I materiali compositi si stanno facendo strada nella costruzione di apparecchiature per il settore idroelettrico. Un'indagine sulla resistenza dei materiali e su altri criteri rivela molte altre applicazioni, in particolare per unità di piccole e micro dimensioni.
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L'avvento di nuovi materiali offre interessanti opportunità per l'industria idroelettrica. Il legno, utilizzato nelle ruote idrauliche e nelle condotte forzate originali, fu in parte soppiantato da componenti in acciaio all'inizio del XIX secolo. L'acciaio mantiene la sua resistenza anche sotto elevati carichi di fatica e resiste all'erosione da cavitazione e alla corrosione. Le sue proprietà sono ben note e i processi di produzione dei componenti sono ben sviluppati. Per le unità di grandi dimensioni, l'acciaio rimarrà probabilmente il materiale di scelta.
Tuttavia, dato l'aumento delle turbine di piccole dimensioni (inferiori a 10 MW) e micro (inferiori a 100 kW), i materiali compositi possono essere utilizzati per risparmiare peso, ridurre i costi di produzione e l'impatto ambientale. Ciò è particolarmente rilevante data la continua necessità di crescita della fornitura di energia elettrica. La capacità idroelettrica installata a livello mondiale, quasi 800.000 MW secondo uno studio del 2009 di Norwegian Renewable Energy Partners, rappresenta solo il 10% di quella economicamente fattibile e il 6% di quella tecnicamente fattibile. Il potenziale di portare una maggiore quantità di energia idroelettrica tecnicamente fattibile nel regno della fattibilità economica aumenta con la capacità dei componenti compositi di garantire economie di scala.
Produzione di componenti compositi
Per produrre la condotta forzata in modo economico e con un'elevata resistenza costante, il metodo migliore è l'avvolgimento di filamenti. Un mandrino di grandi dimensioni viene avvolto con fili di fibra che sono stati fatti passare attraverso un bagno di resina. I fili sono avvolti con schemi circolari ed elicoidali per creare resistenza alla pressione interna, alla flessione longitudinale e alla movimentazione. La sezione dei risultati riportata di seguito mostra il costo e il peso al piede per le due dimensioni della condotta forzata, sulla base di un preventivo di fornitori locali. Il preventivo ha mostrato che lo spessore di progetto era determinato dalle esigenze di installazione e movimentazione, piuttosto che dal carico di pressione relativamente basso, e per entrambi era di 2,28 cm.
Per i cancelletti e le alette di supporto sono stati considerati due metodi di produzione: la laminazione a umido e l'infusione sotto vuoto. La laminazione a umido utilizza un tessuto secco, che viene impregnato versandovi sopra della resina e utilizzando dei rulli per spingerla all'interno. Questo processo non è pulito quanto l'infusione sotto vuoto e non sempre produce la struttura più ottimale in termini di rapporto fibra-resina, ma richiede meno tempo rispetto all'infusione sotto vuoto. L'infusione sotto vuoto deposita le fibre secche con il corretto orientamento, quindi la pila asciutta viene confezionata sotto vuoto e vengono aggiunti raccordi aggiuntivi che generano una riserva di resina, che viene aspirata all'interno del componente quando viene applicato il vuoto. Il vuoto aiuta a mantenere la quantità di resina a un livello ottimale e riduce il rilascio di sostanze organiche volatili.
La cassa a spirale sarà realizzata manualmente in due metà separate su uno stampo maschio per garantire una superficie interna liscia. Queste due metà saranno poi unite con l'aggiunta di fibra all'esterno nel punto di giunzione per garantire un'adeguata resistenza. Il carico di pressione nella cassa a spirale non richiede un composito avanzato ad alta resistenza, quindi sarà sufficiente una laminazione a umido di tessuto in fibra di vetro con resina epossidica. Lo spessore della cassa a spirale è stato basato sugli stessi parametri di progettazione della condotta forzata. L'unità da 250 kW è una macchina a flusso assiale, quindi non è presente una cassa a spirale.
Una girante per turbina combina una geometria complessa con elevati requisiti di carico. Studi recenti hanno dimostrato che è possibile realizzare componenti strutturali ad alta resistenza da un preimpregnato SMC tagliato con eccellenti caratteristiche di resistenza e rigidità.5 Il braccio delle sospensioni della Lamborghini Gallardo è stato progettato utilizzando più strati di un preimpregnato SMC tagliato, noto come composito forgiato, stampati a compressione per ottenere lo spessore richiesto. Lo stesso metodo può essere applicato alle giranti Francis e per elica. La girante Francis non può essere realizzata in un'unica unità, poiché la complessità della sovrapposizione delle pale impedirebbe l'estrazione del componente dallo stampo. Pertanto, le pale, la corona e la fascia della girante vengono prodotte separatamente e poi incollate insieme e rinforzate con bulloni attraverso l'esterno della corona e della fascia.
