Vật liệu composite đang thâm nhập vào việc xây dựng thiết bị cho ngành thủy điện. Một cuộc điều tra về độ bền vật liệu và các tiêu chí khác cho thấy nhiều ứng dụng hơn, đặc biệt là đối với các đơn vị nhỏ và siêu nhỏ.
Bài viết này đã được đánh giá và biên tập theo các đánh giá được thực hiện bởi hai hoặc nhiều chuyên gia có chuyên môn liên quan. Những người đánh giá ngang hàng này đánh giá bản thảo về độ chính xác kỹ thuật, tính hữu ích và tầm quan trọng chung trong ngành thủy điện.
Sự gia tăng của các vật liệu mới mang đến những cơ hội thú vị cho ngành thủy điện. Gỗ — được sử dụng trong các bánh xe nước và ống dẫn nước ban đầu — đã được thay thế một phần bằng các thành phần thép vào đầu những năm 1800. Thép vẫn giữ được độ bền thông qua tải trọng mỏi cao và chống lại sự xói mòn và ăn mòn do xâm thực. Các đặc tính của nó được hiểu rõ và các quy trình sản xuất thành phần được phát triển tốt. Đối với các đơn vị lớn, thép có khả năng vẫn là vật liệu được lựa chọn.
Tuy nhiên, xét đến sự gia tăng của các tua-bin nhỏ (dưới 10 MW) đến tua-bin siêu nhỏ (dưới 100 kW), vật liệu composite có thể được sử dụng để tiết kiệm trọng lượng và giảm chi phí sản xuất cũng như tác động đến môi trường. Điều này đặc biệt có liên quan khi xét đến nhu cầu liên tục tăng trưởng nguồn cung cấp điện. Công suất thủy điện lắp đặt trên thế giới, gần 800.000 MW theo một nghiên cứu năm 2009 của Norwegian Renewable Energy Partners, chỉ bằng 10% công suất khả thi về mặt kinh tế và 6% công suất thủy điện khả thi về mặt kỹ thuật. Tiềm năng đưa nhiều thủy điện khả thi về mặt kỹ thuật hơn vào lĩnh vực khả thi về mặt kinh tế tăng lên khi các thành phần composite có khả năng cung cấp quy mô kinh tế.
Sản xuất linh kiện tổng hợp
Để sản xuất ống dẫn nước tiết kiệm và có độ bền cao đồng đều, phương pháp tốt nhất là quấn sợi. Một ống lớn được quấn bằng các sợi đã chạy qua bồn nhựa. Các sợi được quấn theo kiểu vòng và xoắn ốc để tạo độ bền cho áp suất bên trong, uốn dọc và xử lý. Phần kết quả bên dưới hiển thị chi phí và trọng lượng trên một foot cho hai kích thước ống dẫn nước, dựa trên báo giá từ các nhà cung cấp địa phương. Báo giá cho thấy độ dày thiết kế được thúc đẩy bởi các yêu cầu lắp đặt và xử lý, thay vì tải áp suất tương đối thấp và đối với cả hai, độ dày là 2,28 cm.
Hai phương pháp sản xuất được xem xét cho các cửa wicket và cánh trụ; xếp ướt và truyền chân không. Xếp ướt sử dụng vải khô, được tẩm bằng cách đổ nhựa lên vải và sử dụng con lăn để đẩy nhựa vào vải. Quy trình này không sạch như truyền chân không và không phải lúc nào cũng tạo ra cấu trúc tối ưu nhất về tỷ lệ sợi trên nhựa, nhưng nó mất ít thời gian hơn quy trình truyền chân không. Truyền chân không xếp sợi khô theo đúng hướng và sau đó, chồng khô được đóng gói chân không và gắn thêm các phụ kiện dẫn đến nguồn cung cấp nhựa, được hút vào bộ phận khi áp dụng chân không. Chân không giúp duy trì lượng nhựa ở mức tối ưu và giảm giải phóng các chất hữu cơ dễ bay hơi.
Vỏ cuộn sẽ sử dụng phương pháp xếp chồng bằng tay thành hai nửa riêng biệt trên khuôn đúc để đảm bảo bề mặt bên trong nhẵn. Hai nửa này sau đó sẽ được liên kết với nhau bằng cách thêm sợi vào bên ngoài tại điểm liên kết để đảm bảo đủ độ bền. Tải trọng áp suất trong vỏ cuộn không yêu cầu vật liệu composite tiên tiến có độ bền cao, do đó, lớp vải sợi thủy tinh ướt với nhựa epoxy sẽ đủ. Độ dày của vỏ cuộn dựa trên cùng một thông số thiết kế như ống dẫn nước. Thiết bị 250 kW là máy dòng trục, do đó không có vỏ cuộn.
Một bánh xe tua bin kết hợp hình học phức tạp với yêu cầu tải trọng cao. Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng các thành phần cấu trúc có độ bền cao có thể được sản xuất từ SMC prepreg cắt nhỏ với độ bền và độ cứng tuyệt vời.5 Cánh tay treo của Lamborghini Gallardo được thiết kế bằng cách sử dụng nhiều lớp SMC prepreg cắt nhỏ được gọi là vật liệu composite rèn, đúc nén để tạo ra độ dày cần thiết. Phương pháp tương tự có thể được áp dụng cho bánh xe Francis và bánh xe cánh quạt. Bánh xe Francis không thể được chế tạo thành một khối thống nhất vì độ phức tạp của phần chồng lên nhau của cánh sẽ ngăn không cho bộ phận này được lấy ra khỏi khuôn. Do đó, các cánh bánh xe, đỉnh và dải được chế tạo riêng biệt, sau đó được liên kết với nhau và gia cố bằng bu lông qua bên ngoài đỉnh và dải.
