近期，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了一項(xiàng)最新研究，結(jié)果表明與市面上常見(jiàn)的商用碳纖維和玻璃纖維相比，新型大絲束碳纖維能夠?yàn)轱L(fēng)能行業(yè)帶來(lái)成本效益和性能提升。
報(bào)告稱，采用碳纖維生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)葉片較傳統(tǒng)的玻纖葉片輕25%，這意味著碳纖維葉片可以制造得更長(zhǎng)，且能夠在低風(fēng)速區(qū)捕捉到更多能量。該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Brandon Ennis表示，碳纖維葉片也因?yàn)樘祭w維優(yōu)異的抗疲勞性能而獲得更長(zhǎng)的服役壽命。
但眾所周知，風(fēng)機(jī)制造商需要設(shè)計(jì)制造出能夠連續(xù)30年承受壓縮和疲勞載荷的風(fēng)機(jī)葉片，同時(shí)，成本也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
Ennis表示，采用橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）開(kāi)發(fā)的新型低成本大絲束碳纖維能夠滿足風(fēng)電行業(yè)的性能要求，同時(shí)具有成本效益。新型碳纖維的原絲來(lái)自紡織工業(yè)廣泛使用的大絲束腈綸纖維。生產(chǎn)工藝中纖維被高溫碳化，隨后經(jīng)過(guò)拉擠工藝制成風(fēng)電行業(yè)需要的、同時(shí)具備高性能和高可靠性的板材。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，新材料在“風(fēng)電行業(yè)最感興趣的成本特性方面”比目前的商用材料表現(xiàn)更好。
研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)對(duì)新型碳纖維、商用碳纖維和標(biāo)準(zhǔn)玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行了力學(xué)性能對(duì)比，將測(cè)試數(shù)據(jù)與ORNL的成本模型相結(jié)合，并將這些數(shù)據(jù)用于葉片設(shè)計(jì)分析，以評(píng)估使用新型碳纖維（而不是商用碳纖維或標(biāo)準(zhǔn)玻璃纖維）作為風(fēng)葉主要結(jié)構(gòu)支撐的系統(tǒng)影響。
研究結(jié)果表明，與商用碳纖維相比，采用新型大絲束碳纖維能夠?qū)⒚棵涝目箟簭?qiáng)度提高56%。通常情況下，制造商會(huì)采用更多材料來(lái)制造部件以適應(yīng)較低的抗壓強(qiáng)度，從而導(dǎo)致材料成本的增加。考慮到新型碳纖維單位成本抗壓強(qiáng)度的提高，研究團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，與商用碳纖維相比，采用新型碳纖維制造的葉片主梁在材料成本上將下降40%。
由于具有優(yōu)異的抗疲勞性能，新型碳纖維與玻璃纖維相比在陸上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中也具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。采用新型碳纖維所帶來(lái)的重量減輕、疲勞壽命延長(zhǎng)等其他優(yōu)勢(shì)，可能會(huì)影響整臺(tái)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)，從而帶來(lái)額外的成本效益和性能提升。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人表示，雖然目前市場(chǎng)上尚不存在適合風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的最佳碳纖維，但新型紡織碳纖維的性能特點(diǎn)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所承受的特定負(fù)載具有更高的價(jià)值。該材料的商業(yè)化可以使碳纖維的優(yōu)勢(shì)在風(fēng)能領(lǐng)域得到更廣泛地發(fā)揮，并降低風(fēng)電的總成本。