Sebbene il tubo di scarico sia più facilmente realizzabile tramite avvolgimento di filamenti, questo processo non è stato ancora commercializzato utilizzando fibre naturali. Pertanto, è stata scelta la laminazione manuale, in quanto metodo di produzione standard, nonostante i maggiori costi di manodopera. Utilizzando uno stampo maschio simile a un mandrino, la laminazione può essere completata con lo stampo in posizione orizzontale e poi ruotato in verticale per la polimerizzazione, evitando cedimenti su un lato. Il peso dei componenti in composito varierà leggermente a seconda della quantità di resina nel componente finito. Questi valori si basano su un peso di fibra pari al 50%.
I pesi totali per la turbina da 2 MW in acciaio e in composito sono rispettivamente di 9.888 kg e 7.016 kg. Le turbine da 250 kW in acciaio e in composito pesano rispettivamente 3.734 kg e 1.927 kg. I totali presuppongono 20 paratoie per ciascuna turbina e una condotta forzata di lunghezza pari alla testa della turbina. È probabile che la condotta forzata sia più lunga e richieda raccordi, ma questo numero fornisce una stima di base del peso dell'unità e delle relative periferiche. Il generatore, i bulloni e i componenti di azionamento delle paratoie non sono inclusi e si presume che siano simili tra le unità in composito e in acciaio. È inoltre opportuno notare che la riprogettazione della girante, necessaria per tenere conto delle concentrazioni di stress osservate nell'analisi agli elementi finiti, aumenterebbe il peso delle unità in composito, ma si presume che l'entità sia minima, nell'ordine dei 5 kg, per rinforzare i punti con concentrazioni di stress.
Con i pesi indicati, la turbina composita da 2 MW e la sua condotta forzata potrebbero essere sollevate dal veloce V-22 Osprey, mentre la macchina in acciaio richiederebbe un elicottero birotore Chinook, più lento e meno manovrabile. Inoltre, la turbina composita da 2 MW e la condotta forzata potrebbero essere trainate da un F-250 4x4, mentre l'unità in acciaio richiederebbe un camion più grande, difficile da manovrare su strade forestali se l'installazione fosse remota.
Conclusioni
È possibile costruire turbine in materiali compositi, e si è osservata una riduzione del peso dal 50% al 70% rispetto ai componenti in acciaio convenzionali. Il peso ridotto consente l'installazione di turbine in materiali compositi in luoghi remoti. Inoltre, l'assemblaggio di queste strutture composite non richiede attrezzature per la saldatura. I componenti richiedono inoltre un minor numero di componenti da imbullonare, poiché ogni pezzo può essere realizzato in una o due sezioni. Nei piccoli lotti di produzione modellati in questo studio, il costo degli stampi e di altre attrezzature prevale sul costo dei componenti.
Le piccole produzioni indicate qui mostrano quanto costerebbe avviare ulteriori ricerche su questi materiali. Questa ricerca può affrontare il problema dell'erosione da cavitazione e la protezione UV dei componenti dopo l'installazione. Potrebbe essere possibile utilizzare rivestimenti elastomerici o ceramici per ridurre la cavitazione o garantire che la turbina funzioni nei regimi di portata e prevalenza che ne impediscono il verificarsi. Sarà importante testare e risolvere questi e altri problemi per garantire che le unità possano raggiungere un'affidabilità simile a quella delle turbine in acciaio, soprattutto se devono essere installate in aree in cui la manutenzione sarà poco frequente.
Anche per piccole tirature, alcuni componenti in composito possono essere convenienti grazie alla minore manodopera richiesta per la produzione. Ad esempio, la cassa di una spirale per l'unità Francis da 2 MW costerebbe 80.000 dollari saldata in acciaio, rispetto ai 25.000 dollari per la produzione in composito. Tuttavia, ipotizzando una progettazione efficace delle giranti della turbina, il costo per lo stampaggio delle giranti in composito è superiore a quello di componenti in acciaio equivalenti. La girante da 2 MW costerebbe circa 23.000 dollari prodotta in acciaio, rispetto ai 27.000 dollari per quella in composito. I costi possono variare a seconda della macchina. E il costo dei componenti in composito si ridurrebbe considerevolmente con tirature più elevate se gli stampi potessero essere riutilizzati.
I ricercatori hanno già studiato la costruzione di giranti per turbine in materiali compositi.8 Tuttavia, questo studio non ha affrontato l'erosione da cavitazione e la fattibilità costruttiva. Il passo successivo per le turbine in materiali compositi è progettare e costruire un modello in scala che consenta di dimostrare la fattibilità e l'economicità di produzione. Questa unità può quindi essere testata per determinarne l'efficienza e l'applicabilità, nonché i metodi per prevenire l'eccessiva erosione da cavitazione.
Data di pubblicazione: 15 febbraio 2022
