Bahan komposit membuat kemajuan dalam pembinaan peralatan untuk industri tenaga hidroelektrik.Siasatan terhadap kekuatan bahan dan kriteria lain mendedahkan lebih banyak aplikasi, terutamanya untuk unit kecil dan mikro.
Artikel ini telah dinilai dan disunting mengikut ulasan yang dijalankan oleh dua atau lebih profesional yang mempunyai kepakaran yang berkaitan.Pengulas rakan sebaya ini menilai manuskrip untuk ketepatan teknikal, kegunaan dan kepentingan keseluruhan dalam industri hidroelektrik.
Kemunculan bahan baharu menyediakan peluang menarik untuk industri hidroelektrik.Kayu - digunakan dalam kincir air dan penstocks asal - telah digantikan sebahagiannya oleh komponen keluli pada awal 1800-an.Keluli mengekalkan kekuatannya melalui beban keletihan yang tinggi dan menahan hakisan peronggaan dan kakisan.Ciri-cirinya difahami dengan baik dan proses untuk pembuatan komponen dibangunkan dengan baik.Untuk unit yang besar, keluli berkemungkinan kekal sebagai bahan pilihan.
Walau bagaimanapun, memandangkan peningkatan turbin kecil (di bawah 10 MW) kepada bersaiz mikro (di bawah 100 kW), komposit boleh digunakan untuk menjimatkan berat dan mengurangkan kos pembuatan dan kesan alam sekitar.Ini amat relevan memandangkan keperluan berterusan untuk pertumbuhan bekalan elektrik.Kapasiti hidro dunia terpasang, hampir 800,000 MW menurut kajian 2009 oleh Rakan Tenaga Boleh Diperbaharui Norway, hanya 10% daripada tenaga hidro yang boleh dilaksanakan secara ekonomi dan 6% daripada kuasa hidro yang boleh dilaksanakan secara teknikal.Potensi untuk membawa lebih banyak hidro yang boleh dilaksanakan secara teknikal ke dalam bidang peningkatan yang boleh dilaksanakan secara ekonomi dengan keupayaan komponen komposit untuk menyediakan skala ekonomi.
Pembuatan komponen komposit
Untuk mengeluarkan penstock secara ekonomi dan dengan kekuatan tinggi yang konsisten, kaedah terbaik ialah penggulungan filamen.Mandrel besar dibalut dengan tunda gentian yang telah dijalankan melalui mandi resin.Tunda dibalut dengan corak gelung dan heliks untuk mencipta kekuatan untuk tekanan dalaman, lenturan membujur dan pengendalian.Bahagian keputusan di bawah menunjukkan kos dan berat setiap kaki untuk dua saiz penstock, berdasarkan petikan daripada pembekal tempatan.Petikan menunjukkan bahawa ketebalan reka bentuk didorong oleh keperluan pemasangan dan pengendalian, bukannya beban tekanan yang agak rendah, dan untuk kedua-duanya adalah 2.28 cm.
Dua kaedah pembuatan telah dipertimbangkan untuk pintu wiket dan baling-baling tinggal;layup basah dan infusi vakum.Layup basah menggunakan fabrik kering, yang diresapi dengan menuang resin ke atas kain dan menggunakan penggelek untuk menolak resin ke dalam fabrik.Proses ini tidak sebersih infusi vakum dan tidak selalu menghasilkan struktur yang paling optimum dari segi nisbah gentian-ke-resin, tetapi ia mengambil masa kurang daripada proses infusi vakum.Infusi vakum meletakkan gentian kering dalam orientasi yang betul, dan timbunan kering kemudiannya dimasukkan ke dalam beg vakum dan kelengkapan tambahan dipasang yang membawa kepada bekalan resin, yang ditarik ke dalam bahagian apabila vakum digunakan.Vakum membantu mengekalkan jumlah resin pada tahap optimum dan mengurangkan pembebasan organik yang tidak menentu.
Bekas skrol akan menggunakan letak tangan dalam dua bahagian berasingan pada acuan lelaki untuk memastikan permukaan dalaman licin.Kedua-dua bahagian ini kemudiannya akan diikat bersama dengan gentian yang ditambah ke bahagian luar pada titik ikatan untuk memastikan kekuatan yang mencukupi.Beban tekanan dalam bekas skrol tidak memerlukan komposit maju berkekuatan tinggi, jadi susun atur kain gentian kaca yang basah dengan resin epoksi akan mencukupi.Ketebalan bekas skrol adalah berdasarkan parameter reka bentuk yang sama seperti penstock.Unit 250-kW ialah mesin aliran paksi, jadi tiada bekas skrol.
Pelari turbin menggabungkan geometri kompleks dengan keperluan beban yang tinggi.Kerja baru-baru ini telah menunjukkan bahawa komponen struktur berkekuatan tinggi boleh dihasilkan daripada SMC prepreg cincang dengan kekuatan dan kekakuan yang sangat baik.5 Lengan ampaian Lamborghini Gallardo telah direka menggunakan berbilang lapisan SMC prepreg cincang yang dikenali sebagai komposit tempaan, acuan mampatan. untuk menghasilkan ketebalan yang diperlukan.Kaedah yang sama boleh digunakan untuk Francis dan pelari kipas.Pelari Francis tidak boleh dibuat sebagai satu unit, kerana kerumitan pertindihan bilah akan menghalang bahagian daripada diekstrak daripada acuan.Oleh itu, bilah pelari, mahkota dan jalur dibuat secara berasingan dan kemudian diikat bersama dan diperkukuh dengan bolt melalui bahagian luar mahkota dan jalur.
