วัสดุคอมโพสิตกำลังได้รับความนิยมในการก่อสร้างอุปกรณ์สำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ การศึกษาวิจัยเกี่ยวกับความแข็งแรงของวัสดุและเกณฑ์อื่นๆ เผยให้เห็นถึงการใช้งานอื่นๆ มากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับหน่วยขนาดเล็กและขนาดจิ๋ว
บทความนี้ได้รับการประเมินและแก้ไขตามการวิจารณ์ที่ดำเนินการโดยผู้เชี่ยวชาญที่เกี่ยวข้อง 2 คนขึ้นไป ผู้วิจารณ์เหล่านี้จะตัดสินต้นฉบับจากความถูกต้องทางเทคนิค ความเป็นประโยชน์ และความสำคัญโดยรวมภายในอุตสาหกรรมไฟฟ้าพลังน้ำ
การเพิ่มขึ้นของวัสดุใหม่ทำให้เกิดโอกาสที่น่าตื่นเต้นสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ ไม้ซึ่งใช้ในกังหันน้ำและท่อส่งน้ำแบบเดิม ถูกแทนที่ด้วยชิ้นส่วนเหล็กบางส่วนในช่วงต้นทศวรรษปี 1800 เหล็กยังคงความแข็งแกร่งแม้จะรับน้ำหนักมาก และทนต่อการกัดเซาะและการกัดกร่อนจากโพรงอากาศ คุณสมบัติของเหล็กได้รับการเข้าใจเป็นอย่างดี และกระบวนการผลิตชิ้นส่วนก็ได้รับการพัฒนาอย่างดี สำหรับหน่วยขนาดใหญ่ เหล็กน่าจะยังคงเป็นวัสดุที่เลือกใช้
อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาจากการเพิ่มขึ้นของกังหันลมขนาดเล็ก (ต่ำกว่า 10 เมกะวัตต์) ไปจนถึงขนาดเล็กจิ๋ว (ต่ำกว่า 100 กิโลวัตต์) คอมโพสิตจึงสามารถนำมาใช้เพื่อลดน้ำหนัก ลดต้นทุนการผลิต และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมได้ ซึ่งมีความเกี่ยวข้องอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาถึงความต้องการที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของอุปทานไฟฟ้า กำลังการผลิตพลังงานน้ำที่ติดตั้งทั่วโลก ซึ่งอยู่ที่เกือบ 800,000 เมกะวัตต์ ตามการศึกษาวิจัยของ Norwegian Renewable Energy Partners ในปี 2009 เป็นเพียง 10% ของศักยภาพทางเศรษฐกิจและ 6% ของศักยภาพทางเทคนิคของพลังงานน้ำ ศักยภาพในการนำพลังงานน้ำที่ทำได้ทางเทคนิคเข้าสู่ขอบเขตของศักยภาพทางเศรษฐกิจเพิ่มขึ้นตามความสามารถของส่วนประกอบคอมโพสิตในการประหยัดตามขนาด
การผลิตชิ้นส่วนคอมโพสิต
ในการผลิตท่อส่งน้ำให้ประหยัดและมีความแข็งแรงสูงอย่างสม่ำเสมอ วิธีที่ดีที่สุดคือการพันเส้นใย แกนขนาดใหญ่จะพันด้วยเส้นใยที่ผ่านอ่างเรซิน เส้นใยจะถูกพันเป็นวงและเกลียวเพื่อสร้างความแข็งแรงสำหรับแรงกดภายใน การดัดตามยาว และการจัดการ ส่วนผลลัพธ์ด้านล่างแสดงต้นทุนและน้ำหนักต่อฟุตสำหรับท่อส่งน้ำทั้งสองขนาด โดยอ้างอิงจากใบเสนอราคาจากซัพพลายเออร์ในพื้นที่ ใบเสนอราคาแสดงให้เห็นว่าความหนาของการออกแบบนั้นขึ้นอยู่กับข้อกำหนดในการติดตั้งและการจัดการ มากกว่าแรงกดที่ค่อนข้างต่ำ และสำหรับทั้งสองขนาด ความหนาอยู่ที่ 2.28 ซม.
