Material komposit semakin banyak digunakan dalam konstruksi peralatan untuk industri pembangkit listrik tenaga air. Investigasi terhadap kekuatan material dan kriteria lainnya mengungkapkan banyak aplikasi lainnya, khususnya 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 manuskrip berdasarkan keakuratan teknis, kegunaan, dan kepentingan keseluruhan dalam industri pembangkit listrik tenaga air.
Munculnya material baru memberikan peluang menarik bagi industri pembangkit listrik tenaga air. Kayu—yang digunakan pada kincir air dan saluran air 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. Sifat-sifatnya dipahami dengan baik dan proses pembuatan komponennya sudah berkembang dengan baik. Untuk unit-unit besar, baja kemungkinan akan tetap menjadi material pilihan.
Namun, mengingat meningkatnya ukuran turbin kecil (di bawah 10 MW) hingga mikro (di bawah 100 kW), material komposit dapat digunakan untuk mengurangi berat, biaya produksi, dan dampak lingkungan. Hal ini sangat relevan mengingat kebutuhan akan pertumbuhan pasokan listrik yang terus berlanjut. Kapasitas PLTA terpasang di dunia, hampir 800.000 MW menurut studi tahun 2009 oleh Norwegian Renewable Energy Partners, hanya 10% dari PLTA yang layak secara ekonomi dan 6% dari PLTA yang layak secara teknis. Potensi untuk membawa lebih banyak PLTA yang layak secara teknis ke ranah yang layak secara ekonomi meningkat seiring dengan kemampuan komponen komposit untuk memberikan skala ekonomi.
Pembuatan komponen komposit
Untuk memproduksi pipa pesat secara ekonomis dan dengan kekuatan tinggi yang konsisten, metode terbaik adalah penggulungan filamen. Sebuah mandrel besar dililit dengan untaian serat yang telah dilewatkan melalui bak resin. Untaian tersebut dililit dalam pola melingkar dan heliks untuk menciptakan kekuatan terhadap tekanan internal, pembengkokan memanjang, dan penanganan. Bagian hasil di bawah ini menunjukkan biaya dan berat per kaki untuk dua ukuran pipa pesat, berdasarkan penawaran dari pemasok lokal. Penawaran tersebut menunjukkan bahwa ketebalan desain didorong oleh persyaratan pemasangan dan penanganan, bukan oleh beban tekanan yang relatif rendah, dan untuk keduanya adalah 2,28 cm.
Dua metode manufaktur dipertimbangkan untuk pintu air dan sudu penahan; penataan basah dan infus vakum. Penataan basah menggunakan kain kering, yang diresapi dengan menuangkan resin ke atas kain dan menggunakan rol untuk mendorong resin ke dalam kain. Proses ini tidak sebersih infus vakum dan tidak selalu menghasilkan struktur yang paling optimal dalam hal rasio serat terhadap resin, tetapi membutuhkan waktu lebih singkat daripada proses infus vakum. Infus vakum menata serat kering dalam orientasi yang benar, dan tumpukan kering kemudian dikemas vakum dan dipasang fitting tambahan yang mengarah ke pasokan resin, yang ditarik ke dalam bagian tersebut ketika vakum diterapkan. Vakum membantu menjaga jumlah resin pada tingkat optimal dan mengurangi pelepasan senyawa organik volatil.
Selubung gulungan akan menggunakan teknik pelapisan tangan dalam dua bagian terpisah pada cetakan jantan untuk memastikan permukaan bagian dalam yang halus. Kedua bagian ini kemudian akan direkatkan bersama dengan serat yang ditambahkan ke bagian luar pada titik perekatan untuk memastikan kekuatan yang memadai. Beban tekanan di dalam selubung gulungan tidak memerlukan komposit canggih berkekuatan tinggi, sehingga pelapisan basah kain fiberglass dengan resin epoksi sudah cukup. Ketebalan selubung gulungan didasarkan pada parameter desain yang sama dengan pipa pesat. Unit 250 kW adalah mesin aliran aksial, sehingga tidak ada selubung gulungan.
Rangka turbin menggabungkan geometri yang kompleks dengan persyaratan beban yang tinggi. Penelitian terbaru 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 dengan kompresi untuk menghasilkan ketebalan yang dibutuhkan. Metode yang sama dapat diterapkan pada rangka Francis dan baling-baling. Rangka Francis tidak dapat dibuat sebagai satu unit, karena kompleksitas tumpang tindih bilah akan mencegah bagian tersebut diekstraksi dari cetakan. Dengan demikian, bilah rangka, mahkota, dan pita diproduksi secara terpisah dan kemudian direkatkan bersama dan diperkuat dengan baut melalui bagian luar mahkota dan pita.
