כיצד ניתן להשתמש בחומרים מרוכבים עבור טורבינות הידרו קטנות של פורסטר

חומרים מרוכבים עושים פריצת דרך בבניית ציוד לתעשיית הכוח ההידרואלקטרי. חקירה של חוזק החומר וקריטריונים אחרים מגלה יישומים רבים נוספים, במיוחד עבור יחידות קטנות ומיקרו.
מאמר זה הוערך ונערך בהתאם לביקורות שבוצעו על ידי שני אנשי מקצוע או יותר בעלי מומחיות רלוונטית. בודקים עמיתים אלה שופטים כתבי יד על פי דיוק טכני, תועלת וחשיבות כוללת בתעשיית ההידרואלקטרית.
עלייתם של חומרים חדשים מספקת הזדמנויות מרגשות לתעשיית ההידרואלקטרית. עץ - ששימש בגלגלי המים ובפתחי הניקוז המקוריים - הוחלף בחלקו על ידי רכיבי פלדה בתחילת המאה ה-19. פלדה שומרת על חוזקה באמצעות עומס עייפות גבוה ועמידה בפני שחיקה וקורוזיה כתוצאה מקביטציה. תכונותיה מובנות היטב ותהליכי ייצור הרכיבים מפותחים היטב. עבור יחידות גדולות, פלדה תישאר ככל הנראה החומר המועדף.
עם זאת, לאור עלייתן של טורבינות קטנות (מתחת ל-10 מגה-וואט) ועד למיני-טורבינות (מתחת ל-100 קילוואט), ניתן להשתמש בחומרים מרוכבים כדי לחסוך במשקל ולהפחית את עלויות הייצור וההשפעה הסביבתית. זה רלוונטי במיוחד לאור הצורך המתמשך בצמיחה באספקת החשמל. כושר הייצור ההידרואלקטרי העולמי המותקן, כמעט 800,000 מגה-וואט, על פי מחקר משנת 2009 של Norwegian Renewable Energy Partners, מהווה רק 10% מהיתכנות כלכלית ו-6% מהיתכנות טכנית של אנרגיה הידרואלקטרית. הפוטנציאל להביא יותר מהיתכנות טכנית של אנרגיה הידרואלקטרית לתחום היתכנות כלכלית עולה עם היכולת של רכיבים מרוכבים לספק יתרון לגודל.

ייצור רכיבים מרוכבים
כדי לייצר את צינור הניקוז בצורה חסכונית ועם חוזק גבוה ועקבי, השיטה הטובה ביותר היא ליפוף חוטים. מוט גדול עטוף בקוטר סיבים שעברו דרך אמבט שרף. הקוטרים עטופים בתבניות חישוק וסליליות כדי ליצור חוזק ללחץ פנימי, כיפוף אורכי וטיפול. סעיף התוצאות שלהלן מציג את העלות והמשקל למטר עבור שני גדלי צינור הניקוז, בהתבסס על הצעת מחיר מספקים מקומיים. הצעת המחיר הראתה שעובי התכנון הושפע מדרישות ההתקנה והטיפול, ולא מעומס הלחץ הנמוך יחסית, ועבור שניהם הוא היה 2.28 ס"מ.
שתי שיטות ייצור נשקלו עבור שערי השער והכנפיים התומכות; שכבה רטובה ואינפוזיה בוואקום. שכבה רטובה משתמשת בבד יבש, אשר ספוג על ידי שפיכת שרף על הבד ושימוש בגלילים לדחיפת השרף לתוך הבד. תהליך זה אינו נקי כמו עירוי בוואקום ולא תמיד מייצר את המבנה האופטימלי ביותר מבחינת יחס סיבים לשרף, אך הוא לוקח פחות זמן מתהליך עירוי בוואקום. עירוי בוואקום גורם להנחת סיבים יבשים בכיוונים הנכונים, ולאחר מכן הערימה היבשה נארזת בשקית ואקום ומחוברים אביזרים נוספים המובילים לאספקת שרף, אשר נשאבת לתוך החלק כאשר מופעל הוואקום. הוואקום מסייע בשמירה על כמות השרף ברמה אופטימלית ומפחית את שחרורם של חומרים אורגניים נדיפים.