วิธีการผลิตสองวิธีได้รับการพิจารณาสำหรับประตูรั้วและใบพัดค้ำยัน ได้แก่ การวางแบบเปียกและการแช่แบบสูญญากาศ การวางแบบเปียกใช้ผ้าแห้งซึ่งชุบด้วยการเทเรซินลงบนผ้าและใช้ลูกกลิ้งเพื่อดันเรซินเข้าไปในผ้า กระบวนการนี้ไม่สะอาดเท่ากับการแช่แบบสูญญากาศและไม่ได้ผลิตโครงสร้างที่เหมาะสมที่สุดในแง่ของอัตราส่วนเส้นใยต่อเรซินเสมอไป แต่ใช้เวลาน้อยกว่ากระบวนการแช่แบบสูญญากาศ การแช่แบบสูญญากาศจะวางเส้นใยแห้งในทิศทางที่ถูกต้อง จากนั้นจึงบรรจุถุงสูญญากาศลงในกองผ้าแห้งและติดตั้งอุปกรณ์เสริมเพิ่มเติมที่นำไปสู่แหล่งจ่ายเรซินซึ่งจะถูกดึงเข้าไปในชิ้นส่วนเมื่อมีการใช้สูญญากาศ สูญญากาศช่วยรักษาปริมาณเรซินในระดับที่เหมาะสมและลดการปล่อยสารอินทรีย์ระเหย
โครงแบบสโครลจะใช้การวางแบบมือในสองส่วนที่แยกจากกันบนแม่พิมพ์ตัวผู้เพื่อให้แน่ใจว่าพื้นผิวด้านในเรียบ จากนั้นจะยึดสองส่วนนี้เข้าด้วยกันโดยเพิ่มไฟเบอร์ที่ด้านนอกที่จุดยึดเพื่อให้แน่ใจว่ามีความแข็งแรงเพียงพอ แรงกดในโครงแบบสโครลไม่จำเป็นต้องใช้คอมโพสิตขั้นสูงที่มีความแข็งแรงสูง ดังนั้นการวางแบบเปียกด้วยผ้าไฟเบอร์กลาสพร้อมเรซินอีพอกซีก็เพียงพอแล้ว ความหนาของโครงแบบสโครลขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์การออกแบบเดียวกันกับท่อส่งน้ำ หน่วย 250 กิโลวัตต์เป็นเครื่องจักรการไหลตามแนวแกน ดังนั้นจึงไม่มีโครงแบบสโครล
รางกังหันประกอบด้วยรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนและความต้องการโหลดสูง งานวิจัยล่าสุดแสดงให้เห็นว่าสามารถผลิตชิ้นส่วนโครงสร้างที่มีความแข็งแรงสูงได้จาก SMC พรีเพร็กสับที่มีความแข็งแรงและความแข็งที่ยอดเยี่ยม5 แขนช่วงล่างของ Lamborghini Gallardo ได้รับการออกแบบโดยใช้ SMC พรีเพร็กสับหลายชั้นที่เรียกว่าคอมโพสิตหลอมขึ้นรูปด้วยการอัดเพื่อให้ได้ความหนาที่ต้องการ วิธีเดียวกันนี้สามารถนำไปใช้กับรางกังหันฟรานซิสและใบพัดได้ ไม่สามารถผลิตรางกังหันฟรานซิสเป็นหน่วยเดียวได้ เนื่องจากความซับซ้อนของการทับซ้อนของใบพัดจะทำให้ไม่สามารถแยกชิ้นส่วนออกจากแม่พิมพ์ได้ ดังนั้น ใบพัดของรางกังหัน ครอบใบพัด และแถบใบพัดจึงผลิตแยกกัน จากนั้นจึงยึดเข้าด้วยกันและเสริมด้วยสลักเกลียวที่ด้านนอกของครอบใบพัดและแถบใบพัด
