目前,業(yè)界可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)總質(zhì)量85%到90%左右的回收。風(fēng)機(jī)的大多數(shù)部件 (如基座,塔架和機(jī)艙中的部件)都有既定的回收做法。這些部件的原材料對二級市場有足夠的價(jià)值。例如,塔架中的鋼可實(shí)現(xiàn)100%的回收。它可以再次使用,而不會造成任何質(zhì)量損失。廢鋼被視為鋼鐵生產(chǎn)的寶貴原材料。鑒于其高價(jià)值,世界范圍內(nèi)有完善的廢鋼交易市場。對退役基座的處理,國家之間有所差異。在一些國家,基座需要被拆除。拆除基座中的混凝土可被回收,成為建筑材料或道路施工的骨料。在另外一些國家,如果拆除會導(dǎo)致更高的環(huán)境影響,或者未經(jīng)土地所有者允許,則只能將基座留在原地。風(fēng)機(jī)葉片的回收難度更大,這主要是由于其生產(chǎn)中使用了復(fù)合材料。雖然有各種技術(shù)可用于葉片回收,但這些解決方案還沒有被廣泛應(yīng)用,也沒有價(jià)格優(yōu)勢。本文介紹了風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)和材料構(gòu)成,強(qiáng)調(diào)了可回收性屬性。它還研究了葉片設(shè)計(jì)和材料構(gòu)成的未來趨勢,旨在改善葉片的循環(huán)利用。風(fēng)機(jī)葉片由復(fù)合材料制成,由各種不同性質(zhì)的材料組成。通過材料設(shè)計(jì)使葉片更輕、更長并通過氣動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化其氣動(dòng)外形來提升葉片風(fēng)能利用率。今天,約250萬噸復(fù)合材料被應(yīng)用于全球的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中。盡管不同葉片類型或制造商之間的材料成分會有差異,但葉片通常由以下部分組成:1.增強(qiáng)纖維,例如玻璃纖維和碳纖維。玻璃纖維是風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合材料組件中的主要增強(qiáng)材料。碳纖維也用于風(fēng)機(jī)葉片(如主梁中),但比重較低。碳纖維卓越的強(qiáng)度和較高的剛度,相較玻璃纖維有許多優(yōu)勢,但其較高的成本,也阻礙其進(jìn)一步應(yīng)用在風(fēng)能行業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)然,碳?;祀s纖維織物目前也有一定的應(yīng)用。2.樹脂基體,如環(huán)氧樹脂,聚酯,乙烯基酯,聚氨酯等熱固性塑料,還有熱塑性樹脂。3.夾芯材料,例如,balsa木或泡沫芯材,如聚氯乙烯 (PVC) ,聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) ;4.結(jié)構(gòu)性粘合劑,例如環(huán)氧樹脂,聚氨酯 (PUR)5.涂料,例如聚酯 (UPR) ,聚氨酯(PUR) ;6.金屬,例如銅或鋁配線 (防雷電系統(tǒng)),鋼螺栓
葉片大梁:單向 (UD) 玻纖/碳纖維,由環(huán)氧樹脂,聚酯,聚醚或乙烯基樹脂作為樹脂基體
腹板和葉片殼體:多軸玻纖織物復(fù)合夾芯材料層壓板,使用Balsa/PVC/PET 作為芯材,環(huán)氧樹脂,聚酯,聚氨酯或乙烯基樹脂作為基體
葉片前/后緣和腹板處粘接:使用環(huán)氧/聚氨酯為基體的結(jié)構(gòu)膠粘劑
防雷電纜:鋁或銅
表面涂料:聚氨酯油漆
前緣保護(hù):帶聚氨酯油漆/膠帶
復(fù)合材料,占葉片材料組成的大部分(按重量計(jì)算,60-70%的增強(qiáng)纖維和30-40%的樹脂基體)。在許多方面,復(fù)合材料具有優(yōu)勢,體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):?結(jié)合相對低密度的高拉伸強(qiáng)度的特性(高強(qiáng)度—重量比),以承受機(jī)械負(fù)荷的需求,并在空氣動(dòng)力學(xué)上有最佳表現(xiàn);?提供優(yōu)秀的抗疲勞、耐腐蝕、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能,這些對于增長預(yù)期壽命(20至30年)很重要。?滿足在設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)的靈活性需求,允許葉片氣動(dòng)外形的合理優(yōu)化,從而提高風(fēng)機(jī)發(fā)電效率; ?