כיצד ניתן להשתמש בחומרים מרוכבים עבור טורבינות הידרו קטנות של פורסטר

חומרים מרוכבים עושים פרידה בבניית ציוד לתעשיית החשמל ההידרואלקטרית.חקירה של חוזק החומר וקריטריונים אחרים מגלה יישומים רבים נוספים, במיוחד עבור יחידות קטנות ומיקרו.
מאמר זה הוערך ונערך בהתאם לסקירות שנערכו על ידי שני אנשי מקצוע או יותר בעלי מומחיות רלוונטית.סוקרי עמיתים אלו שופטים כתבי יד על דיוק טכני, שימושיות וחשיבות כוללת בתעשיית ההידרואלקטרית.
עלייתם של חומרים חדשים מספקת הזדמנויות מרגשות לתעשייה ההידרואלקטרית.עץ - ששימש בגלגלי המים המקוריים והעוטפים - הוחלף בחלקו על ידי רכיבי פלדה בתחילת המאה ה-19.פלדה שומרת על חוזקה באמצעות עומס עייפות גבוה ועמידה בפני שחיקת קוויטציה וקורוזיה.תכונותיו מובנות היטב והתהליכים לייצור רכיבים מפותחים היטב.עבור יחידות גדולות, פלדה כנראה תישאר החומר הנבחר.
עם זאת, לאור עלייתן של טורבינות קטנות (מתחת ל-10 מגוואט) עד מיקרו-גודל (מתחת ל-100 קילוואט), ניתן להשתמש בחומרים מרוכבים כדי לחסוך במשקל ולהפחית את עלות הייצור וההשפעה הסביבתית.זה רלוונטי במיוחד לאור הצורך המתמשך בצמיחה באספקת החשמל.קיבולת ההידרו המותקנת בעולם, כמעט 800,000 מגה-וואט על פי מחקר משנת 2009 של Norwegian Renewable Energy Partners, היא רק 10% מכוח ההידרו האפשרי מבחינה כלכלית ו-6% מצריכת החשמל האפשרית מבחינה טכנית.הפוטנציאל להביא יותר מההידרו האפשרי מבחינה טכנית לתחום של כדאיות כלכלית עולה עם היכולת של רכיבים מרוכבים לספק חסכון בקנה מידה.

ייצור רכיבים מרוכבים
כדי לייצר את ה-penstock בצורה חסכונית ועם חוזק גבוה עקבי, השיטה הטובה ביותר היא פיתול נימה.ציר גדול עטוף עם גררי סיבים שהועברו באמבט שרף.הגרירות עטופות בחישוק ובדוגמאות סליליות כדי ליצור חוזק ללחץ פנימי, כיפוף אורכי וטיפול.סעיף התוצאות שלהלן מציג את העלות והמשקל לכל רגל עבור שני גדלי העט, בהתבסס על הצעת מחיר מספקים מקומיים.הציטוט הראה שעובי העיצוב הונע על ידי דרישות התקנה וטיפול, ולא עומס הלחץ הנמוך יחסית, ולשניהם הוא היה 2.28 ס"מ.
שתי שיטות ייצור נשקלו עבור שערי השער והשבבים;הנחת רטוב ועירוי ואקום.חבילה רטובה משתמשת בבד יבש, אשר ספוג על ידי יציקת שרף על הבד ושימוש בגלילים כדי לדחוף את השרף לתוך הבד.תהליך זה אינו נקי כמו עירוי ואקום ולא תמיד מייצר את המבנה האופטימלי ביותר מבחינת יחס סיבים לשרף, אך הוא לוקח פחות זמן מתהליך עירוי ואקום.עירוי ואקום מניח סיבים יבשים בכיוונים הנכונים, והערימה היבשה מוכנסת לשקיות ואקום ומצורפים אביזרים נוספים המובילים לאספקת שרף, אשר נמשכת לתוך החלק כאשר הוואקום מוחל.הוואקום מסייע לשמור על כמות השרף ברמה אופטימלית ומפחית את שחרור חומרים אורגניים נדיפים.
מארז הגלילה ישתמש בנחת יד בשני חצאים נפרדים על תבנית זכר כדי להבטיח משטח פנימי חלק.שני החצאים הללו יחוברו יחד עם סיבים שנוספו כלפי חוץ בנקודת החיבור כדי להבטיח חוזק נאות.עומס הלחץ במארז הגלילה אינו מצריך קומפוזיט מתקדם בעל חוזק גבוה, כך שתספיק פריסה רטובה של בד פיברגלס עם שרף אפוקסי.עובי מארז הגלילה התבסס על אותו פרמטר עיצובי כמו העט.יחידת ה-250 קילוואט היא מכונת זרימה צירית, כך שאין מארז גלילה.

