Kompositmaterialen meitsje foarútgong yn 'e bou fan apparatuer foar de wetterkrêftsektor. In ûndersyk nei materiaalsterkte en oare kritearia lit folle mear tapassingen sjen, benammen foar lytse en mikro-ienheden.
Dit artikel is evaluearre en bewurke neffens resinsjes útfierd troch twa of mear professionals mei relevante ekspertize. Dizze kollega-beoardielers beoardielje manuskripten op technyske krektens, brûkberens en algemien belang binnen de wetterkrêftsektor.
De opkomst fan nije materialen biedt spannende kânsen foar de wetterkrêftyndustry. Hout - brûkt yn 'e orizjinele wetterraden en piipliedingen - waard foar in part ferfongen troch stielen ûnderdielen yn 'e iere 19e iuw. Stiel behâldt syn sterkte troch hege wurgensbelêsting en is bestand tsjin kavitaasje-eroazje en korrosje. Syn eigenskippen binne goed begrepen en de prosessen foar it meitsjen fan ûnderdielen binne goed ûntwikkele. Foar grutte ienheden sil stiel wierskynlik it materiaal fan kar bliuwe.
Mei it each op de opkomst fan lytse (ûnder 10 MW) oant mikro-grutte (ûnder 100 kW) turbines, kinne kompositen lykwols brûkt wurde om gewicht te besparjen en produksjekosten en miljeu-ynfloed te ferminderjen. Dit is foaral relevant sjoen de oanhâldende needsaak foar groei yn 'e elektrisiteitsfoarsjenning. De ynstalleare wrâldwide wetterkrêftkapasiteit, hast 800.000 MW neffens in stúdzje út 2009 fan Noarske Renewable Energy Partners, is mar 10% fan 'e ekonomysk rendabele en 6% fan 'e technysk rendabele wetterkrêft. De potinsje om mear fan 'e technysk rendabele wetterkrêft yn it ryk fan ekonomysk rendabel te bringen nimt ta mei it fermogen fan kompositkomponinten om skaalfoardielen te bieden.
Produksje fan komposite komponinten
Om de penstock ekonomysk en mei in konsekwint hege sterkte te produsearjen, is de bêste metoade filamentwikkeling. In grutte doorn wurdt omwikkele mei kabels fan fezels dy't troch in harsbad rinne binne. De kabels wurde yn hoepel- en spiraalfoarmige patroanen om sterkte te meitsjen foar ynterne druk, longitudinale bûging en ôfhanneling. De ûndersteande resultatenseksje lit de kosten en it gewicht per foet sjen foar de twa penstock-grutte, basearre op in offerte fan lokale leveransiers. De offerte liet sjen dat de ûntwerpdikte waard bepaald troch ynstallaasje- en ôfhannelingseasken, ynstee fan de relatyf lege drukbelesting, en foar beide wie it 2,28 sm.
Twa produksjemetoaden waarden beskôge foar de wicketpoarten en bliuwflappen; wiete layup en fakuümynfúzje. Wiete layup brûkt droege stof, dy't impregnearre wurdt troch hars oer de stof te jitten en rollers te brûken om de hars yn 'e stof te drukken. Dit proses is net sa skjin as fakuümynfúzje en produseart net altyd de meast optimalisearre struktuer yn termen fan fezels-oant-harsferhâlding, mar it duorret minder tiid as it fakuümynfúzjeproses. Fakuümynfúzje leit droege fezels yn 'e juste oriïntaasjes, en de droege stapel wurdt dan yn fakuümsekken ferpakt en ekstra fittings wurde befestige dy't liede ta in harsfoarrie, dy't yn it ûnderdiel lutsen wurdt as it fakuüm wurdt tapast. It fakuüm helpt de hoemannichte hars op in optimaal nivo te hâlden en ferminderet de frijlitting fan flechtige organyske stoffen.
De rôlkast sil in hânopleging brûke yn twa aparte helten op in manlike mal om in glêd binnenoerflak te garandearjen. Dizze twa helten sille dan oaninoar ferbûn wurde mei glêstried tafoege oan 'e bûtenkant by it bondingpunt om foldwaande sterkte te garandearjen. De drukbelesting yn 'e rôlkast fereasket gjin hege sterkte avansearre komposit, dus in wiete opleging fan glêstriedstof mei in epoxyhars sil genôch wêze. De dikte fan 'e rôlkast wie basearre op deselde ûntwerpparameter as de penstock. De 250-kW-ienheid is in axiale streammasine, dus d'r is gjin rôlkast.
In turbinerunner kombinearret in komplekse geometry mei hege ladingeasken. Resint wurk hat oantoand dat strukturele komponinten mei hege sterkte makke wurde kinne fan in chopped prepreg SMC mei poerbêste sterkte en stivens.5 De ophangingsearm fan 'e Lamborghini Gallardo waard ûntworpen mei meardere lagen fan in chopped prepreg SMC, bekend as in smeide komposit, dy't ûnder druk getten waard om de fereaske dikte te produsearjen. Deselde metoade kin tapast wurde op 'e Francis- en propellerrunners. De Francis-runner kin net as ien ienheid makke wurde, om't de kompleksiteit fan 'e oerlaap fan 'e blêden foarkomme soe dat it ûnderdiel út 'e mal helle wurde koe. Sa wurde de runnerblêden, kroan en band apart makke en dan oaninoar ferbûn en fersterke mei bouten troch de bûtenkant fan 'e kroan en band.
