桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究表明，一種新的碳纖維材料如果商業(yè)化開發(fā)，將為風(fēng)力發(fā)電行業(yè)帶來成本和性能效益。
含碳纖維的風(fēng)葉比傳統(tǒng)玻璃纖維材質(zhì)的風(fēng)葉輕25%。這意味著碳纖維葉片可能比玻璃纖維葉片更長，因此，在風(fēng)力較低的地方可以捕獲更多的能量。桑迪亞實(shí)驗(yàn)室風(fēng)能研究員、該項(xiàng)目首席研究員說，改用碳纖維還可以延長葉片壽命，因?yàn)樘祭w維材料具有很高的抗疲勞性。該項(xiàng)目由能源部能源效率和可再生能源辦公室的風(fēng)能技術(shù)辦公室資助。該項(xiàng)目的合作伙伴包括橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和蒙大拿州立大學(xué)。
在所有生產(chǎn)風(fēng)力渦輪機(jī)的公司中，只有一家在葉片設(shè)計(jì)中廣泛使用碳纖維材料。研究人員說，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片是世界上最大的單件復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如果一種與玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在成本-價值基礎(chǔ)上競爭的材料能夠在市場上買到，風(fēng)力行業(yè)就可以代表碳纖維材料重量的最大市場。
然而，風(fēng)能和碳纖維行業(yè)目前并不重疊。風(fēng)電行業(yè)僅使用商用材料設(shè)計(jì)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，碳纖維制造商面臨著創(chuàng)新的障礙，因?yàn)橐腼L(fēng)電行業(yè)的新生產(chǎn)線會產(chǎn)生高昂的資本成本。
新型低成本碳纖維具有良好的風(fēng)電性能
成本是風(fēng)電行業(yè)部件設(shè)計(jì)的主要考慮因素，然而渦輪機(jī)制造商也必須制造出能夠承受葉片在旋轉(zhuǎn)長達(dá)30年時承受的壓縮和疲勞載荷的葉片。
研究人員想知道，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種新型低成本碳纖維能否滿足性能需求，同時也能為風(fēng)力發(fā)電行業(yè)帶來成本效益。這種材料從紡織工業(yè)中廣泛使用的前體開始，它含有厚厚的腈綸纖維束。制造過程中，加熱纖維將其轉(zhuǎn)化為碳，然后是一個中間步驟，將碳纖維拉成木板。板材制造拉擠工藝制造出的碳纖維具有葉片制造所需的高性能和可靠性，同時也具有高生產(chǎn)能力。
當(dāng)研究小組研究這種低成本的碳纖維時，他們發(fā)現(xiàn)它在風(fēng)能行業(yè)最感興趣的成本特性方面比目前的商用材料表現(xiàn)得更好。
ORNL提供了其碳纖維技術(shù)設(shè)施的碳纖維開發(fā)樣品，以及由這種材料制成的復(fù)合材料以及由商用碳纖維制成的類似復(fù)合材料，以供比較。蒙大拿州立大學(xué)的同事們測量了新型碳纖維與市售碳纖維和標(biāo)準(zhǔn)玻璃纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。然后，研究人員將這些測量結(jié)果與ORNL的成本建模結(jié)果相結(jié)合。他在葉片設(shè)計(jì)分析中使用了這些數(shù)據(jù)，以評估使用新型碳纖維（而不是標(biāo)準(zhǔn)碳纖維或玻璃纖維）作為風(fēng)葉片主要結(jié)構(gòu)支撐的系統(tǒng)影響。
提高抗壓強(qiáng)度可節(jié)省成本
研究人員發(fā)現(xiàn)，這種新型碳纖維材料每美元的抗壓強(qiáng)度比商用碳纖維高出56%，這是行業(yè)基準(zhǔn)。通常情況下，制造商通過使用更多的材料來制造組件來適應(yīng)較低的抗壓強(qiáng)度，這會增加成本?？紤]到新型碳纖維的單位成本抗壓強(qiáng)度更高，恩尼斯的計(jì)算預(yù)測，與商用碳纖維相比，新型碳纖維制成的翼梁帽（風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的主要結(jié)構(gòu)部件）的材料成本可節(jié)省約40%。
與玻璃纖維相比，新型碳纖維甚至降低了陸上渦輪機(jī)設(shè)計(jì)的預(yù)計(jì)材料成本，這是由于其抗疲勞性能的提高。研究人員說，在葉片設(shè)計(jì)中使用這種新型碳纖維的其他結(jié)果，如重量減輕和疲勞壽命延長，可能會影響整個渦輪的設(shè)計(jì)，從而帶來額外的成本和性能效益。
研究人員說：“雖然目前市場上尚不存在適合風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的最佳碳纖維，但這種新型紡織碳纖維的性能特點(diǎn)對于風(fēng)力渦輪機(jī)所承受的特定負(fù)載具有更高的價值?！卑l(fā)展這種材料的商業(yè)化可以使碳纖維材料的好處更廣泛地被風(fēng)能產(chǎn)業(yè)所實(shí)現(xiàn)，并降低風(fēng)能的總體成本。”
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