Kompozitné materiály si robia prelom v konštrukcii zariadení pre vodnú energetiku. Výskum pevnosti materiálu a ďalších kritérií odhaľuje oveľa viac aplikácií, najmä pre malé a mikro jednotky.
Tento článok bol hodnotený a upravený v súlade s recenziami, ktoré vykonali dvaja alebo viacerí odborníci s relevantnými odbornými znalosťami. Títo recenzenti posudzujú rukopisy z hľadiska technickej presnosti, užitočnosti a celkového významu v rámci hydroenergetického priemyslu.
Vzostup nových materiálov poskytuje vzrušujúce príležitosti pre hydroelektrický priemysel. Drevo – používané v pôvodných vodných kolesách a prietokových potrubiach – bolo začiatkom 19. storočia čiastočne nahradené oceľovými komponentmi. Oceľ si zachováva svoju pevnosť vďaka vysokému únavovému zaťaženiu a odoláva kavitačnej erózii a korózii. Jej vlastnosti sú dobre známe a procesy výroby komponentov sú dobre vyvinuté. Pre veľké jednotky pravdepodobne zostane oceľ preferovaným materiálom.
Vzhľadom na nárast malých (pod 10 MW) až mikroturbín (pod 100 kW) sa však kompozity môžu použiť na úsporu hmotnosti a zníženie výrobných nákladov a vplyvu na životné prostredie. Toto je obzvlášť dôležité vzhľadom na pretrvávajúcu potrebu rastu dodávok elektriny. Inštalovaná svetová vodná kapacita, takmer 800 000 MW podľa štúdie spoločnosti Norwegian Renewable Energy Partners z roku 2009, predstavuje iba 10 % ekonomicky uskutočniteľnej a 6 % technicky uskutočniteľnej vodnej energie. Potenciál preniesť viac technicky uskutočniteľnej vodnej energie do sféry ekonomicky uskutočniteľnej sa zvyšuje so schopnosťou kompozitných komponentov zabezpečiť úspory z rozsahu.
Výroba kompozitných komponentov
Na ekonomickú výrobu privádzacieho potrubia s konzistentne vysokou pevnosťou je najlepšou metódou navíjanie vlákien. Veľký tŕň je obalený kúdelami vlákien, ktoré prešli cez živicový kúpeľ. Kúdele sú obalené v kruhových a špirálových vzoroch, aby sa vytvorila pevnosť pre vnútorný tlak, pozdĺžne ohyby a manipuláciu. Nižšie uvedená časť s výsledkami zobrazuje náklady a hmotnosť na stopu pre dve veľkosti privádzacieho potrubia na základe cenovej ponuky od miestnych dodávateľov. Cenová ponuka ukázala, že konštrukčná hrúbka bola určená skôr požiadavkami na inštaláciu a manipuláciu než relatívne nízkym tlakovým zaťažením a pre obe veľkosti bola 2,28 cm.
Pre bránky a zábrany boli zvážené dve metódy výroby: mokré vrstvenie a vákuová infúzia. Mokré vrstvenie využíva suchú tkaninu, ktorá sa impregnuje naliatím živice na tkaninu a pomocou valčekov na vtláčanie živice do tkaniny. Tento proces nie je taký čistý ako vákuová infúzia a nie vždy vytvára najoptimálnejšiu štruktúru z hľadiska pomeru vlákien k živici, ale trvá kratšie ako proces vákuovej infúzie. Vákuová infúzia vrství suché vlákno v správnej orientácii a suchý stoh sa potom vákuovo balí do vreciek a pripoja sa ďalšie tvarovky, ktoré vedú k prívodu živice, ktorá sa pri použití vákua nasáva do dielu. Vákuum pomáha udržiavať množstvo živice na optimálnej úrovni a znižuje uvoľňovanie prchavých organických látok.
Špirálové puzdro bude ručne ukladané do dvoch samostatných polovíc na samčiu formu, aby sa zabezpečil hladký vnútorný povrch. Tieto dve polovice sa potom spoja s pridaním vlákna na vonkajšiu stranu v mieste spojenia, aby sa zabezpečila dostatočná pevnosť. Tlakové zaťaženie v špirálovom puzdre nevyžaduje vysokopevnostný pokročilý kompozit, takže postačí mokré ukladanie sklolaminátovej tkaniny s epoxidovou živicou. Hrúbka špirálového puzdra bola založená na rovnakom konštrukčnom parametri ako prietokové potrubie. Jednotka s výkonom 250 kW je axiálny stroj, takže špirálové puzdro nie je k dispozícii.
Obežné koleso turbíny kombinuje zložitú geometriu s vysokými požiadavkami na zaťaženie. Nedávna práca preukázala, že vysokopevnostné konštrukčné komponenty je možné vyrobiť zo sekaného prepregu SMC s vynikajúcou pevnosťou a tuhosťou.5 Rameno zavesenia kolies Lamborghini Gallardo bolo navrhnuté s použitím viacerých vrstiev sekaného prepregu SMC známeho ako kovaný kompozit, lisovaných pod tlakom, aby sa dosiahla požadovaná hrúbka. Rovnakú metódu je možné použiť na obežné koleso Francis a vrtule. Obežné koleso Francis nie je možné vyrobiť ako jeden celok, pretože zložitosť prekrývania lopatiek by zabránila vybratiu dielu z formy. Preto sa lopatky obežného kolesa, koruna a pás vyrábajú samostatne a potom sa spájajú a vystužujú skrutkami cez vonkajšiu stranu koruny a pásu.
