Los materiales compuestos están incursionando en la construcción de equipos para la industria de la energía hidroeléctrica.Una investigación sobre la resistencia del material y otros criterios revela muchas más aplicaciones, particularmente para unidades pequeñas y micro.
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El surgimiento de nuevos materiales brinda oportunidades emocionantes para la industria hidroeléctrica.La madera, utilizada en las ruedas hidráulicas y compuertas originales, fue reemplazada en parte por componentes de acero a principios del siglo XIX.El acero conserva su fuerza a través de una alta carga de fatiga y resiste la erosión por cavitación y la corrosión.Sus propiedades se conocen bien y los procesos para la fabricación de componentes están bien desarrollados.Para unidades grandes, es probable que el acero siga siendo el material de elección.
Sin embargo, dado el aumento de turbinas pequeñas (menos de 10 MW) a micro (menos de 100 kW), los compuestos se pueden usar para ahorrar peso y reducir los costos de fabricación y el impacto ambiental.Esto es especialmente relevante dada la continua necesidad de crecimiento en el suministro de electricidad.La capacidad hidroeléctrica mundial instalada, casi 800.000 MW según un estudio de 2009 realizado por Norwegian Renewable Energy Partners, es solo el 10 % de la energía hidroeléctrica económicamente factible y el 6 % de la técnicamente factible.El potencial para llevar más hidroeléctrica técnicamente factible al ámbito de lo económicamente factible aumenta con la capacidad de los componentes compuestos para proporcionar una economía de escala.
Fabricación de componentes compuestos
Para fabricar la compuerta de forma económica y con una alta resistencia constante, el mejor método es el bobinado de filamentos.Un mandril grande se envuelve con estopas de fibra que se han pasado por un baño de resina.Los cables están envueltos en patrones helicoidales y de aro para crear fuerza para la presión interna, la flexión longitudinal y el manejo.La siguiente sección de resultados muestra el costo y el peso por pie para los dos tamaños de tubería forzada, según una cotización de proveedores locales.La cotización mostró que el grosor del diseño fue impulsado por los requisitos de instalación y manejo, en lugar de la carga de presión relativamente baja, y para ambos fue de 2,28 cm.
Se consideraron dos métodos de fabricación para las puertas peatonales y las paletas fijas;depósito húmedo e infusión al vacío.La disposición en húmedo usa tela seca, que se impregna vertiendo resina sobre la tela y usando rodillos para empujar la resina hacia la tela.Este proceso no es tan limpio como la infusión al vacío y no siempre produce la estructura más optimizada en términos de relación fibra-resina, pero lleva menos tiempo que el proceso de infusión al vacío.La infusión al vacío deposita la fibra seca en las orientaciones correctas, y luego la pila seca se embolsa al vacío y se conectan accesorios adicionales que conducen a un suministro de resina, que se introduce en la pieza cuando se aplica el vacío.El vacío ayuda a mantener la cantidad de resina en un nivel óptimo y reduce la liberación de compuestos orgánicos volátiles.
La caja de desplazamiento utilizará una disposición manual en dos mitades separadas en un molde macho para garantizar una superficie interior lisa.Luego, estas dos mitades se unirán con fibra agregada al exterior en el punto de unión para garantizar la resistencia adecuada.La carga de presión en la caja del scroll no requiere un compuesto avanzado de alta resistencia, por lo que será suficiente una capa húmeda de tela de fibra de vidrio con una resina epoxi.El grosor de la caja del scroll se basó en el mismo parámetro de diseño que la compuerta.La unidad de 250 kW es una máquina de flujo axial, por lo que no hay caja de desplazamiento.
Un rodete de turbina combina una geometría compleja con altos requisitos de carga.Trabajos recientes han demostrado que se pueden fabricar componentes estructurales de alta resistencia a partir de un SMC preimpregnado picado con excelente resistencia y rigidez.5 El brazo de suspensión del Lamborghini Gallardo se diseñó utilizando múltiples capas de un SMC preimpregnado picado conocido como compuesto forjado, moldeado por compresión para producir el espesor requerido.El mismo método se puede aplicar a los patines Francis y de hélice.El corredor Francis no se puede fabricar como una sola unidad, ya que la complejidad de la superposición de las cuchillas evitaría que la pieza se extraiga del molde.Por lo tanto, las paletas, la corona y la banda se fabrican por separado y luego se unen y se refuerzan con pernos a través del exterior de la corona y la banda.
