Material komposit membuat terobosan dalam konstruksi peralatan untuk industri tenaga air.Penyelidikan terhadap kekuatan material dan kriteria lainnya mengungkapkan lebih banyak aplikasi, terutama untuk unit kecil dan mikro.
Artikel ini telah dievaluasi dan diedit sesuai dengan tinjauan yang dilakukan oleh dua atau lebih profesional yang memiliki keahlian yang relevan.Peninjau sejawat ini menilai manuskrip untuk akurasi teknis, kegunaan, dan kepentingan keseluruhan dalam industri pembangkit listrik tenaga air.
Munculnya material baru memberikan peluang menarik bagi industri pembangkit listrik tenaga air.Kayu — yang digunakan dalam kincir air dan penstock asli — sebagian digantikan oleh komponen baja pada awal 1800-an.Baja mempertahankan kekuatannya melalui beban kelelahan yang tinggi dan tahan terhadap erosi dan korosi kavitasi.Sifatnya dipahami dengan baik dan proses pembuatan komponen dikembangkan dengan baik.Untuk unit besar, baja kemungkinan akan tetap menjadi bahan pilihan.
Namun, mengingat peningkatan turbin kecil (di bawah 10 MW) hingga mikro (di bawah 100 kW), komposit dapat digunakan untuk menghemat berat dan mengurangi biaya produksi dan dampak lingkungan.Hal ini sangat relevan mengingat kebutuhan akan pertumbuhan pasokan listrik yang terus meningkat.Kapasitas tenaga air dunia yang terpasang, hampir 800.000 MW menurut studi tahun 2009 oleh Mitra Energi Terbarukan Norwegia, hanya 10% dari tenaga air yang layak secara ekonomi dan 6% dari tenaga air yang layak secara teknis.Potensi untuk membawa lebih banyak hidro yang layak secara teknis ke ranah yang layak secara ekonomi meningkat dengan kemampuan komponen komposit untuk memberikan skala ekonomi.
Pembuatan komponen komposit
Untuk memproduksi penstock secara ekonomis dan dengan kekuatan tinggi yang konsisten, metode terbaik adalah penggulungan filamen.Sebuah mandrel besar dibungkus dengan derek serat yang telah dijalankan melalui mandi resin.Derek dibungkus dengan pola lingkaran dan heliks untuk menciptakan kekuatan untuk tekanan internal, pembengkokan longitudinal, dan penanganan.Bagian hasil di bawah ini menunjukkan biaya dan berat per kaki untuk dua ukuran penstock, berdasarkan penawaran dari pemasok lokal.Kutipan tersebut menunjukkan bahwa ketebalan desain didorong oleh persyaratan pemasangan dan penanganan, daripada beban tekanan yang relatif rendah, dan untuk keduanya adalah 2,28 cm.
Dua metode manufaktur dipertimbangkan untuk gerbang gawang dan baling-baling tetap;layup basah dan infus vakum.Layup basah menggunakan kain kering, yang diresapi dengan menuangkan resin di atas kain dan menggunakan roller untuk mendorong resin ke dalam kain.Proses ini tidak sebersih infus vakum dan tidak selalu menghasilkan struktur yang paling optimal dalam hal rasio serat-resin, tetapi membutuhkan waktu lebih sedikit daripada proses infus vakum.Infus vakum meletakkan serat kering dalam orientasi yang benar, dan tumpukan kering kemudian dikantongi vakum dan perlengkapan tambahan dipasang yang mengarah ke suplai resin, yang ditarik ke bagian saat vakum diterapkan.Vakum membantu menjaga jumlah resin pada tingkat optimal dan mengurangi pelepasan bahan organik yang mudah menguap.
Kasing gulir akan menggunakan tata letak tangan dalam dua bagian terpisah pada cetakan jantan untuk memastikan permukaan bagian dalam yang halus.Kedua bagian ini kemudian akan diikat bersama dengan serat yang ditambahkan ke luar pada titik ikatan untuk memastikan kekuatan yang memadai.Beban tekanan dalam kotak gulir tidak memerlukan komposit canggih berkekuatan tinggi, sehingga lapisan basah kain fiberglass dengan resin epoksi sudah cukup.Ketebalan kotak gulir didasarkan pada parameter desain yang sama dengan penstock.Unit 250-kW adalah mesin aliran aksial, jadi tidak ada kotak gulir.
Turbin runner menggabungkan geometri kompleks dengan persyaratan beban tinggi.Pekerjaan terbaru telah menunjukkan bahwa komponen struktural berkekuatan tinggi dapat dibuat dari SMC prepreg cincang dengan kekuatan dan kekakuan yang sangat baik.5 Lengan suspensi Lamborghini Gallardo dirancang menggunakan beberapa lapis SMC prepreg cincang yang dikenal sebagai komposit tempa, cetakan kompresi untuk menghasilkan ketebalan yang dibutuhkan.Metode yang sama dapat diterapkan pada Francis dan pelari baling-baling.Pelari Francis tidak dapat dibuat sebagai satu kesatuan, karena kerumitan bilah yang tumpang tindih akan mencegah bagian tersebut dikeluarkan dari cetakan.Dengan demikian, bilah runner, mahkota dan pita diproduksi secara terpisah dan kemudian diikat bersama dan diperkuat dengan baut melalui bagian luar mahkota dan pita.
