Vai ievērojami palielināsies termoplastiskās oglekļa šķiedras pielietojuma īpatsvars vēja enerģijas projektos?
Pašlaik oglekļa šķiedras nozares attīstība Ķīnā saskaras ar vājajām vietām. Pastāv zemas klases oglekļa šķiedras ražošanas jaudas pārpalikums, kas ir izraisījis ievērojamu standarta oglekļa šķiedras produktu cenu samazināšanos, ietekmējot pakārtotās nozares. Tikmēr vidējās un augstākās klases oglekļa šķiedras nevar ražot lielā apjomā augstāku tehnisko grūtību dēļ, kā rezultātā nav apmierināts pieprasījums tādās augstākās klases jomās kā kosmosa rūpniecība. Lai līdzsvarotu piedāvājumu un pieprasījumu, daži pētījumi liecina, ka vēja enerģijas nozares nepārtrauktais pieaugums varētu absorbēt daļu no oglekļa šķiedras ražošanas jaudas. Tomēr kāda ir faktiskā situācija vēja enerģijas nozarē? Vai tam ir nepieciešami zemas vai vidējas vai augstas klases oglekļa šķiedras kompozītmateriāli?
Ievads oglekļa šķiedru un sveķu matricā vēja turbīnu lāpstiņās
Vēja turbīnas parasti sastāv no tādām sastāvdaļām kā rotors, ģenerators, pagrieziena mehānisms, tornis, ātruma ierobežošanas drošības ierīces un enerģijas uzglabāšanas sistēmas. Rotors sastāv no vairākiem gariem lāpstiņām, kas ir šīs diskusijas galvenā uzmanība. Vēja turbīnu lāpstiņas galvenokārt sastāv no serdeņu materiāliem, matricas materiāliem, stiegrojuma materiāliem un virsmas pārklājumiem. Izejmateriālu izmaksas, ražojot vienu asmeni, var sasniegt līdz 70%, galvenokārt ieskaitot armatūras šķiedras, matricas sveķus, serdes materiālus, strukturālās līmes, metālus un piederumus.
Pašlaik vēja turbīnu lāpstiņās izmantotie stiegrojuma materiāli galvenokārt ir stikla šķiedra un oglekļa šķiedra. Palielinoties turbīnu izmēriem, palielinās arī vēja turbīnu lāpstiņu garums, kas rada augstākas prasības pēc vispārējās stingrības. Stikla šķiedras stiegrojuma veiktspēja pakāpeniski ir sasniegusi sašaurinājumu, un šajā brīdī ir sākušas parādīties oglekļa šķiedras mehāniskās veiktspējas priekšrocības. Šī attīstības tendence ir ļāvusi oglekļa šķiedrai un kompozītmateriāliem izcelties vēja enerģijas nozarē, un, ņemot vērā to raksturīgo vieglo īpašību priekšrocības, tie nākotnē var aizstāt stikla šķiedru.
Pētījumi no "Kompozītu pielietojuma un izstrādes lielās vēja turbīnu lāpstiņās" liecina, ka oglekļa šķiedras modulis ir 3 līdz 8 reizes lielāks nekā stikla šķiedras modulis, bet tās blīvums ir aptuveni par 30% mazāks. Tas ļauj izpildīt prasības gan asmeņu palielināšanai, gan atvieglošanai. Saskaņā ar prognozēm oglekļa šķiedras iespiešanās ātrums krasta un jūras vēja turbīnu galvenajās sijās pakāpeniski palielināsies, un ir būtiska nepieciešamība pēc lielām vēja turbīnu lāpstiņām, izmantojot oglekļa šķiedras galvenās sijas.
Attiecībā uz vēja turbīnu lāpstiņu matricas sveķiem primārie izmantotie materiāli ir epoksīdsveķi un nepiesātinātie poliestera sveķi. Starp tiem epoksīdsveķi pašlaik ir galvenā termoreaktīvo oglekļa šķiedras kompozītmateriālu sastāvdaļa, jo tiem ir zemākas sagatavošanas grūtības, stabila fiziskā forma pēc formēšanas un izcila vispārējā veiktspēja. Tāpēc tā ir kļuvusi par pašreizējās oglekļa šķiedras nozares galveno sastāvdaļu. Turklāt dažādu sveķu pētījumi atklāja, ka termoplastiskajiem sveķiem ir arī augsta saderība ar oglekļa šķiedru, un tie ir labvēlīgāki pārstrādei un atkārtotai izmantošanai, padarot tos par svarīgu virzienu turpmākai attīstībai.
Vai termoplastiskā oglekļa šķiedra var aizstāt termoreaktīvo oglekļa šķiedru vēja turbīnu lāpstiņās?
