Исследователи в США разработали систему турбин, напечатанных на 3D-принтере, которая может сделать малые гидроэлектростанции более дешёвыми, быстрыми и простыми в развёртывании на существующих плотинах.
Проект реализовала компания Cadens (Висконсин), специализирующаяся на недорогих и высокоэффективных турбинах, совместно с Демонстрационным производственным центром Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL) в Теннесси.
Инженеры создали долговечные 3D-печатные турбины и другие ключевые компоненты гидроэлектростанций, способные непрерывно работать в сложных водных условиях в течение многих лет. Они уверены, что такой подход сможет расширить гидроэнергетический потенциал США и устранить существующие барьеры для выработки энергии.
Нереализованный потенциал
Малые микро-ГЭС с низким напором способны генерировать до 100 киловатт (кВт) электроэнергии на небольших плотинах и водотоках. В США насчитывается почти 90 000 плотин, и менее трёх процентов из них в настоящее время производят электричество.
При этом данные показывают, что 51 000 объектов по всей стране могут поддерживать микрогидрогенерацию. Суммарный неиспользуемый гидроэнергетический потенциал этих объектов составляет около 29 гигаватт (ГВт). Однако высокая стоимость строительства индивидуальных турбин и инфраструктуры для каждого объекта делала такие проекты финансово нецелесообразными.
Технология производства
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа обратилась к аддитивному производству. Инженеры использовали массивные трубы из ПВХ в качестве основного водовода и изготовили индивидуальные компоненты турбин с помощью 3D-печати. Это позволило быстро адаптировать детали под конкретные размеры объекта.
Одна из важнейших деталей – отсасывающая труба (draft tube), повышающая эффективность турбины за счёт контроля потока воды – была спроектирована в виде двух половин из АБС-полимера, армированного 20% углеродного волокна. Затем они были герметично соединены в прочный блок весом 312 кг (688 фунтов).
Для корпуса рабочего колеса, в котором размещается турбина, команда напечатала на 3D-принтере форму, а затем отлила готовый компонент из стеклопластика.
«Обработка на станках с ЧПУ и герметизация распылением обеспечили точность и защиту», – отметили в команде.
Специалисты также использовали технологию крупноформатного аддитивного производства (BAAM) для создания нескольких крупных деталей турбин, включая опоры труб, стеновые проходники, концевые фитинги и элементы рабочего колеса.
Результаты
Результаты показали, что аддитивное производство может снизить стоимость гидроэлектростанций на киловатт до 40% по сравнению с традиционными методами изготовления.
«Этот новаторский проект возродил потенциал малой гидроэнергетики, продемонстрировав быстрые, надёжные и экономически эффективные методы производства», – заявили исследователи. Опытный образец работает на объекте Cadens в Висконсине уже более шести лет.
Уникальный испытательный стенд для микро-ГЭС стал платформой для отраслевых улучшений. Система сейчас используется для тестирования материалов и компонентов, оптимизации имитационных моделей и исследований в области накопления энергии.
Cadens в настоящее время работает над масштабированием технологии, а также улучшает устойчивость к накоплению мусора и биообрастанию, которые представляют серьёзные проблемы для долгосрочной работы гидроэлектростанций на естественных водотоках.
Исследование поддержано Управлением передовых материалов и производственных технологий (AMMTO) Министерства энергетики США, целью которого является повышение эффективности, производительности, экологичности и конкурентоспособности производственного сектора.
Источник: Interesting Engineering