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            基于高模量碳纖維/環氧樹脂扇形風電葉片,風能捕獲率最高達98%
            2023-06-25 來源:碳纖維及其復合材料技術
             
            隨著美國等國宣布以提高可再生能源能力為重點的政策和目標,一些涉及新型改進的可再生能源技術就獲得了一定的機遇。美國紐約市Xenecore公司是一家致力于開發具有更高能量捕獲能力的更高效風力渦輪機葉片的公司,該公司正在利用其復合材料零件領域的專業知識,設計并開發基于阻力的扇形風力葉片。
             
             
            Xenecore公司成立于2010年,起初公司首席執行官兼創始人Jerry Choe通過在體育用品應用中使用材料技術研發碳纖維復合材料網球拍,并形成了多項專利技術。為了實現碳纖維網球拍在擊球時具有高性能和高功率,而且要盡量減輕球拍對手臂的影響,經過18個月的開發期,他和他的團隊開發了一種材料和工藝解決方案,現在以Xenecore商品名進行上市銷售,這是一種熱塑性微球產品,可以用作復合材料零件的結構芯。
             
            在取得上述初步的成功之后,該公司在熱塑性微球技術的進一步優化上投入了大量資金,并在全球獲得了250多項專利。該公司發現Xenecore產品的使用范圍可以從網球拍擴展到其他應用的新機遇,如無人機葉片以及最近設計的基于阻力的風力渦輪機葉片。
             
             
            Xenecore正在開發一種扇形、基于阻力的風力渦輪機,即使在低風中也有可能實現高能量捕獲
             
            傳統風電葉片的特點及缺陷
             
            大約兩年前,Choe和Xenecore團隊開始研究如何利用該公司的工藝技術和產品開發風力渦輪機葉片?,F如今,大多數風力渦輪機都有細長的飛機翼形葉片,這些葉片主要利用升力發電。當風經過葉片時,葉片一側形成的較低壓力垂直于風向拉動葉片,使其旋轉轉子,將能量轉移到渦輪機中發電。
             
             
            這些葉片通常由玻璃纖維蒙皮制成,而且在較長的葉片中由碳纖維復合材料翼梁帽支撐。風電葉片通常放置在開放式模具中,真空注入,然后使用抗剪腹板、泡沫芯和粘合劑組裝在一起。
             
            然而,最早的風車看起來非常不同,其特點是寬、平、扇形的木制葉片通過阻力發電,風力直接用于將葉片推向風的方向。當風力渦輪機剛發明時,每個人都在使用阻力,因為它能捕獲更多的風。但由于使用的材料,這些第一批葉片是一個問題,因為最早的風車是用柔軟、不太耐用的材料(如布)建造的。
             
             
            1919年,德國物理學家阿爾伯特·貝茨發表了他現在著名的關于風捕獲和葉片設計的貝茨定律。根據這一定律,葉片使用升力最多只能捕獲風動能的59%。這一理論影響了飛機機翼和風力渦輪機葉片的形狀,使升力最大化,阻力最小化,采用薄而彎曲的設計,這種設計至今仍很流行。
             
            根據Choe的說法,上述59%的能量捕獲率只是理論上的最大值,因為實際的風力渦輪機捕獲能量的效率要低得多,但這個所謂最大值并非是針對當今材料的最大值。因為如今使用的玻璃纖維和碳纖維復合材料更堅固、更輕,比貝茨時代用于生產葉片和機翼的金屬材料性能要好得多。因此,考慮到現有的材料性能已經得到優化提升,當初最好的設計現如今可能效率很低,不再滿足要求。
             
             
            值得注意的是,有許多基于阻力的風力葉片設計長期以來一直在使用,例如Savonius式垂直風力渦輪機,其特點是兩個杯狀葉片圍繞中心渦輪機旋轉。這些渦輪機通常比基于升力的渦輪機效率低得多,因為在垂直設置中,兩個葉片實際上阻擋了葉片另一半可以捕獲的一些風。然而,它們的簡單設計和在低風區捕獲能量的能力使它們在家庭或商業環境中的渦輪機中很受歡迎。
             
