Hydro-elektrisch turbinebladontwerp aangedreven door composieten

De term "waterkracht" doet vaak denken aan immense operaties die worden aangedreven door speciaal gebouwde infrastructuur zoals damsystemen en grote turbines met traditioneel metalen, op propellers gebaseerde turbinebladen. Veel gebieden hebben echter bijna geen nieuwe capaciteit meer voor grote, krachtige waterkrachtcentrales. Tegelijkertijd blijft de vraag naar meer en goedkopere duurzame energieopwekking groeien.

Het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) voorspelde in zijn 2018 "Hydropower Vision" -rapport waarin de huidige staat van waterkrachtcentrales in de Verenigde Staten en zijn doelen voor de toekomst worden geschetst, dat de groei in de Amerikaanse waterkrachtmarkt - van 101 gigawatt (GW) van energiecapaciteit in 2018 tot een potentiële capaciteit van bijna 150 GW in 2050 — zou nieuwe geavanceerde technologieën vereisen die meer energie kunnen leveren tegen lagere kosten.

Een mogelijke oplossing zou kunnen zijn kleinere hydro-elektrische generatoren die ongebruikte energie opvangen van watersystemen met een laag debiet, zoals irrigatiekanalen en -stromen, volgens Darren Wren, algemeen directeur bij Kinetic NRG (Gold Coast, Australië). Kinetic NRG, opgericht in 2016 door wijlen oprichter Paul Camilleri, is een privaat gefinancierde onderneming voor hernieuwbare energie die zich richt op de ontwikkeling van nieuwe technologie voor het opwekken van waterkracht om goedkope, betrouwbare elektriciteit te leveren.

De eerste technologie van het bedrijf wordt het Hydro-kinetic Energy Generator (HEG)-systeem genoemd, dat een diameter van 1,5 meter heeft en een vermogen tot 30 kilowatt (kW) uit waterstromen van 2,0 meter per seconde. Deze output maakt het een "micro" waterkrachtsysteem volgens classificatie-instanties zoals de Amerikaanse DOE, die microsystemen definieert als systemen met een capaciteit tot 100 kW. De HEG is bedoeld voor direct gebruik in rivieren, irrigatiekanalen of staartraces die water van bestaande dammen kanaliseren, en is ontworpen voor waterkracht met een lage opvoerhoogte - wat betekent dat de "kop", of afstand tussen de waterlijn en de turbine, minder dan 20 meter is.

De ontwikkeling van de HEG en het spiraalvormige turbineblad is al zo'n vijf jaar in de maak, zegt Wren. “Het is een hele reis geweest. Het ontwerp dat we nu hebben is letterlijk met vallen en opstaan ​​tot stand gekomen.”

Een modulair, maakbaar mes ontwerpen

De eerste, kleinschalige modellen met spiraalvormige bladen van Kinetic NRG waren gemaakt van metaal, maar toen het tijd was om het prototype op ware grootte met een diameter van 1,5 meter te vervaardigen, "vonden we dat we het niet konden halen", zegt Wren. Het concept was om te beginnen met een plat stuk metaal en vervolgens een reeks spiralen te vormen of te smeden die vanuit het midden uitstralen. "We konden gewoon geen manier vinden om toegang te krijgen tot bepaalde punten van het onderdeel om de kracht te creëren die we nodig hadden", legt hij uit.

Het bedrijf gaf uiteindelijk zijn metalen inspanningen op, maar niet het ontwerp zelf. Wren zegt dat Kinetic NRG samenwerkte met een lokale universiteit om alternatieve productietechnieken en materialen zoals nylon of keramiek te onderzoeken, en begon te praten met 3D-printbedrijven om te zien of additive manufacturing een haalbare optie zou kunnen zijn. Toch diende zich geen oplossing aan die de juiste combinatie van maakbaarheid en mechanische eigenschappen bood. Eindelijk, na een reis van drie jaar, werd Kinetic NRG geïntroduceerd via een leveringsnetwerkverbinding met het team van ingenieursbureau Advanced Composite Structures Australia (ACS-A, Melbourne), dat gespecialiseerd is in het ontwerp en de fabricage van laagvolume, hoogwaardige -composietcomponenten toegevoegd voor verschillende eindmarkten.