Sementara draft tube paling mudah diproduksi menggunakan gulungan filamen, proses ini belum dikomersialkan menggunakan serat alami.Jadi, hand layup dipilih, karena ini adalah metode pembuatan standar, meskipun biaya tenaga kerja lebih tinggi.Menggunakan cetakan jantan yang mirip dengan mandrel, layup dapat diselesaikan dengan cetakan horizontal dan kemudian diputar vertikal untuk menyembuhkan, mencegah kendur di satu sisi.Berat bagian komposit akan sedikit berbeda tergantung pada jumlah resin di bagian yang sudah jadi.Angka-angka ini didasarkan pada berat serat 50%.
Berat total untuk turbin baja dan komposit 2-MW masing-masing adalah 9.888 kg dan 7.016 kg.Turbin baja dan komposit 250 kW masing-masing adalah 3.734 kg dan 1.927 kg.Total diasumsikan 20 gerbang gawang untuk setiap turbin dan panjang penstock sama dengan kepala turbin.Kemungkinan bahwa penstock akan lebih panjang dan membutuhkan fitting, tetapi angka ini memberikan perkiraan dasar dari berat unit dan periferal terkait.Generator, baut dan perangkat keras penggerak gerbang tidak termasuk dan dianggap serupa antara unit komposit dan baja.Perlu juga dicatat bahwa desain ulang runner yang diperlukan untuk memperhitungkan konsentrasi tegangan yang terlihat di FEA akan menambah bobot pada unit komposit, tetapi jumlahnya diasumsikan minimal, pada urutan 5 kg untuk memperkuat titik dengan konsentrasi tegangan.
Dengan bobot yang diberikan, turbin komposit 2-MW dan penstocknya dapat diangkat oleh V-22 Osprey yang cepat, sedangkan mesin baja akan membutuhkan helikopter rotor kembar Chinook yang lebih lambat dan kurang bermanuver.Juga, turbin komposit 2-MW dan penstock dapat ditarik oleh F-250 4x4, sedangkan unit baja akan membutuhkan truk yang lebih besar yang akan sulit untuk bermanuver di jalan hutan jika pemasangannya jauh.
Kesimpulan
Hal ini layak untuk membangun turbin dari bahan komposit, dan pengurangan berat dari 50% menjadi 70% terlihat dibandingkan dengan komponen baja konvensional.Berat yang berkurang dapat memungkinkan turbin komposit dipasang di lokasi terpencil.Selain itu, perakitan struktur komposit ini tidak memerlukan peralatan las.Komponen juga membutuhkan lebih sedikit bagian untuk dibaut bersama, karena setiap bagian dapat dibuat dalam satu atau dua bagian.Pada produksi kecil yang dimodelkan dalam penelitian ini, biaya cetakan dan perkakas lainnya mendominasi biaya komponen.
Proses kecil yang ditunjukkan di sini menunjukkan berapa biaya untuk memulai penelitian lebih lanjut tentang bahan-bahan ini.Penelitian ini dapat mengatasi erosi kavitasi dan perlindungan UV pada komponen setelah pemasangan.Dimungkinkan untuk menggunakan elastomer atau pelapis keramik untuk mengurangi kavitasi atau memastikan bahwa turbin berjalan dalam aliran dan sistem head yang mencegah terjadinya kavitasi.Penting untuk menguji dan menyelesaikan masalah ini dan lainnya untuk memastikan unit dapat mencapai keandalan yang serupa dengan turbin baja, terutama jika akan dipasang di area di mana perawatan akan jarang dilakukan.
Bahkan pada operasi kecil ini, beberapa komponen komposit dapat menghemat biaya karena berkurangnya tenaga kerja yang dibutuhkan untuk pembuatan.Misalnya, kasing gulir untuk unit Francis 2-MW akan menelan biaya $80.000 untuk dilas dari baja dibandingkan dengan $25.000 untuk pembuatan komposit.Namun, dengan asumsi desain runner turbin berhasil, biaya untuk mencetak runner komposit lebih dari komponen baja yang setara.Pelari 2-MW akan menelan biaya sekitar $ 23.000 untuk memproduksi dari baja, dibandingkan dengan $ 27.000 dari komposit.Biaya dapat bervariasi menurut mesin.Dan biaya untuk komponen komposit akan turun jauh pada produksi yang lebih tinggi jika cetakan dapat digunakan kembali.
Para peneliti telah menyelidiki konstruksi runner turbin dari material komposit.8 Namun, studi ini tidak membahas erosi kavitasi dan kelayakan konstruksi.Langkah selanjutnya untuk turbin komposit adalah merancang dan membangun model skala yang akan memungkinkan bukti kelayakan dan ekonomi pembuatan.Unit ini kemudian dapat diuji untuk menentukan efisiensi dan penerapan, serta metode untuk mencegah erosi kavitasi berlebih.
Waktu posting: Feb-15-2022