            Choe和他的團隊著手開發一種更新的水平風力渦輪機,該渦輪機可以最大限度地利用阻力,最重要的是它使用了先進的復合材料。
             
            風電葉片結構的現代化設計
             
            Xenecore團隊早期面臨的一個挑戰是,由于基于升力的渦輪機已成為標準,因此如今的模擬軟件僅用于分析基于升力的風機的性能。Choe和他的團隊嘗試了許多分析工具,并最終使用Ansys Fluent計算流體動力學軟件對風在葉片上的行為進行建模。
             
            利用這些模型,其目標是開發一種可以最大限度地捕獲阻力的葉片,可在渦輪機內發電,同時以盡可能小的重量承受高風荷載。Xenecore團隊首先嘗試制造一種固體碳纖維復合材料葉片,但比強度并不好,即使是固態碳纖維板也會在高風力下斷裂。
             
            最終,Xenecore設計了一種單體扇形葉片,稱為Fanturbine,由頂部和底部表皮組成,表面覆蓋有Xenecore熱塑性微球。這些外皮用被稱為工字鋼的肋骨加固。該設計是仿生的,因為肋從中心點呈扇形,很像棕櫚葉上的葉子。
             
             
            Xenecore受到棕櫚葉的力量和紋理的啟發,開發了從中心向外扇動的肋結構
             
            葉片采用一步壓縮成型工藝制造,使用高模量碳纖維和環氧樹脂以最大限度地提高強度和穩定性,并以盡可能輕的重量抵抗高風荷載。一體式單體設計還旨在最大限度地提高穩定性,并在理論上延長葉片的壽命,因為沒有接縫或粘合劑會隨著時間的推移而損壞或疲勞。目前,這些葉片的第一個版本相對較小,尺寸為3×3英尺,目標是擴大到更大的尺寸,以與傳統的風力葉片競爭。
             
            為了生產好每一個葉片,將切割好的碳纖維織物放入鋁制頂部和底部模具中,并將多層Xenecore薄膜紙放置在每個皮層的頂部。模具閉合,在高溫和高壓下,微球膨脹成與皮層結合的輕質結構泡沫。該工藝生產出一個單一的、無縫的、無粘合劑的、I型梁自由活動的單體零件。
             
            Xenecore的渦輪機設計包括每個渦輪機上的四個風扇葉片,覆蓋了約80%的可用表面積。風推動葉片,使轉子旋轉,從而在渦輪機中產生能量。根據已故巴西利亞大學航空教授Paulo Abdala博士2021年的一份白皮書,發電量在很大程度上取決于風速。扁平扇形葉片的堅固性有助于在葉片兩側產生陡峭的壓差,這會增加風速和發電量。
             
             
            Xenecore希望開發更大規模的葉片,可與傳統渦輪機一起工作
             
            根據Xenecore的模擬,在理想條件下,風機理論上可以達到最大98%的風能捕獲。此外,該葉片的設計可以承受颶風級的風,在模擬中,它被證明可以承受高達每小時376英里的風速,遠遠高于颶風的最高速度。Choe表示:這些葉片可以在不改變現有基礎設施的情況下在現有渦輪機上運行。
             
            未來的發展潛力
             
            2022年,Xenecore開始生產3×3英尺葉片的5千瓦小型渦輪機,并將其銷售給南美的分銷商,并在全球范圍內在線銷售。Choe解釋說,這些小型系統旨在取代用于住宅和企業的功率相似的太陽能電池板,提供同等的功率,但它們的性能要好得多,運行成本低三倍。
             
             
            目前風機以5千瓦的小型版本出售,用于安裝在住宅或商業屋頂上
             
            經過測試,這些葉片發電量是類似尺寸的傳統風電葉片的七倍。Xenecore測試過的最大系統是一臺100千瓦的渦輪機,葉片寬11英尺。它有一個兆瓦級別版本在設計中。
             
            Choe表示,在不久的將來,人們對更大的Fanturbine葉片很感興趣,并指出這項技術有可能改裝法國通用電氣GE目前最大的Haliade X渦輪機,這可以將其容量增加100倍,從14兆瓦增加到1.4千兆瓦。
             
            目前,該公司正在尋找投資者和合作伙伴,以幫助將該技術推向下一階段。為了證明這項技術,Xenecore下一步的目標是在改造退役的風力渦輪機塔架上建造并安裝一臺1兆瓦的渦輪機。
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