Wren noemt wat er daarna gebeurde "een ontmoeting van gedachten", en legt uit dat Kinetic NRG met Paul Falzon, algemeen directeur bij ACS-A, en zijn team werkte aan verschillende methoden om het onderdeel te vervaardigen en te ontwerpen met behulp van composietmaterialen - materialen die ACS-A kende uit ervaring in staat zou zijn om de vorm-, gewichts- en stijfheidsvereisten te leveren die Kinetic NRG nodig had.

De innovatieve bladvorm was de belangrijkste ontwerpuitdaging voor het project, waarbij de mechanische vereisten voor het blad volgens Wren gebaseerd waren op normen die zijn vastgesteld door de Amerikaanse DOE en de International Electrotechnical Commission. De rest van de systeemcomponenten - transmissie, energiebeheer, communicatie, enz. - zijn standaard kant-en-klare producten waarvan bekend is dat ze aan alle noodzakelijke voorschriften voldoen.

Volgens Falzon evalueerde ACS-A eerst de metalen pogingen tot het ontwerp van het blad en bepaalde vervolgens hoe de vereiste vorm, maattoleranties en gewicht van het blad konden worden bereikt. Het blad moest ook bestand zijn tegen aquatische omgevingen en stijf genoeg zijn om de stalen as van de turbine te ondersteunen waarop het is bevestigd. Het ACS-A-team begon met het originele metalen ontwerp en 'reverse engineered' een blad van glasvezelcomposiet om de oorspronkelijke stijfheid te evenaren, zegt Falzon. Er moesten echter enkele ontwerpwijzigingen worden aangebracht bij het overschakelen van een gelaste, metaalgevormde structuur naar een composietlaminaat. Zoals Falzon uitlegt:"We deden een stap terug en vroegen:'Oké, als we volledig gaan profiteren van composietmaterialen, hoe ziet dit er dan uit?'"

Na verschillende iteraties en discussies, bestaat het huidige ontwerp dat vorm kreeg, uit vier identieke composietbladen die in elkaar grijpen om de uiteindelijke spiraalvorm te vormen. "Het composietblad is eigenlijk dikker dan het stalen ontwerp, maar lichter vanwege de lagere dichtheid van de materialen waarmee we werken", zegt Falzon. "Dikker zijn betekent ook dat we veel meer buigstijfheid krijgen in vergelijking met het stalen ontwerp, dus je krijgt over het algemeen een veel stijver product."

Omgekeerd gereedschap

Het ontwikkelen van de vorm voor gereedschap, zegt Falzon, was het meest uitdagende onderdeel van het proces. Het ACS-A-team evalueerde de vorm van de oorspronkelijke mesconstructie met behulp van CATIA-software van Dassault Systèmes (Waltham, Mass., V.S.). Dit leidde tot de ontwikkeling van de bladoppervlakken en het ontwerp van gereedschapsconcepten. “Als je kijkt naar de onderdelen zoals ze nu zijn, zijn ze eigenlijk ondersteboven gemaakt. Het bladmodel moest worden omgekeerd om de tooling te maken, en het is bizar totdat je de daadwerkelijke tooling ziet wanneer deze arriveert. Het is behoorlijk complex', zegt Falzon. Hij legt uit dat het gereedschap omgekeerd moest worden "om ervoor te zorgen dat we de vereiste oppervlakteafwerking konden bereiken aan de kant van het blad die aan de waterstroom is blootgesteld", en om ervoor te zorgen dat elk van de vervaardigde bladcomponenten in één stuk uit de vorm kon worden gehaald. De tooling moest ook precies zijn:de in elkaar grijpende bladcomponenten moesten precies kunnen worden uitgelijnd in de montage, met elkaar en met de centrale as van de turbine. Voor het prototype werd het gereedschap, geleverd door Sykes Australia (Sydney), vervaardigd uit goedkope gereedschapspasta die op een schuimrug werd aangebracht en vervolgens CNC-gefreesd tot de uiteindelijke vorm.