מארז הגלילה יבוצע בתבנית ידנית בשני חצאים נפרדים על גבי תבנית זכר כדי להבטיח משטח פנימי חלק. לאחר מכן, שני חצאים אלה יודבקו יחד באמצעות סיבים שיתווספו לחלק החיצוני בנקודת ההדבקה כדי להבטיח חוזק מספק. עומס הלחץ במארז הגלילה אינו דורש חומר מרוכב מתקדם בעל חוזק גבוה, כך ששכבה רטובה של בד פיברגלס עם שרף אפוקסי תספיק. עובי מארז הגלילה התבסס על אותו פרמטר תכנון כמו צינור הניקוז. יחידת 250 קילוואט היא מכונת זרימה צירית, כך שאין מארז גלילה.

רולר טורבינה משלב גיאומטריה מורכבת עם דרישות עומס גבוהות. עבודות אחרונות הראו כי ניתן לייצר רכיבים מבניים בעלי חוזק גבוה מחומר SMC פרפרג קצוץ (prepreg SMC) עם חוזק וקשיחות מצוינים.5 זרוע המתלה של למבורגיני גאלארדו תוכננה באמצעות שכבות מרובות של חומר SMC פרפרג קצוץ, המכונה קומפוזיט מחושל, אשר יצוקה בדחיסה כדי לייצר את העובי הנדרש. ניתן ליישם את אותה שיטה על רולר הפרנסיס והמדחף. לא ניתן לייצר את רולר הפרנסיס כיחידה אחת, מכיוון שמורכבות חפיפת הלהבים תמנע את הוצאת החלק מהתבנית. לפיכך, להבי הרולר, הכתר והפס מיוצרים בנפרד ולאחר מכן מודבקים יחד ומחוזקים באמצעות ברגים דרך החלק החיצוני של הכתר והפס.
בעוד שצינור הדחיפה מיוצר בקלות רבה ביותר באמצעות ליפוף פילמנט, תהליך זה לא זכה למסחר באמצעות סיבים טבעיים. לכן נבחרה שיטת השכבה הידנית, שכן זוהי שיטת ייצור סטנדרטית, למרות עלויות העבודה הגבוהות יותר. באמצעות תבנית זכר הדומה למנדריל, ניתן להשלים את השכבה כאשר התבנית אופקית ולאחר מכן מסובבת אנכית לצורך ייבוש, ובכך למנוע שקיעה בצד אחד. משקל החלקים המרוכבים ישתנה מעט בהתאם לכמות השרף בחלק המוגמר. מספרים אלה מבוססים על 50% ממשקל הסיבים.
המשקלים הכוללים של טורבינת הפלדה והמרוכבת בהספק של 2 מגה-וואט הם 9,888 ק"ג ו-7,016 ק"ג, בהתאמה. טורבינות הפלדה והמרוכבות בהספק של 250 קילוואט הן 3,734 ק"ג ו-1,927 ק"ג, בהתאמה. הסכומים מניחים 20 שערי שער לכל טורבינה ואורך פתח כניסה שווה לראש הטורבינה. ​​סביר להניח שפתח הכניסה יהיה ארוך יותר ודורש אביזרים, אך מספר זה נותן הערכה בסיסית של משקל היחידה והאביזרים ההיקפיים הנלווים. הגנרטור, הברגים וחומרת הפעלת השער אינם כלולים ומניחים שהם דומים בין יחידות המרוכבות ליחידות הפלדה. כמו כן, ראוי לציין שתכנון מחדש של המסלול הנדרש כדי להתחשב בריכוזי המאמץ שנראו ב-FEA יוסיף משקל ליחידות המרוכבות, אך הכמות מניחת כמינימלית, בסדר גודל של 5 ק"ג כדי לחזק נקודות עם ריכוז מאמץ.
