Композитни материјали све више продиру у изградњу опреме за хидроенергетску индустрију. Истраживање чврстоће материјала и других критеријума открива много више примена, посебно за мале и микро јединице.
Овај чланак је оцењен и уређен у складу са рецензијама које су спровела два или више стручњака који поседују релевантну стручност. Ови рецензенти оцењују рукописе на основу техничке тачности, корисности и укупног значаја у хидроенергетској индустрији.
Појава нових материјала пружа узбудљиве могућности за хидроенергетску индустрију. Дрво — коришћено у оригиналним воденичним точковима и цевоводима — делимично је замењено челичним компонентама почетком 19. века. Челик задржава своју чврстоћу кроз велико оптерећење услед замора и отпоран је на кавитациону ерозију и корозију. Његова својства су добро схваћена, а процеси за производњу компоненти су добро развијени. За велике јединице, челик ће вероватно остати материјал по избору.
Међутим, с обзиром на пораст малих (испод 10 MW) до микро величине (испод 100 kW) турбина, композитни материјали се могу користити за уштеду на тежини и смањење трошкова производње и утицаја на животну средину. Ово је посебно релевантно с обзиром на континуирану потребу за растом снабдевања електричном енергијом. Инсталирани светски хидроенергетски капацитет, скоро 800.000 MW према студији Норвешких партнера за обновљиву енергију из 2009. године, износи само 10% економски исплативих и 6% технички исплативих хидроенергија. Потенцијал да се више технички исплативих хидроенергија доведе у домен економски исплативих повећава се са способношћу композитних компоненти да обезбеде економију обима.
Производња композитних компоненти
Да би се цевовод производио економично и са константно високом чврстоћом, најбоља метода је намотавање влакнима. Велики трн је омотан влакнима која су провучена кроз купатило са смолом. Влакна су обмотана у обруч и спиралне обрасце како би се створила чврстоћа за унутрашњи притисак, уздужно савијање и руковање. Одељак са резултатима испод приказује трошкове и тежину по стопи за две величине цевовода, на основу понуде локалних добављача. Понуда је показала да је дебљина пројектовања била вођена захтевима за инсталацију и руковање, а не релативно ниским оптерећењем притиском, и за обе је износила 2,28 цм.
За капије и запорне лопатице разматране су две методе производње: мокро постављање и вакуумска инфузија. Мокро постављање користи суву тканину, која се импрегнира сипањем смоле преко тканине и коришћењем ваљака за утискивање смоле у тканину. Овај процес није тако чист као вакуумска инфузија и не производи увек најоптимизованију структуру у смислу односа влакана и смоле, али траје мање времена од процеса вакуумске инфузије. Вакуумска инфузија поставља сува влакна у исправним оријентацијама, а суви сноп се затим вакуумски пакује и причвршћују се додатни фитинги који доводе до довода смоле, која се увлачи у део када се примени вакуум. Вакуум помаже у одржавању количине смоле на оптималном нивоу и смањује ослобађање испарљивих органских материја.
Спирално кућиште ће користити ручно постављање у две одвојене половине на мушком калупу како би се осигурала глатка унутрашња површина. Ове две половине ће затим бити спојене заједно са влакнима додатим споља на тачки спајања како би се осигурала одговарајућа чврстоћа. Оптерећење притиском у спиралном кућишту не захтева високочврсти напредни композит, тако да ће бити довољно мокро постављање фиберглас тканине са епоксидном смолом. Дебљина спиралног кућишта је заснована на истом параметру пројектовања као и цевовод. Јединица од 250 kW је машина са аксијалним протоком, тако да нема спиралног кућишта.
Турбинско радно коло комбинује сложену геометрију са високим захтевима за оптерећење. Недавни радови су показали да се структурне компоненте високе чврстоће могу произвести од сецканог препрега SMC са одличном чврстоћом и крутости.5 Виљушка вешања Ламборгини Гаљарда је дизајнирана коришћењем више слојева сецканог препрега SMC познатог као ковани композит, компресијски обликованих да би се добила потребна дебљина. Иста метода се може применити на Франсисово и пропелерско радно коло. Франсисово радно коло се не може направити као једна јединица, јер би сложеност преклапања лопатица спречила извлачење дела из калупа. Стога се лопатице радног кола, круна и трака производе одвојено, а затим се спајају и ојачавају вијцима кроз спољашњост круне и траке.
