Kompozitni materiali prodirajo v gradnjo opreme za hidroelektrarne. Raziskava trdnosti materialov in drugih meril razkriva veliko več možnosti uporabe, zlasti za majhne in mikro enote.
Ta članek je bil ocenjen in urejen v skladu z ocenami, ki sta jih opravila dva ali več strokovnjakov z ustreznim strokovnim znanjem. Ti recenzenti ocenjujejo rokopise glede na tehnično točnost, uporabnost in splošni pomen v hidroelektrarni.
Pojav novih materialov ponuja vznemirljive priložnosti za hidroelektrarno. Les – ki se je uporabljal v prvotnih vodnih kolesih in cevovodih – so v začetku 19. stoletja delno nadomestile jeklene komponente. Jeklo ohranja svojo trdnost zaradi visokih utrujenostnih obremenitev in je odporno na kavitacijsko erozijo in korozijo. Njegove lastnosti so dobro razumljene, postopki za izdelavo komponent pa so dobro razviti. Za velike enote bo jeklo verjetno ostalo material izbire.
Vendar pa se glede na porast majhnih (pod 10 MW) do mikro (pod 100 kW) turbin lahko kompoziti uporabijo za zmanjšanje teže ter proizvodnih stroškov in vpliva na okolje. To je še posebej pomembno glede na nenehno potrebo po rasti oskrbe z električno energijo. Nameščena svetovna hidroenergetska zmogljivost, ki po študiji norveškega podjetja Norwegian Renewable Energy Partners iz leta 2009 znaša skoraj 800.000 MW, predstavlja le 10 % ekonomsko izvedljive in 6 % tehnično izvedljive hidroenergije. Potencial za prenos večjega števila tehnično izvedljivih hidroelektrarn na področje ekonomsko izvedljivih se povečuje z zmožnostjo kompozitnih komponent, da zagotovijo ekonomijo obsega.
Izdelava kompozitnih komponent
Za ekonomično izdelavo cevovoda z dosledno visoko trdnostjo je najboljša metoda navijanje z nitkami. Velik trn je ovit s prameni vlaken, ki so bili speljani skozi smolno kopel. Prameni so oviti v obročaste in vijačne vzorce, da se ustvari trdnost za notranji tlak, vzdolžno upogibanje in rokovanje. Spodnji razdelek z rezultati prikazuje stroške in težo na čevelj za obe velikosti cevovoda na podlagi ponudbe lokalnih dobaviteljev. Ponudba je pokazala, da je bila konstrukcijska debelina odvisna od zahtev glede namestitve in rokovanja, ne pa od relativno nizke tlačne obremenitve, in za obe je znašala 2,28 cm.
Za vratca in krilca sta bila upoštevana dva načina izdelave: mokro polaganje in vakuumska infuzija. Mokro polaganje uporablja suho tkanino, ki se impregnira z vlivanjem smole čez tkanino in uporabo valjev za potiskanje smole v tkanino. Ta postopek ni tako čist kot vakuumska infuzija in ne ustvari vedno najbolj optimizirane strukture glede na razmerje med vlakni in smolo, vendar traja manj časa kot postopek vakuumske infuzije. Vakuumska infuzija položi suha vlakna v pravilne orientacije, suhi sklad pa se nato vakuumsko zapakira in pritrdijo se dodatni fitingi, ki vodijo do dovoda smole, ki se ob uporabi vakuuma vsesa v del. Vakuum pomaga ohranjati količino smole na optimalni ravni in zmanjšuje sproščanje hlapnih organskih snovi.
Spiralno ohišje bo ročno zloženo v dve ločeni polovici na moškem kalupu, da se zagotovi gladka notranja površina. Ti dve polovici bosta nato spojeni skupaj z vlakni, dodanimi na zunanjo stran na mestu spajanja, da se zagotovi ustrezna trdnost. Tlačna obremenitev v spiralnem ohišju ne zahteva visokotrdnostnega naprednega kompozita, zato bo zadostovalo mokro zlaganje steklenih vlaken z epoksidno smolo. Debelina spiralnega ohišja je bila izbrana na podlagi istega konstrukcijskega parametra kot cevovod. Enota z močjo 250 kW je aksialni stroj, zato spiralnega ohišja ni.
Turbinski rotor združuje kompleksno geometrijo z visokimi zahtevami glede obremenitve. Nedavne raziskave so pokazale, da je mogoče iz sesekljanega preprega SMC izdelati visoko trdnostne strukturne komponente z odlično trdnostjo in togostjo.5 Vzmetna roka Lamborghinija Gallarda je bila zasnovana z uporabo več plasti sesekljanega preprega SMC, znanega kot kovani kompozit, kompresijsko oblikovanih za doseganje zahtevane debeline. Enako metodo je mogoče uporabiti za Francisov rotor in rotor propelerja. Francisovega rotorja ni mogoče izdelati kot ene enote, saj bi zaradi kompleksnosti prekrivanja lopatic del ne bilo mogoče izvleči iz kalupa. Zato so lopatice rotorja, krona in trak izdelane ločeno, nato pa spojene skupaj in ojačane z vijaki skozi zunanjo stran krone in traku.
