วัสดุคอมโพสิตกำลังเข้ามามีบทบาทในการก่อสร้างอุปกรณ์สำหรับอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ การตรวจสอบความแข็งแรงของวัสดุและเกณฑ์อื่นๆ เผยให้เห็นถึงการใช้งานอีกมากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับหน่วยขนาดเล็กและขนาดจิ๋ว
บทความนี้ได้รับการประเมินและแก้ไขตามการตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญอย่างน้อยสองคนที่มีความรู้ความเชี่ยวชาญที่เกี่ยวข้อง ผู้ตรวจสอบเหล่านี้จะพิจารณาบทความในด้านความถูกต้องทางเทคนิค ประโยชน์ใช้สอย และความสำคัญโดยรวมในอุตสาหกรรมพลังงานน้ำ
การเกิดขึ้นของวัสดุใหม่ๆ เปิดโอกาสที่น่าตื่นเต้นสำหรับอุตสาหกรรมพลังงานน้ำ ไม้ซึ่งใช้ในกังหานน้ำและท่อส่งน้ำแบบดั้งเดิมนั้น ถูกแทนที่ด้วยชิ้นส่วนเหล็กบางส่วนในช่วงต้นศตวรรษที่ 19 เหล็กยังคงความแข็งแรงไว้ได้แม้ภายใต้ภาระการรับน้ำหนักซ้ำๆ สูง และทนต่อการกัดเซาะจากโพรงอากาศและการกัดกร่อน คุณสมบัติของเหล็กเป็นที่เข้าใจกันดี และกระบวนการผลิตชิ้นส่วนก็ได้รับการพัฒนาอย่างดีแล้ว สำหรับหน่วยผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ เหล็กน่าจะยังคงเป็นวัสดุที่ได้รับเลือกใช้ต่อไป
อย่างไรก็ตาม ด้วยการเพิ่มขึ้นของกังหันลมขนาดเล็ก (ต่ำกว่า 10 เมกะวัตต์) ไปจนถึงขนาดจิ๋ว (ต่ำกว่า 100 กิโลวัตต์) วัสดุคอมโพสิตสามารถนำมาใช้เพื่อลดน้ำหนัก ลดต้นทุนการผลิต และลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาถึงความต้องการที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของการจัดหาพลังงานไฟฟ้า กำลังการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำทั่วโลกที่ติดตั้งไว้เกือบ 800,000 เมกะวัตต์ ตามการศึกษาในปี 2009 โดย Norwegian Renewable Energy Partners นั้น คิดเป็นเพียง 10% ของกำลังการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำที่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ และ 6% ของกำลังการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำที่ทำได้ทางเทคนิค ศักยภาพในการนำกำลังการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำที่ทำได้ทางเทคนิคมาสู่ระดับที่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจนั้นเพิ่มขึ้นด้วยความสามารถของชิ้นส่วนคอมโพสิตในการสร้างความประหยัดจากขนาด
การผลิตชิ้นส่วนคอมโพสิต
เพื่อผลิตท่อส่งน้ำอย่างประหยัดและมีความแข็งแรงสูงสม่ำเสมอ วิธีที่ดีที่สุดคือการพันเส้นใย โดยใช้แกนขนาดใหญ่พันด้วยเส้นใยที่ผ่านการชุบเรซิน เส้นใยจะถูกพันเป็นรูปวงกลมและเกลียวเพื่อสร้างความแข็งแรงสำหรับแรงดันภายใน การดัดงอตามแนวยาว และการเคลื่อนย้าย ส่วนผลลัพธ์ด้านล่างแสดงต้นทุนและน้ำหนักต่อฟุตสำหรับท่อส่งน้ำสองขนาด โดยอ้างอิงจากใบเสนอราคาจากผู้จำหน่ายในท้องถิ่น ใบเสนอราคาแสดงให้เห็นว่าความหนาที่ออกแบบนั้นขึ้นอยู่กับข้อกำหนดในการติดตั้งและการเคลื่อนย้ายมากกว่าแรงดันที่ค่อนข้างต่ำ และสำหรับทั้งสองขนาด ความหนาคือ 2.28 ซม.