Иако се пропусна цев најлакше производи помоћу намотавања филаментом, овај процес није комерцијализован коришћењем природних влакана. Стога је изабрано ручно постављање, јер је то стандардни метод производње, упркос вишим трошковима рада. Коришћењем мушког калупа сличног трну, постављање се може завршити са калупом у хоризонталном положају, а затим окренути вертикално да би се стврднуло, спречавајући савијање на једној страни. Тежина композитних делова ће се мало разликовати у зависности од количине смоле у готовом делу. Ови бројеви су засновани на 50% тежине влакана.
Укупне тежине челичне и композитне турбине од 2 MW су 9.888 кг и 7.016 кг, респективно. Челичне и композитне турбине од 250 kW су 3.734 кг и 1.927 кг, респективно. Укупне тежине претпостављају 20 капија за сваку турбину и дужину цевовода једнаку глави турбине. Вероватно је да би цевовод био дужи и да би захтевао фитинге, али овај број даје основну процену тежине јединице и припадајућих периферних уређаја. Генератор, вијци и хардвер за покретање капије нису укључени и претпоставља се да су слични код композитних и челичних јединица. Такође треба напоменути да би редизајн ротора потребан да би се узеле у обзир концентрације напона примећене у анализи коначних елемената додао тежину композитним јединицама, али се претпоставља да је та количина минимална, реда величине 5 кг ради ојачавања тачака са концентрацијом напона.
Са датим тежинама, композитну турбину од 2 MW и њен цевовод могао би да подигне брзи V-22 Osprey, док би за челичну машину био потребан спорији, мање маневарски хеликоптер Chinook са два ротора. Такође, композитну турбину од 2 MW и цевовод могао би да вуче F-250 4×4, док би за челичну јединицу био потребан већи камион којим би било тешко маневрисати шумским путевима ако би инсталација била удаљена.
Закључци
Изводљиво је конструисати турбине од композитних материјала, а примећено је смањење тежине од 50% до 70% у поређењу са конвенционалним челичним компонентама. Смањена тежина може омогућити инсталирање композитних турбина на удаљеним локацијама. Поред тога, за склапање ових композитних структура није потребна опрема за заваривање. Компоненте такође захтевају мање делова за спајање вијцима, јер се сваки комад може направити у једном или два дела. Код малих производних серија моделираних у овој студији, трошкови калупа и осталог алата доминирају трошковима компоненти.
Мали примери испоруке приказани овде показују колико би коштало започињање даљих истраживања ових материјала. Ово истраживање може се позабавити ерозијом кавитације и УВ заштитом компоненти након инсталације. Могуће је користити еластомерне или керамичке премазе како би се смањила кавитација или осигурало да турбина ради у режимима протока и напора који спречавају појаву кавитације. Биће важно тестирати и решити ова и друга питања како би се осигурало да јединице могу постићи сличну поузданост као челичне турбине, посебно ако ће се инсталирати у подручјима где ће одржавање бити ретко.
Чак и код ових малих производних серија, неке композитне компоненте могу бити исплативе због смањеног броја радова потребних за производњу. На пример, кућиште спиралне електране за Франсис јединицу од 2 MW коштало би 80.000 долара ако се завари од челика, у поређењу са 25.000 долара за производњу од композитних материјала. Међутим, под претпоставком успешног пројектовања турбинских радних кола, трошкови обликовања композитних радних кола су већи од трошкова еквивалентних челичних компоненти. Радно коло од 2 MW коштало би око 23.000 долара за производњу од челика, у поређењу са 27.000 долара за производњу од композитних материјала. Трошкови могу да варирају у зависности од машине. А трошкови композитних компоненти би знатно опао при већим производним серијама ако би се калупи могли поново користити.
Истраживачи су већ истраживали конструкцију турбинских радних кола од композитних материјала.8 Међутим, ова студија се није бавила кавитационом ерозијом и изводљивошћу конструкције. Следећи корак за композитне турбине је пројектовање и израда модела у размери који ће омогућити доказ изводљивости и економичности производње. Ова јединица се затим може тестирати како би се утврдила ефикасност и применљивост, као и методе за спречавање прекомерне кавитационе ерозије.
Време објаве: 15. фебруар 2022.