實(shí)現(xiàn)高收益,從而降低能源的平準(zhǔn)化成本。目前,風(fēng)機(jī)葉片由熱固性樹脂構(gòu)成的復(fù)合材料制成。這些聚合物相互交聯(lián),過程不可逆轉(zhuǎn)。交聯(lián)是獲得抗疲勞性和機(jī)械強(qiáng)度方面理想性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與熱固性塑料不同,熱塑性塑料不會發(fā)生交聯(lián)。熱塑性塑料可以被熔化,因此回收它們相對更容易,盡管復(fù)雜的葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會增添一些挑戰(zhàn)。此外,在相同的價(jià)格區(qū)間內(nèi),熱固性塑料的機(jī)械性能、耐久性和可加工性更好。較低的性價(jià)比限制了熱塑性塑料在葉片中的應(yīng)用。下表介紹了旨在應(yīng)對當(dāng)前挑戰(zhàn)的葉片材料的未來趨勢。葉片材料的挑戰(zhàn)包括剛度優(yōu)化、疲勞壽命、探傷測試以及葉片輕質(zhì)生產(chǎn)。材料的選擇是由價(jià)格、工藝能力、材料完整性、所處地理環(huán)境條件惡劣程度以及風(fēng)機(jī)葉片長度的需求決定的。設(shè)計(jì)和材料選擇過程正在迅速發(fā)展,要求同時(shí)考慮所選材料的整體可持續(xù)性(生命周期評估),包括它們對可回收性的影響以及與未來回收方法的一致性,同時(shí)滿足成本和性能標(biāo)準(zhǔn)。除了提高廢物收集效率和減少廢物總量外,高投資成本和能源要求似乎是對更好地實(shí)施和擴(kuò)大新型復(fù)合回收技術(shù)的共同限制因素。目前正在實(shí)施多個(gè)項(xiàng)目,通過減少相同數(shù)量物料所需的加工時(shí)間和提高加工過程的材料產(chǎn)出來提高能效。這將有效減少成本,維持可回收材料的優(yōu)勢。然而,為了使回收技術(shù)更加有效和可持續(xù),這些技術(shù)的發(fā)展需要與材料的發(fā)展結(jié)合起來。材料創(chuàng)新應(yīng)努力對葉片的生產(chǎn)、維護(hù)、使用壽命和環(huán)境足跡產(chǎn)生積極影響。歐洲技術(shù)平臺表明,葉片的材料研究是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域,并將可持續(xù)性和回收利用的核算視為一個(gè)戰(zhàn)略問題。
| 材料研究領(lǐng)域 | 研究成果 |
工藝設(shè)計(jì) | 工藝建模優(yōu)化和準(zhǔn)確控制復(fù)合材料的固化過程 | 使用壽命延長,轉(zhuǎn)換效率提高 |
流程
| 采用自動(dòng)化制造工藝,確保材料質(zhì)量一致,制造技術(shù)更強(qiáng)大 | 使用壽命延長,轉(zhuǎn)換效率提高 |
提高了碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的成本和,但增大了能效,因?yàn)樵摬牧咸峁┝嗽鰪?qiáng)的機(jī)械性能。與玻璃纖維相比,回收碳纖維在經(jīng)濟(jì)上也更具吸引力 | 支持制造更長的葉片,從而提高轉(zhuǎn)換效率 |
材料 | 引入創(chuàng)新的樹脂/纖維組合,提高延展性和抗疲勞性 | 延長使用壽命 |
通過模內(nèi)聚合(而不是熔融加工)處理的新型可灌注熱塑性樹脂,具有更好的機(jī)械性能 | 降低成本 |
引入納米成分作為基體和涂料的強(qiáng)化劑,同時(shí)尊重HSE要求,不增大回收難度 | 延長使用壽命 |
研究纖維結(jié)構(gòu)——結(jié)合高性能玻璃纖維、碳纖維和納米工程纖維來制造混合加固材料 | 支持制造更長的葉片,從而提高轉(zhuǎn)換效率 |
研究耐用的涂層材料,以確保提高抗侵蝕能力,如膠衣、油漆系統(tǒng)和膠帶、可重新密封和自愈合的涂層 | 使用壽命延長,轉(zhuǎn)換效率提高 |
利用更多的生物廢料,開發(fā)生物樹脂以改善性能 | 在化石原料耗竭后,原材料的持續(xù)供應(yīng)和供應(yīng)安全;減少了碳足跡 |
開發(fā)3R樹脂--一個(gè)新的增強(qiáng)型熱固性樹脂和復(fù)合材料系列,具有更好的再加工性(re-processability)、可修復(fù)性(repairability)和可回收性(recyclability) | 使用壽命延長;提高可回收性 |
風(fēng)力渦輪機(jī)葉片材料研究的活躍領(lǐng)域
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