复合材料在再生能源技术中的应用

2022-09-01 09:15:09 来源：材料PLUS

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简介：从用量看，风能市场长期被视为玻璃纤维增强复合材料的世界最大市场，也越来越成为碳纤维复合材料（特种粉末冶金及复合材料制备/加工第六届学术会议）的大市场，因为随着更大风力涡轮机和更长风轮叶片的开发，需要更高性能、更轻重量的材料。

从用量看，风能市场长期被视为玻璃纤维增强复合材料的世界最大市场，也越来越成为碳纤维复合材料（特种粉末冶金及复合材料制备/加工第六届学术会议）的大市场，因为随着更大风力涡轮机和更长风轮叶片的开发，需要更高性能、更轻重量的材料。

根据全球风能协会（GWEC）2021 年9月发布的年度全球海上风电报告，2020年全球海上风电装机容量为6.1千兆瓦，由中国领先。然而，GWEC指出，海上风电还需要更快的增长，以实现碳排放目标。

在美国，根据美国清洁能源协会的数据，太阳能发电在可再生能源的装机容量中占比最大（54%），其次是陆上风电（23%）、海上风电（14%）和电池储能（9%）。

越来越长的风轮叶片

风力涡轮机的尺寸在持续增加。20多年前，当第一批大规模商业风电上线时，风电场中涡轮机的额定功率为1兆瓦或更低，其玻璃纤维增强叶片的长度通常为10至15米。如今，在海上，叶片长度为65-80米的6-9兆瓦涡轮机是常态。2021年，丹麦维斯塔斯公司宣布了15兆瓦、115米长叶片的海上风电机。第一台预计于2022年安装。随着涡轮机的发展，复合材料也越来越多地被用于其他部件中，例如印度苏司兰集团为大型涡轮机设计的复合材料机舱罩。

此外，随着风力涡轮机变得更大，叶片长度不断增加，叶片主梁帽中用碳纤维增强已成为一种有效的方法来减少总重量和增加叶片刚度，以防突然阵风时发生塔筒撞击。

3D打印风轮叶片

在风轮叶片开发方面的新研究工作之一是使用3D打印技术来制造叶片模具或叶片部件，例如美国缅因大学先进结构与复合材料中心正在进行的使用生物基材料打印叶片模具的项目和美国橡树岭国家实验室、GE业务部门等进行的直接打印叶梢的项目。

风轮叶片的回收和再利用

随着时间的推移，风力涡轮机叶片必然磨损或老化，必须更换。因此，该行业越来越多地讨论如何处理特别是如何回收退役复合材料（特种粉末冶金及复合材料制备/加工第六届学术会议）叶片的解决方案。迄今已研发出多种部分回收利用退役叶片材料的方法，例如将叶片材料回收成水泥原料等。

风电行业的几家领先企业已宣布逐步制造可完全回收叶片和涡轮机的计划。例如，西班牙西门子歌美飒公司于2021年7月宣布拟重新设计其所有涡轮机，以确保到2040年实现100%可回收涡轮机的目标。2021 9月7日，该公司宣布推出可回收叶片RecyclableBlade，称其为全球首款可回收风轮叶片，可供海上商业化使用。这种可回收叶片使用新的树脂配方，更容易回收。丹麦维斯塔斯公司表示，到2040年，它将生产零废物的风力涡轮机。法国GE可再生能源公司已与美国威立雅北美公司合作，回收位于美国的GE陆上涡轮机的叶片。

另外，把整个叶片重新用作其它用途而不是把它拆开来利用其组件的方式也在探索之中。例如，波兰回收公司Anmet开发了将叶片重新用作人行天桥甚至家具的方法。

在涡轮机其他部件上使用可回收或更可持续的材料的工作也正在进行。例如，德国Greenboats 公司、法国Sicomin公司和瑞士Bcomp公司合作建造天然纤维复合材料涡轮机机舱的项目是2021年 JEC创新奖的入围者。

复合材料在其他可再生能源技术中的应用

还有其他可再生能源领域也采用了复合材料。例如，一种前景看好的海洋能源技术是波浪能量转换机（WEC），它利用海浪的运动来发电。2021年，瑞典CorPower Ocean公司用纤维缠绕法制造了第一个全尺寸的玻璃纤维增强塑料原型机——浮标形状的WEC。该公司希望到2025年将其扩大到工业规模的海洋发电场。其他复合材料（特种粉末冶金及复合材料制备/加工第六届学术会议）密集型可再生能源技术包括潮汐涡轮机的叶片，或淡水水力涡轮机叶片，如由澳大利亚Kinetic NRG公司设计的螺旋形叶片等。