Bahan komposit sedang meneroka pembinaan peralatan untuk industri kuasa hidroelektrik. Satu kajian terhadap kekuatan bahan dan kriteria lain mendedahkan lebih banyak aplikasi, terutamanya untuk unit kecil dan mikro.
Artikel ini telah dinilai dan disunting mengikut ulasan yang dijalankan oleh dua atau lebih profesional yang mempunyai kepakaran yang berkaitan. Pengulas sebaya ini menilai manuskrip dari segi ketepatan teknikal, kegunaan dan kepentingan keseluruhan dalam industri hidroelektrik.
Kebangkitan bahan baharu menyediakan peluang menarik untuk industri hidroelektrik. Kayu — yang digunakan dalam kincir air dan penstock asal — telah digantikan sebahagiannya oleh komponen keluli pada awal tahun 1800-an. Keluli mengekalkan kekuatannya melalui beban lesu yang tinggi dan tahan hakisan peronggaan dan kakisan. Sifat-sifatnya difahami dengan baik dan proses pembuatan komponen telah dibangunkan dengan baik. Bagi unit yang besar, keluli mungkin akan kekal sebagai bahan pilihan.
Walau bagaimanapun, memandangkan peningkatan turbin bersaiz kecil (di bawah 10 MW) kepada bersaiz mikro (di bawah 100 kW), komposit boleh digunakan untuk menjimatkan berat dan mengurangkan kos pengeluaran dan impak alam sekitar. Ini amat relevan memandangkan keperluan berterusan untuk pertumbuhan bekalan elektrik. Kapasiti hidro dunia yang dipasang, hampir 800,000 MW menurut kajian 2009 oleh Norwegian Renewable Energy Partners, hanya 10% daripada kuasa hidro yang boleh dilaksanakan secara ekonomi dan 6% daripada kuasa hidro yang boleh dilaksanakan secara teknikal. Potensi untuk membawa lebih banyak hidro yang boleh dilaksanakan secara teknikal ke dalam bidang yang boleh dilaksanakan secara ekonomi meningkat dengan keupayaan komponen komposit untuk menyediakan ekonomi skala.
Pembuatan komponen komposit
Untuk mengeluarkan penstock secara ekonomi dan dengan kekuatan tinggi yang konsisten, kaedah terbaik ialah penggulungan filamen. Mandrel besar dibalut dengan tunda gentian yang telah dilalui melalui rendaman resin. Tunda dibalut dengan corak gelung dan heliks untuk menghasilkan kekuatan untuk tekanan dalaman, lenturan membujur dan pengendalian. Bahagian keputusan di bawah menunjukkan kos dan berat setiap kaki untuk dua saiz penstock, berdasarkan sebut harga daripada pembekal tempatan. Sebut harga menunjukkan bahawa ketebalan reka bentuk didorong oleh keperluan pemasangan dan pengendalian, bukannya beban tekanan yang agak rendah, dan untuk kedua-duanya ia adalah 2.28 cm.
Dua kaedah pembuatan telah dipertimbangkan untuk pintu wiket dan bilah tetap; layup basah dan infusi vakum. Layup basah menggunakan fabrik kering, yang diresapi dengan menuang resin ke atas fabrik dan menggunakan penggelek untuk menolak resin ke dalam fabrik. Proses ini tidak sebersih infusi vakum dan tidak selalu menghasilkan struktur yang paling optimum dari segi nisbah gentian-ke-resin, tetapi ia mengambil masa yang lebih singkat daripada proses infusi vakum. Infusi vakum menyimpan gentian kering dalam orientasi yang betul, dan timbunan kering kemudiannya dibungkus dalam beg vakum dan kelengkapan tambahan dipasang yang membawa kepada bekalan resin, yang ditarik ke dalam bahagian apabila vakum digunakan. Vakum membantu mengekalkan jumlah resin pada tahap optimum dan mengurangkan pembebasan organik meruap.
Kotak skrol akan menggunakan susunan tangan dalam dua bahagian berasingan pada acuan jantan untuk memastikan permukaan dalaman yang licin. Kedua-dua bahagian ini kemudiannya akan diikat bersama dengan gentian yang ditambah pada bahagian luar pada titik ikatan untuk memastikan kekuatan yang mencukupi. Beban tekanan dalam kotak skrol tidak memerlukan komposit termaju berkekuatan tinggi, jadi susunan basah fabrik gentian kaca dengan resin epoksi akan mencukupi. Ketebalan kotak skrol adalah berdasarkan parameter reka bentuk yang sama seperti penstock. Unit 250-kW ialah mesin aliran paksi, jadi tiada kotak skrol.
Pelari turbin menggabungkan geometri kompleks dengan keperluan beban yang tinggi. Kerja-kerja terbaru telah menunjukkan bahawa komponen struktur berkekuatan tinggi boleh dihasilkan daripada SMC prepreg cincang dengan kekuatan dan kekakuan yang sangat baik.5 Lengan suspensi Lamborghini Gallardo direka bentuk menggunakan berbilang lapisan SMC prepreg cincang yang dikenali sebagai komposit tempa, acuan mampatan untuk menghasilkan ketebalan yang diperlukan. Kaedah yang sama boleh digunakan pada pelari Francis dan kipas. Pelari Francis tidak boleh dibuat sebagai satu unit, kerana kerumitan pertindihan bilah akan menghalang bahagian daripada diekstrak daripada acuan. Oleh itu, bilah pelari, mahkota dan jalur dihasilkan secara berasingan dan kemudian diikat bersama dan diperkukuh dengan bolt melalui bahagian luar mahkota dan jalur.
