Kompozit malzemeler hidroelektrik güç endüstrisi için ekipman yapımında ilerleme kaydediyor. Malzeme dayanıklılığı ve diğer kriterler üzerine yapılan bir araştırma, özellikle küçük ve mikro üniteler için çok daha fazla uygulama ortaya koyuyor.
Bu makale, ilgili uzmanlığa sahip iki veya daha fazla profesyonel tarafından yürütülen incelemelere göre değerlendirilmiş ve düzenlenmiştir. Bu hakemler, el yazmalarını teknik doğruluk, kullanışlılık ve hidroelektrik endüstrisindeki genel önem açısından değerlendirir.
Yeni malzemelerin yükselişi hidroelektrik endüstrisi için heyecan verici fırsatlar sunuyor. Orijinal su çarklarında ve su borularında kullanılan ahşap, 1800'lerin başında kısmen çelik bileşenlerle değiştirildi. Çelik, yüksek yorulma yüklemesine rağmen gücünü korur ve kavitasyon aşınmasına ve korozyona karşı koyar. Özellikleri iyi anlaşılmıştır ve bileşen üretim süreçleri iyi geliştirilmiştir. Büyük üniteler için çelik muhtemelen tercih edilen malzeme olmaya devam edecektir.
Ancak, küçük (10 MW'ın altında) ila mikro boyutlu (100 kW'ın altında) türbinlerin yükselişi göz önüne alındığında, kompozitler ağırlıktan tasarruf etmek ve üretim maliyetini ve çevresel etkiyi azaltmak için kullanılabilir. Bu, elektrik tedarikinde devam eden büyüme ihtiyacı göz önüne alındığında özellikle önemlidir. Norveç Yenilenebilir Enerji Ortakları'nın 2009 tarihli bir çalışmasına göre, yaklaşık 800.000 MW olan kurulu dünya hidro kapasitesi, ekonomik olarak uygulanabilir olanın yalnızca %10'u ve teknik olarak uygulanabilir hidroelektriğin yalnızca %6'sıdır. Teknik olarak uygulanabilir hidronun daha fazlasını ekonomik olarak uygulanabilir alana getirme potansiyeli, kompozit bileşenlerin ölçek ekonomisi sağlama yeteneğiyle artar.
Kompozit bileşen imalatı
Penstock'u ekonomik ve tutarlı yüksek mukavemetle üretmek için en iyi yöntem filament sarımıdır. Büyük bir mandrel, reçine banyosundan geçirilmiş lif demetleriyle sarılır. Demetler, iç basınç, uzunlamasına bükülme ve elleçleme için mukavemet oluşturmak üzere çember ve helezon desenlerine sarılır. Aşağıdaki sonuçlar bölümü, yerel tedarikçilerden alınan bir teklife dayalı olarak iki penstock boyutu için ayak başına maliyeti ve ağırlığı göstermektedir. Teklif, tasarım kalınlığının nispeten düşük basınç yükünden ziyade kurulum ve elleçleme gereksinimleri tarafından yönlendirildiğini ve her ikisi için de 2,28 cm olduğunu göstermiştir.
Wicket kapıları ve destek kanatları için iki üretim yöntemi düşünüldü; ıslak yatırma ve vakum infüzyonu. Islak yatırma, reçineyi kumaşın üzerine dökerek ve reçineyi kumaşa itmek için silindirler kullanarak emdirilen kuru kumaş kullanır. Bu işlem vakum infüzyonu kadar temiz değildir ve elyaf-reçine oranı açısından her zaman en optimize edilmiş yapıyı üretmez, ancak vakum infüzyon işleminden daha az zaman alır. Vakum infüzyonu, kuru elyafı doğru yönelimlerde yatırır ve kuru yığın daha sonra vakumlu torbalara konur ve vakum uygulandığında parçaya çekilen bir reçine tedarikine yol açan ekstra bağlantı parçaları takılır. Vakum, reçine miktarının optimum seviyede tutulmasına yardımcı olur ve uçucu organiklerin salınımını azaltır.
Sarmal kasa, pürüzsüz bir iç yüzey sağlamak için erkek kalıp üzerinde iki ayrı yarıya el yatırması kullanacaktır. Bu iki yarı daha sonra yeterli mukavemeti sağlamak için bağlama noktasında dışarıya eklenen elyafla birbirine bağlanacaktır. Sarmal kasadaki basınç yükü yüksek mukavemetli gelişmiş bir kompozit gerektirmez, bu nedenle epoksi reçineli fiberglas kumaşın ıslak yatırılması yeterli olacaktır. Sarmal kasanın kalınlığı, penstock ile aynı tasarım parametresine dayanıyordu. 250 kW'lık ünite eksenel akışlı bir makinedir, bu nedenle sarmalı kasa yoktur.
Bir türbin koşucusu, karmaşık bir geometriyi yüksek yük gereksinimleriyle birleştirir. Son çalışmalar, yüksek mukavemetli yapısal bileşenlerin mükemmel mukavemet ve sertliğe sahip kıyılmış prepreg SMC'den üretilebileceğini göstermiştir.5 Lamborghini Gallardo'nun süspansiyon kolu, gerekli kalınlığı üretmek için sıkıştırma kalıplanmış, dövme kompozit olarak bilinen kıyılmış prepreg SMC'nin çoklu katmanları kullanılarak tasarlanmıştır. Aynı yöntem Francis ve pervane koşucularına da uygulanabilir. Francis koşucusu tek bir ünite olarak yapılamaz, çünkü kanat örtüşmesinin karmaşıklığı parçanın kalıptan çıkarılmasını engeller. Bu nedenle, koşucu kanatları, taç ve bant ayrı ayrı üretilir ve daha sonra taç ve bandın dışından cıvatalarla birbirine bağlanır ve güçlendirilir.
