Os materiais compostos están facendo incursións na construción de equipos para a industria da enerxía hidroeléctrica.Unha investigación sobre a resistencia do material e outros criterios revela moitas máis aplicacións, especialmente para pequenas e microunidades.
Este artigo foi avaliado e editado de acordo coas revisións realizadas por dous ou máis profesionais con experiencia relevante.Estes revisores xulgan os manuscritos pola precisión técnica, a utilidade e a importancia xeral dentro da industria hidroeléctrica.
O aumento de novos materiais ofrece oportunidades interesantes para a industria hidroeléctrica.A madeira, usada nas rodas hidráulicas orixinais e nas compuertas, foi substituída en parte por compoñentes de aceiro a principios do século XIX.O aceiro mantén a súa resistencia a través da alta carga de fatiga e resiste a erosión por cavitación e a corrosión.As súas propiedades son ben entendidas e os procesos para a fabricación de compoñentes están ben desenvolvidos.Para unidades grandes, probablemente o aceiro siga sendo o material de elección.
Non obstante, tendo en conta o aumento das turbinas pequenas (inferiores a 10 MW) a micro (por debaixo de 100 kW), os compostos pódense utilizar para aforrar peso e reducir o custo de fabricación e o impacto ambiental.Isto é especialmente relevante dada a necesidade continua de crecemento da subministración eléctrica.A capacidade hidráulica mundial instalada, case 800.000 MW segundo un estudo realizado en 2009 por Norwegian Renewable Energy Partners, é só o 10% da enerxía hidráulica economicamente viable e o 6% da enerxía hidráulica tecnicamente viable.O potencial de achegar máis hidroeléctrica tecnicamente viable ao ámbito dos economicamente viables aumenta coa capacidade dos compoñentes compostos para proporcionar economía de escala.
Fabricación de compoñentes compostos
Para fabricar a compuerta de forma económica e cunha alta resistencia consistente, o mellor método é o bobinado de filamentos.Un mandril grande está envolto con estopas de fibra que pasaron por un baño de resina.Os remolques están envoltos en aro e patróns helicoidais para crear resistencia para a presión interna, flexión lonxitudinal e manipulación.A sección de resultados que aparece a continuación mostra o custo e o peso por pé dos dous tamaños de tubería, baseándose nunha cotización de provedores locais.A cita mostrou que o grosor do deseño foi impulsado polos requisitos de instalación e manipulación, en lugar da carga de presión relativamente baixa, e para ambos foi de 2,28 cm.
Consideráronse dous métodos de fabricación para as portas pechadas e as aspas;capa húmida e infusión ao baleiro.A colocación húmida usa tecido seco, que se impregna botando resina sobre o tecido e utilizando rolos para empurrar a resina no tecido.Este proceso non é tan limpo como a infusión ao baleiro e non sempre produce a estrutura máis optimizada en termos de relación fibra-resina, pero leva menos tempo que o proceso de infusión ao baleiro.A infusión ao baleiro coloca a fibra seca nas orientacións correctas, e despois a pila seca envasa ao baleiro e únense accesorios adicionais que dan lugar a un abastecemento de resina, que se introduce na peza cando se aplica o baleiro.O baleiro axuda a manter a cantidade de resina nun nivel óptimo e reduce a liberación de orgánicos volátiles.
A caixa de rolos utilizará unha man en dúas metades separadas nun molde macho para garantir unha superficie interior lisa.Estas dúas metades uniranse despois con fibra engadida ao exterior no punto de unión para garantir a resistencia adecuada.A carga de presión na caixa de desprazamento non require un composto avanzado de alta resistencia, polo que será suficiente unha capa húmida de tecido de fibra de vidro cunha resina epoxi.O grosor da caixa de volutas baseouse no mesmo parámetro de deseño que a tubería.A unidade de 250 kW é unha máquina de fluxo axial, polo que non hai caixa de desprazamento.
Un corredor de turbina combina unha xeometría complexa con altos requisitos de carga.Traballos recentes demostraron que os compoñentes estruturais de alta resistencia poden fabricarse a partir dun SMC preimpregnado picado cunha excelente resistencia e rixidez.5 O brazo de suspensión do Lamborghini Gallardo foi deseñado usando varias capas dun SMC preimpregnado picado coñecido como composto forxado, moldeado por compresión. para producir o grosor necesario.O mesmo método pódese aplicar aos corredores Francis e hélices.O corredor Francis non se pode fabricar como unha unidade, xa que a complexidade da superposición da lámina evitaría que a peza fose extraída do molde.Así, as láminas, a coroa e a banda fanse por separado e, a continuación, unidas e reforzadas con parafusos a través do exterior da coroa e da banda.