Walaupun tiub draf paling mudah dihasilkan menggunakan penggulungan filamen, proses ini belum dikomersialkan menggunakan gentian semula jadi. Oleh itu, pemasangan manual telah dipilih, kerana ini adalah kaedah pembuatan standard, walaupun kos buruhnya lebih tinggi. Menggunakan acuan jantan yang serupa dengan mandrel, pemasangan boleh disiapkan dengan acuan mendatar dan kemudian dipusingkan menegak untuk mengeras, mencegah kendur pada satu sisi. Berat bahagian komposit akan sedikit berbeza bergantung pada jumlah resin dalam bahagian siap. Angka-angka ini adalah berdasarkan 50% berat gentian.
Jumlah berat untuk turbin keluli dan komposit 2-MW masing-masing ialah 9,888 kg dan 7,016 kg. Turbin keluli dan komposit 250-kW masing-masing ialah 3,734 kg dan 1,927 kg. Jumlah tersebut mengandaikan 20 get wiket untuk setiap turbin dan panjang penstock yang sama dengan kepala turbin. Penstock berkemungkinan lebih panjang dan memerlukan kelengkapan, tetapi nombor ini memberikan anggaran asas berat unit dan periferal yang berkaitan. Penjana, bolt dan perkakasan penggerak get tidak disertakan dan diandaikan serupa antara unit komposit dan keluli. Perlu juga diperhatikan bahawa reka bentuk semula pelari yang diperlukan untuk mengambil kira kepekatan tegasan yang dilihat dalam FEA akan menambah berat kepada unit komposit, tetapi jumlahnya diandaikan minimum, sekitar 5 kg untuk mengukuhkan titik dengan kepekatan tegasan.
Dengan berat yang diberikan, turbin komposit 2-MW dan penstocknya boleh diangkat oleh V-22 Osprey yang laju, manakala mesin keluli memerlukan helikopter rotor berkembar Chinook yang lebih perlahan dan kurang mudah dikendalikan. Turbin komposit 2-MW dan penstock boleh ditunda oleh F-250 4×4, manakala unit keluli memerlukan trak yang lebih besar yang sukar untuk dikendalikan di jalan hutan jika pemasangannya jauh.
Kesimpulan
Turbin boleh dibina daripada bahan komposit, dan pengurangan berat sebanyak 50% hingga 70% telah dilihat berbanding komponen keluli konvensional. Berat yang dikurangkan membolehkan turbin komposit dipasang di lokasi terpencil. Di samping itu, pemasangan struktur komposit ini tidak memerlukan peralatan kimpalan. Komponen juga memerlukan lebih sedikit bahagian untuk dibolt bersama, kerana setiap bahagian boleh dibuat dalam satu atau dua bahagian. Pada pengeluaran kecil yang dimodelkan dalam kajian ini, kos acuan dan peralatan lain mendominasi kos komponen.
Larian kecil yang ditunjukkan di sini menunjukkan kos untuk memulakan penyelidikan lanjut tentang bahan-bahan ini. Penyelidikan ini boleh menangani hakisan peronggaan dan perlindungan UV komponen selepas pemasangan. Ia mungkin boleh menggunakan salutan elastomer atau seramik untuk mengurangkan peronggaan atau memastikan turbin berjalan dalam rejim aliran dan turus yang menghalang peronggaan daripada berlaku. Adalah penting untuk menguji dan menyelesaikan isu-isu ini dan isu-isu lain bagi memastikan unit boleh mencapai kebolehpercayaan yang serupa dengan turbin keluli, terutamanya jika ia akan dipasang di kawasan yang jarang penyelenggaraannya.
Walaupun pada larian kecil ini, sesetengah komponen komposit boleh menjadi kos efektif kerana pengurangan tenaga kerja yang diperlukan untuk pembuatan. Contohnya, bekas skrol untuk unit Francis 2-MW akan menelan belanja $80,000 untuk dikimpal daripada keluli berbanding $25,000 untuk pembuatan komposit. Walau bagaimanapun, dengan mengandaikan reka bentuk pelari turbin yang berjaya, kos untuk membentuk pelari komposit adalah lebih tinggi daripada komponen keluli yang setara. Pelari 2-MW akan menelan belanja kira-kira $23,000 untuk pembuatan daripada keluli, berbanding $27,000 daripada komposit. Kos mungkin berbeza mengikut mesin. Dan kos untuk komponen komposit akan menurun dengan ketara pada larian pengeluaran yang lebih tinggi jika acuan boleh digunakan semula.
Para penyelidik telah pun menyiasat pembinaan pelari turbin daripada bahan komposit.8 Walau bagaimanapun, kajian ini tidak menangani hakisan peronggaan dan kebolehlaksanaan pembinaan. Langkah seterusnya untuk turbin komposit adalah untuk mereka bentuk dan membina model skala yang akan membolehkan bukti kebolehlaksanaan dan ekonomi pembuatan. Unit ini kemudiannya boleh diuji untuk menentukan kecekapan dan kebolehgunaan, serta kaedah untuk mencegah hakisan peronggaan yang berlebihan.
Masa siaran: 15 Feb-2022