มีการพิจารณาสองวิธีในการผลิตประตูน้ำและใบพัดควบคุมทิศทางลม ได้แก่ การวางเส้นใยแบบเปียกและการฉีดเรซินแบบสุญญากาศ การวางเส้นใยแบบเปียกใช้ผ้าแห้งซึ่งจะถูกชุบด้วยเรซินโดยการเทเรซินลงบนผ้าและใช้ลูกกลิ้งดันเรซินเข้าไปในผ้า กระบวนการนี้ไม่สะอาดเท่ากับการฉีดเรซินแบบสุญญากาศและไม่ได้สร้างโครงสร้างที่เหมาะสมที่สุดในแง่ของอัตราส่วนเส้นใยต่อเรซินเสมอไป แต่ใช้เวลาน้อยกว่ากระบวนการฉีดเรซินแบบสุญญากาศ การฉีดเรซินแบบสุญญากาศจะวางเส้นใยแห้งในทิศทางที่ถูกต้อง จากนั้นกองเส้นใยแห้งจะถูกบรรจุในถุงสุญญากาศและติดตั้งอุปกรณ์เสริมที่เชื่อมต่อกับท่อส่งเรซิน ซึ่งจะถูกดูดเข้าไปในชิ้นส่วนเมื่อใช้สุญญากาศ สุญญากาศช่วยรักษาระดับปริมาณเรซินให้อยู่ในระดับที่เหมาะสมและลดการปล่อยสารอินทรีย์ระเหยง่าย
ตัวเรือนเกลียวจะใช้วิธีการขึ้นรูปด้วยมือโดยแบ่งครึ่งออกเป็นสองส่วนบนแม่พิมพ์ตัวผู้ เพื่อให้แน่ใจว่าพื้นผิวด้านในเรียบ จากนั้นจะนำสองส่วนนี้มาเชื่อมติดกันโดยเติมเส้นใยที่ด้านนอกตรงจุดเชื่อมเพื่อให้มีความแข็งแรงเพียงพอ แรงดันในตัวเรือนเกลียวไม่จำเป็นต้องใช้คอมโพสิตขั้นสูงที่มีความแข็งแรงสูง ดังนั้นการขึ้นรูปด้วยผ้าใยแก้วแบบเปียกโดยใช้เรซินอีพ็อกซีจึงเพียงพอ ความหนาของตัวเรือนเกลียวอิงตามพารามิเตอร์การออกแบบเดียวกับท่อส่งน้ำ หน่วย 250 กิโลวัตต์เป็นเครื่องจักรแบบไหลตามแนวแกน ดังนั้นจึงไม่มีตัวเรือนเกลียว
ใบพัดกังหันมีรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนและต้องการรับน้ำหนักสูง งานวิจัยล่าสุดแสดงให้เห็นว่าชิ้นส่วนโครงสร้างที่มีความแข็งแรงสูงสามารถผลิตได้จากวัสดุคอมโพสิตแบบพรีเพรก (SMC) ที่ถูกตัดเป็นชิ้นเล็กๆ ซึ่งมีความแข็งแรงและความแข็งแงดีเยี่ยม5 แขนช่วงล่างของรถ Lamborghini Gallardo ถูกออกแบบโดยใช้วัสดุคอมโพสิตแบบพรีเพรกหลายชั้นที่เรียกว่าวัสดุคอมโพสิตขึ้นรูป (forged composite) ซึ่งขึ้นรูปด้วยการอัดเพื่อให้ได้ความหนาที่ต้องการ วิธีเดียวกันนี้สามารถนำไปใช้กับใบพัดกังหันฟรานซิสและใบพัดใบพัดได้ ใบพัดกังหันฟรานซิสไม่สามารถผลิตเป็นชิ้นเดียวได้ เนื่องจากความซับซ้อนของการซ้อนทับของใบพัดจะทำให้ไม่สามารถดึงชิ้นส่วนออกจากแม่พิมพ์ได้ ดังนั้น ใบพัด ส่วนหัว และแถบจึงถูกผลิตแยกกัน จากนั้นจึงนำมาเชื่อมต่อกันและเสริมความแข็งแรงด้วยสลักเกลียวจากด้านนอกของส่วนหัวและแถบ
