ફોર્સ્ટર સ્મોલ હાઇડ્રો ટર્બાઇન માટે સંયુક્ત સામગ્રીનો ઉપયોગ કેવી રીતે કરી શકાય

હાઇડ્રોઇલેક્ટ્રિક પાવર ઉદ્યોગ માટે સાધનોના નિર્માણમાં સંયુક્ત સામગ્રીનો ઉપયોગ વધી રહ્યો છે. સામગ્રીની મજબૂતાઈ અને અન્ય માપદંડોની તપાસમાં, ખાસ કરીને નાના અને સૂક્ષ્મ એકમો માટે, ઘણી વધુ એપ્લિકેશનો જોવા મળે છે.
આ લેખનું મૂલ્યાંકન અને સંપાદન બે કે તેથી વધુ વ્યાવસાયિકો દ્વારા કરવામાં આવેલી સમીક્ષાઓ અનુસાર કરવામાં આવ્યું છે જેમની પાસે સંબંધિત કુશળતા છે. આ પીઅર સમીક્ષકો હાઇડ્રોઇલેક્ટ્રિક ઉદ્યોગમાં તકનીકી ચોકસાઈ, ઉપયોગીતા અને એકંદર મહત્વ માટે હસ્તપ્રતોનું મૂલ્યાંકન કરે છે.
નવી સામગ્રીનો ઉદય જળવિદ્યુત ઉદ્યોગ માટે ઉત્તેજક તકો પૂરી પાડે છે. 1800 ના દાયકાની શરૂઆતમાં મૂળ વોટરવ્હીલ્સ અને પેનસ્ટોક્સમાં વપરાતું લાકડું સ્ટીલના ઘટકો દ્વારા આંશિક રીતે બદલવામાં આવ્યું હતું. સ્ટીલ ઉચ્ચ થાક લોડિંગ દ્વારા તેની શક્તિ જાળવી રાખે છે અને પોલાણના ધોવાણ અને કાટનો પ્રતિકાર કરે છે. તેના ગુણધર્મો સારી રીતે સમજી શકાય છે અને ઘટકોના ઉત્પાદન માટેની પ્રક્રિયાઓ સારી રીતે વિકસિત છે. મોટા એકમો માટે, સ્ટીલ પસંદગીની સામગ્રી રહેશે તેવી શક્યતા છે.
જોકે, નાના (૧૦ મેગાવોટથી ઓછા) થી માઇક્રો-સાઇઝ્ડ (૧૦૦ કેડબલ્યુથી ઓછા) ટર્બાઇનમાં વધારો થતાં, વજન બચાવવા અને ઉત્પાદન ખર્ચ અને પર્યાવરણીય પ્રભાવ ઘટાડવા માટે કમ્પોઝિટ્સનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. વીજળી પુરવઠામાં વૃદ્ધિની સતત જરૂરિયાતને ધ્યાનમાં રાખીને આ ખાસ કરીને સંબંધિત છે. નોર્વેજીયન રિન્યુએબલ એનર્જી પાર્ટનર્સ દ્વારા ૨૦૦૯ના અભ્યાસ મુજબ, સ્થાપિત વિશ્વ હાઇડ્રો ક્ષમતા, લગભગ ૮૦૦,૦૦૦ મેગાવોટ, આર્થિક રીતે શક્યના માત્ર ૧૦% અને તકનીકી રીતે શક્ય હાઇડ્રોપાવરના ૬% છે. આર્થિક રીતે શક્યના ક્ષેત્રમાં વધુ તકનીકી રીતે શક્ય હાઇડ્રો લાવવાની સંભાવના સંયુક્ત ઘટકોની ક્ષમતા સાથે વધે છે જેથી તેઓ સ્કેલની અર્થવ્યવસ્થા પૂરી પાડી શકે.

સંયુક્ત ઘટકોનું ઉત્પાદન
પેનસ્ટોકને આર્થિક રીતે અને સતત ઉચ્ચ શક્તિ સાથે બનાવવા માટે, શ્રેષ્ઠ પદ્ધતિ ફિલામેન્ટ વાઇન્ડિંગ છે. એક મોટા મેન્ડ્રેલને રેઝિન બાથમાંથી પસાર થતા ફાઇબરના ટોથી લપેટવામાં આવે છે. આંતરિક દબાણ, રેખાંશિક બેન્ડિંગ અને હેન્ડલિંગ માટે મજબૂતાઈ બનાવવા માટે ટોને હૂપ અને હેલિકલ પેટર્નમાં લપેટવામાં આવે છે. નીચે આપેલ પરિણામો વિભાગ સ્થાનિક સપ્લાયર્સના ક્વોટના આધારે, બે પેનસ્ટોક કદ માટે પ્રતિ ફૂટ કિંમત અને વજન દર્શાવે છે. ક્વોટ દર્શાવે છે કે ડિઝાઇન જાડાઈ પ્રમાણમાં ઓછા દબાણના ભારને બદલે ઇન્સ્ટોલેશન અને હેન્ડલિંગ આવશ્યકતાઓ દ્વારા સંચાલિત હતી, અને બંને માટે તે 2.28 સેમી હતી.
