Os materiais compósitos estão ganhando espaço na construção de equipamentos para a indústria de energia hidrelétrica. Uma investigação sobre a resistência do material e outros critérios revela muitas outras aplicações, particularmente para unidades de pequeno e micro porte.
Este artigo foi avaliado e editado de acordo com revisões realizadas por dois ou mais profissionais com experiência relevante. Esses revisores avaliam os manuscritos quanto à precisão técnica, utilidade e importância geral dentro da indústria hidrelétrica.
O surgimento de novos materiais oferece oportunidades empolgantes para a indústria hidrelétrica. A madeira — usada nas rodas d'água e condutos forçados originais — foi parcialmente substituída por componentes de aço no início do século XIX. O aço mantém sua resistência mesmo sob altas cargas de fadiga e resiste à erosão por cavitação e à corrosão. Suas propriedades são bem conhecidas e os processos para a fabricação de componentes são bem desenvolvidos. Para grandes unidades, o aço provavelmente continuará sendo o material de escolha.
No entanto, dado o aumento de turbinas de pequeno porte (abaixo de 10 MW) a microturbinas (abaixo de 100 kW), os materiais compósitos podem ser usados para reduzir o peso, os custos de fabricação e o impacto ambiental. Isso é especialmente relevante considerando a necessidade contínua de crescimento na oferta de eletricidade. A capacidade hidrelétrica instalada mundialmente, de quase 800.000 MW, segundo um estudo de 2009 da Norwegian Renewable Energy Partners, representa apenas 10% da capacidade hidrelétrica economicamente viável e 6% da tecnicamente viável. O potencial para tornar mais da capacidade hidrelétrica tecnicamente viável economicamente aumenta com a capacidade dos componentes compósitos de proporcionar economia de escala.
Fabricação de componentes compostos
Para fabricar a tubulação forçada de forma econômica e com alta resistência consistente, o melhor método é o enrolamento de filamentos. Um grande mandril é envolvido com feixes de fibra que foram imersos em um banho de resina. Os feixes são enrolados em padrões circulares e helicoidais para criar resistência à pressão interna, flexão longitudinal e manuseio. A seção de resultados abaixo mostra o custo e o peso por metro para os dois tamanhos de tubulação forçada, com base em um orçamento de fornecedores locais. O orçamento mostrou que a espessura do projeto foi determinada pelos requisitos de instalação e manuseio, e não pela carga de pressão relativamente baixa, sendo de 2,28 cm para ambos os tamanhos.
Foram considerados dois métodos de fabricação para as comportas e as palhetas de sustentação: laminação úmida e infusão a vácuo. A laminação úmida utiliza tecido seco, que é impregnado com resina através da aplicação de uma camada sobre o tecido e rolos que a pressionam para dentro do mesmo. Este processo não é tão limpo quanto a infusão a vácuo e nem sempre produz a estrutura mais otimizada em termos de relação fibra-resina, mas leva menos tempo. A infusão a vácuo consiste em dispor a fibra seca nas orientações corretas, e a pilha seca é então ensacada a vácuo com conexões adicionais que levam a um suprimento de resina, a qual é aspirada para dentro da peça quando o vácuo é aplicado. O vácuo ajuda a manter a quantidade de resina em um nível ideal e reduz a liberação de compostos orgânicos voláteis.
A caixa espiral será construída utilizando uma laminação manual em duas metades separadas sobre um molde macho para garantir uma superfície interna lisa. Essas duas metades serão então unidas com fibra adicionada na parte externa, no ponto de colagem, para garantir resistência adequada. A carga de pressão na caixa espiral não exige um compósito avançado de alta resistência, portanto, uma laminação úmida de tecido de fibra de vidro com resina epóxi será suficiente. A espessura da caixa espiral foi baseada nos mesmos parâmetros de projeto da tubulação forçada. A unidade de 250 kW é uma máquina de fluxo axial, portanto não possui caixa espiral.
O rotor de uma turbina combina uma geometria complexa com elevadas exigências de carga. Trabalhos recentes demonstraram que componentes estruturais de alta resistência podem ser fabricados a partir de um SMC pré-impregnado picado com excelente resistência e rigidez.⁵ O braço de suspensão do Lamborghini Gallardo foi projetado utilizando múltiplas camadas de um SMC pré-impregnado picado, conhecido como compósito forjado, moldado por compressão para produzir a espessura necessária. O mesmo método pode ser aplicado aos rotores Francis e de hélices. O rotor Francis não pode ser fabricado como uma unidade única, pois a complexidade da sobreposição das pás impediria a extração da peça do molde. Assim, as pás do rotor, a coroa e a faixa são fabricadas separadamente e, em seguida, unidas e reforçadas com parafusos através da parte externa da coroa e da faixa.
