko ehunaren eta epoxi erretxina baten geruza hezea nahikoa izango da. Kirribildutako kaxaren lodiera hodi-hodiaren diseinu-parametro berean oinarritu zen. 250 kW-ko unitatea fluxu axialeko makina bat da, beraz, ez dago kurribil-kaxarik.
Turbina-errotagailu batek geometria konplexua eta karga-eskakizun handiak konbinatzen ditu. Azken lanek frogatu dute erresistentzia handiko egitura-osagaiak SMC prepreg txikitu batetik fabrikatu daitezkeela, erresistentzia eta zurruntasun bikainarekin.5 Lamborghini Gallardoren esekidura-besoa SMC prepreg txikitu baten hainbat geruza erabiliz diseinatu zen, forjatuzko konposite izenekoa, konpresioz moldeatutakoa behar den lodiera ekoizteko. Metodo bera aplika daiteke Francis eta helize-errotagailuei. Franciserrota ezin da unitate bakar gisa egin, palen gainjartzearen konplexutasunak pieza moldetik ateratzea eragotziko lukeelako. Horrela, errotagailuaren palak, koroa eta banda bereiz fabrikatzen dira eta gero elkarrekin lotzen dira eta torlojuekin indartzen dira koroaren eta bandaren kanpoaldean zehar.
Zirriborro-hodia harizpi-harizpia erabiliz fabrikatzen den arren errazen, prozesu hau ez da zuntz naturalak erabiliz merkaturatu. Beraz, eskuzko xaflaketa aukeratu zen, fabrikazio-metodo estandarra baita, lan-kostuak handiagoak izan arren. Mandril baten antzeko molde ar bat erabiliz, xaflaketa moldea horizontalean jarrita egin daiteke eta gero bertikalki biratu sendatzeko, alde batetik hondoratzea saihestuz. Konpositezko piezen pisua apur bat aldatuko da amaitutako piezan dagoen erretxina kantitatearen arabera. Zenbaki hauek % 50eko zuntz-pisuan oinarritzen dira.
Altzairuzko eta konpositezko 2 MW-ko turbinaren pisu osoa 9.888 kg eta 7.016 kg da, hurrenez hurren. 250 kW-ko altzairuzko eta konpositezko turbinek 3.734 kg eta 1.927 kg pisatzen dute, hurrenez hurren. Guztizko kalkuluek turbina bakoitzeko 20 ate txiki eta turbinaren buruaren berdina den hodi-zuloaren luzera suposatzen dute. Litekeena da hodi-zuloa luzeagoa izatea eta osagarriak behar izatea, baina zenbaki honek unitatearen eta lotutako periferikoen pisuaren oinarrizko estimazioa ematen du. Sorgailua, torlojuak eta atearen aktuazio-hardwarea ez dira sartzen eta konpositezko eta altzairuzko unitateen artean antzekoak direla suposatzen da. Kontuan izan behar da, halaber, FEA-n ikusitako tentsio-kontzentrazioak kontuan hartzeko beharrezkoa den errodaduraren birdiseinuak pisua gehituko liekeela unitate konposatuei, baina kopurua minimoa dela suposatzen da, 5 kg ingurukoa, tentsio-kontzentrazioa duten puntuak indartzeko.
Emandako pisuekin, 2 MW-ko turbina konposatua eta bere hodi-konposatua V-22 Osprey azkarrak altxa ditzake, altzairuzko makinak, berriz, Chinook helikoptero bikoitzeko motelagoa eta maniobra gutxiagokoa beharko luke. Gainera, 2 MW-ko turbina konposatua eta hodi-konposatua F-250 4×4 batek atoian eraman ditzake, altzairuzko unitateak, berriz, kamioi handiago bat beharko luke, eta zaila izango litzateke baso-errepideetan maniobratzea instalazioa urrun badago.
Ondorioak
Material konposatuekin turbinak eraikitzea bideragarria da, eta % 50etik % 70era bitarteko pisu murrizketa ikusi da altzairuzko osagai konbentzionalekin alderatuta. Pisua murriztuta, turbina konposatuak urruneko lekuetan instala daitezke. Gainera, egitura konposatu hauen muntaketak ez du soldadura-ekiporik behar. Osagaiak elkarrekin torlojutzeko pieza gutxiago behar dira, pieza bakoitza atal batean edo bitan egin baitaiteke. Ikerketa honetan modelatutako ekoizpen-serie txikietan, moldeen eta bestelako tresneriaren kostuak menderatzen du osagaien kostua.
Hemen adierazitako epe txikiek material hauei buruzko ikerketa gehiago hasteko kostua erakusten dute. Ikerketa honek kabitazio-higadura eta osagaien instalazioaren ondoren UV babesa landu ditzake. Baliteke elastomero edo zeramikazko estaldurak erabiltzea kabitazioa murrizteko edo turbina kabitazioa gertatzea eragozten duten fluxu eta buru erregimenetan funtzionatzen duela ziurtatzeko. Garrantzitsua izango da arazo hauek eta beste batzuk probatzea eta konpontzea, unitateek altzairuzko turbinen antzeko fidagarritasuna lor dezaketela ziurtatzeko, batez ere mantentze-lanak gutxitan egingo diren eremuetan instalatuko badira.
Serie txiki hauetan ere, konpositezko osagai batzuk kostu-eraginkorrak izan daitezke, fabrikatzeko behar den lan-kopurua murrizten delako. Adibidez, 2 MW-ko Francis unitaterako espiral-kaxa bat 80.000 dolar kostatuko litzateke altzairuz soldatzean, konpositezko fabrikazioaren 25.000 dolarren aldean. Hala ere, turbina-hodien diseinu arrakastatsua suposatuz, konpositezko hodiak moldeatzeko kostua altzairuzko osagai baliokideena baino handiagoa da. 2 MW-ko hodiak 23.000 dolar inguru kostatuko litzateke altzairuz fabrikatzea, konpositezkoaren 27.000 dolarren aldean. Kostuak makinaren arabera alda daitezke. Eta konpositezko osagaien kostua nabarmen jaitsiko litzateke ekoizpen-serie handiagoetan, moldeak berrerabili ahal izango balira.
Ikertzaileek dagoeneko ikertu dute turbina-hodien eraikuntza material konposatuekin.8 Hala ere, ikerketa honek ez ditu kabitazio-higadura eta eraikuntzaren bideragarritasuna jorratu. Turbina konposatuen hurrengo urratsa bideragarritasuna eta fabrikazioaren ekonomia frogatzea ahalbidetuko duen eskala-eredu bat diseinatu eta eraikitzea da. Unitate hau probatu daiteke eraginkortasuna eta aplikagarritasuna zehazteko, baita kabitazio-higadura gehiegi saihesteko metodoak ere.
Argitaratze data: 2022ko otsailaren 15a