Čeprav je sesalno cev najlažje izdelati z navijanjem z nitkami, ta postopek ni bil komercializiran z uporabo naravnih vlaken. Zato je bilo izbrano ročno polaganje, saj je to standardna metoda izdelave kljub višjim stroškom dela. Z uporabo moškega kalupa, podobnega trnu, je mogoče polaganje zaključiti v vodoravnem položaju kalupa in ga nato obrniti navpično, da se strdi, kar prepreči povešanje na eni strani. Teža kompozitnih delov se bo nekoliko razlikovala glede na količino smole v končnem delu. Te številke temeljijo na 50 % teže vlaken.
Skupna teža jeklene in kompozitne turbine z močjo 2 MW je 9.888 kg oziroma 7.016 kg. Jeklena in kompozitna turbina z močjo 250 kW tehtata 3.734 kg oziroma 1.927 kg. Skupne teže predpostavljajo 20 vratc za vsako turbino in dolžino cevovoda, ki je enaka glavi turbine. Verjetno bi bil cevovod daljši in bi potreboval fitinge, vendar ta številka daje osnovno oceno teže enote in pripadajoče periferne opreme. Generator, vijaki in strojna oprema za aktiviranje zapornic niso vključeni in se predpostavlja, da so podobni pri kompozitnih in jeklenih enotah. Omeniti velja tudi, da bi preoblikovanje tekača, potrebno zaradi upoštevanja koncentracij napetosti, opaženih pri FEA, dodalo težo kompozitnim enotam, vendar se predpostavlja, da je količina minimalna, reda velikosti 5 kg za ojačanje točk s koncentracijo napetosti.
Z danimi težami bi lahko 2 MW kompozitno turbino in njen cevovod dvignil hitri V-22 Osprey, medtem ko bi jekleni stroj zahteval počasnejši in manj okreten helikopter Chinook z dvema rotorjema. Prav tako bi 2 MW kompozitno turbino in cevovod lahko vlekel F-250 4×4, medtem ko bi jeklena enota zahtevala večji tovornjak, s katerim bi bilo težko manevrirati po gozdnih cestah, če bi bila namestitev oddaljena.
Zaključki
Iz kompozitnih materialov je mogoče izdelati turbine, pri čemer je bilo v primerjavi s konvencionalnimi jeklenimi komponentami opaženo zmanjšanje teže za 50 % do 70 %. Zmanjšana teža omogoča namestitev kompozitnih turbin na oddaljenih lokacijah. Poleg tega za sestavljanje teh kompozitnih struktur ni potrebna varilna oprema. Komponente zahtevajo tudi manj delov za privijanje skupaj, saj je vsak kos mogoče izdelati v enem ali dveh delih. Pri majhnih proizvodnih serijah, modeliranih v tej študiji, stroški kalupov in drugega orodja prevladujejo nad stroški komponent.
Tukaj navedeni manjši projekti kažejo, koliko bi stalo nadaljnje raziskovanje teh materialov. Te raziskave lahko obravnavajo kavitacijsko erozijo in UV-zaščito komponent po namestitvi. Morda bi bilo mogoče uporabiti elastomerne ali keramične premaze za zmanjšanje kavitacije ali zagotoviti, da turbina deluje v režimih pretoka in tlaka, ki preprečujejo nastanek kavitacije. Pomembno bo preizkusiti in rešiti ta in druga vprašanja, da se zagotovi, da bodo enote dosegle podobno zanesljivost kot jeklene turbine, zlasti če bodo nameščene na območjih, kjer bo vzdrževanje redko.
Tudi pri teh majhnih serijah so lahko nekatere kompozitne komponente stroškovno učinkovite zaradi manjšega dela, potrebnega za izdelavo. Na primer, varjenje ohišja spiralnega valja za 2-MW enoto Francis iz jekla bi stalo 80.000 dolarjev v primerjavi s 25.000 dolarji za izdelavo iz kompozita. Vendar pa so ob predpostavki uspešne zasnove turbinskih gonilnikov stroški oblikovanja kompozitnih gonilnikov višji od stroškov enakovrednih jeklenih komponent. Izdelava 2-MW gonilnika iz jekla bi stala približno 23.000 dolarjev v primerjavi s 27.000 dolarji za izdelavo iz kompozita. Stroški se lahko razlikujejo glede na stroj. Stroški kompozitnih komponent bi se pri večjih proizvodnih serijah znatno znižali, če bi bilo mogoče kalupe ponovno uporabiti.
Raziskovalci so že raziskali konstrukcijo turbinskih rotorjev iz kompozitnih materialov.8 Vendar pa ta študija ni obravnavala kavitacijske erozije in izvedljivosti konstrukcije. Naslednji korak pri kompozitnih turbinah je zasnova in izdelava modela v merilu, ki bo omogočil dokazilo o izvedljivosti in ekonomičnosti izdelave. To enoto je nato mogoče preizkusiti, da se ugotovi učinkovitost in uporabnost ter metode za preprečevanje prekomerne kavitacijske erozije.
Čas objave: 15. februar 2022
