Ще се увеличи ли значително делът на приложение на термопластични въглеродни влакна в проекти за вятърна енергия?
В момента развитието на индустрията за въглеродни влакна в Китай е изправено пред тесни места. Има свръхпредлагане на капацитет за производство на въглеродни влакна от нисък клас, което доведе до значително намаляване на цените на стандартните продукти от въглеродни влакна поради въздействието върху индустриите надолу по веригата. Междувременно въглеродните влакна от среден и висок клас не могат да бъдат произведени в голям мащаб поради по-големите технически трудности, което води до незадоволено търсене в области от висок клас като космическата промишленост. За да се балансира търсенето и предлагането, някои проучвания показват, че стабилният растеж на индустрията за вятърна енергия може да поеме част от производствения капацитет на въглеродни влакна. Каква е обаче реалната ситуация във вятърната енергийна индустрия? Изисква ли композитни материали от нисък или среден до висок клас въглеродни влакна?
Въведение във въглеродните влакна и матрицата от смола в лопатките на вятърните турбини
Вятърните турбини обикновено се състоят от компоненти като ротор, генератор, механизъм за обръщане, кула, устройства за безопасност, ограничаващи скоростта, и системи за съхранение на енергия. Роторът е съставен от няколко дълги перки, което е основният фокус на тази дискусия. Лопатките на вятърните турбини се състоят основно от материали на сърцевината, матрични материали, подсилващи материали и повърхностни покрития. Разходите за суровини при производството на едно острие могат да възлизат на до 70%, главно включително усилващи влакна, матрични смоли, основни материали, структурни лепила, метали и аксесоари.
Понастоящем усилващите материали, използвани в лопатките на вятърните турбини, са главно стъклени влакна и въглеродни влакна. С увеличаването на размерите на турбините дължината на лопатките на вятърните турбини също нараства, което води до по-високи изисквания за обща твърдост. Ефективността на подсилванията от стъклени влакна постепенно достигна тясно място, в който момент започнаха да се появяват предимствата на механичните характеристики на въглеродните влакна. Тази тенденция на развитие позволи на въглеродните влакна и композитите да се откроят във вятърната енергийна индустрия и с присъщото им предимство на леки свойства, те могат да заменят стъклените влакна в бъдеще.
Изследване от "Прилагане и развитие на композити в големи лопатки на вятърни турбини" показва, че модулът на въглеродните влакна е 3 до 8 пъти по-висок от този на стъклените влакна, докато плътността му е приблизително 30% по-ниска. Това прави възможно да се изпълнят изискванията както за мащабиране, така и за олекотяване на лопатките. Според прогнозите степента на проникване на въглеродни влакна в главните греди на вятърните турбини на сушата и в морето постепенно ще се увеличи и има значителна необходимост от големи лопатки на вятърни турбини, използващи главни греди от въглеродни влакна.
Що се отнася до матричната смола в лопатките на вятърните турбини, епоксидната смола и ненаситената полиестерна смола са основните използвани материали. Сред тях епоксидната смола понастоящем е основният компонент на термореактивните композити от въглеродни влакна поради по-ниската си трудност при подготовката, стабилна физическа форма след формоване и отлична цялостна производителност. Поради това той се превърна в основна част от настоящата индустрия за въглеродни влакна. Освен това изследванията на различни смоли разкриха, че термопластичните смоли също имат висока съвместимост с въглеродни влакна и са по-благоприятни за рециклиране и повторна употреба, което ги прави важна посока за бъдещо развитие.
Могат ли термопластичните въглеродни влакна да заменят термореактивните въглеродни влакна в перките на вятърните турбини?
Има много видове термопластични смоли, включително полиетер етер кетон (PEEK), полиарилетер кетон (PAEK), полиетер кетон (PEK), полифенилен сулфид (PPS), полиамид (PA) и полиетер сулфон (PES). Ефективността на композитите от термопластични въглеродни влакна, образувани от тези смоли, комбинирани с въглеродни влакна, варира значително. Следователно, за широкото заместване на термореактивните въглеродни влакна във вятърната енергийна индустрия са необходими повече изследвания и експерименти. Преди това нека първо разберем предимствата и недостатъците на термореактивните и термопластичните въглеродни влакна.
1. Термореактивни въглеродни влакна:
A. Процес на втвърдяване: Термореактивните въглеродни влакна преминават процес на втвърдяване по време на производството. Веднъж втвърдени, те не могат да бъдат преформатирани, което не е благоприятно за вторична обработка и рециклиране.
B. Сила и твърдост: Термореактивните въглеродни влакна обикновено показват по-голяма здравина и твърдост от някои термопластични въглеродни влакна. Освен това тяхната устойчивост на висока температура и устойчивост на износване имат своите предимства и недостатъци.
C. Чупливост: В сравнение с термопластичните въглеродни влакна, термореактивните въглеродни влакна могат да бъдат по-крехки и по-податливи на повреда по време на реална употреба.
2. Термопластични въглеродни влакна:
A. Рециклируемост: Едно значително предимство на термопластичните въглеродни влакна е тяхната рециклируемост; те могат да бъдат разтопени и преформатирани многократно без съществена загуба на механични свойства.
B. Време за обработка: Времето за обработка на термопластичните въглеродни влакна обикновено е по-кратко от това на термореактивните въглеродни влакна и те могат да бъдат обработени с помощта на интелигентни производствени техники.
C. Устойчивост на удар: Термопластичните въглеродни влакна показват по-добра устойчивост на удар в сравнение с термореактивните въглеродни влакна.
3. Практическо сравнение на приложенията:
A. цена: Термопластичните въглеродни влакна имат предимства при обработката, с по-ниски разходи, след като технологията узрее, но високата цена на суровините остава проблем.
B. Технологична зрялост: Технологията и производствените процеси за термопластични въглеродни влакна може да не са толкова зрели като тези за термореактивни въглеродни влакна, тъй като първите имат по-кратък срок за развитие, но имат по-голям потенциал.
В обобщение, докато термопластичните въглеродни влакна показват значителни предимства в определени области, широко разпространената замяна на термореактивни въглеродни влакна в лопатките на вятърните турбини ще изисква допълнителни изследвания и разработки.
Ще се увеличи ли значително делът на приложение на термопластични въглеродни влакна в проекти за вятърна енергия?
Понастоящем делът на приложение на термопластични въглеродни влакна в проекти за вятърна енергия е доста малък и не е сигурно дали ще се увеличи значително в бъдеще. Това е така, защото предимствата, предлагани от композитите от термореактивни въглеродни влакна - като леки свойства, висока якост и висока твърдост - вече отговарят на текущите изисквания за употреба. Дори въглеродните влакна от по-нисък клас могат да осигурят адекватна поддръжка на производителността, което е една от причините въглеродните влакна от по-нисък клас да бъдат въведени във вятърната енергийна индустрия, за да балансират търсенето и предлагането в сектора на въглеродните влакна.
Въпреки това индустрията за вятърна енергия се развива и индустрията за въглеродни влакна също се развива. Точно както производителността на стъклените влакна достигна тясно място, приложението на термореактивни въглеродни влакна в сектора на вятърната енергия също може да срещне ограничения в бъдеще. Може да има търсене на по-бързи технологии за обработка, по-всеобхватна производителност от композити от въглеродни влакна и смолни матрици, които са по-малко замърсяващи околната среда. Това са точно областите, в които термопластичните въглеродни влакна превъзхождат. Ето защо много компании и институции, както в страната, така и в чужбина, се ангажират с изследването на термопластичните въглеродни влакна.
