Kompositmaterialer gør indhug i konstruktionen af udstyr til vandkraftindustrien.En undersøgelse af materialestyrke og andre kriterier afslører mange flere anvendelser, især for små og mikroenheder.
Denne artikel er blevet evalueret og redigeret i overensstemmelse med anmeldelser udført af to eller flere fagfolk, som har relevant ekspertise.Disse fagfællebedømmere bedømmer manuskripter for teknisk nøjagtighed, anvendelighed og overordnet betydning inden for vandkraftindustrien.
Fremkomsten af nye materialer giver spændende muligheder for vandkraftindustrien.Træ - brugt i de originale vandhjul og penstocks - blev delvist erstattet af stålkomponenter i begyndelsen af 1800-tallet.Stål bevarer sin styrke gennem høj udmattelsesbelastning og modstår kavitationserosion og korrosion.Dens egenskaber er velkendte, og processerne til komponentfremstilling er veludviklede.For store enheder vil stål sandsynligvis forblive det foretrukne materiale.
Men i betragtning af stigningen af små (under 10 MW) til mikro-størrelse (under 100 kW) turbiner, kan kompositter bruges til at spare vægt og reducere produktionsomkostninger og miljøpåvirkning.Dette er især relevant i lyset af det fortsatte behov for vækst i elforsyningen.Den installerede verdens vandkraftkapacitet, næsten 800.000 MW ifølge en undersøgelse fra 2009 fra Norwegian Renewable Energy Partners, er kun 10 % af den økonomisk gennemførlige og 6 % af den teknisk gennemførlige vandkraft.Potentialet for at bringe mere af den teknisk gennemførlige vandkraft ind i området for økonomisk gennemførlig øges med kompositkomponenternes evne til at give stordriftsfordele.
Fremstilling af kompositkomponenter
For at fremstille penstock økonomisk og med konstant høj styrke er den bedste metode filamentvikling.En stor dorn er omviklet med slæb af fiber, der er blevet kørt gennem et harpiksbad.Slæbene er pakket ind i bøjle og spiralformede mønstre for at skabe styrke til internt tryk, langsgående bøjning og håndtering.Resultatafsnittet nedenfor viser omkostningerne og vægten pr. fod for de to penstock-størrelser baseret på et tilbud fra lokale leverandører.Citatet viste, at designtykkelsen var drevet af installations- og håndteringskrav frem for den relativt lave trykbelastning, og for begge var den 2,28 cm.
To fremstillingsmetoder blev overvejet for gangportene og stagskovlene;våd layup og vakuuminfusion.Wet layup bruger tørt stof, som er imprægneret ved at hælde harpiks over stoffet og bruge ruller til at skubbe harpiksen ind i stoffet.Denne proces er ikke så ren som vakuuminfusion og giver ikke altid den mest optimerede struktur med hensyn til fiber-til-harpiks-forhold, men den tager kortere tid end vakuuminfusionsprocessen.Vakuuminfusion lægger tørre fibre op i de korrekte orienteringer, og den tørre stak bliver derefter vakuumposet, og der påsættes ekstra fittings, der fører til en harpiksforsyning, som trækkes ind i delen, når vakuumet påføres.Vakuumet hjælper med at holde mængden af harpiks på et optimalt niveau og reducerer frigivelsen af flygtige organiske stoffer.
Scroll-etuiet vil bruge en håndoplægning i to separate halvdele på en hanform for at sikre en glat indre overflade.Disse to halvdele vil derefter blive bundet sammen med fiber tilføjet til ydersiden ved bindingspunktet for at sikre tilstrækkelig styrke.Trykbelastningen i rullekassen kræver ikke en højstyrke avanceret komposit, så en våd oplægning af glasfiberstof med en epoxyharpiks vil være tilstrækkelig.Tykkelsen af rullekassen var baseret på samme designparameter som pennestokken.Enheden på 250 kW er en aksial flow-maskine, så der er ingen scroll-kasse.
En turbineløber kombinerer en kompleks geometri med høje belastningskrav.Nyligt arbejde har vist, at højstyrke strukturelle komponenter kan fremstilles af en hakket prepreg SMC med fremragende styrke og stivhed.5 Ophængsarmen på Lamborghini Gallardo blev designet ved hjælp af flere lag af en hakket prepreg SMC kendt som en smedet komposit, kompressionsstøbt at producere den nødvendige tykkelse.Den samme metode kan anvendes på Francis- og propelløberne.Francis-løberen kan ikke laves som én enhed, da kompleksiteten af bladets overlapning ville forhindre delen i at blive ekstraheret fra formen.Således er løbebladene, kronen og båndet fremstillet separat og derefter bundet sammen og forstærket med bolte gennem ydersiden af kronen og båndet.
