Os materiais compostos están a abrirse camiño na construción de equipos para a industria da enerxía hidroeléctrica. Unha investigación sobre a resistencia dos materiais e outros criterios revela moitas máis aplicacións, especialmente para unidades pequenas e micro.
Este artigo foi avaliado e editado de acordo coas revisións realizadas por dous ou máis profesionais con experiencia relevante. Estes revisores pares avalían os manuscritos pola súa precisión técnica, utilidade e importancia xeral dentro da industria hidroeléctrica.
O auxe dos novos materiais ofrece oportunidades emocionantes para a industria hidroeléctrica. A madeira, empregada nas rodas hidráulicas e nas condutas forzadas orixinais, foi substituída en parte por compoñentes de aceiro a principios do século XIX. O aceiro mantén a súa resistencia a través dunha alta carga de fatiga e resiste a erosión e a corrosión por cavitación. As súas propiedades coñécense ben e os procesos de fabricación de compoñentes están ben desenvolvidos. Para as unidades grandes, é probable que o aceiro siga sendo o material elixido.
Non obstante, dado o auxe das turbinas pequenas (menos de 10 MW) ata as de tamaño micro (menos de 100 kW), os materiais compostos pódense empregar para aforrar peso e reducir o custo de fabricación e o impacto ambiental. Isto é especialmente relevante dada a continua necesidade de crecemento do subministro de electricidade. A capacidade hidroeléctrica instalada no mundo, case 800.000 MW segundo un estudo de 2009 realizado por Norwegian Renewable Energy Partners, é só o 10 % da enerxía hidroeléctrica economicamente viable e o 6 % da enerxía hidroeléctrica tecnicamente viable. O potencial para levar máis enerxía hidroeléctrica tecnicamente viable ao ámbito economicamente viable aumenta coa capacidade dos compoñentes compostos para proporcionar economía de escala.
Fabricación de compoñentes compostos
Para fabricar a compuerta de forma económica e cunha alta resistencia consistente, o mellor método é o enrolamento de filamentos. Un mandril grande envólvese con cables de fibra que se pasaron por un baño de resina. Os cables envólvense en patróns de aro e helicoidais para crear resistencia á presión interna, á flexión lonxitudinal e á manipulación. A sección de resultados a continuación mostra o custo e o peso por pé para os dous tamaños de compuerta, baseándose nun orzamento de provedores locais. O orzamento mostrou que o grosor do deseño estaba determinado polos requisitos de instalación e manipulación, en lugar da carga de presión relativamente baixa, e para ambos foi de 2,28 cm.
Consideráronse dous métodos de fabricación para as compuertas e os álabes dos soportes: a disposición húmida e a infusión ao baleiro. A disposición húmida utiliza tecido seco, que se impregna vertendo resina sobre o tecido e usando rolos para empurrar a resina dentro do tecido. Este proceso non é tan limpo como a infusión ao baleiro e non sempre produce a estrutura máis optimizada en termos de proporción fibra-resina, pero leva menos tempo que o proceso de infusión ao baleiro. A infusión ao baleiro coloca a fibra seca nas orientacións correctas e, a continuación, a pila seca é ensacada ao baleiro e colócanse accesorios adicionais que conducen a un subministro de resina, que se aspira cara á peza cando se aplica o baleiro. O baleiro axuda a manter a cantidade de resina nun nivel óptimo e reduce a liberación de compostos orgánicos volátiles.
A caixa de espiral empregará unha disposición manual en dúas metades separadas nun molde macho para garantir unha superficie interior lisa. Estas dúas metades uniranse entón con fibra engadida ao exterior no punto de unión para garantir unha resistencia axeitada. A carga de presión na caixa de espiral non require un composto avanzado de alta resistencia, polo que unha disposición húmida de tecido de fibra de vidro cunha resina epoxi será suficiente. O grosor da caixa de espiral baseouse no mesmo parámetro de deseño que a compuerta forzada. A unidade de 250 kW é unha máquina de fluxo axial, polo que non hai caixa de espiral.
Un rodete de turbina combina unha xeometría complexa con altos requisitos de carga. Traballos recentes demostraron que se poden fabricar compoñentes estruturais de alta resistencia a partir dun SMC prepreg cortado con excelente resistencia e rixidez.5 O brazo de suspensión do Lamborghini Gallardo foi deseñado utilizando varias capas dun SMC prepreg cortado coñecido como composto forxado, moldeado por compresión para producir o grosor requirido. O mesmo método pódese aplicar aos rodetes Francis e de hélice. O rodete Francis non se pode fabricar como unha soa unidade, xa que a complexidade da superposición das láminas impediría que a peza se extraese do molde. Polo tanto, as láminas do rodete, a coroa e a banda fabrícanse por separado e logo únense e reforzanse con parafusos a través do exterior da coroa e da banda.