Wylst de trekbuis it maklikst makke wurdt mei help fan filamentwikkeling, is dit proses noch net kommersjalisearre mei natuerlike fezels. Dêrom waard keazen foar hânmjittige lay-up, om't dit in standert produksjemetoade is, nettsjinsteande de hegere arbeidskosten. Mei in manlike mal dy't fergelykber is mei in doorn, kin de lay-up foltôge wurde mei de mal horizontaal en dan fertikaal draaid om te útharden, wêrtroch't fersakking oan ien kant foarkommen wurdt. It gewicht fan 'e gearstalde ûnderdielen sil wat ferskille ôfhinklik fan' e hoemannichte hars yn it ôfmakke ûnderdiel. Dizze sifers binne basearre op 50% fezelgewicht.
De totale gewichten foar de stielen en komposit 2-MW turbine binne respektivelik 9.888 kg en 7.016 kg. De 250-kW stielen en komposit turbines binne respektivelik 3.734 kg en 1.927 kg. De totalen geane út fan 20 wicket-poarten foar elke turbine en in lingte fan 'e penstok gelyk oan de kop fan 'e turbine. It is wierskynlik dat de penstok langer wêze soe en fittings nedich hawwe, mar dit getal jout in basisskatting fan it gewicht fan 'e ienheid en byhearrende randapparaten. De generator, bouten en hardware foar it betsjinjen fan 'e poarte binne net ynbegrepen en wurde oannommen dat se ferlykber binne tusken de komposit- en stielen ienheden. It is ek it neamen wurdich dat it opnij ûntwerpen fan 'e runner dy't nedich is om rekken te hâlden mei spanningskonsintraasjes dy't sjoen binne yn 'e FEA gewicht soe tafoegje oan 'e komposit-ienheden, mar de hoemannichte wurdt oannommen minimaal te wêzen, yn 'e oarder fan 5 kg om punten te fersterkjen mei spanningskonsintraasje.
Mei de opjûne gewichten koene de 2-MW gearstalde turbine en syn piipstok optild wurde troch de rappe V-22 Osprey, wylst de stielen masine in stadiger, minder manoeuvreerbere Chinook twillingrotorhelikopter nedich wêze soe. Ek koene de 2-MW gearstalde turbine en piipstok lutsen wurde troch in F-250 4×4, wylst de stielen ienheid in gruttere frachtwein nedich wêze soe dy't lestich te manoeuvrearjen wêze soe op boskwegen as de ynstallaasje op ôfstân wie.
Konklúzjes
It is mooglik om turbines te bouwen fan gearstalde materialen, en in gewichtsreduksje fan 50% oant 70% waard sjoen yn ferliking mei konvinsjonele stielen komponinten. It fermindere gewicht makket it mooglik om gearstalde turbines op ôfgelegen lokaasjes te ynstallearjen. Derneist is gjin lasapparatuer nedich foar de gearstalling fan dizze gearstalde struktueren. De komponinten fereaskje ek minder ûnderdielen dy't oaninoar bout wurde moatte, om't elk stik yn ien of twa seksjes makke wurde kin. By de lytse produksjeruns dy't yn dizze stúdzje modellearre binne, dominearje de kosten fan 'e mallen en oare ark de komponintkosten.
De lytse runs dy't hjir oanjûn binne, litte sjen wat it kostje soe om fierder ûndersyk nei dizze materialen te begjinnen. Dit ûndersyk kin kavitaasje-eroazje en UV-beskerming fan 'e komponinten nei ynstallaasje oanpakke. It kin mooglik wêze om elastomeer- of keramyske coatings te brûken om kavitaasje te ferminderjen of te soargjen dat de turbine rint yn 'e stream- en drukregimes dy't foarkomme dat kavitaasje foarkomt. It sil wichtich wêze om dizze en oare problemen te testen en op te lossen om te soargjen dat de ienheden ferlykbere betrouberens kinne berikke as stielen turbines, foaral as se ynstalleare wurde moatte yn gebieten dêr't ûnderhâld net faak sil plakfine.
Sels by dizze lytse series kinne guon gearstalde komponinten kosteneffektyf wêze fanwegen de fermindere arbeid dy't nedich is foar de produksje. Bygelyks, in skroefkast foar de 2-MW Francis-ienheid soe $80.000 kostje om fan stiel te lassen, fergelike mei $25.000 foar gearstalde produksje. Utgeande fan in suksesfol ûntwerp fan turbine-runners binne de kosten foar it foarmjen fan 'e gearstalde runners lykwols mear as lykweardige stielen komponinten. De 2-MW-runner soe sawat $23.000 kostje om fan stiel te meitsjen, fergelike mei $27.000 foar gearstalde komponinten. Kosten kinne ferskille per masine. En de kosten foar gearstalde komponinten soene by hegere produksjeseries flink sakje as mallen opnij brûkt wurde koene.
Undersykers hawwe de konstruksje fan turbine-rinners út gearstalde materialen al ûndersocht.8 Dizze stúdzje behannele lykwols net kavitaasje-eroazje en de mooglikheid fan konstruksje. De folgjende stap foar gearstalde turbines is it ûntwerpen en bouwen fan in skaalmodel dat bewiis fan mooglikheid en ekonomyske produksje mooglik makket. Dizze ienheid kin dan wurde hifke om effisjinsje en tapassing te bepalen, lykas metoaden foar it foarkommen fan oermjittige kavitaasje-eroazje.
Pleatsingstiid: 15 febrewaris 2022
