Materialet kompozite po bëjnë përparime në ndërtimin e pajisjeve për industrinë e energjisë hidroelektrike. Një hetim mbi rezistencën e materialit dhe kritere të tjera zbulon shumë më tepër zbatime, veçanërisht për njësitë e vogla dhe mikro.
Ky artikull është vlerësuar dhe redaktuar në përputhje me rishikimet e kryera nga dy ose më shumë profesionistë që kanë ekspertizë përkatëse. Këta rishikues kolegësh i gjykojnë dorëshkrimet për saktësinë teknike, dobinë dhe rëndësinë e përgjithshme brenda industrisë hidroelektrike.
Rritja e materialeve të reja ofron mundësi emocionuese për industrinë hidroelektrike. Druri - i përdorur në rrotat e ujit dhe tubacionet origjinale - u zëvendësua pjesërisht nga përbërësit e çelikut në fillim të viteve 1800. Çeliku e ruan forcën e tij përmes ngarkesës së lartë të lodhjes dhe i reziston erozionit dhe korrozionit të kavitacionit. Vetitë e tij janë të kuptuara mirë dhe proceset për prodhimin e përbërësve janë të zhvilluara mirë. Për njësitë e mëdha, çeliku ka të ngjarë të mbetet materiali i zgjedhur.
Megjithatë, duke pasur parasysh rritjen e turbinave të vogla (nën 10 MW) në turbina mikro (nën 100 kW), kompozitet mund të përdoren për të kursyer peshë dhe për të ulur koston e prodhimit dhe ndikimin mjedisor. Kjo është veçanërisht e rëndësishme duke pasur parasysh nevojën e vazhdueshme për rritje të furnizimit me energji elektrike. Kapaciteti i instaluar botëror i energjisë hidrike, gati 800,000 MW sipas një studimi të vitit 2009 nga Norwegian Renewable Energy Partners, është vetëm 10% e asaj ekonomikisht të realizueshme dhe 6% e asaj teknikisht të realizueshme. Potenciali për të sjellë më shumë energji hidroenergjetike teknikisht të realizueshme në sferën e ekonomikisht të realizueshme rritet me aftësinë e komponentëve kompozitë për të siguruar ekonomi shkalle.
Prodhimi i komponentëve të përbërë
Për të prodhuar tubacionin e ajrit në mënyrë ekonomike dhe me rezistencë të lartë të vazhdueshme, metoda më e mirë është mbështjellja me filament. Një mandrel i madh mbështillet me fibra që janë kaluar nëpër një banjë rrëshire. Fijet mbështillen me modele unazore dhe helikoidale për të krijuar rezistencë ndaj presionit të brendshëm, përkuljes gjatësore dhe trajtimit. Seksioni i rezultateve më poshtë tregon koston dhe peshën për këmbë për dy madhësitë e tubacionit të ajrit, bazuar në një kuotë nga furnizuesit vendas. Kuota tregoi se trashësia e projektimit u përcaktua nga kërkesat e instalimit dhe trajtimit, në vend të ngarkesës relativisht të ulët të presionit, dhe për të dyja ishte 2.28 cm.
U morën në konsideratë dy metoda prodhimi për portat e portës dhe fletët mbështetëse; vendosja në të lagësht dhe infuzioni në vakum. Vendosja në të lagësht përdor pëlhurë të thatë, e cila impregnohet duke derdhur rrëshirë mbi pëlhurë dhe duke përdorur rula për ta shtyrë rrëshirën në pëlhurë. Ky proces nuk është aq i pastër sa infuzioni në vakum dhe nuk prodhon gjithmonë strukturën më të optimizuar për sa i përket raportit fibër-rrëshirë, por kërkon më pak kohë sesa procesi i infuzionit në vakum. Infuzioni në vakum vendos fibrat e thata në orientimet e sakta, dhe më pas grumbulli i thatë mbushet me qese vakumi dhe bashkangjiten pajisje shtesë që çojnë në një furnizim me rrëshirë, e cila tërhiqet në pjesë kur aplikohet vakumi. Vakumi ndihmon në ruajtjen e sasisë së rrëshirës në një nivel optimal dhe zvogëlon çlirimin e organikëve të paqëndrueshëm.
