Material komposit mulai merambah ke konstruksi peralatan untuk industri tenaga hidroelektrik. Investigasi terhadap kekuatan material dan kriteria lainnya mengungkap lebih banyak lagi aplikasi, terutama untuk unit kecil dan mikro.
Artikel ini telah dievaluasi dan diedit sesuai dengan tinjauan yang dilakukan oleh dua atau lebih profesional yang memiliki keahlian yang relevan. Para peninjau sejawat ini menilai naskah berdasarkan keakuratan teknis, kegunaan, dan kepentingan keseluruhan dalam industri hidroelektrik.
Munculnya material baru memberikan peluang yang menarik bagi industri hidroelektrik. Kayu — yang digunakan dalam kincir air dan penstock asli — sebagian digantikan oleh komponen baja pada awal tahun 1800-an. Baja mempertahankan kekuatannya melalui beban kelelahan yang tinggi dan tahan terhadap erosi kavitasi dan korosi. Properti-propertinya dipahami dengan baik dan proses pembuatan komponen dikembangkan dengan baik. Untuk unit-unit besar, baja kemungkinan akan tetap menjadi material pilihan.
Namun, mengingat munculnya turbin berukuran kecil (di bawah 10 MW) hingga mikro (di bawah 100 kW), komposit dapat digunakan untuk menghemat berat dan mengurangi biaya produksi serta dampak lingkungan. Hal ini khususnya relevan mengingat kebutuhan berkelanjutan untuk pertumbuhan pasokan listrik. Kapasitas hidro dunia yang terpasang, hampir 800.000 MW menurut sebuah studi tahun 2009 oleh Norwegian Renewable Energy Partners, hanya 10% dari tenaga hidro yang layak secara ekonomi dan 6% dari tenaga hidro yang layak secara teknis. Potensi untuk membawa lebih banyak tenaga hidro yang layak secara teknis ke ranah yang layak secara ekonomi meningkat dengan kemampuan komponen komposit untuk memberikan skala ekonomi.
Pembuatan komponen komposit
Untuk memproduksi penstock secara ekonomis dan dengan kekuatan tinggi yang konsisten, metode terbaik adalah dengan melilitkan filamen. Sebuah mandrel besar dililitkan dengan serat yang telah melewati bak resin. Serat tersebut dililitkan dalam pola melingkar dan heliks untuk menciptakan kekuatan untuk tekanan internal, tekukan longitudinal, dan penanganan. Bagian hasil di bawah ini menunjukkan biaya dan berat per kaki untuk dua ukuran penstock, berdasarkan penawaran dari pemasok lokal. Penawaran tersebut menunjukkan bahwa ketebalan desain didorong oleh persyaratan pemasangan dan penanganan, bukan beban tekanan yang relatif rendah, dan untuk keduanya adalah 2,28 cm.
Dua metode produksi dipertimbangkan untuk pintu wicket dan stay vane; wet layup dan vacuum infusion. Wet layup menggunakan kain kering, yang diresapi dengan menuangkan resin di atas kain dan menggunakan rol untuk mendorong resin ke dalam kain. Proses ini tidak sebersih vacuum infusion dan tidak selalu menghasilkan struktur yang paling optimal dalam hal rasio serat-resin, tetapi membutuhkan waktu lebih sedikit daripada proses vacuum infusion. Vacuum infusion meletakkan serat kering dalam orientasi yang benar, dan tumpukan kering kemudian dikantongi vakum dan fitting tambahan dipasang yang mengarah ke pasokan resin, yang ditarik ke dalam bagian tersebut saat vakum diterapkan. Vakum membantu menjaga jumlah resin pada tingkat optimal dan mengurangi pelepasan bahan organik yang mudah menguap.
Kotak gulung akan menggunakan tata letak manual dalam dua bagian terpisah pada cetakan jantan untuk memastikan permukaan bagian dalam yang halus. Kedua bagian ini kemudian akan diikat bersama dengan serat yang ditambahkan ke bagian luar pada titik ikatan untuk memastikan kekuatan yang memadai. Beban tekanan dalam kotak gulung tidak memerlukan komposit canggih berkekuatan tinggi, jadi tata letak basah dari kain fiberglass dengan resin epoksi akan mencukupi. Ketebalan kotak gulung didasarkan pada parameter desain yang sama dengan penstock. Unit 250 kW adalah mesin aliran aksial, jadi tidak ada kotak gulung.
Runner turbin menggabungkan geometri yang kompleks dengan persyaratan beban yang tinggi. Pekerjaan terkini telah menunjukkan bahwa komponen struktural berkekuatan tinggi dapat diproduksi dari SMC prepreg yang dipotong dengan kekuatan dan kekakuan yang sangat baik.5 Lengan suspensi Lamborghini Gallardo dirancang menggunakan beberapa lapisan SMC prepreg yang dipotong yang dikenal sebagai komposit tempa, dicetak kompresi untuk menghasilkan ketebalan yang dibutuhkan. Metode yang sama dapat diterapkan pada runner Francis dan propeller. Runner Francis tidak dapat dibuat sebagai satu unit, karena kompleksitas tumpang tindih bilah akan mencegah bagian tersebut diekstraksi dari cetakan. Dengan demikian, bilah runner, mahkota, dan pita diproduksi secara terpisah lalu diikat bersama dan diperkuat dengan baut melalui bagian luar mahkota dan pita.