Trong khi ống gió được sản xuất dễ dàng nhất bằng cách quấn sợi, quy trình này vẫn chưa được thương mại hóa bằng cách sử dụng sợi tự nhiên. Do đó, phương pháp xếp thủ công đã được lựa chọn, vì đây là phương pháp sản xuất tiêu chuẩn, mặc dù chi phí nhân công cao hơn. Sử dụng khuôn đực tương tự như trục, quá trình xếp có thể được hoàn thành với khuôn nằm ngang và sau đó xoay theo chiều dọc để lưu hóa, ngăn ngừa chảy xệ ở một bên. Trọng lượng của các bộ phận composite sẽ thay đổi đôi chút tùy thuộc vào lượng nhựa trong bộ phận hoàn thiện. Những con số này dựa trên trọng lượng sợi 50%.
Tổng trọng lượng cho tuabin thép và composite 2 MW lần lượt là 9.888 kg và 7.016 kg. Tua bin thép và composite 250 kW lần lượt là 3.734 kg và 1.927 kg. Tổng trọng lượng giả định có 20 cửa van cho mỗi tuabin và chiều dài ống dẫn nước bằng với đầu tuabin. Có khả năng ống dẫn nước sẽ dài hơn và cần lắp phụ kiện, nhưng con số này đưa ra ước tính cơ bản về trọng lượng của thiết bị và các thiết bị ngoại vi liên quan. Máy phát điện, bu lông và phần cứng kích hoạt cửa van không được bao gồm và được cho là tương tự giữa các thiết bị composite và thép. Cũng cần lưu ý rằng thiết kế lại đường dẫn nước cần thiết để tính đến các điểm tập trung ứng suất được thấy trong FEA sẽ làm tăng trọng lượng cho các thiết bị composite, nhưng lượng này được cho là tối thiểu, vào khoảng 5 kg để gia cố các điểm có điểm tập trung ứng suất
Với trọng lượng đã cho, tua bin composite 2 MW và ống dẫn nước của nó có thể được nâng lên bằng máy bay V-22 Osprey nhanh, trong khi máy thép sẽ cần một trực thăng Chinook hai cánh quạt chậm hơn, kém cơ động hơn. Ngoài ra, tua bin composite 2 MW và ống dẫn nước có thể được kéo bằng xe F-250 4×4, trong khi đơn vị thép sẽ cần một chiếc xe tải lớn hơn, khó điều khiển trên đường rừng nếu lắp đặt ở vùng xa.
Kết luận
Có thể chế tạo tua-bin từ vật liệu composite và trọng lượng giảm từ 50% đến 70% so với các thành phần thép thông thường. Trọng lượng giảm có thể cho phép lắp đặt tua-bin composite ở những vị trí xa xôi. Ngoài ra, việc lắp ráp các cấu trúc composite này không yêu cầu thiết bị hàn. Các thành phần cũng cần ít bộ phận hơn để ghép lại với nhau, vì mỗi bộ phận có thể được chế tạo thành một hoặc hai phần. Ở các đợt sản xuất nhỏ được mô hình hóa trong nghiên cứu này, chi phí khuôn mẫu và các dụng cụ khác chiếm ưu thế trong chi phí thành phần.
Các lần chạy nhỏ được chỉ ra ở đây cho thấy chi phí để bắt đầu nghiên cứu sâu hơn về các vật liệu này. Nghiên cứu này có thể giải quyết tình trạng xói mòn do xâm thực và bảo vệ tia UV của các thành phần sau khi lắp đặt. Có thể sử dụng lớp phủ elastomer hoặc gốm để giảm xâm thực hoặc đảm bảo rằng tua bin chạy trong chế độ dòng chảy và áp suất ngăn ngừa xâm thực xảy ra. Điều quan trọng là phải thử nghiệm và giải quyết những vấn đề này cùng các vấn đề khác để đảm bảo các đơn vị có thể đạt được độ tin cậy tương tự như tua bin thép, đặc biệt là nếu chúng được lắp đặt ở những khu vực ít được bảo trì.
Ngay cả ở những lần chạy nhỏ này, một số thành phần composite có thể tiết kiệm chi phí do giảm được nhu cầu lao động sản xuất. Ví dụ, một vỏ cuộn cho tổ máy Francis 2 MW sẽ tốn 80.000 đô la để hàn từ thép so với 25.000 đô la để sản xuất composite. Tuy nhiên, giả sử thiết kế thành công các bánh xe tua bin, chi phí đúc các bánh xe composite cao hơn các thành phần thép tương đương. Bánh xe 2 MW sẽ tốn khoảng 23.000 đô la để sản xuất từ thép, so với 27.000 đô la từ composite. Chi phí có thể thay đổi tùy theo máy. Và chi phí cho các thành phần composite sẽ giảm đáng kể ở các lần chạy sản xuất cao hơn nếu có thể tái sử dụng khuôn.
Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu việc xây dựng các bánh xe tua bin từ vật liệu composite.8 Tuy nhiên, nghiên cứu này không đề cập đến xói mòn do xâm thực và tính khả thi của việc xây dựng. Bước tiếp theo đối với tua bin composite là thiết kế và xây dựng một mô hình thu nhỏ cho phép chứng minh tính khả thi và tính kinh tế của sản xuất. Sau đó, đơn vị này có thể được thử nghiệm để xác định hiệu quả và khả năng áp dụng, cũng như các phương pháp ngăn ngừa xói mòn do xâm thực quá mức.
Thời gian đăng: 15-02-2022
