Samsett efni eru að ryðja sér til rúms í smíði búnaðar fyrir vatnsaflsorkuiðnaðinn. Rannsókn á efnisstyrk og öðrum viðmiðum leiðir í ljós mun fleiri notkunarmöguleika, sérstaklega fyrir litlar og örsmáar einingar.
Þessi grein hefur verið metin og ritstýrð í samræmi við úttektir tveggja eða fleiri sérfræðinga með viðeigandi sérþekkingu. Þessir ritrýnendur meta handrit út frá tæknilegri nákvæmni, notagildi og almennu mikilvægi innan vatnsaflsorkuiðnaðarins.
Tilkoma nýrra efna býður upp á spennandi tækifæri fyrir vatnsaflsiðnaðinn. Viður — sem notaður var í upprunalegu vatnshjólin og vatnspípurnar — var að hluta til skipt út fyrir stálíhluti snemma á 19. öld. Stál heldur styrk sínum þrátt fyrir mikla þreytuálag og þolir holrúm og tæringu. Eiginleikar þess eru vel þekktir og framleiðsluferli íhluta eru vel þróuð. Fyrir stórar einingar verður stál líklega áfram valið efni.
Hins vegar, miðað við aukningu lítilla (undir 10 MW) í örstórar (undir 100 kW) túrbínur, er hægt að nota samsett efni til að spara þyngd og draga úr framleiðslukostnaði og umhverfisáhrifum. Þetta er sérstaklega mikilvægt í ljósi áframhaldandi þarfar fyrir vöxt í raforkuframboði. Uppsett vatnsaflsorkuafköst í heiminum, næstum 800.000 MW samkvæmt rannsókn frá árinu 2009 sem gerð var af Norwegian Renewable Energy Partners, eru aðeins 10% af efnahagslega hagkvæmri og 6% af tæknilega hagkvæmri vatnsaflsorku. Möguleikinn á að koma meira af tæknilega hagkvæmri vatnsafli inn á svið efnahagslega hagkvæmrar orku eykst með getu samsettra íhluta til að skapa stærðarhagkvæmni.
Framleiðsla á samsettum íhlutum
Til að framleiða rörinn hagkvæmt og með stöðugum miklum styrk er besta aðferðin þráðuppvinding. Stór dorn er vafið með trefjastrengjum sem hafa verið færðir í gegnum plastefnisbað. Strengirnir eru vafðir í hringlaga og spírallaga mynstur til að skapa styrk fyrir innri þrýsting, langsum beygju og meðhöndlun. Niðurstöðuhlutinn hér að neðan sýnir kostnað og þyngd á fet fyrir báðar stærðir rörsins, byggt á tilboði frá birgjum á staðnum. Tilboðið sýndi að hönnunarþykktin var knúin áfram af kröfum um uppsetningu og meðhöndlun, frekar en tiltölulega lágu þrýstingsálagi, og fyrir báða var hún 2,28 cm.
Tvær framleiðsluaðferðir voru skoðaðar fyrir hliðarhlið og stoðblöð; blaut uppsetning og lofttæmisúðun. Við blaut uppsetning er notað þurrt efni sem er gegndreypt með því að hella plastefni yfir efnið og nota rúllur til að þrýsta plastefninu inn í efnið. Þetta ferli er ekki eins hreint og lofttæmisúðun og framleiðir ekki alltaf bestu uppbyggingu hvað varðar hlutfall trefja og plastefnis, en það tekur styttri tíma en lofttæmisúðunarferlið. Með lofttæmisúðun eru þurrir trefjar lagðir í réttar stefnur og þurri staflinum er síðan lofttæmispokaður og aukahlutir eru festir sem leiða til plastefnisbirgða, sem er dregið inn í hlutinn þegar lofttæmið er beitt. Lofttæmið hjálpar til við að viðhalda magni plastefnis á bestu mögulegu stigi og dregur úr losun rokgjörnra lífrænna efna.
Skrúfuhúsið verður handlagið í tvo aðskilda helminga á karlkyns mót til að tryggja slétt innra yfirborð. Þessir tveir helmingar verða síðan límdir saman með trefjum sem bætt er við utan á límingarpunktinum til að tryggja fullnægjandi styrk. Þrýstingsálagið í skrúfuhúsinu krefst ekki hástyrks samsetts efnis, þannig að blaut uppsetning úr trefjaplasti með epoxy plastefni nægir. Þykkt skrúfuhússins var byggð á sömu hönnunarbreytu og rörpípunnar. 250 kW einingin er ásflæðisvél, þannig að það er ekkert skrúfuhús.
Hjólbarðahlaupari í túrbínu sameinar flókna rúmfræði og mikla álagskröfur. Nýlegar rannsóknir hafa sýnt að hægt er að framleiða burðarhluta með miklum styrk úr saxaðri prepreg SMC með framúrskarandi styrk og stífleika.5 Fjöðrunararmur Lamborghini Gallardo var hannaður með því að nota mörg lög af saxaðri prepreg SMC, einnig þekkt sem smíðað samsett efni, sem var þjöppunarmótað til að framleiða þá þykkt sem þarf. Sömu aðferð er hægt að nota á Francis- og skrúfuhlaupana. Francis-hlauparann er ekki hægt að framleiða sem eina einingu þar sem flækjustig blaðanna sem skörunin á milli myndi koma í veg fyrir að hægt væri að taka hlutinn úr mótinu. Því eru hlauparblöðin, krónun og bandið framleidd sérstaklega og síðan límd saman og styrkt með boltum í gegnum ytra byrði krónunnar og bandsins.