Taslak boru, filament sarımı kullanılarak en kolay şekilde üretilirken, bu işlem doğal lifler kullanılarak ticarileştirilmemiştir. Bu nedenle, daha yüksek işçilik maliyetlerine rağmen standart üretim yöntemi olduğu için el yatırması seçilmiştir. Bir mandrele benzer bir erkek kalıp kullanılarak, yatırma işlemi kalıp yatay olarak tamamlanabilir ve daha sonra kürlenmek üzere dikey olarak döndürülebilir, böylece bir tarafta sarkma önlenir. Kompozit parçaların ağırlığı, bitmiş parçadaki reçine miktarına bağlı olarak biraz değişecektir. Bu sayılar %50 lif ağırlığına dayanmaktadır.
Çelik ve kompozit 2-MW türbinin toplam ağırlıkları sırasıyla 9.888 kg ve 7.016 kg'dır. 250-kW çelik ve kompozit türbinler sırasıyla 3.734 kg ve 1.927 kg'dır. Toplamlar her türbin için 20 adet kanat kapısı ve türbinin kafasına eşit bir penstok uzunluğu varsayar. Penstokun daha uzun olması ve bağlantı parçaları gerektirmesi muhtemeldir, ancak bu sayı ünitenin ve ilişkili çevre birimlerinin ağırlığı hakkında temel bir tahmin verir. Jeneratör, cıvatalar ve kapak çalıştırma donanımı dahil değildir ve kompozit ve çelik üniteler arasında benzer olduğu varsayılır. Ayrıca, FEA'da görülen gerilim konsantrasyonlarını hesaba katmak için gereken koşucu yeniden tasarımının kompozit ünitelere ağırlık ekleyeceğini, ancak miktarın gerilim konsantrasyonu olan noktaları güçlendirmek için 5 kg mertebesinde asgari düzeyde olduğu varsayıldığını belirtmekte fayda var.
Verilen ağırlıklarla, 2-MW kompozit türbin ve onun su besleme borusu hızlı V-22 Osprey tarafından kaldırılabilirken, çelik makine daha yavaş, daha az manevra kabiliyetine sahip bir Chinook çift rotorlu helikopter gerektirir. Ayrıca, 2-MW kompozit türbin ve su besleme borusu bir F-250 4×4 tarafından çekilebilirken, çelik ünite, eğer kurulum uzaksa orman yollarında manevra yapması zor olacak daha büyük bir kamyon gerektirir.
Sonuçlar
Kompozit malzemelerden türbin inşa etmek mümkündür ve geleneksel çelik bileşenlere kıyasla %50 ila %70 arasında bir ağırlık azalması görülmüştür. Azaltılmış ağırlık, kompozit türbinlerin uzak yerlere kurulmasına olanak tanıyabilir. Ayrıca, bu kompozit yapıların montajı kaynak ekipmanı gerektirmez. Bileşenler ayrıca, her parça bir veya iki bölümden yapılabildiği için birbirine cıvatalanması gereken daha az parça gerektirir. Bu çalışmada modellenen küçük üretim serilerinde, kalıpların ve diğer takımların maliyeti bileşen maliyetine hakimdir.
Burada belirtilen küçük çalışmalar, bu malzemelerle ilgili daha fazla araştırma başlatmanın maliyetinin ne olacağını göstermektedir. Bu araştırma, kurulumdan sonra bileşenlerin kavitasyon aşınması ve UV koruması ile ilgili olabilir. Kavitasyonu azaltmak veya türbinin kavitasyonun oluşmasını önleyen akış ve kafa rejimlerinde çalışmasını sağlamak için elastomer veya seramik kaplamalar kullanmak mümkün olabilir. Özellikle bakımın seyrek olacağı alanlara kurulacaksa, ünitelerin çelik türbinlerle benzer güvenilirliğe ulaşmasını sağlamak için bu ve diğer sorunları test etmek ve çözmek önemli olacaktır.
Bu küçük üretimlerde bile, bazı kompozit bileşenler üretim için gereken iş gücünün azalması nedeniyle maliyet açısından etkili olabilir. Örneğin, 2-MW Francis ünitesi için bir sarmal kasa, kompozit üretimi için 25.000 dolara kıyasla çelikten kaynaklandığında 80.000 dolara mal olur. Ancak, türbin koşucularının başarılı bir şekilde tasarlanması varsayıldığında, kompozit koşucuları kalıplamanın maliyeti eşdeğer çelik bileşenlerden daha fazladır. 2-MW koşucunun çelikten üretilmesi yaklaşık 23.000 dolara mal olurken, kompozitten üretilmesi 27.000 dolara mal olur. Maliyetler makineye göre değişebilir. Ve kalıplar yeniden kullanılabilirse, kompozit bileşenlerin maliyeti daha yüksek üretim üretimlerinde önemli ölçüde düşecektir.
Araştırmacılar, türbin koşucularının kompozit malzemelerden inşasını zaten araştırdılar.8 Ancak, bu çalışma kavitasyon erozyonunu ve inşanın uygulanabilirliğini ele almadı. Kompozit türbinler için bir sonraki adım, uygulanabilirlik ve üretim ekonomisinin kanıtını sağlayacak bir ölçekli model tasarlamak ve inşa etmektir. Bu ünite daha sonra verimliliği ve uygulanabilirliği ve aşırı kavitasyon erozyonunu önleme yöntemlerini belirlemek için test edilebilir.
Gönderi zamanı: 15-Şub-2022
