Els materials compostos estan fent incursions en la construcció d'equips per a la indústria de l'energia hidroelèctrica.Una investigació sobre la resistència del material i altres criteris revela moltes més aplicacions, especialment per a unitats petites i micro.
Aquest article ha estat avaluat i editat d'acord amb les revisions realitzades per dos o més professionals amb experiència rellevant.Aquests revisors per parells jutgen els manuscrits per la precisió tècnica, la utilitat i la importància general dins de la indústria hidroelèctrica.
L'augment de nous materials ofereix oportunitats interessants per a la indústria hidroelèctrica.La fusta, que s'utilitzava a les sínies i les canalitzacions originals, va ser substituïda en part per components d'acer a principis del 1800.L'acer conserva la seva resistència a través d'una gran càrrega de fatiga i resisteix l'erosió i la corrosió per cavitació.Les seves propietats són ben enteses i els processos de fabricació de components estan ben desenvolupats.Per a unitats grans, probablement l'acer continuarà sent el material escollit.
No obstant això, atès l'augment de les turbines petites (per sota de 10 MW) a micro (per sota de 100 kW), els compostos es poden utilitzar per estalviar pes i reduir el cost de fabricació i l'impacte ambiental.Això és especialment rellevant donada la necessitat continuada de creixement del subministrament elèctric.La capacitat hidràulica mundial instal·lada, gairebé 800.000 MW segons un estudi de 2009 de Norwegian Renewable Energy Partners, és només el 10% de l'energia hidràulica viable econòmicament i el 6% de l'energia hidràulica tècnicament viable.El potencial d'aportar més de l'energia hidràulica tècnicament factible a l'àmbit de la viabilitat econòmica augmenta amb la capacitat dels components compostos per proporcionar economia d'escala.
Fabricació de components compostos
Per fabricar la força econòmica i amb una alta resistència constant, el millor mètode és el bobinat de filaments.Un gran mandril s'embolica amb estopes de fibra que han passat per un bany de resina.Els remolcs s'emboliquen en patrons de cèrcol i helicoïdals per crear força per a la pressió interna, flexió longitudinal i manipulació.La secció de resultats següent mostra el cost i el pes per peu per a les dues mides de tubs, basat en una cotització dels proveïdors locals.La cotització mostrava que el gruix del disseny estava determinat pels requisits d'instal·lació i manipulació, en lloc de la càrrega de pressió relativament baixa, i per a tots dos era de 2,28 cm.
Es van considerar dos mètodes de fabricació per a les portes i les paletes d'estany;col·locació humida i infusió al buit.La disposició humida utilitza teixit sec, que s'impregna abocant resina sobre el teixit i utilitzant rodets per empènyer la resina a la tela.Aquest procés no és tan net com la infusió al buit i no sempre produeix l'estructura més optimitzada pel que fa a la relació fibra-resina, però requereix menys temps que el procés d'infusió al buit.La infusió al buit col·loca la fibra seca en les orientacions correctes i la pila seca s'envasa al buit i s'adjunten accessoris addicionals que condueixen a un subministrament de resina, que s'introdueix a la peça quan s'aplica el buit.El buit ajuda a mantenir la quantitat de resina a un nivell òptim i redueix l'alliberament d'orgànics volàtils.
La caixa de desplaçament utilitzarà una disposició manual en dues meitats separades en un motlle masculí per garantir una superfície interior llisa.Aquestes dues meitats s'uniran entre si amb fibra afegida a l'exterior en el punt d'unió per garantir una resistència adequada.La càrrega de pressió a la caixa de desplaçament no requereix un compost avançat d'alta resistència, de manera que n'hi haurà prou amb una capa humida de teixit de fibra de vidre amb una resina epoxi.El gruix de la caixa de desplaçament es va basar en el mateix paràmetre de disseny que la canalització.La unitat de 250 kW és una màquina de flux axial, de manera que no hi ha cap caixa de desplaçament.
Un corredor de turbina combina una geometria complexa amb requisits de càrrega elevats.Un treball recent ha demostrat que els components estructurals d'alta resistència es poden fabricar a partir d'un SMC preimpregnat picat amb una resistència i rigidesa excel·lents.5 El braç de suspensió del Lamborghini Gallardo es va dissenyar utilitzant múltiples capes d'un SMC preimpregnat picat conegut com un compost forjat, modelat per compressió. per produir el gruix requerit.El mateix mètode es pot aplicar als corredors Francis i a l'hèlix.El corredor Francis no es pot fer com una unitat, ja que la complexitat de la superposició de la fulla impediria que la peça s'extregués del motlle.Així, les fulles de corredor, la corona i la banda es fabriquen per separat i després s'uneixen i es reforcen amb cargols a través de l'exterior de la corona i la banda.