แม้ว่าการผลิตท่อร่างแบบจะทำได้ง่ายที่สุดโดยใช้การพันเส้นใย แต่กระบวนการนี้ยังไม่ได้รับการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์กับเส้นใยธรรมชาติ ดังนั้นจึงเลือกใช้การวางเส้นใยด้วยมือ เนื่องจากเป็นวิธีการผลิตมาตรฐาน แม้ว่าจะมีต้นทุนแรงงานสูงกว่าก็ตาม การใช้แม่พิมพ์ตัวผู้คล้ายกับแกนหมุน การวางเส้นใยสามารถทำได้โดยวางแม่พิมพ์ในแนวนอน จากนั้นจึงหมุนให้ตั้งตรงเพื่ออบให้แข็งตัว ซึ่งจะช่วยป้องกันการหย่อนคล้อยด้านใดด้านหนึ่ง น้ำหนักของชิ้นส่วนคอมโพสิตจะแตกต่างกันเล็กน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณเรซินในชิ้นส่วนที่เสร็จสมบูรณ์ ตัวเลขเหล่านี้อ้างอิงจากน้ำหนักเส้นใย 50%
น้ำหนักรวมของกังหันไอน้ำขนาด 2 เมกะวัตต์แบบเหล็กและแบบคอมโพสิตอยู่ที่ 9,888 กิโลกรัมและ 7,016 กิโลกรัม ตามลำดับ ส่วนกังหันไอน้ำขนาด 250 กิโลวัตต์แบบเหล็กและแบบคอมโพสิตมีน้ำหนัก 3,734 กิโลกรัมและ 1,927 กิโลกรัม ตามลำดับ ตัวเลขเหล่านี้คำนวณจากสมมติฐานว่ามีประตูระบายน้ำ 20 บานสำหรับแต่ละกังหัน และความยาวของท่อส่งน้ำเท่ากับความสูงของกังหัน ในความเป็นจริงแล้วท่อส่งน้ำอาจยาวกว่านี้และต้องมีอุปกรณ์เสริม แต่ตัวเลขนี้เป็นการประมาณน้ำหนักพื้นฐานของตัวเครื่องและอุปกรณ์ต่อพ่วงที่เกี่ยวข้อง เครื่องกำเนิดไฟฟ้า สลักเกลียว และอุปกรณ์ควบคุมประตูระบายน้ำไม่ได้รวมอยู่ด้วย และถือว่ามีลักษณะคล้ายกันระหว่างหน่วยแบบคอมโพสิตและแบบเหล็ก นอกจากนี้ ควรสังเกตว่าการออกแบบใบพัดใหม่ที่จำเป็นเพื่อแก้ไขปัญหาความเค้นสูงที่พบในการวิเคราะห์ด้วยวิธีไฟไนต์เอเลเมนต์ (FEA) จะเพิ่มน้ำหนักให้กับหน่วยแบบคอมโพสิต แต่คาดว่าปริมาณที่เพิ่มขึ้นจะน้อยมาก ประมาณ 5 กิโลกรัม เพื่อเสริมความแข็งแรงให้กับจุดที่มีความเค้นสูง
ด้วยน้ำหนักที่กำหนด กังหันลมคอมโพสิตขนาด 2 เมกะวัตต์และท่อส่งน้ำสามารถยกได้ด้วยเครื่องบิน V-22 Osprey ที่มีความเร็วสูง ในขณะที่กังหันลมเหล็กจะต้องใช้เฮลิคอปเตอร์ Chinook สองใบพัดที่ช้ากว่าและคล่องตัวน้อยกว่า นอกจากนี้ กังหันลมคอมโพสิตขนาด 2 เมกะวัตต์และท่อส่งน้ำยังสามารถลากจูงได้ด้วยรถกระบะ F-250 4×4 ในขณะที่กังหันลมเหล็กจะต้องใช้รถบรรทุกขนาดใหญ่กว่าซึ่งยากต่อการควบคุมบนถนนในป่าหากสถานที่ติดตั้งอยู่ห่างไกล
ข้อสรุป