Aínda que o tubo de tiro se fabrica máis facilmente mediante bobinados de filamentos, este proceso non se comercializou usando fibras naturais.Así, optouse pola colocación manual, xa que este é un método estándar de fabricación, a pesar dos maiores custos laborais.Usando un molde macho semellante a un mandril, a colocación pódese completar co molde horizontal e despois virar verticalmente para curar, evitando o flacidez dun lado.O peso das pezas compostas variará lixeiramente dependendo da cantidade de resina na peza acabada.Estes números baséanse nun 50% do peso da fibra.
Os pesos totais da turbina de aceiro e composto de 2 MW son 9.888 kg e 7.016 kg, respectivamente.As turbinas de aceiro e compostos de 250 kW son 3.734 kg e 1.927 kg, respectivamente.Os totais supoñen 20 portas para cada turbina e unha lonxitude de tubería igual á cabeza da turbina.É probable que a compuerta sexa máis longa e requira accesorios, pero este número dá unha estimación básica do peso da unidade e dos periféricos asociados.O xerador, os parafusos e os ferraxes de accionamento da porta non están incluídos e suponse que son similares entre as unidades compostas e de aceiro.Tamén vale a pena sinalar que o redeseño do corredor necesario para ter en conta as concentracións de tensión observadas na FEA engadiría peso ás unidades compostas, pero suponse que a cantidade é mínima, da orde de 5 kg para reforzar os puntos con concentración de tensión.
Cos pesos indicados, a turbina composta de 2 MW e a súa compuerta poderían ser levantadas polo rápido V-22 Osprey, mentres que a máquina de aceiro requiriría un helicóptero Chinook de dobre rotor máis lento e menos maniobrable.Ademais, a turbina composta de 2 MW e a compuerta poderían ser remolcadas por un F-250 4×4, mentres que a unidade de aceiro precisaría dun camión máis grande que sería difícil de manobrar nas estradas forestais se a instalación fose remota.
Conclusións
É factible construír turbinas a partir de materiais compostos, e observouse unha redución de peso do 50% ao 70% en comparación cos compoñentes de aceiro convencionais.O peso reducido pode permitir que as turbinas compostas se instalen en lugares remotos.Ademais, a montaxe destas estruturas compostas non require equipos de soldadura.Os compoñentes tamén requiren menos pezas que se atornillan, xa que cada peza pode facerse nunha ou dúas seccións.Nas pequenas tiradas de produción modeladas neste estudo, o custo dos moldes e outras ferramentas dominan o custo dos compoñentes.
As pequenas tiradas aquí indicadas mostran o que custaría comezar a investigar máis estes materiais.Esta investigación pode abordar a erosión por cavitación e a protección UV dos compoñentes despois da instalación.Pode ser posible utilizar revestimentos de elastómero ou cerámica para reducir a cavitación ou garantir que a turbina funcione nos réximes de caudal e cabeza que impidan que se produza a cavitación.Será importante probar e resolver estes e outros problemas para garantir que as unidades poidan acadar unha fiabilidade similar ás turbinas de aceiro, especialmente se se van instalar en áreas onde o mantemento será pouco frecuente.
Incluso nestas pequenas tiradas, algúns compoñentes compostos poden ser rendibles debido á diminución da man de obra necesaria para a fabricación.Por exemplo, unha caixa de scroll para a unidade Francis de 2 MW custaría 80.000 dólares para soldar a partir de aceiro en comparación con 25.000 dólares para a fabricación de compostos.Non obstante, asumindo o deseño exitoso dos corredores de turbina, o custo para moldear os corredores compostos é máis que os compoñentes de aceiro equivalentes.O corredor de 2 MW custaría uns 23.000 dólares para fabricar a partir de aceiro, fronte aos 27.000 dólares do composto.Os custos poden variar segundo a máquina.E o custo dos compoñentes compostos baixaría considerablemente en series de produción máis altas se os moldes puidesen ser reutilizados.
Os investigadores xa investigaron a construción de corredores de turbinas a partir de materiais compostos.8 Non obstante, este estudo non abordou a erosión por cavitación e a viabilidade da construción.O seguinte paso para as turbinas compostas é deseñar e construír un modelo a escala que permita probar a viabilidade e a economía de fabricación.A continuación pódese probar esta unidade para determinar a eficiencia e a aplicabilidade, así como os métodos para evitar o exceso de erosión por cavitación.
Hora de publicación: 15-feb-2022