עם המשקלים הנתונים, הטורבינה המרוכבת של 2 מגה-וואט ואת פתח הניקוז שלה יוכלו להיות מורמות על ידי ה-V-22 Osprey המהיר, בעוד שמכונת הפלדה תדרוש מסוק צ'ינוק כפול-רוטורי איטי ופחות קל לתמרון. כמו כן, הטורבינה המרוכבת של 2 מגה-וואט ואת פתח הניקוז יוכלו להיגרר על ידי F-250 4×4, בעוד שיחידת הפלדה תדרוש משאית גדולה יותר שתהיה קשה לתמרן בדרכי יער אם ההתקנה תהיה מרוחקת.

מסקנות
ניתן לבנות טורבינות מחומרים מרוכבים, ונראתה הפחתה של 50% עד 70% במשקל בהשוואה לרכיבי פלדה קונבנציונליים. המשקל המופחת יכול לאפשר התקנת טורבינות מרוכבות במקומות מרוחקים. בנוסף, הרכבת מבנים מרוכבים אלה אינה דורשת ציוד ריתוך. הרכיבים דורשים גם פחות חלקים להברגה יחד, מכיוון שכל חלק יכול להיות מיוצר במקטע אחד או שניים. בסדרות הייצור הקטנות שמודלנו במחקר זה, עלות התבניות וכלים אחרים שולטים בעלות הרכיב.
המסלולים הקטנים המצוינים כאן מראים כמה יעלה להתחיל במחקר נוסף על חומרים אלה. מחקר זה יכול להתייחס לשחיקה מקביטציה ובהגנה מפני קרינת UV של הרכיבים לאחר ההתקנה. ייתכן שניתן יהיה להשתמש בציפויים אלסטומריים או קרמיים כדי להפחית קוויטציה או להבטיח שהטורבינה פועלת במשטרי זרימה וגובה ראש המונעים התרחשות קוויטציה. חשוב לבדוק ולפתור בעיות אלו ואחרות כדי להבטיח שהיחידות יוכלו להשיג אמינות דומה לטורבינות פלדה, במיוחד אם הן יותקנו באזורים שבהם התחזוקה תהיה נדירה.
אפילו ברצפים קטנים אלה, חלק מהרכיבים המרוכבים יכולים להיות חסכוניים עקב עבודה מופחתת הנדרשת לייצור. לדוגמה, ריתוך של גוף גלילה עבור יחידת Francis של 2 מגה-וואט יעלה 80,000 דולר מפלדה, בהשוואה ל-25,000 דולר לייצור מרוכבים. עם זאת, בהנחה של תכנון מוצלח של מסילות טורבינה, עלות עיצוב המסילות המרוכבות גבוהה יותר מרכיבי פלדה מקבילים. ייצור מסילה של 2 מגה-וואט יעלה כ-23,000 דולר מפלדה, בהשוואה ל-27,000 דולר מריחואנה מרוכבת. העלויות עשויות להשתנות בהתאם למכונה. והעלות של רכיבים מרוכבים תרד משמעותית ברצפי ייצור גבוהים יותר אם ניתן יהיה לעשות שימוש חוזר בתבניות.
חוקרים כבר חקרו את בנייתן של גרורות טורבינות מחומרים מרוכבים.8 עם זאת, מחקר זה לא התייחס לשחיקה עקב קוויטציה ובהיתכנות הבנייה. השלב הבא עבור טורבינות מרוכבות הוא לתכנן ולבנות מודל בקנה מידה שיאפשר הוכחת היתכנות וחסכון בייצור. לאחר מכן ניתן לבחון יחידה זו כדי לקבוע יעילות וישימות, כמו גם שיטות למניעת שחיקה עקב קוויטציה עודפת.