વિકેટ ગેટ્સ અને સ્ટે વેન્સ માટે બે ઉત્પાદન પદ્ધતિઓ ધ્યાનમાં લેવામાં આવી હતી; વેટ લેઅપ અને વેક્યુમ ઇન્ફ્યુઝન. વેટ લેઅપ ડ્રાય ફેબ્રિકનો ઉપયોગ કરે છે, જે ફેબ્રિક પર રેઝિન રેડીને અને રોલર્સનો ઉપયોગ કરીને રેઝિનને ફેબ્રિકમાં ધકેલવાથી ગર્ભિત થાય છે. આ પ્રક્રિયા વેક્યુમ ઇન્ફ્યુઝન જેટલી સ્વચ્છ નથી અને ફાઇબર-ટુ-રેઝિન રેશિયોની દ્રષ્ટિએ હંમેશા સૌથી વધુ ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ માળખું ઉત્પન્ન કરતી નથી, પરંતુ તે વેક્યુમ ઇન્ફ્યુઝન પ્રક્રિયા કરતા ઓછો સમય લે છે. વેક્યુમ ઇન્ફ્યુઝન ડ્રાય ફાઇબરને યોગ્ય દિશામાં મૂકે છે, અને પછી ડ્રાય સ્ટેકને વેક્યુમ બેગમાં મૂકવામાં આવે છે અને વધારાની ફિટિંગ જોડવામાં આવે છે જે રેઝિન સપ્લાય તરફ દોરી જાય છે, જે વેક્યુમ લાગુ કરવામાં આવે ત્યારે ભાગમાં ખેંચાય છે. વેક્યુમ રેઝિનની માત્રાને શ્રેષ્ઠ સ્તરે જાળવવામાં મદદ કરે છે અને અસ્થિર કાર્બનિક પદાર્થોના પ્રકાશનને ઘટાડે છે.
સ્ક્રોલ કેસ સરળ આંતરિક સપાટી સુનિશ્ચિત કરવા માટે પુરુષ મોલ્ડ પર બે અલગ ભાગોમાં હાથથી લેઅપનો ઉપયોગ કરશે. આ બે ભાગોને પછી બોન્ડિંગ પોઈન્ટ પર બહારના ભાગમાં ફાઇબર ઉમેરવા સાથે જોડવામાં આવશે જેથી પૂરતી મજબૂતાઈ સુનિશ્ચિત થાય. સ્ક્રોલ કેસમાં પ્રેશર લોડ માટે ઉચ્ચ-શક્તિવાળા એડવાન્સ્ડ કમ્પોઝિટની જરૂર નથી, તેથી ઇપોક્સી રેઝિન સાથે ફાઇબરગ્લાસ ફેબ્રિકનો ભીનો લેઅપ પૂરતો હશે. સ્ક્રોલ કેસની જાડાઈ પેનસ્ટોક જેવા જ ડિઝાઇન પેરામીટર પર આધારિત હતી. 250-kW યુનિટ એક અક્ષીય પ્રવાહ મશીન છે, તેથી કોઈ સ્ક્રોલ કેસ નથી.

ટર્બાઇન રનર જટિલ ભૂમિતિને ઉચ્ચ ભાર જરૂરિયાતો સાથે જોડે છે. તાજેતરના કાર્યથી દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે ઉચ્ચ-શક્તિવાળા માળખાકીય ઘટકોને ઉત્તમ તાકાત અને કઠિનતા સાથે ચોપ્ડ પ્રિપ્રેગ SMC માંથી બનાવી શકાય છે.5 લેમ્બોર્ગિની ગેલાર્ડોના સસ્પેન્શન આર્મને બનાવટી સંયુક્ત તરીકે ઓળખાતા ચોપ્ડ પ્રિપ્રેગ SMC ના બહુવિધ સ્તરોનો ઉપયોગ કરીને ડિઝાઇન કરવામાં આવ્યો હતો, જરૂરી જાડાઈ ઉત્પન્ન કરવા માટે કમ્પ્રેશન મોલ્ડ કરવામાં આવ્યું હતું. ફ્રાન્સિસ અને પ્રોપેલર રનર્સ પર પણ આ જ પદ્ધતિ લાગુ કરી શકાય છે. ફ્રાન્સિસ રનરને એક યુનિટ તરીકે બનાવી શકાતી નથી, કારણ કે બ્લેડ ઓવરલેપની જટિલતા ભાગને મોલ્ડમાંથી કાઢવામાં અટકાવશે. આમ, રનર બ્લેડ, ક્રાઉન અને બેન્ડ અલગથી બનાવવામાં આવે છે અને પછી ક્રાઉન અને બેન્ડની બહારથી બોલ્ટ સાથે એકસાથે જોડવામાં આવે છે અને મજબૂત બનાવવામાં આવે છે.