การสร้างกังหันจากวัสดุคอมโพสิตนั้นเป็นไปได้ และพบว่าสามารถลดน้ำหนักได้ 50% ถึง 70% เมื่อเทียบกับชิ้นส่วนเหล็กแบบดั้งเดิม น้ำหนักที่ลดลงทำให้สามารถติดตั้งกังหันคอมโพสิตในพื้นที่ห่างไกลได้ นอกจากนี้ การประกอบโครงสร้างคอมโพสิตเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เชื่อม ชิ้นส่วนต่างๆ ยังต้องการชิ้นส่วนที่ต้องยึดเข้าด้วยกันน้อยลง เนื่องจากแต่ละชิ้นสามารถผลิตได้จากหนึ่งหรือสองส่วน ในการผลิตจำนวนน้อยที่จำลองไว้ในการศึกษาครั้งนี้ ต้นทุนของแม่พิมพ์และเครื่องมืออื่นๆ เป็นส่วนสำคัญของต้นทุนชิ้นส่วน
การทดสอบขนาดเล็กที่แสดงไว้ในที่นี้แสดงให้เห็นถึงต้นทุนในการเริ่มต้นการวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับวัสดุเหล่านี้ การวิจัยนี้สามารถแก้ไขปัญหาการกัดกร่อนจากโพรงอากาศและการป้องกันรังสียูวีของชิ้นส่วนหลังการติดตั้งได้ อาจเป็นไปได้ที่จะใช้สารเคลือบอีลาสโตเมอร์หรือเซรามิกเพื่อลดโพรงอากาศหรือเพื่อให้แน่ใจว่ากังหันทำงานในสภาวะการไหลและแรงดันที่ป้องกันการเกิดโพรงอากาศ การทดสอบและแก้ไขปัญหาเหล่านี้และปัญหาอื่นๆ จะมีความสำคัญเพื่อให้แน่ใจว่าหน่วยเหล่านี้สามารถมีความน่าเชื่อถือใกล้เคียงกับกังหันเหล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากจะติดตั้งในพื้นที่ที่มีการบำรุงรักษาไม่บ่อยนัก
แม้แต่ในการผลิตจำนวนน้อย ชิ้นส่วนคอมโพสิตบางชนิดก็อาจคุ้มค่ากว่าเนื่องจากใช้แรงงานในการผลิตน้อยลง ตัวอย่างเช่น ตัวเรือนกังหันสำหรับกังหันฟรานซิสขนาด 2 เมกะวัตต์ จะมีต้นทุนการเชื่อมจากเหล็กถึง 80,000 ดอลลาร์ ในขณะที่การผลิตจากคอมโพสิตจะมีต้นทุนเพียง 25,000 ดอลลาร์ อย่างไรก็ตาม หากสมมติว่าการออกแบบใบพัดกังหันประสบความสำเร็จ ต้นทุนในการขึ้นรูปใบพัดคอมโพสิตจะสูงกว่าชิ้นส่วนเหล็กที่มีขนาดเทียบเท่ากัน ใบพัดขนาด 2 เมกะวัตต์จะมีต้นทุนการผลิตจากเหล็กประมาณ 23,000 ดอลลาร์ ในขณะที่การผลิตจากคอมโพสิตจะมีต้นทุน 27,000 ดอลลาร์ ต้นทุนอาจแตกต่างกันไปตามเครื่องจักร และต้นทุนสำหรับชิ้นส่วนคอมโพสิตจะลดลงอย่างมากในการผลิตจำนวนมาก หากสามารถนำแม่พิมพ์กลับมาใช้ใหม่ได้
นักวิจัยได้ศึกษาการสร้างใบพัดกังหันจากวัสดุคอมโพสิตมาแล้ว8 อย่างไรก็ตาม การศึกษานี้ไม่ได้กล่าวถึงการกัดเซาะจากโพรงอากาศและความเป็นไปได้ในการก่อสร้าง ขั้นตอนต่อไปสำหรับกังหันคอมโพสิตคือการออกแบบและสร้างแบบจำลองขนาดเล็กที่จะช่วยพิสูจน์ความเป็นไปได้และความคุ้มค่าในการผลิต จากนั้นจึงสามารถทดสอบหน่วยนี้เพื่อกำหนดประสิทธิภาพและความเหมาะสมในการใช้งาน ตลอดจนวิธีการป้องกันการกัดเซาะจากโพรงอากาศที่มากเกินไป
วันที่เผยแพร่: 15 กุมภาพันธ์ 2565