Tot i que el tub d'aire es fa més fàcilment amb bobinat de filaments, aquest procés no s'ha comercialitzat amb fibres naturals.Per tant, es va triar la disposició manual, ja que aquest és un mètode estàndard de fabricació, malgrat els costos laborals més elevats.Utilitzant un motlle masculí semblant a un mandril, la disposició es pot completar amb el motlle horitzontal i després girar-lo verticalment per curar, evitant la caiguda d'un costat.El pes de les peces compostes variarà lleugerament en funció de la quantitat de resina de la peça acabada.Aquestes xifres es basen en el 50% del pes de fibra.
Els pesos totals de la turbina d'acer i compost de 2 MW són de 9.888 kg i 7.016 kg, respectivament.Les turbines d'acer i de material compost de 250 kW són de 3.734 kg i 1.927 kg, respectivament.Els totals suposen 20 portes per a cada turbina i una longitud de conducció igual a la capçalera de la turbina.És probable que la canalització fos més llarga i requereixi accessoris, però aquesta xifra dóna una estimació bàsica del pes de la unitat i dels perifèrics associats.El generador, els cargols i el maquinari d'accionament de la porta no estan inclosos i se suposa que són similars entre les unitats compostes i d'acer.També val la pena assenyalar que el redisseny del corredor necessari per tenir en compte les concentracions d'estrès observades a la FEA afegiria pes a les unitats compostes, però se suposa que la quantitat és mínima, de l'ordre de 5 kg per reforçar els punts amb concentració d'estrès.
Amb els pesos donats, la turbina composta de 2 MW i la seva conducció podria ser aixecada pel ràpid V-22 Osprey, mentre que la màquina d'acer requeriria un helicòpter Chinook de doble rotor més lent i menys maniobrable.A més, la turbina composta de 2 MW i la conducció es podrien remolcar amb un F-250 4×4, mentre que la unitat d'acer requeriria un camió més gran que seria difícil de maniobrar a les carreteres forestals si la instal·lació fos remota.
Conclusions
És factible construir turbines amb materials compostos, i es va observar una reducció de pes del 50% al 70% en comparació amb els components d'acer convencionals.El pes reduït pot permetre instal·lar turbines compostes en llocs remots.A més, el muntatge d'aquestes estructures compostes no requereix equips de soldadura.Els components també requereixen menys peces per cargolar, ja que cada peça es pot fer en una o dues seccions.A les petites sèries de producció modelades en aquest estudi, el cost dels motlles i altres eines dominen el cost dels components.
Les petites tirades que s'indiquen aquí mostren el que costaria començar més investigacions sobre aquests materials.Aquesta investigació pot abordar l'erosió per cavitació i la protecció UV dels components després de la instal·lació.Pot ser possible utilitzar recobriments d'elastòmer o ceràmics per reduir la cavitació o assegurar-se que la turbina funcioni en els règims de cabal i capçal que eviten que es produeixi la cavitació.Serà important provar i resoldre aquests i altres problemes per garantir que les unitats puguin aconseguir una fiabilitat similar a les turbines d'acer, especialment si s'han d'instal·lar en zones on el manteniment serà poc freqüent.
Fins i tot en aquestes petites tirades, alguns components compostos poden ser rendibles a causa de la disminució de la mà d'obra necessària per a la fabricació.Per exemple, una caixa de desplaçament per a la unitat Francis de 2 MW costaria 80.000 dòlars per soldar des d'acer en comparació amb 25.000 dòlars per a la fabricació de compostos.No obstant això, suposant un disseny reeixit dels rodets de turbina, el cost per modelar els corredors compostos és més que els components d'acer equivalents.El corredor de 2 MW costaria uns 23.000 dòlars per fabricar a partir d'acer, en comparació amb els 27.000 dòlars del compost.Els costos poden variar segons la màquina.I el cost dels components compostos baixaria considerablement a les sèries de producció més altes si es poguessin reutilitzar els motlles.
Els investigadors ja han investigat la construcció de rodets de turbines a partir de materials compostos.8 No obstant això, aquest estudi no va abordar l'erosió per cavitació i la viabilitat de la construcció.El següent pas per a les turbines compostes és dissenyar i construir un model a escala que permeti provar la viabilitat i l'economia de fabricació.A continuació, aquesta unitat es pot provar per determinar l'eficiència i l'aplicabilitat, així com els mètodes per prevenir l'erosió per cavitació excessiva.
Hora de publicació: 15-feb-2022