Kutia e rrotullimit do të përdorë një vendosje manuale në dy gjysma të ndara në një kallëp mashkullor për të siguruar një sipërfaqe të brendshme të lëmuar. Këto dy gjysma do të lidhen më pas së bashku me fibra të shtuara në pjesën e jashtme në pikën e lidhjes për të siguruar forcë të mjaftueshme. Ngarkesa e presionit në kutinë e rrotullimit nuk kërkon një kompozit të përparuar me rezistencë të lartë, kështu që një vendosje e lagësht e pëlhurës prej fiberglasi me një rrëshirë epoksi do të jetë e mjaftueshme. Trashësia e kutisë së rrotullimit u bazua në të njëjtin parametër projektimi si tubi i hyrjes. Njësia 250 kW është një makinë me rrjedhje aksiale, kështu që nuk ka kuti rrotullimi.
Një rrotullues turbine kombinon një gjeometri komplekse me kërkesa të larta për ngarkesë. Punimet e fundit kanë treguar se komponentët strukturorë me rezistencë të lartë mund të prodhohen nga një SMC prepreg i prerë me rezistencë dhe ngurtësi të shkëlqyer.5 Krahu i pezullimit të Lamborghini Gallardo është projektuar duke përdorur shtresa të shumëfishta të një SMC prepreg të prerë të njohur si një kompozit i farkëtuar, i formuar me kompresim për të prodhuar trashësinë e kërkuar. E njëjta metodë mund të aplikohet edhe për rrotulluesit Francis dhe të helikës. Rrotulluesi Francis nuk mund të bëhet si një njësi e vetme, pasi kompleksiteti i mbivendosjes së tehut do të pengonte që pjesa të nxirrej nga forma. Kështu, tehet e rrotulluesit, kurora dhe shiriti prodhohen veçmas dhe më pas lidhen së bashku dhe përforcohen me bulona përmes pjesës së jashtme të kurorës dhe shiritit.
Ndërsa tubi i tërheqjes prodhohet më lehtë duke përdorur mbështjelljen e filamentit, ky proces nuk është komercializuar duke përdorur fibra natyrale. Kështu, u zgjodh vendosja manuale, pasi kjo është metoda standarde e prodhimit, pavarësisht kostove më të larta të punës. Duke përdorur një formë mashkullore të ngjashme me një mandrel, vendosja mund të përfundojë me formën horizontale dhe më pas të kthehet vertikalisht për t'u tharë, duke parandaluar varjen në njërën anë. Pesha e pjesëve kompozite do të ndryshojë pak në varësi të sasisë së rrëshirës në pjesën e përfunduar. Këta numra bazohen në 50% të peshës së fibrave.
Peshat totale për turbinën prej çeliku dhe kompozite 2-MW janë përkatësisht 9,888 kg dhe 7,016 kg. Turbinat prej çeliku dhe kompozite 250 kW janë përkatësisht 3,734 kg dhe 1,927 kg. Totali supozon 20 porta për secilën turbinë dhe një gjatësi tubi të barabartë me kokën e turbinës. Ka të ngjarë që tubi i hyrjes të jetë më i gjatë dhe të kërkojë pajisje, por ky numër jep një vlerësim bazë të peshës së njësisë dhe periferikëve të shoqëruar. Gjeneratori, bulonat dhe pajisjet e aktivizimit të portave nuk përfshihen dhe supozohet të jenë të ngjashme midis njësive kompozite dhe çeliku. Vlen gjithashtu të përmendet se ridizajnimi i rrotulluesit i kërkuar për të marrë parasysh përqendrimet e stresit të vërejtura në FEA do të shtonte peshë në njësitë kompozite, por sasia supozohet të jetë minimale, rreth 5 kg për të forcuar pikat me përqendrim stresi.
