復合材料在風能行業發揮更大作用 zund G3 3XL-2500-Balloon silk台中切割加工－謝茹茂焦點新聞熱搜

由于風能行業的發展，增強塑料可能會迎來一個巨大的新興市場。
　　復合材料已經成為這個蓬勃發展的新興行業的關鍵推動者，它們可以制成風力渦輪機葉片、機艙和各種較小的部件，但是尚有一個頗有希望的領域它們還沒有完全滲透，那就是塔架、底座和過渡連接件（使渦輪機“高豎在那里”），迄今為止過渡件幾乎都是用鐵和混凝土制成的。
　　這些無處不在的材料存在一個問題，那就是它們太重了。隨著塔架越來越高，幾兆瓦的風機所配備的葉片越來越長，而海上風機需要安裝在更深的水位之下，因此風場基礎設施建設所需的元件就變得過于笨重了，難以運輸和架設。這對于復合材料來說是一個新的機會，它們可以制成更輕、更易于控制的結構。目前，轉子葉片可能是復合材料行業關注的一個領域，但看起來吸引力較小的塔架和底座行業所帶來的機會不應該被忽視。
　　遺憾的是，雖然復合材料塔架已經成為許多研究項目和論文的主題，但迄今卻很少有人生產。事實上，PPG 工業公司指出，一個65 英尺（20 米）高的風力渦輪機的原型在去年5 月被安裝在美國緬因州的Penobscot 河中，這在上是例。
　　PPG 玻纖業務總經理Kevin McDonald 說，這臺名為VolturnUS 1.8 的風機是6MW 的VolturnUS 浮式風機的原型，大小只有后者的八分之一，其目標應用領域為海上發電。完整尺寸的風機將配備423 英尺（129 米）直徑的轉子葉片，支撐它的玻纖復合材料塔架將高達270 英尺（82 米）。Volturn 項目的目標是降低海上風能的成本，該項目的主要推動者是緬因大學（University of Maine），該大學的結構和復合材料中心（Structures and Composites Centre）正在進行技術的改進，包括用于塔架和底座結構的牢固、輕量、耐腐蝕的復合材料。通過與DeepCwind 行業聯盟的合作，緬因大學希望終可以在距離海岸14 英里（22 公里）的海上安裝4 臺3MW 的“浮式風機”。每臺裝置將包括一個帶有3 根支柱的混凝土和復合材料浮動平臺，支撐著安裝在中心的風機。
　　八分之一大小的原型塔架由Ershigs 公司制造，該公司在FRP 管道、儲罐和大型圓柱結構的生產領域擁有幾十年的經驗，并積極地將其所積累的專業技術和經驗應用到風能行業。Ershigs 提供完整的交鑰匙解決方案，從工程設計到制造直到塔架的現場架設。
　　Ershigs 的塔架制造概念是先制造出方便運輸的模塊，然后到現場再組裝在一起。每個模塊目前都是采用一臺26 英尺（8 米）×45 英尺（13.7 米）的水平纏繞機制成的，它通過將多根纖維長絲纏繞到一個大的旋轉芯軸上來進行生產。
　　每個模塊的頂部直徑都比底部小。這有兩個原因：首先它在模塊成型之后，可以脫出芯軸；其次，如果一個塔架的所有模塊連接在一起的，后會形成一個優雅的錐形。
　　緬因州的學術機構以及PPG 和Ershigs 公司都很清楚復合材料在風機領域具有的重大優勢，無論是陸上還是海上風機。如果可以通過材料、纖維排列和制造技術的選擇隨時隨地優化結構的性能，就可以預測負荷，無論是靜態、動態還是周期性的，那么預期的負荷就可以調節并顯著減輕重量。與金屬相比，復合材料結構在循環荷載作用下發生疲勞失效的可能性更小，它們不會腐蝕，即使是在對鋼材都會造成腐蝕的惡劣海洋環境下亦如此。因此，它們更耐用。
　　成本也不會是缺點，雖然有時被認為是缺點。幾年前，一家名叫WindTower Composites 的公司估計，對于一個擁有25 架風機的風場，其所用復合材料塔架的成本比鋼質塔架低28%。雖然單位重量的成本較高，但是較低的總重量以及因此而減少的運輸和安裝成本，使得復合材料塔架在經濟上也更具競爭力。
　　在另一個研究項目中，Ershig 也是牽頭人，項目成員包括另一家學術機構—— 俄亥俄州Dayton 大學研究院（UDRI）。其他成員還包括位于Dayton 的Edison 材料技術中心、WebCore Technologies 公司、歐文斯科寧公司和亞什蘭高性能材料。