แม้ว่าท่อร่างจะผลิตได้ง่ายที่สุดโดยใช้การพันเส้นใย แต่กระบวนการนี้ยังไม่มีการนำเส้นใยธรรมชาติมาใช้ในเชิงพาณิชย์ ดังนั้น จึงเลือกใช้การวางท่อด้วยมือ เนื่องจากเป็นวิธีการผลิตมาตรฐาน แม้จะมีต้นทุนแรงงานที่สูงกว่าก็ตาม การใช้แม่พิมพ์ตัวผู้คล้ายกับแกนหมุน การวางท่อสามารถทำได้โดยวางแม่พิมพ์ในแนวนอน จากนั้นจึงหมุนในแนวตั้งเพื่อบ่ม ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้ด้านใดด้านหนึ่งหย่อน น้ำหนักของชิ้นส่วนคอมโพสิตจะแตกต่างกันเล็กน้อย ขึ้นอยู่กับปริมาณเรซินในชิ้นส่วนสำเร็จรูป ตัวเลขเหล่านี้คำนวณจากน้ำหนักเส้นใย 50%
น้ำหนักรวมของกังหันเหล็กและคอมโพสิต 2 เมกะวัตต์คือ 9,888 กก. และ 7,016 กก. ตามลำดับ กังหันเหล็กและคอมโพสิต 250 กิโลวัตต์คือ 3,734 กก. และ 1,927 กก. ตามลำดับ โดยถือว่ามีประตู 20 บานสำหรับกังหันแต่ละอันและท่อส่งน้ำมีความยาวเท่ากับหัวของกังหัน มีแนวโน้มว่าท่อส่งน้ำจะยาวกว่าและต้องมีอุปกรณ์ประกอบ แต่ตัวเลขนี้ให้การประมาณน้ำหนักพื้นฐานของหน่วยและอุปกรณ์ต่อพ่วงที่เกี่ยวข้อง เครื่องกำเนิดไฟฟ้า สลักเกลียว และฮาร์ดแวร์ที่เปิดประตูไม่ได้รวมอยู่ด้วย และถือว่ามีความคล้ายคลึงกันระหว่างหน่วยคอมโพสิตและเหล็ก นอกจากนี้ ควรสังเกตว่าการออกแบบรางใหม่ที่จำเป็นเพื่อคำนึงถึงความเข้มข้นของความเค้นที่เห็นใน FEA จะทำให้หน่วยคอมโพสิตมีน้ำหนักเพิ่มขึ้น แต่ถือว่าปริมาณดังกล่าวน้อยมาก โดยอยู่ที่ประมาณ 5 กก. เพื่อเพิ่มความแข็งแรงให้กับจุดต่างๆ ด้วยความเข้มข้นของความเค้น
ด้วยน้ำหนักที่กำหนดไว้ กังหันคอมโพสิตขนาด 2 เมกะวัตต์และท่อส่งลมสามารถยกได้โดยเครื่องบิน V-22 Osprey ที่รวดเร็ว ในขณะที่เครื่องจักรเหล็กจะต้องใช้เฮลิคอปเตอร์ใบพัดคู่ Chinook ที่ช้ากว่าและคล่องตัวน้อยกว่า นอกจากนี้ กังหันคอมโพสิตขนาด 2 เมกะวัตต์และท่อส่งลมยังสามารถลากได้ด้วยเครื่องบิน F-250 4×4 ในขณะที่เครื่องจักรเหล็กจะต้องใช้รถบรรทุกขนาดใหญ่ซึ่งจะเคลื่อนย้ายบนถนนในป่าได้ยากหากการติดตั้งอยู่ห่างไกล
บทสรุป
สามารถสร้างกังหันจากวัสดุคอมโพสิตได้จริง และพบว่ามีน้ำหนักเบาลง 50% ถึง 70% เมื่อเทียบกับส่วนประกอบเหล็กแบบเดิม น้ำหนักที่ลดลงทำให้สามารถติดตั้งกังหันคอมโพสิตในสถานที่ห่างไกลได้ นอกจากนี้ การประกอบโครงสร้างคอมโพสิตเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เชื่อม นอกจากนี้ ส่วนประกอบยังต้องใช้ชิ้นส่วนที่ต้องยึดด้วยสลักเกลียวน้อยลง เนื่องจากแต่ละชิ้นสามารถผลิตได้ทีละหนึ่งหรือสองส่วน ในการผลิตจำนวนน้อยตามแบบจำลองในการศึกษานี้ ต้นทุนของแม่พิมพ์และเครื่องมืออื่นๆ มักเป็นต้นทุนของส่วนประกอบ