Walaupun tiub draf paling mudah dihasilkan menggunakan belitan filamen, proses ini belum dikomersialkan menggunakan gentian semula jadi.Oleh itu, letak tangan dipilih, kerana ini adalah kaedah pembuatan standard, walaupun kos buruh yang lebih tinggi.Menggunakan acuan lelaki yang serupa dengan mandrel, susun atur boleh dilengkapkan dengan acuan mendatar dan kemudian bertukar menegak untuk menyembuhkan, mengelakkan kendur pada satu sisi.Berat bahagian komposit akan berbeza sedikit bergantung pada jumlah resin dalam bahagian siap.Nombor ini adalah berdasarkan 50% berat serat.
Jumlah berat bagi turbin keluli dan komposit 2-MW masing-masing ialah 9,888 kg dan 7,016 kg.Keluli 250-kW dan turbin komposit masing-masing ialah 3,734 kg dan 1,927 kg.Jumlahnya mengandaikan 20 pintu wiket untuk setiap turbin dan panjang stok pen sama dengan kepala turbin.Kemungkinan besar penstock lebih panjang dan memerlukan kelengkapan, tetapi nombor ini memberikan anggaran asas berat unit dan perkakasan yang berkaitan.Penjana, bolt dan perkakasan penggerak pintu tidak disertakan dan diandaikan serupa antara unit komposit dan keluli.Ia juga perlu diperhatikan bahawa reka bentuk semula pelari yang diperlukan untuk mengambil kira kepekatan tegasan yang dilihat dalam FEA akan menambah berat kepada unit komposit, tetapi jumlah itu diandaikan minimum, mengikut urutan 5 kg untuk mengukuhkan mata dengan kepekatan tegasan.
Dengan berat yang diberikan, turbin komposit 2-MW dan penstocknya boleh diangkat oleh V-22 Osprey yang pantas, manakala mesin keluli memerlukan helikopter pemutar berkembar Chinook yang lebih perlahan dan kurang bergerak.Selain itu, turbin komposit 2-MW dan penstock boleh ditarik oleh F-250 4×4, manakala unit keluli akan memerlukan trak yang lebih besar yang sukar untuk bergerak di jalan hutan jika pemasangan jauh.
Kesimpulan
Ia boleh dilaksanakan untuk membina turbin daripada bahan komposit, dan pengurangan berat sebanyak 50% hingga 70% dilihat berbanding dengan komponen keluli konvensional.Berat yang dikurangkan boleh membenarkan turbin komposit dipasang di lokasi terpencil.Di samping itu, pemasangan struktur komposit ini tidak memerlukan peralatan kimpalan.Komponen juga memerlukan lebih sedikit bahagian untuk diikat bersama, kerana setiap bahagian boleh dibuat dalam satu atau dua bahagian.Pada larian pengeluaran kecil yang dimodelkan dalam kajian ini, kos acuan dan perkakas lain mendominasi kos komponen.
Larian kecil yang ditunjukkan di sini menunjukkan kos untuk memulakan penyelidikan lanjut ke dalam bahan-bahan ini.Penyelidikan ini boleh menangani hakisan peronggaan dan perlindungan UV komponen selepas pemasangan.Ia mungkin boleh menggunakan salutan elastomer atau seramik untuk mengurangkan peronggaan atau memastikan turbin berjalan dalam aliran dan rejim kepala yang menghalang peronggaan daripada berlaku.Adalah penting untuk menguji dan menyelesaikan isu ini dan lain-lain untuk memastikan unit boleh mencapai kebolehpercayaan yang sama dengan turbin keluli, terutamanya jika ia akan dipasang di kawasan yang jarang penyelenggaraan.
Walaupun pada larian kecil ini, beberapa komponen komposit boleh menjimatkan kos disebabkan oleh pengurangan buruh yang diperlukan untuk pembuatan.Sebagai contoh, bekas skrol untuk unit Francis 2-MW akan menelan kos $80,000 untuk dikimpal daripada keluli berbanding $25,000 untuk pembuatan komposit.Walau bagaimanapun, dengan mengandaikan kejayaan reka bentuk pelari turbin, kos untuk membentuk pelari komposit adalah lebih daripada komponen keluli yang setara.Pelari 2-MW akan menelan belanja kira-kira $23,000 untuk mengeluarkan daripada keluli, berbanding $27,000 daripada komposit.Kos mungkin berbeza mengikut mesin.Dan kos untuk komponen komposit akan turun dengan ketara pada pengeluaran yang lebih tinggi jika acuan boleh digunakan semula.
Penyelidik telah pun menyiasat pembinaan pelari turbin daripada bahan komposit.8 Walau bagaimanapun, kajian ini tidak menangani hakisan peronggaan dan kebolehlaksanaan pembinaan.Langkah seterusnya untuk turbin komposit adalah untuk mereka bentuk dan membina model skala yang akan membolehkan bukti kebolehlaksanaan dan ekonomi pembuatan.Unit ini kemudiannya boleh diuji untuk menentukan kecekapan dan kebolehgunaan, serta kaedah untuk mencegah hakisan peronggaan berlebihan.
Masa siaran: Feb-15-2022
