Революция в гидроэнергетике: композитные лопасти турбин для более высокой эффективности

Термин «гидроэлектростанция» часто ассоциируется с массивными объектами со специально построенной инфраструктурой, такой как плотины и большие турбины с традиционными металлическими пропеллерными лопастями. Однако во многих регионах истощается потенциал для новых крупных ГЭС высокой мощности. В то же время спрос на большее и более дешевое возобновляемое производство энергии продолжает расти.

Министерство энергетики США (DOE) в отчете «Hydropower Vision» 2018 года, описывающем текущее состояние гидроэнергетики в США и цели на будущее, предсказало, что рост рынка США — от 101 гигаватта (ГВт) установленной мощности в 2018 году до потенциальных почти 150 ГВт в 2050 году — потребует новых передовых технологий, способных давать больше энергии при меньших затратах.

Одним из потенциальных решений могут стать более мелкие гидрогенераторы, улавливающие неиспользуемую энергию низкопоточных водных систем, таких как оросительные каналы и ручьи, по словам Даррена Рена, генерального менеджера Kinetic NRG (Голд-Кост, Австралия). Основанная в 2016 году покойным основателем Полом Камиллери, Kinetic NRG — это частно финансируемая компания возобновляемой энергетики, сфокусированная на разработке новой гидро-генерационной технологии для поставки дешевой, надежной электроэнергии.

Первая технология компании называется система гидро-кинетического генератора энергии (HEG), диаметр 1,5 метра с выходной мощностью до 30 киловатт (кВт) при потоке воды 2,0 м/с. Такая мощность делает ее «микро» гидросистемой по классификации, например, США DOE, который определяет микросистемы как имеющие мощность до 100 кВт. Предназначена для прямого использования в реках, оросительных каналах или водосточных каналах, отводящих воду от существующих плотин, HEG рассчитана на низкую напорную гидроэнергетику — то есть «напор», или расстояние между линией воды и турбиной, менее 20 метров.

Разработка HEG и ее спиральной лопасти турбины велась около пяти лет, говорит Рен. «Это был долгий путь. Текущий дизайн появился буквально методом проб и ошибок».

Проектирование модульной, технологичной лопасти

Первые мелкомасштабные спиральные модели лопастей Kinetic NRG были сделаны из металла, но когда пришло время изготовить полноразмерный прототип диаметром 1,5 метра, «мы выяснили, что не можем его сделать», — говорит Рен. Концепция заключалась в том, чтобы начать с плоского куска металла, а затем сформировать или ковать набор спиралей, расходящихся от центра. «Мы просто не могли найти способ доступа к определенным точкам детали для создания необходимой прочности», — объясняет он.

Компания в итоге отказалась от металлических попыток, но не от дизайна. Рен говорит, что Kinetic NRG сотрудничала с местным университетом для изучения альтернативных технологий производства и материалов, таких как нейлон или керамика, и начала общаться с компаниями по 3D-печати, чтобы увидеть, может ли аддитивное производство быть жизнеспособным вариантом. Тем не менее, не было представлено решения, обеспечивающего правильное сочетание технологичности и механических свойств. Наконец, после трехлетнего пути, Kinetic NRG была представлена через связь в цепочке поставок команде инженерной компании Advanced Composite Structures Australia (ACS-A, Мельбурн), специализирующейся на проектировании и производстве малосерийных высокодоходных композитных компонентов для различных конечных рынков.

Рен называет следующее «встречей умов», объясняя, что Kinetic NRG работала с Полом Фальзоном, генеральным менеджером ACS-A, и его командой над различными методами производства и проектирования детали из композитных материалов — материалов, которые ACS-A знала из опыта, смогут обеспечить форму, вес и жесткость, необходимые Kinetic NRG.

Инновационная форма лопасти стала ключевым вызовом проекта, с механическими требованиями к лопасти, основанными, по словам Рена, на стандартах, установленных США DOE и Международной электротехнической комиссией. Остальные компоненты системы — трансмиссия, управление питанием, связь и т.д. — это стандартные готовые продукты, известные как соответствующие все необходимые регуляции.

По словам Фальзона, ACS-A сначала оценила металлические попытки дизайна лопасти, а затем определила, как достичь требуемой формы, размерных допусков и веса лопасти. Лопасть также должна была выдерживать водную среду и быть достаточно жесткой для поддержки стального вала турбины, на который она крепится. Команда ACS-A начала с оригинального металлического дизайна и «обратно спроектировала» стекловолоконную композитную лопасть для соответствия исходной жесткости, говорит Фальзон. Однако при переходе от сварной металлической структуры к композитному ламинату потребовались некоторые изменения дизайна. Как объясняет Фальзон: «Мы отступили назад и спросили: "Хорошо, если мы собираемся максимально использовать преимущества композитных материалов, как это будет выглядеть?"».