การทำงานขนาดเล็กที่ระบุไว้ที่นี่แสดงให้เห็นว่าจะต้องเสียค่าใช้จ่ายเท่าใดในการเริ่มทำการวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับวัสดุเหล่านี้ การวิจัยนี้สามารถแก้ไขปัญหาการกัดกร่อนจากการเกิดโพรงอากาศและการป้องกันรังสียูวีของส่วนประกอบหลังการติดตั้งได้ อาจเป็นไปได้ที่จะใช้สารเคลือบอีลาสโตเมอร์หรือเซรามิกเพื่อลดการเกิดโพรงอากาศหรือเพื่อให้แน่ใจว่ากังหันทำงานตามการไหลและส่วนหัวที่ป้องกันไม่ให้เกิดโพรงอากาศ การทดสอบและแก้ไขปัญหาเหล่านี้และปัญหาอื่นๆ เป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าหน่วยต่างๆ สามารถบรรลุความน่าเชื่อถือที่คล้ายคลึงกันกับกังหันเหล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากจะต้องติดตั้งในพื้นที่ที่การบำรุงรักษาจะไม่บ่อยนัก
แม้ว่าจะมีการผลิตในปริมาณน้อย แต่ส่วนประกอบคอมโพสิตบางชิ้นก็ยังมีต้นทุนต่ำเนื่องจากต้องใช้แรงงานน้อยลงในการผลิต ตัวอย่างเช่น โครงม้วนสำหรับหน่วย Francis ขนาด 2 เมกะวัตต์จะมีต้นทุน 80,000 ดอลลาร์ในการเชื่อมจากเหล็ก เมื่อเทียบกับ 25,000 ดอลลาร์สำหรับการผลิตคอมโพสิต อย่างไรก็ตาม หากสมมติว่าสามารถออกแบบรางกังหันได้สำเร็จ ต้นทุนในการขึ้นรูปรางกังหันคอมโพสิตจะสูงกว่าส่วนประกอบเหล็กที่เทียบเท่ากัน รางกังหันขนาด 2 เมกะวัตต์จะมีต้นทุนประมาณ 23,000 ดอลลาร์ในการผลิตจากเหล็ก เมื่อเทียบกับ 27,000 ดอลลาร์สำหรับการผลิตจากคอมโพสิต ต้นทุนอาจแตกต่างกันไปในแต่ละเครื่องจักร และต้นทุนสำหรับส่วนประกอบคอมโพสิตจะลดลงอย่างมากในการผลิตจำนวนมากขึ้น หากสามารถนำแม่พิมพ์มาใช้ซ้ำได้
นักวิจัยได้ทำการศึกษาวิจัยการสร้างกังหันจากวัสดุคอมโพสิตแล้ว8 อย่างไรก็ตาม การศึกษานี้ไม่ได้กล่าวถึงการกัดกร่อนจากโพรงอากาศและความเป็นไปได้ในการก่อสร้าง ขั้นตอนต่อไปสำหรับกังหันคอมโพสิตคือการออกแบบและสร้างแบบจำลองขนาดที่สามารถพิสูจน์ความเป็นไปได้และความประหยัดในการผลิต จากนั้นจึงสามารถทดสอบหน่วยนี้เพื่อพิจารณาประสิทธิภาพและความสามารถในการนำไปใช้งาน รวมถึงวิธีการป้องกันการกัดเซาะจากโพรงอากาศที่มากเกินไป
เวลาโพสต์ : 15 ก.พ. 2565
