Bahan komposit lagi nggawe kemajuan ing konstruksi peralatan kanggo industri tenaga hidroelektrik. Investigasi babagan kekuatan bahan lan kriteria liyane nuduhake luwih akeh aplikasi, utamane kanggo unit cilik lan mikro.
Artikel iki wis dievaluasi lan disunting miturut ulasan sing ditindakake dening rong profesional utawa luwih sing duwe keahlian sing relevan. Para peer reviewer iki ngadili manuskrip kanggo akurasi teknis, kegunaan, lan pentinge sakabèhé ing industri hidroelektrik.
Munculé bahan-bahan anyar nyedhiyakake kesempatan sing nyenengake kanggo industri hidroelektrik. Kayu — sing digunakake ing kincir banyu lan penstock asli — sebagian diganti dening komponen baja ing awal taun 1800-an. Baja njaga kekuwatane sanajan ana beban lelah sing dhuwur lan tahan erosi lan korosi kavitasi. Sifat-sifate wis dingerteni kanthi apik lan proses kanggo nggawe komponen wis dikembangake kanthi apik. Kanggo unit gedhe, baja kemungkinan bakal tetep dadi bahan pilihan.
Nanging, amarga anane turbin cilik (ing ngisor 10 MW) nganti mikro (ing ngisor 100 kW), komposit bisa digunakake kanggo ngirit bobot lan nyuda biaya manufaktur lan dampak lingkungan. Iki penting banget amarga kebutuhan terus kanggo pertumbuhan pasokan listrik. Kapasitas hidro sing dipasang ing donya, meh 800.000 MW miturut panliten taun 2009 dening Norwegian Renewable Energy Partners, mung 10% saka layak sacara ekonomi lan 6% saka tenaga hidro sing layak sacara teknis. Potensi kanggo nggawa luwih akeh hidro sing layak sacara teknis menyang ranah layak sacara ekonomi mundhak kanthi kemampuan komponen komposit kanggo nyedhiyakake skala ekonomi.
Pabrikasi komponen komposit
Kanggo nggawe penstock kanthi ekonomis lan kanthi kekuatan dhuwur sing konsisten, cara paling apik yaiku nggulung filamen. Mandrel gedhe dibungkus nganggo derek serat sing wis dilewati liwat bak resin. Tarik kasebut dibungkus nganggo pola hoop lan heliks kanggo nggawe kekuatan kanggo tekanan internal, lentur longitudinal, lan penanganan. Bagean asil ing ngisor iki nuduhake biaya lan bobot saben kaki kanggo rong ukuran penstock, adhedhasar kutipan saka pemasok lokal. Kutipan kasebut nuduhake yen kekandelan desain didorong dening syarat instalasi lan penanganan, tinimbang beban tekanan sing relatif rendah, lan kanggo loro-lorone yaiku 2,28 cm.
Rong cara manufaktur sing ditimbang kanggo gapura gawang lan baling-baling tetep yaiku; layup teles lan infus vakum. Layup teles nggunakake kain garing, sing diresapi kanthi ngecor resin ing kain lan nggunakake rol kanggo ndorong resin menyang kain. Proses iki ora resik kaya infus vakum lan ora mesthi ngasilake struktur sing paling optimal babagan rasio serat-resin, nanging butuh wektu luwih sithik tinimbang proses infus vakum. Infus vakum nyimpen serat garing ing orientasi sing bener, lan tumpukan garing banjur dibungkus vakum lan fitting tambahan dipasang sing ndadékaké pasokan resin, sing ditarik menyang bagean kasebut nalika vakum ditrapake. Vakum mbantu njaga jumlah resin ing tingkat optimal lan nyuda pelepasan organik sing gampang nguap.
Wadhah gulung bakal nggunakake layup tangan ing rong bagean sing kapisah ing cetakan lanang kanggo njamin permukaan njero sing alus. Rong bagean iki banjur bakal diikat bebarengan karo serat sing ditambahake ing sisih njaba ing titik ikatan kanggo njamin kekuatan sing cukup. Beban tekanan ing wadhah gulung ora mbutuhake komposit canggih kanthi kekuatan dhuwur, mula layup teles kain fiberglass nganggo resin epoksi bakal cukup. Kekandelan wadhah gulung adhedhasar parameter desain sing padha karo penstock. Unit 250-kW minangka mesin aliran aksial, mula ora ana wadhah gulung.
Runner turbin nggabungake geometri sing kompleks kanthi syarat beban sing dhuwur. Karya anyar wis nduduhake manawa komponen struktural kekuatan dhuwur bisa digawe saka SMC prepreg sing dicincang kanthi kekuatan lan kekakuan sing apik banget.5 Lengan suspensi Lamborghini Gallardo dirancang nggunakake pirang-pirang lapisan SMC prepreg sing dicincang sing dikenal minangka komposit tempa, cetakan kompresi kanggo ngasilake kekandelan sing dibutuhake. Cara sing padha bisa ditrapake kanggo runner Francis lan baling-baling. Runner Francis ora bisa digawe minangka siji unit, amarga kerumitan tumpang tindih bilah bakal nyegah bagean kasebut diekstrak saka cetakan. Mangkono, bilah runner, makutha lan pita digawe kanthi kapisah banjur diikat bebarengan lan dikuatake nganggo baut liwat sisih njaba makutha lan pita.