Embora o tubo de sucção seja mais facilmente fabricado por enrolamento de filamentos, esse processo ainda não foi comercializado com fibras naturais. Portanto, optou-se pela laminação manual, por ser o método de fabricação padrão, apesar dos custos de mão de obra mais elevados. Utilizando um molde macho semelhante a um mandril, a laminação pode ser concluída com o molde na horizontal e, em seguida, girado para a vertical para a cura, evitando a deformação de um dos lados. O peso das peças compostas varia ligeiramente dependendo da quantidade de resina na peça final. Esses valores são baseados em 50% de peso de fibra.
Os pesos totais das turbinas de aço e de compósito de 2 MW são de 9.888 kg e 7.016 kg, respectivamente. As turbinas de aço e de compósito de 250 kW pesam 3.734 kg e 1.927 kg, respectivamente. Os totais consideram 20 comportas para cada turbina e um comprimento de tubulação forçada igual à queda da turbina. É provável que a tubulação forçada seja mais longa e exija conexões, mas esse valor fornece uma estimativa básica do peso da unidade e dos periféricos associados. O gerador, os parafusos e o mecanismo de acionamento das comportas não estão incluídos e presume-se que sejam semelhantes entre as unidades de compósito e de aço. Vale ressaltar também que a reformulação do rotor necessária para compensar as concentrações de tensão observadas na análise de elementos finitos (FEA) adicionaria peso às unidades de compósito, mas presume-se que a quantidade seja mínima, da ordem de 5 kg, para reforçar os pontos com concentração de tensão.
Com os pesos especificados, a turbina composta de 2 MW e sua tubulação forçada poderiam ser içadas pelo veloz V-22 Osprey, enquanto a máquina de aço exigiria um helicóptero bimotor Chinook, mais lento e com menor capacidade de manobra. Além disso, a turbina composta de 2 MW e a tubulação forçada poderiam ser rebocadas por uma F-250 4x4, enquanto a unidade de aço exigiria um caminhão maior, que seria difícil de manobrar em estradas florestais caso a instalação fosse em uma área remota.
Conclusões
É viável construir turbinas com materiais compósitos, e observou-se uma redução de peso de 50% a 70% em comparação com componentes convencionais de aço. A redução de peso permite a instalação de turbinas compósitas em locais remotos. Além disso, a montagem dessas estruturas compósitas não requer equipamentos de soldagem. Os componentes também exigem menos peças para serem parafusadas, já que cada peça pode ser fabricada em uma ou duas seções. Nos pequenos lotes de produção modelados neste estudo, o custo dos moldes e outras ferramentas predomina no custo total do componente.
Os pequenos testes indicados aqui mostram o custo para iniciar pesquisas adicionais sobre esses materiais. Essa pesquisa pode abordar a erosão por cavitação e a proteção UV dos componentes após a instalação. Pode ser possível usar revestimentos de elastômero ou cerâmica para reduzir a cavitação ou garantir que a turbina opere nos regimes de fluxo e queda que impeçam sua ocorrência. Será importante testar e resolver esses e outros problemas para garantir que as unidades possam atingir confiabilidade semelhante à das turbinas de aço, especialmente se forem instaladas em áreas onde a manutenção será pouco frequente.
Mesmo em pequenas produções, alguns componentes de compósito podem ser economicamente viáveis devido à menor mão de obra necessária para a fabricação. Por exemplo, uma carcaça espiral para a unidade Francis de 2 MW custaria US$ 80.000 se soldada em aço, em comparação com US$ 25.000 para a fabricação em compósito. No entanto, assumindo um projeto bem-sucedido dos rotores da turbina, o custo de moldagem dos rotores de compósito é maior do que o de componentes equivalentes em aço. O rotor de 2 MW custaria cerca de US$ 23.000 para ser fabricado em aço, em comparação com US$ 27.000 em compósito. Os custos podem variar de acordo com a máquina. E o custo dos componentes de compósito cairia consideravelmente em produções maiores se os moldes pudessem ser reutilizados.
Pesquisadores já investigaram a construção de rotores de turbina a partir de materiais compósitos.⁸ No entanto, este estudo não abordou a erosão por cavitação e a viabilidade da construção. O próximo passo para turbinas de compósitos é projetar e construir um modelo em escala que permita comprovar a viabilidade e a economia de fabricação. Esta unidade poderá então ser testada para determinar a eficiência e a aplicabilidade, bem como métodos para prevenir a erosão excessiva por cavitação.
Data da publicação: 15 de fevereiro de 2022