જ્યારે ડ્રાફ્ટ ટ્યુબ ફિલામેન્ટ વિન્ડિંગનો ઉપયોગ કરીને સૌથી સરળતાથી બનાવવામાં આવે છે, ત્યારે કુદરતી રેસાનો ઉપયોગ કરીને આ પ્રક્રિયાનું વ્યાપારીકરણ કરવામાં આવ્યું નથી. આમ, હાથથી લેઅપ પસંદ કરવામાં આવ્યું હતું, કારણ કે શ્રમ ખર્ચ વધારે હોવા છતાં, આ ઉત્પાદનની પ્રમાણભૂત પદ્ધતિ છે. મેન્ડ્રેલ જેવા પુરુષ મોલ્ડનો ઉપયોગ કરીને, લેઅપને મોલ્ડને આડી સાથે પૂર્ણ કરી શકાય છે અને પછી તેને ઊભી રીતે ઠીક કરી શકાય છે, એક બાજુ ઝૂલતા અટકાવે છે. ફિનિશ્ડ ભાગમાં રેઝિનની માત્રાના આધારે સંયુક્ત ભાગોનું વજન થોડું બદલાશે. આ સંખ્યાઓ 50% ફાઇબર વજન પર આધારિત છે.
સ્ટીલ અને સંયુક્ત 2-મેગાવોટ ટર્બાઇનનું કુલ વજન અનુક્રમે 9,888 કિગ્રા અને 7,016 કિગ્રા છે. 250-kW સ્ટીલ અને સંયુક્ત ટર્બાઇન અનુક્રમે 3,734 કિગ્રા અને 1,927 કિગ્રા છે. કુલ ગણતરીમાં દરેક ટર્બાઇન માટે 20 વિકેટ ગેટ્સ અને ટર્બાઇનના માથા જેટલી પેનસ્ટોક લંબાઈ ધારવામાં આવે છે. પેનસ્ટોક લાંબો હોવાની શક્યતા છે અને તેને ફિટિંગની જરૂર પડશે, પરંતુ આ સંખ્યા યુનિટ અને સંકળાયેલ પેરિફેરલ્સના વજનનો મૂળભૂત અંદાજ આપે છે. જનરેટર, બોલ્ટ અને ગેટ એક્ટ્યુએટિંગ હાર્ડવેરનો સમાવેશ કરવામાં આવ્યો નથી અને તે સંયુક્ત અને સ્ટીલ એકમો વચ્ચે સમાન હોવાનું માનવામાં આવે છે. એ પણ નોંધનીય છે કે FEA માં જોવા મળતા તણાવ સાંદ્રતાને ધ્યાનમાં લેવા માટે જરૂરી રનર રીડિઝાઇન સંયુક્ત એકમોમાં વજન ઉમેરશે, પરંતુ તણાવ સાંદ્રતા સાથે બિંદુઓને મજબૂત કરવા માટે રકમ ન્યૂનતમ હોવાનું માનવામાં આવે છે, 5 કિલોના ક્રમમાં.
આપેલા વજન સાથે, 2-MW કમ્પોઝિટ ટર્બાઇન અને તેના પેનસ્ટોકને ઝડપી V-22 ઓસ્પ્રે દ્વારા ઉપાડી શકાય છે, જ્યારે સ્ટીલ મશીનને ધીમા, ઓછા ચાલાક ચિનૂક ટ્વીન રોટર હેલિકોપ્ટરની જરૂર પડશે. ઉપરાંત, 2-MW કમ્પોઝિટ ટર્બાઇન અને પેનસ્ટોકને F-250 4×4 દ્વારા ખેંચી શકાય છે, જ્યારે સ્ટીલ યુનિટને મોટા ટ્રકની જરૂર પડશે જે જો ઇન્સ્ટોલેશન દૂરસ્થ હોય તો જંગલના રસ્તાઓ પર ચાલવું મુશ્કેલ બનશે.