После нескольких итераций и обсуждений текущий дизайн состоит из четырех идентичных композитных лопастей, которые сцепляются, образуя окончательную спиральную форму. «Композитная лопасть фактически толще стального дизайна, но легче из-за более низкой плотности используемых материалов», — говорит Фальзон. «Более толстая лопасть также означает намного большую изгибную жесткость по сравнению со стальным дизайном, поэтому в целом получается намного более жесткий продукт».

Инвертированная оснастка

Разработка формы для оснастки, говорит Фальзон, была самой сложной частью процесса. Команда ACS-A оценила форму оригинальной сборки лопасти с использованием ПО CATIA от Dassault Systèmes (Уолтем, Массачусетс, США). Это привело к разработке поверхностей лопасти и дизайну концепций оснастки. «Когда смотришь на детали как они есть сегодня, они на самом деле изготавливаются в перевернутом положении. Модель лопасти должна была быть инвертирована для создания оснастки, и это странно, пока не увидишь реальную оснастку. Она довольно сложная», — говорит Фальзон. Он объясняет, что оснастка должна была быть инвертирована «чтобы обеспечить достижение требуемой чистоты поверхности на стороне лопасти, подверженной потоку воды», и чтобы каждая из производимых компонентов лопасти могла быть снята с формы в одном куске. Оснастка также должна была быть точной: сцепляющиеся компоненты лопастей должны были точно выравниваться при сборке, друг с другом и с центральным валом турбины. Для прототипа оснастка, поставленная Sykes Australia (Сидней), была изготовлена из недорогой оснасточной пасты, наносимой на пенную подложку, а затем ЧПУ-обработана до финальной формы.

Нижняя секция оснастки турбинной лопасти.

После разработки оснастки текущий полноразмерный прототип лопасти был изготовлен из стекловолоконной ткани без срива (NCF) и эпоксидной смолы, произведенной методом ручной укладки и отвердевшей при комнатной температуре, с последующей пост-отвердевкой в печи при повышенной температуре и нанесением морской краски. Материалы были выбраны, отмечает Фальзон, для соответствия как структурным, так и стоимостным требованиям к детали. Сцепляющиеся подкомпоненты склеиваются клеевым соединением — выбрано вместо механического крепления для лучшего контроля и размерной точности при сборке. «Настоящий трюк», — говорит он, — «заключается в том, чтобы убедиться, что лопасти могут сцепляться, но после того как мы все проламинируем и склеим, это образует очень жесткую сборку, достигающую необходимых структурных и гидродинамических характеристик формы».

Цифровой анализ жесткости структуры и других механических свойств выполнялся с использованием инструментов MSC Software (Ньюпорт-Бич, Калифорния, США). «Эта система намного эффективнее, легче и способна выполнять больше работы, чем оригинальный дизайн», — добавляет Фальзон.

Движение к коммерческому производству

По словам Рена, начальная цель производства Kinetic NRG — 950 единиц за трехлетний период, а затем масштабирование до нескольких тысяч в год. Потенциальные клиенты, говорит Рен, могут включать частных лиц и компании, энергетические компании и муниципалитеты — широкий спектр, подчеркивающий универсальность концепции HEG. Системы могут устанавливаться как «мини-ГЭС» внутри оросительных каналов, или размещаться ниже по течению от существующих гидроэлектрогенераторов для генерации энергии от недостаточно используемого оттока, или как дополнительная энергия для отдаленных сообществ или бизнесов.

В настоящее время полноразмерный прототип HEG проходит водные механические испытания; в то же время оцениваются крупномасштабные производственные процессы для коммерческого производства.

ACS-A планирует продолжать доработку дизайна лопасти по мере необходимости, в зависимости от результатов механических испытаний и требований к наиболее экономичному производству. Конкретно, Фальзон говорит, что ACS-A исследует автоматизированные процессы преформования «чтобы мы могли получить правильную форму с минимальным ручным трудом», за которым следует легкое смольное переносное формование (L-RTM) или другой более высокоскоростной процесс.

Методы сборки турбины также оцениваются, целью является, по словам Рена, чтобы подкомпоненты лопастей производились модульно и собирались локально, чтобы избежать затрат и проблем с перевозкой целых полноразмерных устройств, создавая при этом местные рабочие места и снижая затраты на установку. Чтобы сделать это возможным, ACS-A может потребоваться изменить способ сцепления лопастей и количество подкомпонентов в каждой сборке. «Мы все равно будем иметь полные лопасти в их оригинальной форме, это все равно будет ключевой частью», — говорит Рен, — «но мы можем изменить места переходов, чтобы сделать ту же форму из меньшего числа компонентов для более легкой монтажной сборки на месте».

Две компании также оценивают конвертацию металлических компонентов турбины в композиты, чтобы сократить вес общей сборки. «Мы будем использовать стекловолокно там, где уместно, и углеволокно там, где уместно, но в конечном счете нам нужно достичь ценовую точку для технологии, чтобы сделать стоимость генерации энергии системой конкурентоспособной», — говорит Фальзон.

По мере приближения дизайна и производственного процесса к оптимизации, следующей задачей будет, по словам Рена, привлечение правильных инвестиций и производственных партнерств для масштабирования до коммерческих объемов.