Si bien el tubo de tiro se fabrica más fácilmente utilizando bobinado de filamento, este proceso no se ha comercializado utilizando fibras naturales.Por lo tanto, se eligió la disposición manual, ya que este es el método estándar de fabricación, a pesar de los costos de mano de obra más altos.Usando un molde macho similar a un mandril, la colocación se puede completar con el molde horizontal y luego vertical para curar, evitando que se combe en un lado.El peso de las piezas compuestas variará ligeramente dependiendo de la cantidad de resina en la pieza acabada.Estos números se basan en el 50% del peso de fibra.
Los pesos totales de la turbina de acero y composite de 2 MW son 9.888 kg y 7.016 kg, respectivamente.Las turbinas de acero y composite de 250 kW pesan 3.734 kg y 1.927 kg, respectivamente.Los totales suponen 20 compuertas postizas para cada turbina y una longitud de tubería forzada igual a la cabeza de la turbina.Es probable que la compuerta sea más larga y requiera accesorios, pero este número da una estimación básica del peso de la unidad y los periféricos asociados.El generador, los pernos y el hardware de accionamiento de la compuerta no están incluidos y se supone que son similares entre las unidades compuestas y de acero.También vale la pena señalar que el rediseño del corredor requerido para tener en cuenta las concentraciones de tensión observadas en el FEA agregaría peso a las unidades compuestas, pero se supone que la cantidad es mínima, del orden de 5 kg para fortalecer los puntos con concentración de tensión.
Con los pesos dados, la turbina compuesta de 2-MW y su tubería forzada podrían ser levantadas por el veloz V-22 Osprey, mientras que la máquina de acero requeriría un helicóptero Chinook de dos rotores, más lento y menos maniobrable.Además, la turbina compuesta de 2 MW y la tubería forzada podrían ser remolcadas por un F-250 4×4, mientras que la unidad de acero requeriría un camión más grande que sería difícil de maniobrar en caminos forestales si la instalación fuera remota.
Conclusiones
Es factible construir turbinas a partir de materiales compuestos y se observó una reducción de peso del 50 % al 70 % en comparación con los componentes de acero convencionales.El peso reducido puede permitir la instalación de turbinas compuestas en ubicaciones remotas.Además, el montaje de estas estructuras compuestas no requiere equipo de soldadura.Los componentes también requieren menos piezas para atornillarse, ya que cada pieza se puede fabricar en una o dos secciones.En las pequeñas series de producción modeladas en este estudio, el costo de los moldes y otras herramientas dominan el costo de los componentes.
Las pequeñas tiradas que se indican aquí muestran lo que costaría iniciar más investigaciones sobre estos materiales.Esta investigación puede abordar la erosión por cavitación y la protección UV de los componentes después de la instalación.Puede ser posible usar revestimientos de elastómero o cerámica para reducir la cavitación o garantizar que la turbina funcione en los regímenes de flujo y cabeza que evitan que ocurra la cavitación.Será importante probar y resolver estos y otros problemas para garantizar que las unidades puedan lograr una confiabilidad similar a la de las turbinas de acero, especialmente si se van a instalar en áreas donde el mantenimiento será poco frecuente.
Incluso en estas tiradas pequeñas, algunos componentes compuestos pueden ser rentables debido a la menor mano de obra requerida para la fabricación.Por ejemplo, una caja de desplazamiento para la unidad Francis de 2 MW costaría $80,000 para soldar de acero en comparación con $25,000 para la fabricación compuesta.Sin embargo, suponiendo un diseño exitoso de los rodetes de turbina, el costo de moldear los rodetes compuestos es mayor que el de los componentes de acero equivalentes.El corredor de 2 MW costaría alrededor de $ 23,000 para fabricar a partir de acero, en comparación con $ 27,000 para el compuesto.Los costos pueden variar según la máquina.Y el costo de los componentes compuestos se reduciría considerablemente en ciclos de producción más altos si los moldes pudieran reutilizarse.
Los investigadores ya han investigado la construcción de rodetes de turbinas a partir de materiales compuestos.8 Sin embargo, este estudio no abordó la erosión por cavitación ni la viabilidad de la construcción.El siguiente paso para las turbinas compuestas es diseñar y construir un modelo a escala que permita probar la viabilidad y la economía de fabricación.Luego, esta unidad se puede probar para determinar la eficiencia y la aplicabilidad, así como los métodos para prevenir la erosión por exceso de cavitación.
Hora de publicación: 15-feb-2022