Hoci sa sacia trubica najjednoduchšie vyrába pomocou navíjania filamentu, tento proces nebol komerčne dostupný pri použití prírodných vlákien. Preto sa zvolilo ručné vrstvenie, pretože ide o štandardnú metódu výroby, a to aj napriek vyšším nákladom na pracovnú silu. Pomocou samčej formy podobnej tŕňu je možné vrstvenie dokončiť s formou v horizontálnej polohe a potom ju otočiť vertikálne, aby sa vytvrdila, čím sa zabráni prehýbaniu na jednej strane. Hmotnosť kompozitných dielov sa bude mierne líšiť v závislosti od množstva živice v hotovom diele. Tieto čísla sú založené na 50 % hmotnosti vlákien.
Celková hmotnosť oceľovej a kompozitnej turbíny s výkonom 2 MW je 9 888 kg a 7 016 kg. Oceľové a kompozitné turbíny s výkonom 250 kW vážia 3 734 kg a 1 927 kg. Celkové hmotnosti predpokladajú 20 bránok pre každú turbínu a dĺžku prietokového potrubia rovnajúcu sa dĺžke hlavy turbíny. Je pravdepodobné, že prietokové potrubie by bolo dlhšie a vyžadovalo by si armatúry, ale toto číslo poskytuje základný odhad hmotnosti jednotky a súvisiacich periférií. Generátor, skrutky a ovládacie prvky prietokového potrubia nie sú zahrnuté a predpokladá sa, že sú podobné v kompozitných a oceľových jednotkách. Za zmienku tiež stojí, že prepracovanie obežného kolesa potrebné na zohľadnenie koncentrácií napätia pozorovaných pri výpočte konečných prvkov by zvýšilo hmotnosť kompozitných jednotiek, ale predpokladá sa, že toto množstvo bude minimálne, rádovo 5 kg na spevnenie bodov s koncentráciou napätia.
Pri daných hmotnostiach by kompozitnú turbínu s výkonom 2 MW a jej prietokové potrubie mohol zdvíhať rýchly vrtuľník V-22 Osprey, zatiaľ čo oceľový stroj by si vyžadoval pomalší a menej manévrovateľný dvojrotorový vrtuľník Chinook. Taktiež kompozitnú turbínu s výkonom 2 MW a prietokové potrubie by mohol ťahať vrtuľník F-250 4×4, zatiaľ čo oceľová jednotka by si vyžadovala väčšie nákladné auto, s ktorým by sa ťažko manévrovalo na lesných cestách, ak by bola inštalácia odľahlá.
Závery
Je možné zostrojiť turbíny z kompozitných materiálov a v porovnaní s konvenčnými oceľovými komponentmi sa pozorovalo zníženie hmotnosti o 50 % až 70 %. Znížená hmotnosť umožňuje inštaláciu kompozitných turbín na vzdialených miestach. Okrem toho montáž týchto kompozitných konštrukcií nevyžaduje zváracie zariadenie. Komponenty tiež vyžadujú menej dielov na spojenie skrutkami, pretože každý kus je možné vyrobiť v jednej alebo dvoch sekciách. Pri malých výrobných sériách modelovaných v tejto štúdii dominujú náklady na formy a ďalšie nástroje v nákladoch na komponenty.
Malé série uvedené v tomto dokumente ukazujú, koľko by stálo začať ďalší výskum týchto materiálov. Tento výskum sa môže zaoberať kavitačnou eróziou a UV ochranou komponentov po inštalácii. Na zníženie kavitácie alebo na zabezpečenie toho, aby turbína bežala v režimoch prúdenia a tlaku, ktoré zabraňujú vzniku kavitácie, je možné použiť elastomérové alebo keramické povlaky. Bude dôležité otestovať a vyriešiť tieto a ďalšie problémy, aby sa zabezpečilo, že jednotky dosiahnu podobnú spoľahlivosť ako oceľové turbíny, najmä ak sa majú inštalovať v oblastiach, kde bude údržba zriedkavá.
Aj pri týchto malých sériách môžu byť niektoré kompozitné komponenty nákladovo efektívne vďaka zníženej pracovnej sile potrebnej na výrobu. Napríklad špirálová skriňa pre 2 MW jednotku Francis by stála 80 000 dolárov, ak by sa zvárala z ocele, v porovnaní s 25 000 dolármi pri výrobe z kompozitu. Avšak za predpokladu úspešného návrhu obežných kolies turbíny sú náklady na formovanie kompozitných obežných kolies vyššie ako pri výrobe ekvivalentných oceľových komponentov. Výroba 2 MW obežného kolesa z ocele by stála približne 23 000 dolárov v porovnaní s 27 000 dolármi pri výrobe z kompozitu. Náklady sa môžu líšiť v závislosti od stroja. A náklady na kompozitné komponenty by pri vyšších výrobných sériách výrazne klesli, ak by sa formy dali opätovne použiť.
Výskumníci už skúmali konštrukciu obežných kolies turbín z kompozitných materiálov.8 Táto štúdia sa však nezaoberala kavitačnou eróziou a uskutočniteľnosťou konštrukcie. Ďalším krokom pre kompozitné turbíny je návrh a výroba modelu v mierke, ktorý umožní preukázať uskutočniteľnosť a hospodárnosť výroby. Táto jednotka sa potom môže testovať na určenie účinnosti a použiteľnosti, ako aj metód na prevenciu nadmernej kavitačnej erózie.
Čas uverejnenia: 15. februára 2022