Nadat de tooling was ontwikkeld, werd het huidige prototype op ware grootte gemaakt van glasvezel non-crimp weefsel (NCF) en epoxyhars, vervaardigd via handmatige layup en uitgehard bij kamertemperatuur, gevolgd door naharding in een oven bij verhoogde temperatuur en applicatie van een marine-grade verf. De materialen zijn geselecteerd, merkt Falzon op, om te voldoen aan zowel de structurele als de kostenvereisten voor het onderdeel. De in elkaar grijpende subcomponenten zijn gelijmd - gekozen boven mechanische bevestiging voor betere controle en maatnauwkeurigheid bij de montage. "De echte truc", zegt hij, "is om ervoor te zorgen dat de bladen in elkaar kunnen grijpen, maar zodra we alles lamineren en aan elkaar hechten, vormt het een zeer stijf geheel dat de benodigde structurele en hydrodynamische vormprestaties bereikt."

Digitale analyse van de stijfheid van de structuur en andere mechanische eigenschappen werd uitgevoerd met behulp van tools van MSC Software (Newport Beach, Californië, VS). "Dit systeem is veel efficiënter, lichter en in staat om meer werk te doen dan het oorspronkelijke ontwerp", voegt Falzon toe.

Op weg naar commerciële productie

Volgens Wren zal de initiële productiedoelstelling van Kinetic NRG 950 eenheden zijn over een periode van drie jaar, en van daaruit opschalen tot enkele duizenden per jaar. Potentiële klanten, zegt Wren, kunnen particulieren en bedrijven, energiebedrijven en gemeenten zijn - een breed scala, wat de veelzijdigheid van het HEG-concept onderstreept. De systemen kunnen worden geïnstalleerd als "mini-waterkrachtcentrales" in irrigatiekanalen, of stroomafwaarts van bestaande hydro-elektrische generatoren worden geplaatst om stroom op te wekken uit onderbenutte off-flow, of als aanvullende stroomvoorziening voor afgelegen gemeenschappen of bedrijven, zegt hij.

Momenteel ondergaat het volledige HEG-prototype mechanische tests in het water; ondertussen worden grootschalige productieprocessen geëvalueerd voor commerciële productie.

ACS-A verwacht door te gaan met het verfijnen van het bladontwerp, indien nodig, afhankelijk van de mechanische testresultaten en vereisten voor de meest kosteneffectieve productie die mogelijk is. Specifiek zegt Falzon dat ACS-A geautomatiseerde voorvormprocessen onderzoekt "zodat we met minimale handarbeid de juiste vorm kunnen krijgen", gevolgd door light resin transfer molding (L-RTM) of een ander proces met hogere snelheid.

Methoden voor het assembleren van turbines worden ook geëvalueerd, met als doel, zegt Wren, dat de bladsubcomponenten modulair worden geproduceerd en lokaal worden geassembleerd, om de kosten en uitdagingen bij het verzenden van volledige eenheden op ware grootte te vermijden, terwijl lokale werkgelegenheidskansen worden gecreëerd en de installatiekosten worden verlaagd . Om dit mogelijk te maken, moet ACS-A mogelijk ook de manier waarop de bladen in elkaar grijpen en het aantal subcomponenten in elke assemblage wijzigen. "We hebben nog steeds de volledige bladen in hun oorspronkelijke vorm, dat zal er nog steeds een belangrijk onderdeel van zijn", zegt Wren, "maar we kunnen veranderen waar de overgangen plaatsvinden om dezelfde vorm in minder componenten te maken voor eenvoudiger montage ter plaatse.”

De twee bedrijven evalueren ook de omzetting van metalen onderdelen van de turbine in composieten, om het gewicht van het totale samenstel te verminderen. "We zullen glas gebruiken waar nodig en koolstofvezel waar dat nodig is, maar uiteindelijk moeten we een prijsniveau voor de technologie bereiken om de kosten van energieopwekking voor het systeem kostenconcurrerend te maken", zegt Falzon.

Naarmate het ontwerp- en fabricageproces de optimalisatie nadert, zal volgens Wren de volgende uitdaging zijn om de juiste investerings- en productiepartnerschappen binnen te halen om op te schalen naar commerciële volumes.