Þó að auðveldast sé að framleiða dráttarrörið með þráðuppröðun hefur þessi aðferð ekki verið markaðssett með náttúrulegum trefjum. Því var valið að leggja rörið handvirkt, þar sem það er staðlað framleiðsluferli, þrátt fyrir hærri vinnuaflskostnað. Með því að nota karlkyns mót, svipað og dorn, er hægt að ljúka uppröðuninni með mótið lárétt og síðan snúa því lóðrétt til að herða, sem kemur í veg fyrir að það sigi á annarri hliðinni. Þyngd samsettu hlutanna mun breytast lítillega eftir magni plastefnis í fullunnu hlutanum. Þessar tölur eru byggðar á 50% trefjaþyngd.
Heildarþyngd stál- og samsettra 2-MW túrbína er 9.888 kg og 7.016 kg, talið í sömu röð. 250 kW stál- og samsettu túrbínurnar eru 3.734 kg og 1.927 kg, talið í sömu röð. Heildartölurnar gera ráð fyrir 20 hliðarlokum fyrir hverja túrbínu og að rörin séu jöfn höfði túrbínunnar. Líklegt er að rörin sé lengri og þurfi á festingum að halda, en þessi tala gefur grunnáætlun um þyngd einingarinnar og tengdra aukahluta. Rafall, boltar og stýribúnaður fyrir hliðið eru ekki innifalin og gert er ráð fyrir að þau séu svipuð á milli samsettra og stáleininganna. Einnig er vert að taka fram að endurhönnun rennunnar sem þarf til að taka tillit til spennuþéttni sem sést í FEA myndi auka þyngd samsettra eininganna, en gert er ráð fyrir að magnið sé í lágmarki, um 5 kg, til að styrkja punkta með spennuþéttni.
Með gefnum þyngdum gæti 2 MW samsetta túrbínan og rörpípu hennar verið lyft með hraðskreiðum V-22 Osprey þyrlu, en stálvélin þyrfti hægari og minna stjórnhæfa Chinook tvíþyrlu þyrlu. Einnig gæti 2 MW samsetta túrbínan og rörpípunin verið dregin af F-250 4×4, en stálvélin þyrfti stærri vörubíl sem væri erfitt að stjórna á skógarvegum ef uppsetningin væri afskekkt.
Niðurstöður
Það er mögulegt að smíða túrbínur úr samsettum efnum og sást 50% til 70% þyngdarlækkun samanborið við hefðbundna stálíhluti. Minnkuð þyngd gerir kleift að setja upp samsettar túrbínur á afskekktum stöðum. Þar að auki þarf ekki suðubúnað til að setja saman þessar samsettu mannvirki. Íhlutirnir þurfa einnig færri hluta til að bolta saman, þar sem hægt er að framleiða hvern hluta í einum eða tveimur hlutum. Í þeim litlu framleiðslulotum sem gerðar eru í þessari rannsókn ráða kostnaður við mótin og önnur verkfæri ríkjum í íhlutakostnaðinum.
Litlu keyrslurnar sem hér eru sýndar sýna hvað það myndi kosta að hefja frekari rannsóknir á þessum efnum. Þessar rannsóknir geta fjallað um loftbólurof og UV-vörn íhluta eftir uppsetningu. Það gæti verið mögulegt að nota elastómer- eða keramikhúðun til að draga úr loftbólum eða tryggja að túrbínan gangi í þeim flæðis- og þrýstingsskilyrðum sem koma í veg fyrir loftbólur. Það verður mikilvægt að prófa og leysa þessi og önnur vandamál til að tryggja að einingarnar geti náð svipaðri áreiðanleika og stáltúrbínur, sérstaklega ef þær eiga að vera settar upp á svæðum þar sem viðhald verður sjaldgæft.
Jafnvel í þessum litlu lotum geta sumir samsettir íhlutir verið hagkvæmir vegna minni vinnuafls sem þarf til framleiðslu. Til dæmis myndi skrúfuhylki fyrir 2-MW Francis eininguna kosta 80.000 dollara að vera suðið úr stáli samanborið við 25.000 dollara fyrir samsetta framleiðslu. Hins vegar, að því gefnu að hönnun túrbínuhlaupa takist vel, er kostnaðurinn við að móta samsettu hlaupin meiri en sambærilegra stálíhluta. 2-MW hlaupið myndi kosta um 23.000 dollara að framleiða úr stáli, samanborið við 27.000 dollara fyrir samsetta hluti. Kostnaður getur verið mismunandi eftir vélum. Og kostnaðurinn við samsetta íhluti myndi lækka verulega við stærri framleiðslulotur ef hægt væri að endurnýta mótin.
Rannsakendur hafa þegar rannsakað smíði túrbínuhlaupa úr samsettum efnum.8 Þessi rannsókn fjallaði þó ekki um loftbólurof og hagkvæmni smíði þeirra. Næsta skref fyrir samsettar túrbínur er að hanna og smíða líkan sem gerir kleift að sanna hagkvæmni og hagkvæmni framleiðslu. Þessa einingu er síðan hægt að prófa til að ákvarða skilvirkni og notagildi, sem og aðferðir til að koma í veg fyrir óhóflega loftbólurof.
Birtingartími: 15. febrúar 2022
