Materialele compozite fac progrese în construcția de echipamente pentru industria hidroelectrică. O investigație a rezistenței materialelor și a altor criterii dezvăluie mult mai multe aplicații, în special pentru unități mici și micro.
Acest articol a fost evaluat și editat în conformitate cu recenziile efectuate de doi sau mai mulți profesioniști cu expertiză relevantă. Acești evaluatori evaluează manuscrisele pentru acuratețea tehnică, utilitatea și importanța generală în cadrul industriei hidroelectrice.
Apariția noilor materiale oferă oportunități interesante pentru industria hidroelectrică. Lemnul — folosit în roțile hidroelectrice și conductele forțate originale — a fost înlocuit parțial de componente din oțel la începutul anilor 1800. Oțelul își păstrează rezistența chiar și în condiții de solicitare ridicată la oboseală și rezistă la eroziunea și coroziunea cauzate de cavitație. Proprietățile sale sunt bine înțelese, iar procesele de fabricare a componentelor sunt bine dezvoltate. Pentru unitățile mari, oțelul va rămâne probabil materialul preferat.
Totuși, având în vedere creșterea numărului de turbine de dimensiuni mici (sub 10 MW) până la cele micro (sub 100 kW), materialele compozite pot fi utilizate pentru a economisi greutate și a reduce costurile de fabricație, precum și impactul asupra mediului. Acest lucru este deosebit de relevant având în vedere nevoia continuă de creștere a aprovizionării cu energie electrică. Capacitatea hidroelectrică instalată la nivel mondial, de aproape 800.000 MW conform unui studiu din 2009 realizat de Norwegian Renewable Energy Partners, reprezintă doar 10% din energia hidroelectrică fezabilă din punct de vedere economic și 6% din cea fezabilă din punct de vedere tehnic. Potențialul de a aduce mai multe hidroenergii fezabile din punct de vedere tehnic în domeniul fezabilității economic crește odată cu capacitatea componentelor compozite de a oferi economii de scară.
Fabricarea componentelor compozite
Pentru a fabrica conducta forțată economic și cu o rezistență ridicată constantă, cea mai bună metodă este înfășurarea cu filament. Un dorn mare este înfășurat cu fire de fibră care au fost trecute printr-o baie de rășină. Firele sunt înfășurate în modele inelare și elicoidale pentru a crea rezistență la presiunea internă, îndoirea longitudinală și manipulare. Secțiunea de rezultate de mai jos prezintă costul și greutatea pe picior pentru cele două dimensiuni de conductă forțată, pe baza unei oferte de preț de la furnizorii locali. Oferta a arătat că grosimea proiectată a fost determinată de cerințele de instalare și manipulare, mai degrabă decât de sarcina de presiune relativ scăzută, iar pentru ambele a fost de 2,28 cm.
Pentru porțile înguste și lamelele de susținere au fost luate în considerare două metode de fabricație: așezare umedă și infuzie în vid. Așezarea umedă utilizează material textil uscat, care este impregnat prin turnarea de rășină peste material și utilizarea unor role pentru a împinge rășina în material. Acest proces nu este la fel de curat ca infuzia în vid și nu produce întotdeauna cea mai optimizată structură în ceea ce privește raportul fibră-rășină, dar durează mai puțin timp decât procesul de infuzie în vid. Infuzia în vid așează fibra uscată în orientările corecte, iar stiva uscată este apoi ambalată în vid și se atașează fitinguri suplimentare care duc la o alimentare cu rășină, care este aspirată în piesă atunci când se aplică vidul. Vidul ajută la menținerea cantității de rășină la un nivel optim și reduce eliberarea de substanțe organice volatile.
Carcasa spirală va fi asamblată manual în două jumătăți separate pe o matriță mascul pentru a asigura o suprafață interioară netedă. Aceste două jumătăți vor fi apoi lipite împreună cu fibre adăugate la exterior în punctul de lipire pentru a asigura o rezistență adecvată. Sarcina de presiune din carcasa spirală nu necesită un compozit avansat de înaltă rezistență, așa că o asamblare umedă a unei țesături din fibră de sticlă cu o rășină epoxidică va fi suficientă. Grosimea carcasei spirale a fost bazată pe același parametru de proiectare ca și conducta forțată. Unitatea de 250 kW este o mașină cu flux axial, deci nu există carcasă spirală.
O turbină combină o geometrie complexă cu cerințe mari de sarcină. Studii recente au demonstrat că componentele structurale de înaltă rezistență pot fi fabricate dintr-un SMC prepreg tocat, cu rezistență și rigiditate excelente.5 Brațul de suspensie al Lamborghini Gallardo a fost proiectat folosind mai multe straturi de SMC prepreg tocat, cunoscut sub numele de compozit forjat, turnat prin compresie pentru a produce grosimea necesară. Aceeași metodă poate fi aplicată și roților Francis și elicei. Rota Francis nu poate fi realizată ca o singură unitate, deoarece complexitatea suprapunerii palelor ar împiedica extragerea piesei din matriță. Astfel, palele rotorului, coroana și banda sunt fabricate separat și apoi lipite între ele și întărite cu șuruburi prin exteriorul coroanei și benzii.