Mens trækrøret lettest fremstilles ved hjælp af filamentvikling, er denne proces ikke blevet kommercialiseret ved hjælp af naturlige fibre.Der blev således valgt håndoplægning, da dette er standard fremstillingsmetode på trods af de højere lønomkostninger.Ved at bruge en hanform, der ligner en dorn, kan oplægningen afsluttes med formen vandret og derefter vendes lodret for at hærde, hvilket forhindrer nedbøjning på den ene side.Vægten af kompositdelene vil variere lidt afhængigt af mængden af harpiks i den færdige del.Disse tal er baseret på 50 % fibervægt.
De samlede vægte for stål- og komposit 2-MW-møllen er henholdsvis 9.888 kg og 7.016 kg.250-kW stål- og kompositturbinerne er på henholdsvis 3.734 kg og 1.927 kg.Totalerne antager 20 wicket gates for hver turbine og en penstock-længde svarende til turbinens hoved.Det er sandsynligt, at penstock vil være længere og kræve fittings, men dette tal giver et grundlæggende estimat af vægten af enheden og tilhørende periferiudstyr.Generatoren, boltene og portaktiverende hardware er ikke inkluderet og antages at være ens mellem komposit- og stålenhederne.Det er også værd at bemærke, at det redesign af løberen, der kræves for at tage højde for spændingskoncentrationer set i FEA, vil tilføje vægt til de sammensatte enheder, men mængden antages at være minimal, i størrelsesordenen 5 kg for at styrke punkter med spændingskoncentration
Med de givne vægte kunne 2-MW kompositturbinen og dens penstock løftes af den hurtige V-22 Osprey, hvorimod stålmaskinen ville kræve en langsommere, mindre manøvredygtig Chinook tvillingrotorhelikopter.Den 2-MW kompositturbine og penstock kunne også trækkes af en F-250 4×4, hvorimod stålenheden ville kræve en større lastbil, som ville være svær at manøvrere på skovveje, hvis installationen var fjerntliggende.
Konklusioner
Det er muligt at konstruere turbiner af kompositmaterialer, og der blev set en vægtreduktion på 50% til 70% sammenlignet med konventionelle stålkomponenter.Den reducerede vægt kan gøre det muligt at installere kompositturbiner fjerntliggende steder.Derudover kræver montering af disse sammensatte strukturer ikke svejseudstyr.Komponenterne kræver også, at færre dele boltes sammen, da hvert stykke kan laves i en eller to sektioner.Ved de små produktionsserier, der er modelleret i denne undersøgelse, dominerer prisen på forme og andet værktøj komponentomkostningerne.
De små oplag, der er angivet her, viser, hvad det ville koste at begynde yderligere forskning i disse materialer.Denne forskning kan adressere kavitationserosion og UV-beskyttelse af komponenterne efter installation.Det kan være muligt at bruge elastomer eller keramiske belægninger for at reducere kavitation eller sikre, at turbinen kører i strømnings- og løftehøjde, der forhindrer kavitation i at opstå.Det vil være vigtigt at teste og løse disse og andre problemer for at sikre, at enhederne kan opnå samme pålidelighed som stålturbiner, især hvis de skal installeres i områder, hvor vedligeholdelse vil være sjælden.
Selv ved disse små serier kan nogle kompositkomponenter være omkostningseffektive på grund af den reducerede arbejdskraft, der kræves til fremstilling.For eksempel ville en rullekasse til 2-MW Francis-enheden koste $80.000 at blive svejset af stål sammenlignet med $25.000 for kompositfremstilling.Men forudsat et vellykket design af turbineløbere, er omkostningerne ved støbning af de sammensatte løbere mere end tilsvarende stålkomponenter.2-MW løberen ville koste omkring $23.000 at fremstille af stål, sammenlignet med $27.000 fra komposit.Omkostningerne kan variere fra maskine til maskine.Og omkostningerne til kompositkomponenter ville falde betydeligt ved højere produktionsserier, hvis forme kunne genbruges.
Forskere har allerede undersøgt konstruktionen af turbineløbere fra kompositmaterialer.8 Denne undersøgelse behandlede dog ikke kavitationserosion og gennemførligheden af konstruktion.Det næste trin for kompositturbiner er at designe og bygge en skalamodel, der vil tillade bevis for gennemførlighed og økonomi ved fremstilling.Denne enhed kan derefter testes for at bestemme effektivitet og anvendelighed samt metoder til at forhindre overskydende kavitationserosion.
Indlægstid: 15. februar 2022