તારણો
સંયુક્ત સામગ્રીમાંથી ટર્બાઇન બનાવવાનું શક્ય છે, અને પરંપરાગત સ્ટીલ ઘટકોની તુલનામાં વજનમાં 50% થી 70% ઘટાડો જોવા મળ્યો છે. ઘટાડેલા વજનને કારણે દૂરના સ્થળોએ સંયુક્ત ટર્બાઇન સ્થાપિત કરી શકાય છે. વધુમાં, આ સંયુક્ત માળખાના એસેમ્બલી માટે વેલ્ડીંગ સાધનોની જરૂર પડતી નથી. ઘટકોને એકસાથે ઓછા ભાગોને બોલ્ટ કરવાની પણ જરૂર પડે છે, કારણ કે દરેક ભાગ એક કે બે વિભાગમાં બનાવી શકાય છે. આ અભ્યાસમાં મોડેલ કરાયેલા નાના ઉત્પાદન રનમાં, મોલ્ડ અને અન્ય ટૂલિંગની કિંમત ઘટક ખર્ચ પર પ્રભુત્વ ધરાવે છે.
અહીં દર્શાવેલ નાના રન દર્શાવે છે કે આ સામગ્રીઓમાં વધુ સંશોધન શરૂ કરવા માટે કેટલો ખર્ચ થશે. આ સંશોધન પોલાણ ધોવાણ અને ઇન્સ્ટોલેશન પછી ઘટકોના યુવી રક્ષણને સંબોધિત કરી શકે છે. પોલાણ ઘટાડવા માટે ઇલાસ્ટોમર અથવા સિરામિક કોટિંગ્સનો ઉપયોગ કરવો શક્ય બની શકે છે અથવા ખાતરી કરી શકાય છે કે ટર્બાઇન ફ્લો અને હેડ રેજીમમાં ચાલે છે જે પોલાણ થવાથી અટકાવે છે. આ અને અન્ય સમસ્યાઓનું પરીક્ષણ કરવું અને તેનું નિરાકરણ કરવું મહત્વપૂર્ણ રહેશે જેથી ખાતરી કરી શકાય કે યુનિટ્સ સ્ટીલ ટર્બાઇન જેવી જ વિશ્વસનીયતા પ્રાપ્ત કરી શકે છે, ખાસ કરીને જો તેઓ એવા વિસ્તારોમાં સ્થાપિત કરવાના હોય જ્યાં જાળવણી ભાગ્યે જ થાય.
આ નાના રનમાં પણ, ઉત્પાદન માટે જરૂરી શ્રમ ઘટવાને કારણે કેટલાક સંયુક્ત ઘટકો ખર્ચ-અસરકારક બની શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, 2-મેગાવોટ ફ્રાન્સિસ યુનિટ માટે સ્ક્રોલ કેસ સ્ટીલમાંથી વેલ્ડિંગ કરવા માટે $80,000નો ખર્ચ થશે જ્યારે સંયુક્ત ઉત્પાદન માટે $25,000નો ખર્ચ થશે. જોકે, ટર્બાઇન રનર્સની સફળ ડિઝાઇનને ધારીએ તો, સંયુક્ત રનર્સને મોલ્ડિંગ કરવાનો ખર્ચ સ્ટીલના ઘટકો કરતાં વધુ છે. 2-મેગાવોટ રનર સ્ટીલમાંથી ઉત્પાદન કરવા માટે લગભગ $23,000નો ખર્ચ થશે, જ્યારે સંયુક્તમાંથી $27,000નો ખર્ચ થશે. મશીન પ્રમાણે ખર્ચ બદલાઈ શકે છે. અને જો મોલ્ડનો ફરીથી ઉપયોગ કરી શકાય તો ઉચ્ચ ઉત્પાદન રન પર સંયુક્ત ઘટકોનો ખર્ચ નોંધપાત્ર રીતે ઘટી જશે.
સંશોધકોએ પહેલાથી જ સંયુક્ત સામગ્રીમાંથી ટર્બાઇન રનર્સના નિર્માણની તપાસ કરી છે.8 જો કે, આ અભ્યાસમાં પોલાણ ધોવાણ અને બાંધકામની શક્યતા પર ધ્યાન આપવામાં આવ્યું નથી. સંયુક્ત ટર્બાઇન માટેનું આગળનું પગલું એક સ્કેલ મોડેલ ડિઝાઇન અને બનાવવાનું છે જે ઉત્પાદનની શક્યતા અને અર્થતંત્રના પુરાવાને મંજૂરી આપશે. ત્યારબાદ આ એકમનું કાર્યક્ષમતા અને ઉપયોગિતા નક્કી કરવા માટે પરીક્ષણ કરી શકાય છે, તેમજ વધારાના પોલાણ ધોવાણને રોકવા માટેની પદ્ધતિઓ પણ ચકાસી શકાય છે.