Deși tubul de tiraj se fabrică cel mai ușor folosind înfășurarea filamentului, acest proces nu a fost comercializat folosind fibre naturale. Prin urmare, s-a ales așezarea manuală, deoarece aceasta este metoda standard de fabricație, în ciuda costurilor mai mari ale forței de muncă. Folosind o matriță mascul similară cu un dorn, așezarea poate fi finalizată cu matrița orizontală și apoi rotită vertical pentru întărire, prevenind lăsarea pe o parte. Greutatea pieselor compozite va varia ușor în funcție de cantitatea de rășină din piesa finită. Aceste cifre se bazează pe 50% din greutatea fibrei.
Greutățile totale pentru turbina din oțel și cea compozită de 2 MW sunt de 9.888 kg, respectiv 7.016 kg. Turbinele din oțel și cele compozite de 250 kW sunt de 3.734 kg, respectiv 1.927 kg. Totalurile presupun 20 de porți de acces pentru fiecare turbină și o lungime a conductei forțate egală cu înălțimea turbinei. Este probabil ca conducta forțată să fie mai lungă și să necesite fitinguri, dar acest număr oferă o estimare de bază a greutății unității și a perifericelor asociate. Generatorul, șuruburile și componentele de acționare a porții nu sunt incluse și se presupune că sunt similare între unitățile compozite și cele din oțel. De asemenea, este de remarcat faptul că reproiectarea rotorului necesară pentru a ține cont de concentrările de solicitări observate în metoda elementelor finite (FEA) ar adăuga greutate unităților compozite, dar se presupune că această cantitate este minimă, de ordinul a 5 kg, pentru a consolida punctele cu concentrații de solicitări.
Cu greutățile date, turbina compozită de 2 MW și conducta sa conductă ar putea fi ridicate de rapidul V-22 Osprey, în timp ce mașina din oțel ar necesita un elicopter Chinook cu rotor dublu, mai lent și mai puțin manevrabil. De asemenea, turbina compozită de 2 MW și conducta sa conductă ar putea fi remorcate de un F-250 4×4, în timp ce unitatea din oțel ar necesita un camion mai mare, care ar fi dificil de manevrat pe drumurile forestiere dacă instalația ar fi izolată.
Concluzii
Este fezabil să se construiască turbine din materiale compozite, observându-se o reducere a greutății de 50% până la 70% în comparație cu componentele convenționale din oțel. Greutatea redusă poate permite instalarea turbinelor compozite în locații îndepărtate. În plus, asamblarea acestor structuri compozite nu necesită echipamente de sudură. Componentele necesită, de asemenea, mai puține piese care trebuie îmbinate cu șuruburi, deoarece fiecare piesă poate fi realizată într-una sau două secțiuni. La producțiile mici modelate în acest studiu, costul matrițelor și al altor unelte domină costul componentelor.
Seriile mici indicate aici arată cât ar costa începerea unor cercetări suplimentare asupra acestor materiale. Această cercetare poate aborda eroziunea prin cavitație și protecția UV a componentelor după instalare. Ar putea fi posibilă utilizarea de acoperiri elastomerice sau ceramice pentru a reduce cavitația sau pentru a asigura că turbina funcționează în regimuri de curgere și înălțime care previn apariția cavitației. Va fi important să se testeze și să se rezolve aceste probleme și altele pentru a se asigura că unitățile pot atinge o fiabilitate similară cu turbinele din oțel, în special dacă acestea urmează să fie instalate în zone în care întreținerea va fi rară.
Chiar și în aceste serii mici, unele componente compozite pot fi rentabile datorită costului redus de manoperă necesară pentru fabricație. De exemplu, o carcasă spiralată pentru unitatea Francis de 2 MW ar costa 80.000 de dolari pentru sudarea din oțel, comparativ cu 25.000 de dolari pentru fabricarea din materiale compozite. Cu toate acestea, presupunând o proiectare reușită a coloanelor turbinei, costul turnării coloanelor compozite este mai mare decât cel al componentelor echivalente din oțel. Coloana de 2 MW ar costa aproximativ 23.000 de dolari pentru fabricarea din oțel, comparativ cu 27.000 de dolari pentru fabricarea din materiale compozite. Costurile pot varia în funcție de mașină. Iar costul componentelor compozite ar scădea considerabil la serii de producție mai mari dacă matrițele ar putea fi reutilizate.
Cercetătorii au investigat deja construcția rotoarelor turbinelor din materiale compozite.8 Cu toate acestea, acest studiu nu a abordat eroziunea cavitațională și fezabilitatea construcției. Următorul pas pentru turbinele compozite este proiectarea și construirea unui model la scară care va permite demonstrarea fezabilității și a economiei de fabricație. Această unitate poate fi apoi testată pentru a determina eficiența și aplicabilitatea, precum și metodele de prevenire a eroziunii cavitaționale excesive.
Data publicării: 15 februarie 2022