　　三年前，在宣布政府將為該項目提供27 萬美元的財政支持時，UDRI Multi-Scale Composites and Polymers 部門的負責人Brian Rice 說過：“風力發電機的塔架必須足夠堅固，它不僅要承受風機的重量——可能重達100 噸，還要能夠抵抗由于旋轉設備的壓力而導致的壓曲力。為了適應這種重量和壓力，需要分段預制鋼質支柱，每段的直徑達14 英尺（4.2 米）、長達70 英尺（21.3 米），然后用貨車將它們單獨運送到現場后再組裝到一起，并安裝在混凝土底座上。如果增加塔架的高度，就要相應地增大直徑，這就意味著下一代的風力渦輪機所采用的塔架將會過于龐大，而無法通過高速公路運輸，即使是分段也不可能。”
　　很顯然，Rice 那時已經有打算在陸上風場安裝復合材料塔架，并建議復合材料塔架部分可以采用運送到現場的原材料就地生產，還可以使用當地的勞動力。他認為這一方法對于比較偏遠的以及位于山區的風場尤其有用，因為那里雖然風力資源豐富但貨車很難駛入或者根本不可能。對于海上風機，模塊化制造技術將會更受歡迎，模塊的物流比整個塔架的運輸要容易的多。此外，Rice 還預見到，100 米高的復合材料塔架不僅有可能成為現實也很有市場。
　　大型風機
　　在千禧年之初的幾年，一項名為European Megawind 的項目在歐洲建造了一個40 米高的復合材料塔架。項目參與者提出了一種現場生產塔架的概念，以復合材料夾芯材料作為外殼環繞在混凝土或其他芯材外面。
　　作為歐盟第五框架研究項目的一部分，該項目的一個關鍵要求是將該塔架的設計、工藝和制造緊密整合起來。設計所采用的工具是先進的，并經過復雜地形條件的檢驗。項目重點強調了層壓工藝的優化以及要保證不同塔架元件的正確連接。工程設計團隊采用數字模擬方法來檢驗塔架的動力學性能和結構性能。在終的結構得到認可之前，主要的子配件都經過了徹底的檢測。這個新型塔架是專門為歐洲南部一座高速風場1.3MW 的渦輪機而創造的，隨后塔架本身也經過了大量的靜態和動態測試。
　　項目結束后的一份報告申明，雖然對于標準架設場地來說，標準的鋼筋混凝土塔架更具有價格競爭力，但是在偏遠地區或者深度超過10 米的水下，情況往往不同。報告指出，先進的復合材料結構不僅可以降低運輸和架設風力發電機上部結構的成本，還可以降低維護成本，同時還可以延長風機的使用壽命，增加可商業化運行的風場數量，因此復合材料結構的壽命周期成本更低。這包括位于山地和其他復雜的地形上以及海上的風場。對于海上風場，纖維增強塑料在鹽水中表現出來的化學惰性是一個額外的優勢。
　　牽索復合材料
　　在英國，劍橋大學的一項研究表明，如果采用一種新型的風機安裝設施，就能源回報來說，海上風場的效率可以達到現有效率的兩倍。
　　劍橋大學制造學會（Institute for Manufacturing）的Jim Platts 認為，如果風機制造商建造輕量的復合材料塔架，并用鋼繩牽索它們，以提供額外的制成，他們就可以將回報時間縮短一半。他解釋了其中的原理：“我們急需降低海上風機所耗費的能量水平，這不僅降低了能源回報速度也提高了成本。如果我們能夠在塔架以及底座的制造和安裝工藝的創新方面加大投資，這會變得相當容易。”
　　這項研究表明，對于標準的陸上風機來說，用于制造和安裝的能量中有三分之一是被塔架和底座消耗掉的。對于海上風機，需要的塔架更高更重，需要的底座也更巨大，所用鋼材和混凝土的量可達到陸上風機的四倍。鋼材和混凝土的生產過程所消耗的能量都是很高的，因此，海上飛機的能源收獲率（風機產生的能量與安裝所消耗的能量之間的比例）從陸上風機的40:1 直降至15:1。此外，鋼材容易腐蝕和老化。總之，是不是另一種材料系統更優越？ Platts 的答案是yes。
　　他補充說：“我們可以將復合材料用于塔架，正如我們用它來生產葉片一樣。這些材料比鋼材更輕、更堅固、耐腐蝕、更具彈力。用鋼繩牽索住塔架，用螺旋錨將其固定在海床，這使得塔架更修長，因為像帳篷一樣被牽索的形狀可以更快的將負荷分散出去。同樣的，它所需要的底座也輕得多。”