Aínda que o tubo de tiro se fabrica máis facilmente mediante o enrolamento de filamentos, este proceso non se comercializou con fibras naturais. Polo tanto, elixiuse a colocación manual, xa que é o método estándar de fabricación, a pesar dos maiores custos laborais. Usando un molde macho similar a un mandril, a colocación pódese completar co molde horizontal e logo xirar verticalmente para curar, evitando que se afunda nun lado. O peso das pezas compostas variará lixeiramente dependendo da cantidade de resina na peza acabada. Estas cifras baséanse no 50 % do peso da fibra.
Os pesos totais para a turbina de aceiro e composta de 2 MW son de 9.888 kg e 7.016 kg, respectivamente. As turbinas de aceiro e compostas de 250 kW son de 3.734 kg e 1.927 kg, respectivamente. Os totais supoñen 20 compuertas para cada turbina e unha lonxitude de compuerta forzada igual á cabeza da turbina. É probable que a compuerta forzada sexa máis longa e requira accesorios, pero esta cifra dá unha estimación básica do peso da unidade e os periféricos asociados. O xerador, os parafusos e os ferraxes de accionamento da compuerta non están incluídos e suponse que son similares entre as unidades compostas e de aceiro. Tamén paga a pena sinalar que o redeseño do rodete necesario para ter en conta as concentracións de tensión observadas no FEA engadiría peso ás unidades compostas, pero suponse que a cantidade é mínima, da orde de 5 kg para reforzar os puntos con concentración de tensión.
Cos pesos dados, a turbina composta de 2 MW e a súa conduta forzada poderían ser levantadas polo rápido V-22 Osprey, mentres que a máquina de aceiro requiriría un helicóptero Chinook de dobre rotor, máis lento e menos manobrable. Ademais, a turbina composta de 2 MW e a conduta forzada poderían ser remolcadas por un F-250 4×4, mentres que a unidade de aceiro requiriría un camión máis grande que sería difícil de manobrar en estradas forestais se a instalación fose remota.
Conclusións
É viable construír turbinas con materiais compostos e observouse unha redución de peso do 50 % ao 70 % en comparación cos compoñentes de aceiro convencionais. A redución do peso permite instalar turbinas compostas en lugares remotos. Ademais, a montaxe destas estruturas compostas non require equipos de soldadura. Os compoñentes tamén requiren menos pezas para aparafusar, xa que cada peza pódese fabricar nunha ou dúas seccións. Nas pequenas tiradas de produción modeladas neste estudo, o custo dos moldes e outras ferramentas domina o custo dos compoñentes.
As pequenas tiradas indicadas aquí mostran o custaría comezar máis investigacións sobre estes materiais. Esta investigación pode abordar a erosión por cavitación e a protección UV dos compoñentes despois da instalación. Pode ser posible usar revestimentos elastómeros ou cerámicos para reducir a cavitación ou garantir que a turbina funcione nos réximes de fluxo e altura que impidan que se produza cavitación. Será importante probar e resolver estes e outros problemas para garantir que as unidades poidan alcanzar unha fiabilidade similar ás turbinas de aceiro, especialmente se se van instalar en zonas onde o mantemento será pouco frecuente.
Mesmo nestas tiradas pequenas, algúns compoñentes compostos poden ser rendibles debido á menor man de obra necesaria para a súa fabricación. Por exemplo, unha caixa de espiral para a unidade Francis de 2 MW custaría 80.000 dólares para soldala con aceiro, en comparación cos 25.000 dólares para a fabricación de materiais compostos. Non obstante, supoñendo un deseño exitoso dos rodillos da turbina, o custo de moldear os rodillos compostos é superior ao dos compoñentes de aceiro equivalentes. O rodete de 2 MW custaría uns 23.000 dólares para fabricalo con aceiro, en comparación cos 27.000 dólares para o material composto. Os custos poden variar segundo a máquina. E o custo dos compoñentes compostos diminuiría considerablemente en tiradas de produción máis altas se os moldes puidesen reutilizarse.
Os investigadores xa investigaron a construción de rodeiros de turbinas con materiais compostos.8 Non obstante, este estudo non abordou a erosión por cavitación nin a viabilidade da construción. O seguinte paso para as turbinas compostas é deseñar e construír un modelo a escala que permita probar a viabilidade e a economía de fabricación. Esta unidade pódese probar entón para determinar a eficiencia e a aplicabilidade, así como os métodos para previr o exceso de erosión por cavitación.
Data de publicación: 15 de febreiro de 2022