Meskipun tabung draft paling mudah diproduksi menggunakan penggulungan filamen, proses ini belum dikomersialkan menggunakan serat alami. Oleh karena itu, metode hand layup dipilih, karena ini adalah metode pembuatan standar, meskipun biaya tenaga kerjanya lebih tinggi. Dengan menggunakan cetakan jantan yang mirip dengan mandrel, proses layup dapat diselesaikan dengan cetakan horizontal dan kemudian diputar vertikal untuk pengeringan, mencegah kendur di satu sisi. Berat bagian komposit akan sedikit bervariasi tergantung pada jumlah resin dalam bagian 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 memiliki berat 3.734 kg dan 1.927 kg. Total berat ini diasumsikan menggunakan 20 pintu air untuk setiap turbin dan panjang pipa pesat yang sama dengan tinggi muka air turbin. Kemungkinan pipa pesat akan lebih panjang dan memerlukan fitting, tetapi angka ini memberikan perkiraan dasar berat unit dan perlengkapan terkait. Generator, baut, dan perangkat keras penggerak pintu air tidak termasuk dan diasumsikan serupa antara unit komposit dan baja. Perlu juga dicatat bahwa desain ulang runner yang diperlukan untuk mengatasi konsentrasi tegangan yang terlihat dalam analisis elemen hingga (FEA) akan menambah berat pada unit komposit, tetapi jumlahnya diasumsikan minimal, sekitar 5 kg untuk memperkuat titik-titik dengan konsentrasi tegangan.
Dengan berat yang diberikan, turbin komposit 2-MW dan pipa penyalurnya dapat diangkat oleh pesawat V-22 Osprey yang cepat, sedangkan mesin baja akan membutuhkan helikopter Chinook twin rotor yang lebih lambat dan kurang lincah. Selain itu, turbin komposit 2-MW dan pipa penyalurnya dapat ditarik oleh F-250 4×4, sedangkan unit baja akan membutuhkan truk yang lebih besar yang akan sulit dikendalikan di jalan hutan jika instalasinya berada di lokasi terpencil.
Kesimpulan
Turbin dapat dibangun dari material komposit, 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-komponen tersebut juga membutuhkan lebih sedikit bagian yang disambung dengan baut, karena setiap bagian dapat dibuat dalam satu atau dua bagian. Pada produksi skala kecil yang dimodelkan dalam studi ini, biaya cetakan dan peralatan lainnya mendominasi biaya komponen.
Jumlah produksi kecil yang ditunjukkan di sini menunjukkan biaya yang dibutuhkan untuk memulai penelitian lebih lanjut tentang material ini. Penelitian ini dapat mengatasi erosi kavitasi dan perlindungan UV pada komponen setelah pemasangan. Mungkin dimungkinkan untuk menggunakan lapisan elastomer atau keramik untuk mengurangi kavitasi atau memastikan turbin beroperasi dalam rezim aliran dan tekanan yang mencegah terjadinya kavitasi. Penting untuk menguji dan menyelesaikan masalah ini dan masalah lainnya untuk memastikan unit dapat mencapai keandalan yang serupa dengan turbin baja, terutama jika akan dipasang di daerah di mana perawatan akan jarang dilakukan.
Bahkan pada produksi dalam jumlah kecil, beberapa komponen komposit dapat hemat biaya karena berkurangnya tenaga kerja yang dibutuhkan untuk pembuatannya. Misalnya, selubung spiral untuk unit Francis 2-MW akan menelan biaya $80.000 jika dilas dari baja dibandingkan dengan $25.000 untuk pembuatan komposit. Namun, dengan asumsi desain runner turbin yang berhasil, biaya pencetakan runner komposit lebih tinggi daripada komponen baja yang setara. Runner 2-MW akan menelan biaya sekitar $23.000 jika dibuat dari baja, dibandingkan dengan $27.000 jika dibuat dari komposit. Biaya dapat bervariasi tergantung mesin. Dan biaya untuk komponen komposit akan turun secara signifikan pada produksi yang lebih tinggi jika cetakan dapat digunakan kembali.
Para peneliti telah menyelidiki konstruksi sudu turbin dari material komposit.8 Namun, 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 ekonomi pembuatannya. Unit ini kemudian dapat diuji untuk menentukan efisiensi dan penerapannya, serta metode untuk mencegah erosi kavitasi yang berlebihan.
Waktu posting: 15 Februari 2022