Sementara draft tube paling mudah diproduksi menggunakan lilitan filamen, proses ini belum dikomersialkan menggunakan serat alami. Jadi, hand layup dipilih, karena ini adalah metode pembuatan standar, meskipun biaya tenaga kerja lebih tinggi. Menggunakan cetakan jantan yang mirip dengan mandrel, layup dapat diselesaikan dengan cetakan horizontal dan kemudian diputar vertikal untuk mengeras, mencegah kendur di satu sisi. Berat bagian komposit akan sedikit bervariasi tergantung pada jumlah resin di bagian yang sudah jadi. Angka-angka ini didasarkan pada berat serat 50%.
Berat total untuk turbin baja dan komposit 2-MW masing-masing adalah 9.888 kg dan 7.016 kg. Turbin baja dan komposit 250-kW masing-masing adalah 3.734 kg dan 1.927 kg. Totalnya mengasumsikan 20 pintu wicket untuk setiap turbin dan panjang penstock sama dengan kepala turbin. Kemungkinan penstock akan lebih panjang dan memerlukan fitting, tetapi angka ini memberikan perkiraan dasar berat unit dan peripheral terkait. Generator, baut, dan perangkat keras penggerak gerbang tidak disertakan dan diasumsikan serupa antara unit komposit dan baja. Perlu dicatat juga bahwa desain ulang runner yang diperlukan untuk memperhitungkan konsentrasi tegangan yang terlihat dalam FEA akan menambah berat unit komposit, tetapi jumlahnya diasumsikan minimal, sekitar 5 kg untuk memperkuat titik-titik dengan konsentrasi tegangan.
Dengan bobot yang diberikan, turbin komposit 2-MW dan penstock-nya dapat diangkat oleh V-22 Osprey yang cepat, sedangkan mesin baja akan memerlukan helikopter Chinook dengan rotor ganda yang lebih lambat dan kurang lincah. Selain itu, turbin komposit 2-MW dan penstock dapat ditarik oleh F-250 4×4, sedangkan unit baja akan memerlukan truk yang lebih besar yang akan sulit untuk bermanuver di jalan hutan jika pemasangannya jauh.
Kesimpulan
Turbin dari material komposit dapat dibuat, dan pengurangan berat sebesar 50% hingga 70% terlihat dibandingkan dengan komponen baja konvensional. Pengurangan berat ini memungkinkan turbin komposit dipasang di lokasi terpencil. Selain itu, perakitan struktur komposit ini tidak memerlukan peralatan pengelasan. Komponen juga memerlukan lebih sedikit bagian yang harus dibaut bersama, karena setiap bagian dapat dibuat dalam satu atau dua bagian. Pada produksi skala kecil yang dimodelkan dalam studi ini, biaya cetakan dan perkakas lainnya mendominasi biaya komponen.
Jumlah kecil yang ditunjukkan di sini menunjukkan berapa biaya yang diperlukan untuk memulai penelitian lebih lanjut terhadap bahan-bahan ini. Penelitian ini dapat mengatasi erosi kavitasi dan perlindungan UV pada komponen setelah pemasangan. Mungkin saja dapat menggunakan pelapis elastomer atau keramik untuk mengurangi kavitasi atau memastikan bahwa turbin beroperasi dalam aliran dan tekanan yang mencegah terjadinya kavitasi. Penting untuk menguji dan menyelesaikan masalah ini dan masalah lainnya guna memastikan unit dapat mencapai keandalan yang sama dengan turbin baja, terutama jika dipasang di area yang jarang memerlukan perawatan.
Bahkan pada produksi kecil ini, beberapa komponen komposit dapat hemat biaya karena berkurangnya tenaga kerja yang diperlukan untuk pembuatan. Misalnya, kotak gulungan untuk unit Francis 2-MW akan menelan biaya $80.000 untuk dilas dari baja dibandingkan dengan $25.000 untuk pembuatan komposit. Namun, dengan asumsi desain runner turbin yang berhasil, biaya untuk mencetak runner komposit lebih mahal daripada komponen baja yang setara. Runner 2-MW akan menelan biaya sekitar $23.000 untuk pembuatan dari baja, dibandingkan dengan $27.000 dari komposit. Biaya dapat bervariasi berdasarkan mesin. Dan biaya untuk komponen komposit akan turun drastis pada produksi yang lebih tinggi jika cetakan dapat digunakan kembali.
Para peneliti telah menyelidiki konstruksi runner turbin dari material komposit.8 Akan tetapi, studi ini tidak membahas erosi kavitasi dan kelayakan konstruksi. Langkah selanjutnya untuk turbin komposit adalah merancang dan membangun model skala yang akan memungkinkan pembuktian kelayakan dan keekonomisan pembuatan. Unit ini kemudian dapat diuji untuk menentukan efisiensi dan penerapan, serta metode untuk mencegah erosi kavitasi berlebih.
Waktu posting: 15-Feb-2022