רץ טורבינה משלב גיאומטריה מורכבת עם דרישות עומס גבוהות.עבודות אחרונות הוכיחו שניתן לייצר רכיבים מבניים בעלי חוזק גבוה מ-prepreg SMC קצוץ עם חוזק וקשיחות מצוינים.5 זרוע המתלה של למבורגיני גלרדו תוכננה באמצעות שכבות מרובות של prepreg SMC קצוץ הידוע כקומפוזיט מזויף, יצוק דחיסה לייצר את העובי הנדרש.ניתן ליישם את אותה שיטה גם על רצי הפרנסיס והמדחפים.לא ניתן ליצור את פרנסיס ראנר כיחידה אחת, שכן המורכבות של חפיפת הלהב תמנע את חילוץ החלק מהתבנית.לפיכך, להבי הרץ, הכתר והלהקה מיוצרים בנפרד ואז מחוברים זה לזה ומחוזקים עם ברגים דרך החלק החיצוני של הכתר והלהקה.
בעוד שפופרת הטיוטה מיוצרת בקלות רבה ביותר באמצעות סלילה של נימה, תהליך זה לא עבר למסחר באמצעות סיבים טבעיים.לפיכך, נבחרה פריסת יד, שכן זוהי שיטת ייצור סטנדרטית, למרות עלויות העבודה הגבוהות יותר.באמצעות תבנית זכר הדומה לדופן, ניתן להשלים את הנחת כאשר התבנית אופקית ולאחר מכן להפוך אנכית לריפוי, ולמנוע צניחת צד אחד.משקל החלקים המרוכבים ישתנה מעט בהתאם לכמות השרף בחלק המוגמר.מספרים אלו מבוססים על 50% משקל סיבים.
המשקלים הכוללים של טורבינת הפלדה והקומפוזיט 2-MW הם 9,888 ק"ג ו-7,016 ק"ג, בהתאמה.הטורבינות הפלדה והמרוכבות בהספק של 250 קילוואט הן 3,734 ק"ג ו-1,927 ק"ג, בהתאמה.הסכומים מניחים 20 שערים לכל טורבינה ואורך עמוד השווה לראש הטורבינה.סביר להניח שה-penstock יהיה ארוך יותר ויצריך אביזרים, אבל מספר זה נותן אומדן בסיסי של משקל היחידה והציוד ההיקפי הנלווה.הגנרטור, הברגים וחומרי הפעלת השער אינם כלולים ויש להניח שהם דומים בין יחידות המרוכבות והפלדה.ראוי גם לציין שתכנון מחדש של הרץ הנדרש כדי לקחת בחשבון את ריכוזי המתח שנראים ב-FEA יוסיף משקל ליחידות המרוכבות, אך ההנחה היא שהכמות היא מינימלית, בסדר גודל של 5 ק"ג לחיזוק נקודות עם ריכוז מתח.
עם המשקולות הנתונות, ניתן היה להרים את הטורבינה המרוכבת של 2 מגה-וואט והעגלה שלה על-ידי ה-V-22 Osprey המהיר, בעוד שמכונת הפלדה תדרוש מסוק צ'ינוק כפול רוטור איטי יותר ופחות מתמרן.כמו כן, ניתן לגרור את הטורבינה המרוכבת של 2 מגה-וואט ו-Penstock על ידי F-250 4×4, בעוד שיחידת הפלדה תדרוש משאית גדולה יותר שיהיה קשה לתמרן בכבישי יער אם ההתקנה הייתה מרוחקת.

מסקנות
ניתן לבנות טורבינות מחומרים מרוכבים, ונראתה ירידה במשקל של 50% עד 70% בהשוואה לרכיבי פלדה קונבנציונליים.המשקל המופחת יכול לאפשר התקנת טורבינות מרוכבות במקומות מרוחקים.בנוסף, הרכבה של מבנים מרוכבים אלה אינה דורשת ציוד ריתוך.הרכיבים גם דורשים פחות חלקים להיות מוברגים יחד, שכן כל חלק יכול להתבצע בחלק אחד או שניים.בהפעלות הייצור הקטנות שהודגם במחקר זה, עלות התבניות וכלי עבודה אחרים שולטים בעלות הרכיבים.
הריצות הקטנות המצוינות כאן מראות כמה יעלה להתחיל מחקר נוסף על חומרים אלה.מחקר זה יכול להתייחס לשחיקת קוויטציה והגנת UV של הרכיבים לאחר ההתקנה.ייתכן שניתן יהיה להשתמש בציפויים באלסטומר או קרמי כדי להפחית את הקוויטציה או להבטיח שהטורבינה פועלת במשטרי הזרימה והראש המונעים את התרחשות הקוויטציה.חשוב יהיה לבדוק ולפתור בעיות אלו ואחרות כדי להבטיח שהיחידות יכולות להשיג אמינות דומה לטורבינות פלדה, במיוחד אם הן אמורות להיות מותקנות באזורים שבהם תחזוקה תהיה נדירה.
אפילו בריצות קטנות אלה, חלק מהרכיבים המרוכבים יכולים להיות חסכוניים בשל הירידה בכוח העבודה הנדרש לייצור.לדוגמה, מארז גלילה ליחידת פרנסיס 2-MW יעלה 80,000 דולר לריתוך מפלדה לעומת 25,000 דולר לייצור מרוכבים.עם זאת, בהנחה של תכנון מוצלח של רצי טורבינה, העלות עבור יציקת הרצי המרוכבים היא יותר מרכיבי פלדה מקבילים.רץ ה-2MW יעלה כ-23,000 דולר לייצור מפלדה, בהשוואה ל-27,000 דולר מקומפוזיט.העלויות עשויות להשתנות לפי מכונה.והעלות עבור רכיבים מרוכבים תרד במידה ניכרת בריצות ייצור גבוהות יותר אם ניתן יהיה לעשות שימוש חוזר בתבניות.
חוקרים כבר חקרו את בנייתם ​​של רצי טורבינות מחומרים מרוכבים.8 עם זאת, מחקר זה לא התייחס לשחיקת קוויטציה ולהיתכנות הבנייה.השלב הבא עבור טורבינות מרוכבות הוא תכנון ובניית מודל מוקטן שיאפשר הוכחה של היתכנות וחסכון בייצור.לאחר מכן ניתן לבדוק יחידה זו כדי לקבוע יעילות וישימות, כמו גם שיטות למניעת שחיקת קוויטציה עודפת.