Sanajan tabung draf paling gampang digawe nggunakake lilitan filamen, proses iki durung dikomersialake nggunakake serat alami. Mula, layup tangan dipilih, amarga iki minangka metode standar manufaktur, sanajan biaya tenaga kerja luwih dhuwur. Nggunakake cetakan lanang sing padha karo mandrel, layup bisa dirampungake kanthi cetakan horisontal banjur diputer vertikal supaya garing, nyegah kendur ing salah sawijining sisih. Bobot bagean komposit bakal beda-beda gumantung saka jumlah resin ing bagean sing wis rampung. Angka-angka iki adhedhasar bobot serat 50%.
Bobot total kanggo turbin baja lan komposit 2-MW yaiku 9.888 kg lan 7.016 kg. Turbin baja lan komposit 250-kW yaiku 3.734 kg lan 1.927 kg. Total kasebut nganggep 20 gerbang wicket kanggo saben turbin lan dawa penstock padha karo sirah turbin. Kamungkinan penstock bakal luwih dawa lan mbutuhake fitting, nanging angka iki menehi perkiraan dhasar babagan bobot unit lan periferal sing ana gandhengane. Generator, baut, lan perangkat keras penggerak gerbang ora kalebu lan dianggep padha antarane unit komposit lan baja. Perlu uga dicathet yen desain ulang runner sing dibutuhake kanggo ngetung konsentrasi stres sing katon ing FEA bakal nambah bobot menyang unit komposit, nanging jumlah kasebut dianggep minimal, udakara 5 kg kanggo nguatake titik kanthi konsentrasi stres.
Kanthi bobot sing diwenehake, turbin komposit 2-MW lan penstock-e bisa diangkat nganggo V-22 Osprey sing cepet, dene mesin baja mbutuhake helikopter rotor kembar Chinook sing luwih alon lan kurang bisa digerakake. Kajaba iku, turbin komposit 2-MW lan penstock bisa ditarik nganggo F-250 4×4, dene unit baja mbutuhake truk sing luwih gedhe sing bakal angel digerakake ing dalan alas yen instalasi kasebut adoh.
Dudutan
Turbin saka bahan komposit bisa digawe kanthi gampang, lan bobote mudhun 50% nganti 70% dibandhingake karo komponen baja konvensional. Bobot sing luwih murah ngidini turbin komposit dipasang ing lokasi sing adoh. Kajaba iku, perakitan struktur komposit iki ora mbutuhake peralatan las. Komponen kasebut uga mbutuhake bagean sing luwih sithik kanggo dibaut, amarga saben potongan bisa digawe ing siji utawa rong bagean. Ing produksi cilik sing dimodelake ing panliten iki, biaya cetakan lan piranti liyane ndominasi biaya komponen.
Riset cilik sing dituduhake ing kene nuduhake biaya kanggo miwiti riset luwih lanjut babagan bahan-bahan kasebut. Riset iki bisa ngatasi erosi kavitasi lan perlindungan UV komponen sawise instalasi. Bisa uga nggunakake lapisan elastomer utawa keramik kanggo nyuda kavitasi utawa mesthekake yen turbin mlaku ing rezim aliran lan head sing nyegah kavitasi kedadeyan. Penting kanggo nguji lan ngrampungake masalah kasebut lan masalah liyane kanggo mesthekake yen unit kasebut bisa entuk keandalan sing padha karo turbin baja, utamane yen bakal dipasang ing wilayah sing perawatane arang banget.
Sanajan ing operasi cilik iki, sawetara komponen komposit bisa efektif biaya amarga tenaga kerja sing dibutuhake kanggo manufaktur mudhun. Contone, kothak gulung kanggo unit Francis 2-MW bakal regane $80.000 kanggo dilas saka baja dibandhingake karo $25.000 kanggo manufaktur komposit. Nanging, kanthi nganggep desain runner turbin sing sukses, biaya kanggo nyetak runner komposit luwih saka komponen baja sing padha. Runner 2-MW bakal regane udakara $23.000 kanggo diprodhuksi saka baja, dibandhingake karo $27.000 saka komposit. Biaya bisa beda-beda miturut mesin. Lan biaya kanggo komponen komposit bakal mudhun banget ing proses produksi sing luwih dhuwur yen cetakan bisa digunakake maneh.
Para peneliti wis nyelidiki konstruksi pelari turbin saka bahan komposit.8 Nanging, panliten iki ora ngrembug erosi kavitasi lan kelayakan konstruksi. Langkah sabanjure kanggo turbin komposit yaiku ngrancang lan mbangun model skala sing bakal ngidini bukti kelayakan lan ekonomi manufaktur. Unit iki banjur bisa diuji kanggo nemtokake efisiensi lan penerapan, uga metode kanggo nyegah erosi kavitasi sing berlebihan.
Wektu kiriman: 15 Februari 2022
