Se bo delež uporabe termoplastičnih ogljikovih vlaken v projektih vetrne elektrarne znatno povečal?
Trenutno se razvoj industrije ogljikovih vlaken na Kitajskem sooča z ozkimi grli. Obstaja presežna ponudba zmogljivosti za proizvodnjo ogljikovih vlaken nizkega cenovnega razreda, kar je povzročilo znatno znižanje cen standardnih izdelkov iz ogljikovih vlaken zaradi vpliva na industrije na koncu proizvodne verige. Medtem pa ogljikovih vlaken srednjega in višjega razreda ni mogoče proizvajati v velikem obsegu zaradi večjih tehničnih težav, kar povzroča neizpolnjeno povpraševanje na področjih višjega cenovnega razreda, kot je vesoljska industrija. Da bi uravnotežili ponudbo in povpraševanje, nekatere študije kažejo, da bi lahko stalen porast industrije vetrne energije absorbiral del proizvodne zmogljivosti ogljikovih vlaken. Kakšno pa je dejansko stanje v industriji vetrne energije? Ali zahteva kompozite iz ogljikovih vlaken nizkega ali srednjega do visokega razreda?
Uvod v matriko ogljikovih vlaken in smol v lopaticah vetrnih turbin
Vetrne turbine so na splošno sestavljene iz sestavnih delov, kot so rotor, generator, zasučni mehanizem, stolp, varnostne naprave za omejevanje hitrosti in sistemi za shranjevanje energije. Rotor je sestavljen iz več dolgih rezil, kar je osrednji poudarek te razprave. Lopatice vetrnih turbin so v glavnem sestavljene iz jedrnih materialov, matričnih materialov, ojačitvenih materialov in površinskih premazov. Stroški surovin pri izdelavi enega samega rezila lahko znašajo do 70 %, predvsem vključno z ojačitvenimi vlakni, matričnimi smolami, jedrnimi materiali, strukturnimi lepili, kovinami in dodatki.
Trenutno so ojačitveni materiali, ki se uporabljajo v lopaticah vetrnih turbin, predvsem steklena vlakna in ogljikova vlakna. Z večanjem velikosti turbin se povečuje tudi dolžina lopatic vetrnih turbin, kar vodi do večjih zahtev glede skupne togosti. Učinkovitost ojačitev iz steklenih vlaken je postopoma dosegla ozko grlo, na kateri točki so se začele pojavljati mehanske prednosti ogljikovih vlaken. Ta razvojni trend je omogočil, da so ogljikova vlakna in kompoziti izstopali v industriji vetrne energije, in s svojo lastno prednostjo lahkih lastnosti lahko v prihodnosti nadomestijo steklena vlakna.
Raziskava "Uporaba in razvoj kompozitov v velikih lopaticah vetrnih turbin" kaže, da je modul ogljikovih vlaken 3- do 8-krat večji od modula steklenih vlaken, medtem ko je njihova gostota približno 30 % nižja. To omogoča izpolnjevanje zahtev za povečevanje in manjšo težo rezil. Glede na projekcije se bo stopnja prodora ogljikovih vlaken v glavne nosilce vetrnih turbin na kopnem in na morju postopoma povečevala, zato obstaja velika potreba po velikih lopaticah vetrnih turbin, ki uporabljajo glavne nosilce iz ogljikovih vlaken.
Kar zadeva matrično smolo v lopaticah vetrnih turbin, sta glavni uporabljeni materiali epoksi smola in nenasičena poliestrska smola. Med temi je epoksidna smola trenutno glavna sestavina termoreaktivnih kompozitov iz ogljikovih vlaken zaradi manj zahtevne priprave, stabilne fizične oblike po oblikovanju in odlične splošne učinkovitosti. Zato je postal osrednji del trenutne industrije ogljikovih vlaken. Poleg tega so raziskave različnih smol pokazale, da imajo termoplastične smole tudi visoko združljivost z ogljikovimi vlakni in so bolj ugodne za recikliranje in ponovno uporabo, zaradi česar so pomembna usmeritev za prihodnji razvoj.
Ali lahko termoplastična ogljikova vlakna nadomestijo termoreaktivna ogljikova vlakna v lopaticah vetrnih turbin?
