风力涡轮机叶片:复合材料如何为绿色能源提供动力

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%。

复合材料:现代风力发电的关键成分

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。

涡轮叶片中使用的复合材料类型

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。

保持风绿色:复合材料和回收

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。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)均为用户上传并发布,本站仅提供信息存储服务。如侵犯到您的权益,请附证明材料发送邮件:1811687158QQ.com,一经查实,本站将立刻删除。
(0)
上一篇 2022年11月18日 15:29
下一篇 2022年11月18日 15:31

相关文章

  • 复合材料与金属和其他基材胶粘处理程序

    作为复合材料加工的一部分,有必要将复合层压板件粘合到金属上,例如钢、铝、其他复合材料和其他各种基材。加工需要多个步骤才能在一系列组件之间实现成功的粘合或粘合。一般来说,将金属和木材粘合到固化复合材料表面时,应遵循以下步骤: 复合材料二次粘合的表面准备可以从固化的层压板开始,或在复合材料的最后铺层过程中开始。 (可选)在铺层期间:作为表面准备的选项,将最后一层...

    2天前
  • 复合材料特性有哪些?

    合成复合材料是与(合成)树脂结合的纤维。这些纤维和树脂有许多不同的种类。这意味着复合材料可以由多种材料组合制成。最著名和最常用的组合是碳纤维和玻璃纤维,以及环氧树脂和聚酯。 复合材料的其他显着特性 各向异性材料 复合材料的另一个独特优势是它们是各向异性材料。这意味着它们的机械性能随不同的晶体取向而变化。结果是复合材料可用于广泛的应用,并取得了显着的效果。相比...

    2022年11月22日
  • 复合建筑材料的种类

    不同类型、特点以及如何为您的建筑项目选择最佳类型 听到“夏天”这个词,你会想到什么?也许是阳光、假期或炎热。那么,“复合”呢?也许甲板,露台,材料?诚然,最常见的装饰材料之一是“复合材料”,该术语指的是包含许多不同产品的一类建筑材料。虽然通常与装饰有关,但要了解不同类型的复合材料远不止于此。 什么是复合建筑材料? 复合材料是由两种或多种具有不同物理或化学特性...

    2022年11月21日
  • 破裂的复合材料零件以及如何修复它们

    不幸的是,在某些时候,您会遇到复合部件以某种方式破裂或损坏的情况。尽管如此,一切都不会丢失,本文将介绍一些有关修复破裂和损坏部件的信息。我们还介绍了一些可能会遇到的常见、特定场景,以及如何让这些部件焕然一新。最后,有一节是关于了解某个部件何时无法修复以及何时该从它继续前进。 胶衣修复 小的凝胶涂层开裂本身并不是一个严重的问题,但是这些小的凹痕会导致水分在下面...

    2022年11月20日
  • 准备您的零件以进行透明涂层

    透明涂层应用介于暗淡的碳饰面和闪亮的透明涂层艺术作品之间,展示了为什么首先使用碳纤维。透明涂层并不全是为了外观。透明涂层负责保护下面的复合材料。碳纤维在原始状态下不受天然保护。阳光会降解树脂和纤维。当碳纤维暴露在阳光下时,它们会变成褐色并在短时间内降解。紫外线稳定透明涂层是实现碳纤维零件制造用途的必要条件。 检查裸露的光纤 在进行透明涂层的准备应用之前,需要...

    2022年11月20日
  • 复合材料的保质期和储存

    “保质期”或“储存”寿命都是几乎所有复合材料制造产品的重要特征。当按照制造商的存储建议存储时,它是给定材料或产品的“失效日期”。遵守这些存储建议可确保在存储的整个生命周期内保持产品质量。 本主题将涵盖各种复合材料产品的平均保质期,如何正确储存它们,以确保未来每次复合材料制造的质量。阅读和理解每种产品的技术数据 (TDS) 和安全数据表 (SDS) 是最佳做法...

    2022年11月20日
  • 为什么复合材料后固化很重要?

    标准空气固化 树脂系统具有从室温到近 500 F 的一系列固化机制。为了简化这些树脂,通常有 2 类,室温固化和需要加热(高于室温)才能固化的树脂。许多 2 部分系统的配方都是为了简单起见,将 A 部分和 B 部分混合在一起,静置“x”小时和成品复合。 制造零件时,标准空气固化是一种更便宜的选择。空气固化通常不需要烤箱等设备、可能的复杂装袋方案、加热灯以及优...

    2022年11月20日
  • 减轻复合材料零件的重量

    作为用复合材料制造任何东西的一部分(以及某种形式的竞争性质),问题总是会出现,“它能做得更轻吗,我们能走得更快吗?” 好消息:答案通常总是肯定的。然而,零部件的减重之路并不总是一帆风顺。与复合材料中的所有事物一样,优化成本与性能之间存在权衡。可能有上千种不同的减肥方法,很少有严格的正确或错误的方法来执行此操作。零件结构的详细信息和知识对于将信封推到多远以找到...

    2022年11月20日
  • 钻孔复合材料——注意事项

    钻孔是复合材料制造二次加工中最具挑战性的方面之一。为了最有效地钻孔或加工这种材料,了解这些复合材料的不同之处非常重要。因为尽管复合材料在材料特性上具有类似金属的特性,但它们在钻孔和机加工过程中的加工方式却大不相同。因为金属是热的良导体,所以钻孔要容易得多。另一方面,复合材料隔热并且对切削工具有磨损作用,导致切削工具、钻头甚至零件本身的磨损增加。 了解挑战 钻...

    2022年11月20日
  • 什么是拉挤成型?

    拉挤成型是一种使用纤维增强材料和热固性树脂基体的连续低压成型工艺。玻璃纤维增​​强材料通过树脂浴拉伸或注入树脂,其中所有纤维都被液体树脂系统彻底浸渍。浸湿纤维形成所需的几何形状并拉入加热的钢模中。一旦进入模具,树脂固化就会通过在精确升高的温度下进行控制来启动。复合材料层压板在模具的精确腔体形状中凝固,因为它被拉挤成型机连续“拉动”,因此得名 - 拉挤成型。

    投稿 2022年11月19日

发表回复

登录后才能评论