Me peshat e dhëna, turbina kompozite 2-MW dhe tubi i saj i ajrit mund të ngriheshin nga helikopteri i shpejtë V-22 Osprey, ndërsa makina e çelikut do të kërkonte një helikopter me dy rotorë Chinook më të ngadaltë dhe më pak të manovrueshëm. Gjithashtu, turbina kompozite 2-MW dhe tubi i ajrit mund të tërhiqeshin nga një F-250 4×4, ndërsa njësia e çelikut do të kërkonte një kamion më të madh që do të ishte i vështirë për t'u manovruar në rrugët pyjore nëse instalimi do të ishte i largët.
Përfundime
Është e realizueshme të ndërtohen turbina nga materiale kompozite dhe është vërejtur një ulje e peshës prej 50% deri në 70% krahasuar me përbërësit konvencionalë të çelikut. Pesha e reduktuar mund të lejojë instalimin e turbinave kompozite në vende të largëta. Përveç kësaj, montimi i këtyre strukturave kompozite nuk kërkon pajisje saldimi. Komponentët gjithashtu kërkojnë më pak pjesë që të fiksohen me bulona, pasi çdo pjesë mund të bëhet në një ose dy seksione. Në prodhimet e vogla të modeluara në këtë studim, kostoja e formave dhe veglave të tjera dominon koston e përbërësve.
Vëzhgimet e vogla të treguara këtu tregojnë se sa do të kushtonte të fillohej kërkime të mëtejshme mbi këto materiale. Ky kërkim mund të trajtojë erozionin e kavitacionit dhe mbrojtjen nga rrezet UV të komponentëve pas instalimit. Mund të jetë e mundur të përdoren veshje elastomeri ose qeramike për të zvogëluar kavitacionin ose për të siguruar që turbina të funksionojë në regjimet e rrjedhës dhe kokës që parandalojnë ndodhjen e kavitacionit. Do të jetë e rëndësishme të testohen dhe zgjidhen këto dhe çështje të tjera për të siguruar që njësitë të mund të arrijnë besueshmëri të ngjashme me turbinat e çelikut, veçanërisht nëse ato do të instalohen në zona ku mirëmbajtja do të jetë e rrallë.
Edhe në këto prodhime të vogla, disa komponentë kompozitë mund të jenë me kosto efektive për shkak të punës së zvogëluar të kërkuar për prodhim. Për shembull, një kuti rrotulluese për njësinë Francis 2-MW do të kushtonte 80,000 dollarë për t'u salduar nga çeliku krahasuar me 25,000 dollarë për prodhimin e kompozitit. Megjithatë, duke supozuar një projektim të suksesshëm të rrotulluesve të turbinave, kostoja për derdhjen e rrotulluesve kompozitë është më e lartë se ajo e komponentëve ekuivalentë të çelikut. Vinçi 2-MW do të kushtonte rreth 23,000 dollarë për t'u prodhuar nga çeliku, krahasuar me 27,000 dollarë nga kompoziti. Kostot mund të ndryshojnë në varësi të makinës. Dhe kostoja për komponentët kompozitë do të binte ndjeshëm në prodhime më të larta nëse format mund të ripërdoren.
Studiuesit kanë hetuar tashmë ndërtimin e rrotulluesve të turbinave nga materiale kompozite.8 Megjithatë, ky studim nuk trajtoi erozionin e kavitacionit dhe fizibilitetin e ndërtimit. Hapi tjetër për turbinat kompozite është projektimi dhe ndërtimi i një modeli në shkallë që do të lejojë provën e fizibilitetit dhe ekonomisë së prodhimit. Kjo njësi mund të testohet më pas për të përcaktuar efikasitetin dhe zbatueshmërinë, si dhe metodat për parandalimin e erozionit të tepërt të kavitacionit.
Koha e postimit: 15 shkurt 2022