Obstaja veliko vrst termoplastičnih smol, vključno s polieter eter ketonom (PEEK), poliarileter ketonom (PAEK), polieter ketonom (PEK), polifenilen sulfidom (PPS), poliamidom (PA) in polieter sulfonom (PES). Učinkovitost termoplastičnih kompozitov iz ogljikovih vlaken, ki jih tvorijo te smole v kombinaciji z ogljikovimi vlakni, se zelo razlikuje. Zato je za široko zamenjavo termoreaktivnih ogljikovih vlaken v industriji vetrne energije potrebnih več raziskav in poskusov. Pred tem najprej razumemo prednosti in slabosti duroplastičnih in termoplastičnih ogljikovih vlaken.
1. Termoreaktivna ogljikova vlakna:
A. Postopek sušenja: Termoreaktivna ogljikova vlakna so med proizvodnjo podvržena procesu utrjevanja. Ko so utrjeni, jih ni mogoče preoblikovati, kar ni ugodno za sekundarno predelavo in recikliranje.
B. Trdnost in togost: Termoreaktivna ogljikova vlakna običajno kažejo večjo trdnost in togost kot nekatera termoplastična ogljikova vlakna. Poleg tega imata njihova odpornost na visoke temperature in odpornost proti obrabi svoje prednosti in slabosti.
C. Krhkost: V primerjavi s termoplastičnimi ogljikovimi vlakni so lahko termoreaktivna ogljikova vlakna bolj krhka in bolj nagnjena k poškodbam med dejansko uporabo.
2. Termoplastična ogljikova vlakna:
A. Možnost recikliranja: Ena od pomembnih prednosti termoplastičnih ogljikovih vlaken je njihova možnost recikliranja; jih je mogoče večkrat stopiti in preoblikovati brez bistvene izgube mehanskih lastnosti.
B. Čas obdelave: čas obdelave za termoplastična ogljikova vlakna je na splošno krajši od časa za termoreaktivna ogljikova vlakna in jih je mogoče obdelati s pametnimi proizvodnimi tehnikami.
C. Odpornost na udarce: Termoplastična ogljikova vlakna izkazujejo boljšo odpornost na udarce v primerjavi z termoreaktivnimi ogljikovimi vlakni.
3. Primerjava praktičnih aplikacij:
A. Stroški: Termoplastična ogljikova vlakna imajo prednosti pri predelavi z nižjimi stroški, ko tehnologija dozori, vendar visoki stroški surovin ostajajo problem.
B. Tehnološka zrelost: Tehnologija in proizvodni procesi za termoplastična ogljikova vlakna morda niso tako zreli kot za termoreaktivna ogljikova vlakna, saj ima prva krajši časovni okvir razvoja, vendar ima večji potencial.
Če povzamemo, medtem ko imajo termoplastična ogljikova vlakna pomembne prednosti na določenih področjih, bo razširjena zamenjava termoreaktivnih ogljikovih vlaken v lopaticah vetrnih turbin zahtevala nadaljnje raziskave in razvoj.
Ali se bo delež uporabe termoplastičnih ogljikovih vlaken v projektih vetrne elektrarne občutno povečal?
Trenutno je delež uporabe termoplastičnih ogljikovih vlaken v projektih vetrne elektrarne precej majhen in ni gotovo, ali se bo v prihodnosti bistveno povečal. To je zato, ker prednosti, ki jih nudijo termoreaktivni kompoziti iz ogljikovih vlaken, kot so lahke lastnosti, visoka trdnost in visoka togost, že izpolnjujejo trenutne zahteve uporabe. Tudi ogljikova vlakna nižjega cenovnega razreda lahko zagotovijo ustrezno podporo pri delovanju, kar je eden od razlogov, zakaj so bila ogljikova vlakna nižjega cenovnega razreda uvedena v industrijo vetrne energije, da bi uravnotežili ponudbo in povpraševanje v sektorju ogljikovih vlaken.
Vendar pa se industrija vetrne energije razvija, razvija pa se tudi industrija ogljikovih vlaken. Tako kot je učinkovitost steklenih vlaken dosegla ozko grlo, lahko tudi uporaba termoreaktivnih ogljikovih vlaken v sektorju vetrne energije v prihodnosti naleti na omejitve. Morda se bodo iskale hitrejše tehnologije obdelave, celovitejša zmogljivost kompozitov iz ogljikovih vlaken in smolne matrice, ki manj onesnažujejo okolje. To so ravno tista področja, kjer so termoplastična ogljikova vlakna vrhunska. Tudi zato se mnoga podjetja in ustanove, tako doma kot v tujini, zavzemajo za raziskovanje termoplastičnih ogljikovih vlaken.