Ir daudz veidu termoplastisko sveķu, tostarp poliētera ētera ketons (PEEK), poliariētera ketons (PAEK), poliētera ketons (PEK), polifenilēnsulfīds (PPS), poliamīds (PA) un poliētera sulfons (PES). Termoplastisko oglekļa šķiedras kompozītmateriālu veiktspēja, ko veido šie sveķi kopā ar oglekļa šķiedru, ļoti atšķiras. Tāpēc, lai vēja enerģijas nozarē plaši aizstātu termoreaktīvo oglekļa šķiedru, ir nepieciešams vairāk pētījumu un eksperimentu. Pirms tam vispirms sapratīsim termoreaktīvo un termoplastisko oglekļa šķiedru priekšrocības un trūkumus.
1. Termoreaktīva oglekļa šķiedra:
A. Sacietēšanas process: Termoreaktīvas oglekļa šķiedras ražošanas laikā tiek sacietējušas. Pēc sacietēšanas tos nevar pārveidot, kas neveicina otrreizēju apstrādi un pārstrādi.
B. Spēks un stingrība: Termoreaktīvajām oglekļa šķiedrām parasti ir lielāka izturība un stingrība nekā dažām termoplastiskām oglekļa šķiedrām. Turklāt to augstas temperatūras izturībai un nodilumizturībai ir savas priekšrocības un trūkumi.
C. Trauslums: Salīdzinot ar termoplastiskajām oglekļa šķiedrām, termoreaktīvas oglekļa šķiedras var būt trauslākas un vairāk pakļautas bojājumiem faktiskās lietošanas laikā.
2. Termoplastiskā oglekļa šķiedra:
A. Pārstrādājamība: Viena būtiska termoplastisko oglekļa šķiedru priekšrocība ir to pārstrādājamība; tos var izkausēt un pārveidot vairākas reizes, būtiski nezaudējot mehāniskās īpašības.
B. Apstrādes laiks: Termoplastisko oglekļa šķiedru apstrādes laiks parasti ir īsāks nekā termoreaktīvo oglekļa šķiedru apstrādes laiks, un tās var apstrādāt, izmantojot viedas ražošanas metodes.
C. Triecienizturība: Termoplastiskās oglekļa šķiedras demonstrē labāku triecienizturību, salīdzinot ar termoreaktīvajām oglekļa šķiedrām.
3. Praktiskā pielietojuma salīdzinājums:
A. Izmaksas: Termoplastiskajām oglekļa šķiedrām ir priekšrocības apstrādē, ar zemākām izmaksām, tiklīdz tehnoloģija ir nobriedusi, bet augstās izejvielu izmaksas joprojām ir problēma.
B. Tehnoloģiju briedums: Termoplastisko oglekļa šķiedru tehnoloģija un ražošanas procesi var nebūt tik nobrieduši kā termoreaktīvo oglekļa šķiedru ražošanas procesi, jo pirmajam ir īsāks izstrādes laiks, taču tam ir lielāks potenciāls.
Rezumējot, lai gan termoplastiskajām oglekļa šķiedrām noteiktās jomās ir ievērojamas priekšrocības, plaši izplatītai termoreaktīvo oglekļa šķiedru nomaiņai vēja turbīnu lāpstiņās būs nepieciešama turpmāka izpēte un attīstība.
Vai termoplastiskās oglekļa šķiedras izmantošanas īpatsvars vēja enerģijas projektos ievērojami palielināsies?
Šobrīd termoplastiskās oglekļa šķiedras pielietojuma īpatsvars vēja enerģijas projektos ir diezgan mazs, un nav skaidrs, vai tas nākotnē būtiski pieaugs. Tas ir tāpēc, ka termoreaktīvo oglekļa šķiedras kompozītmateriālu piedāvātās priekšrocības, piemēram, vieglas īpašības, augsta izturība un augsta stingrība, jau atbilst pašreizējām lietošanas prasībām. Pat zemākas klases oglekļa šķiedras var nodrošināt atbilstošu veiktspējas atbalstu, kas ir viens no iemesliem, kāpēc zemākas klases oglekļa šķiedras ir ieviestas vēja enerģijas nozarē, lai līdzsvarotu piedāvājumu un pieprasījumu oglekļa šķiedras nozarē.
Tomēr vēja enerģijas nozare attīstās, un arī oglekļa šķiedras nozare attīstās. Tāpat kā stikla šķiedru veiktspēja sasniedza sašaurinājumu, arī termoreaktīvo oglekļa šķiedru izmantošana vēja enerģijas nozarē nākotnē var saskarties ar ierobežojumiem. Var tikt meklētas ātrākas apstrādes tehnoloģijas, visaptverošāka oglekļa šķiedras kompozītmateriālu veiktspēja un sveķu matricas, kas mazāk piesārņo vidi. Tieši šajās jomās izceļas termoplastiskās oglekļa šķiedras. Tāpēc daudzi uzņēmumi un iestādes gan vietējā, gan starptautiskā mērogā ir apņēmušies pētīt termoplastiskās oglekļa šķiedras.
