风力涡轮机叶片：复合材料如何为绿色能源提供动力

在发电方面，近几十年来人们为转向更环保的能源做出了很多努力。虽然太阳能也有强劲增长，但风能已成为美国使用最广泛的可再生能源。

也不只是美国。根据国际能源署公布的数据，2020 年全球新增风力发电装机容量达到创纪录的 108 吉瓦，这一数字是 2019 年的两倍。显然，风能正在加速增长。

风力发电虽然历史悠久，但如果没有高科技材料，就不可能在最近迅速崛起。在本文中，我们将介绍一些风力发电的背景以及复合材料为何在该行业中发挥关键作用。

风电的发展

第一次记录使用风力驱动机器是在公元一世纪的亚历山大港。希腊数学家和工程师希罗创造了一个风力驱动的轮子来操作风琴。

然而，从 7 世纪开始，风力在波斯被认真地用于抽水和磨谷，还需要几个世纪的时间。从中世纪开始，欧洲就开始使用风车进行这些相同的应用，因此在发明发电时，风力发电是一项非常古老的技术。

苏格兰的詹姆斯·布莱斯 (James Blyth) 是第一个建造连接两者的装置的人，他制造了一个风力涡轮机，为他的度假屋提供电力。在 20 世纪，风力发电在农场和远离中央电网的其他地方的使用有限。

当对化石燃料的环境和成本问题在 1970 年代变得普遍时，现代风力发电开始受到关注。在美国，第一个风电场于 1975 年投入使用，产生的电力足以供 4,000 多户家庭使用。

随着技术的进步和政府积极鼓励替代能源的发展，自那时以来增长一直持续并在近几十年加速。2020年，风力发电约占美国发电量的 8.4%。

风力涡轮机的工作方式在机械上非常简单。最常见的设计具有三个围绕水平轴旋转的大叶片。每个叶片的表面形状像飞机机翼，当空气流过它时会产生升力。叶片上的这种压力使它们转动，使连接到发电机的轴旋转。这种布置将风的强大动能转化为电流，然后可以将其添加到电网中。

随着技术的发展，风力涡轮机的叶片变得越来越长。美国的平均风力涡轮机叶片长度约为 164 英尺。部署在海上设施中的最新叶片最长可达351 英尺。

需要更长叶片的原因是更大的涡轮机效率更高。一方面，大型涡轮机的运输、安装和维护成本与小型涡轮机相似，但它产生的功率要大得多。此外，较大的叶片能够利用高海拔地区的强风。

这些长涡轮叶片必须满足严格的性能要求。它们需要坚硬、非常坚固、尽可能轻且耐用。复合材料一直是满足此设计要求的首选材料。

涡轮叶片有几个不同的部分。在内部，它们有一个横梁，用于承载负载并提供刚度。它与外壳的两半融合在一起，使叶片具有机翼形状。

大多数涡轮叶片的主要材料是玻璃纤维增强聚合物，通常采用聚酯或环氧树脂。这种复合材料更通俗地称为玻璃纤维，结合了高强度和耐用性以及重量轻的特点，是该应用的理想选择。

对于承受最大应力的叶片部件，通常还使用碳纤维增强聚合物。与玻璃纤维相比，碳纤维更坚固、更硬、更轻。然而，它的价格要贵大约十倍。它也是良好的电导体，其刚度会缩短使用寿命。由于这些原因，玻璃纤维在叶片结构中占主导地位。

最近，已经开发出将这些纤维结合在同一聚合物中的技术，以制造一种混合材料，这种材料在不增加太多成本的情况下获得碳纤维的一些优点。还有一项研究正在研究将碳纳米管添加到混合物中，这有望成为提高强度和耐用性的另一种方法。

在风力发电方面，工程师面临的挑战之一是当涡轮叶片达到使用寿命时如何处理它们。叶片的使用寿命约为 25 年，1990 年代建造的所有涡轮机的叶片都开始需要更换。

在这一点上，他们中的许多人都被扔进了垃圾填埋场，这对一项旨在对地球更友好的技术产生了重大的环境影响。

但工程师们正在开发利用这些旧刀片的方法。华盛顿的一家公司开发了一种由磨碎的涡轮叶片制成的类混凝土材料。研究还表明，涡轮机中使用的复合材料可以在称为热解的过程中分解成几种有用的材料。

有一件事似乎是确定的：复合材料仍将是风力发电的关键材料，因为没有其他材料可以兼具强度、轻便和耐用性。鉴于近年来风力发电的增长，我们将在未来看到持续的技术增长。