　　這項研究的結論是，鋼材和混凝土需求量的減少可以將收獲率提高到32:1。此外，Platts 說，風機的服務壽命可以從目前的20 年延長至60 年。他補充了一個基本觀點：“風機制造商促進了復合材料的發展，即使用航空航天用復合材料5％的成本制成了擁有其95% 性能的復合材料。因此，風能行業所用復合材料的量已經達到汽車和航空航天業總和的十倍以上。現在他們有機會發揮更大的作用。”
　　現在已經有一些實驗性的成果。例如，據報道，芬蘭的Mervento 公司針對波羅的海研制了一種牽索式風機。目前土木工程行業只采用經過驗證的并被熟知的材料，如果他們可以克服這種保守思想，那么復合材料行業將會取得更多進展。例如，對于深水“浮動式風機”，復合材料塔架可以減小支撐水上結構所需的浮力，從而節約成本。FORWARD 項目提出在福島風場采用半潛式風機系統，實際上無論是半潛式還是繩索拉住的水下風機，復合材料都可以減輕重量，降低物流難度和成本。
　　復合材料在土木工程建筑領域的應用也有很多實例。例如，采用纖維纏繞技術加固混凝土柱，可以顯著降低特定結構的混凝土/ 水泥的需求量。或者，它還可以通過中期的結構升級來延長使用壽命。越來越多的土木工程師開始重視工程復合材料所具有的優勢—— 輕量（150-900g/sqm）、低輪廓厚度、高E 模量（特別是碳纖維增強塑料）、優異的疲勞性能、高比強度以及耐腐蝕性。
　　進展
　　未來的創新型風能轉換器也將受益于增強塑料，特別是具有復雜的形狀或其他新奇特點的產品。這里有兩個例子：Shee-wind 公司提出的Invelox 概念和商人James Greeson 提出的一種復合材料混合設備。
　　Invelox 利用定向風捕獲系統和文丘里效應將風集中起來并加速，從而增大管道中的渦輪機所受的沖擊力。該系統在概念上類似于一個大型的垂直收集漏斗，連接著一個錐形管，錐形管中包含文丘里管和渦輪機。它具有復雜的曲率，因此需要一種基于復合材料結構的解決方案。
　　Invelox 的創始者說，從塔頂（漏斗）將氣流吹至地面可以產生更多的電能，而所用的渦輪葉片短得多。該裝置中的葉片長度比傳統風機塔架短50%，采用的葉片比傳統陸上風機葉片小84%。Sheerwind 公司稱，該系統可以從低至2mph 的風速中獲得能量，而且因為設備更小，它適用于更廣泛的地域范圍內，對環境的影響小。它可以用于公共風場或微型發電設備。如果條件合適，可以將多個漏斗通向單一的發電機。在原型上所進行的測試據報道已經超出了預期。
　　同時，身在美國喬治亞州的商人James Greeson 針對風力的間歇性問題提出了一個有趣的解決方式。他的中心思想是，圓柱形的風力渦輪機塔也是一個水塔，在風能的高峰時段，多余的電力無法輸入電網，那么這部分電力就會驅動水泵將水注入水塔。反之，當風太輕無法發電時，水在重力作用下會自行流入設備底部的水力發電機。這臺發電機能夠以“反轉”模式運轉，作為一臺電機來驅動水泵。
　　這種組合式的風機/ 抽水蓄能解決方案目標是使得風電的并網變得順暢。
　　這一概念的成功要依賴于復合材料。Greeson 在所提交的“創造未來（Create the Future）獎”的資料中這樣說道：“傳統的風力渦輪機塔架和水箱是由鋼材或其他金屬制成的。上有些地方，風機的運轉效率很高，但卻很少有能力工業化生產大型的鋼質組件，而且它們的運輸和安裝是非常昂貴或困難的。可行的方案是將模塊化的夾具和鋪設機械以及樹脂和復合材料運送到偏遠地區，然后進行塔架結構的生產。可以通過建造一個尺寸足夠大的已經存在的建筑，或制造一個臨時的預制結構來適應生產。這種方法為這種地區提供了以往少有的工作崗位、收入和新技能。”
　　總的來說，工程復合材料的低重量和高性能再加上現場制造和組裝的寶貴能力，使它們成為了風力渦輪機塔架和底座夢寐以求的材料。無論風能行業是否將繼續依賴于盛行的“丹麥模式“的風力渦輪機或將采取一些更具未來特征的東西，毋庸置疑的是，復合材料仍然擁有大量尚未開發出來的潛能，足以引領風能行業的變革。
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