Hoće li se udio primjene termoplastičnih karbonskih vlakana u projektima vjetroelektrana značajno povećati?
Trenutno se razvoj industrije karbonskih vlakana u Kini suočava s uskim grlima. Postoji prevelika ponuda proizvodnih kapaciteta niskobudžetnih ugljičnih vlakana, što je dovelo do značajnog pada cijena standardnih proizvoda od ugljičnih vlakana zbog utjecaja na nizvodne industrije. U međuvremenu, ugljična vlakna srednje i visoke klase ne mogu se proizvoditi u velikoj mjeri zbog većih tehničkih poteškoća, što rezultira nezadovoljenom potražnjom u područjima visoke klase kao što je zrakoplovstvo. Kako bi se uravnotežila ponuda i potražnja, neke studije sugeriraju da bi stalni porast industrije energije vjetra mogao apsorbirati dio kapaciteta proizvodnje ugljičnih vlakana. No, kakvo je stvarno stanje u vjetroelektrani? Zahtijeva li kompozite od ugljičnih vlakana niske ili srednje do visoke kvalitete?
Uvod u karbonska vlakna i matricu smole u lopaticama vjetroturbina
Vjetroturbine se općenito sastoje od komponenti kao što su rotor, generator, mehanizam za skretanje, toranj, sigurnosni uređaji za ograničavanje brzine i sustavi za pohranu energije. Rotor se sastoji od nekoliko dugih lopatica, što je središte ove rasprave. Lopatice vjetroturbina prvenstveno se sastoje od materijala jezgre, materijala matrice, materijala za pojačanje i površinskih premaza. Trošak sirovina u proizvodnji jedne oštrice može iznositi do 70%, uglavnom uključujući vlakna za pojačanje, matrične smole, materijale jezgre, strukturna ljepila, metale i dodatke.
Trenutno su materijali za pojačanje koji se koriste u lopaticama vjetroturbina uglavnom staklena vlakna i ugljična vlakna. Kako se veličina turbine povećava, duljina lopatica vjetroturbine također raste, što dovodi do većih zahtjeva za ukupnom krutošću. Učinkovitost ojačanja od staklenih vlakana postupno je dosegla usko grlo, nakon čega su se počele pojavljivati mehaničke prednosti karbonskih vlakana. Ovaj razvojni trend omogućio je ugljičnim vlaknima i kompozitima da se istaknu u industriji energije vjetra, a sa svojom inherentnom prednošću svojstava male težine, mogli bi zamijeniti staklena vlakna u budućnosti.
Istraživanje "Primjena i razvoj kompozita u velikim lopaticama vjetroturbina" pokazuje da je modul ugljičnih vlakana 3 do 8 puta veći od modula staklenih vlakana, dok je njihova gustoća približno 30% manja. To omogućuje ispunjavanje zahtjeva za povećanje i smanjenje težine oštrica. Prema projekcijama, stopa prodiranja ugljičnih vlakana u glavne grede vjetroturbina na kopnu i na moru postupno će se povećavati, a postoji značajna potreba za velikim lopaticama vjetroturbina koje koriste glavne grede od karbonskih vlakana.
Što se tiče matrične smole u lopaticama vjetroturbina, epoksidna smola i nezasićena poliesterska smola primarni su materijali koji se koriste. Među njima, epoksidna smola trenutno je glavna komponenta termoreaktivnih kompozita od ugljičnih vlakana zbog manje poteškoća u pripremi, stabilnog fizičkog oblika nakon kalupljenja i izvrsnih ukupnih performansi. Stoga je postao temeljni dio trenutne industrije karbonskih vlakana. Nadalje, istraživanja različitih smola otkrila su da termoplastične smole također imaju visoku kompatibilnost s ugljičnim vlaknima te su pogodnije za recikliranje i ponovnu upotrebu, što ih čini važnim smjerom za budući razvoj.
Mogu li termoplastična ugljična vlakna zamijeniti termoreaktivna ugljična vlakna u lopaticama vjetroturbina?
Postoje mnoge vrste termoplastičnih smola, uključujući polieter eter keton (PEEK), poliarileter keton (PAEK), polieter keton (PEK), polifenilen sulfid (PPS), poliamid (PA) i polieter sulfon (PES). Učinkovitost termoplastičnih kompozita od ugljičnih vlakana napravljenih od ovih smola u kombinaciji s ugljičnim vlaknima uvelike varira. Stoga je za široku zamjenu termoreaktivnih karbonskih vlakana u industriji energije vjetra potrebno više istraživanja i eksperimenata. Prije toga, prvo ćemo razumjeti prednosti i nedostatke termoreaktivnih i termoplastičnih karbonskih vlakana.
1. Termoseaktivna karbonska vlakna:
A. Proces stvrdnjavanja: Termoseaktivna karbonska vlakna prolaze kroz proces stvrdnjavanja tijekom proizvodnje. Jednom stvrdnuti ne mogu se preoblikovati, što ne pogoduje sekundarnoj obradi i recikliranju.
B. Snaga i krutost: Termoseaktivna karbonska vlakna obično pokazuju veću čvrstoću i krutost od nekih termoplastičnih karbonskih vlakana. Osim toga, njihova otpornost na visoke temperature i otpornost na trošenje imaju svoje prednosti i nedostatke.
C. Lomljivost: U usporedbi s termoplastičnim karbonskim vlaknima, termoreaktivna karbonska vlakna mogu biti lomljivija i sklonija oštećenjima tijekom stvarne uporabe.
2. Termoplastična karbonska vlakna:
A. Mogućnost recikliranja: Jedna značajna prednost termoplastičnih karbonskih vlakana je njihova mogućnost recikliranja; mogu se taliti i preoblikovati više puta bez značajnog gubitka mehaničkih svojstava.
B. Vrijeme obrade: Vrijeme obrade za termoplastična ugljična vlakna općenito je kraće od vremena termoreaktivnih ugljičnih vlakana, a mogu se obraditi korištenjem pametnih proizvodnih tehnika.
C. Otpornost na udarce: Termoplastična karbonska vlakna pokazuju bolju otpornost na udarce u usporedbi s termoreaktivnim karbonskim vlaknima.
3. Usporedba praktične primjene:
A. trošak: Termoplastična karbonska vlakna imaju prednosti u obradi, s nižim troškovima kada tehnologija sazrije, ali visoka cijena sirovina ostaje problem.
B. Tehnološka zrelost: Tehnologija i proizvodni procesi za termoplastična ugljična vlakna možda nisu tako zreli kao oni za termoreaktivna ugljična vlakna, budući da prva imaju kraći vremenski rok razvoja, ali imaju veći potencijal.
Ukratko, dok termoplastična ugljična vlakna pokazuju značajne prednosti u određenim područjima, raširena zamjena termoreaktivnih ugljičnih vlakana u lopaticama vjetroturbina zahtijevat će daljnja istraživanja i razvoj.
Hoće li se udio primjene termoplastičnih karbonskih vlakana u projektima vjetroelektrana značajno povećati?
Trenutačno je udio primjene termoplastičnih karbonskih vlakana u projektima vjetroelektrana prilično mali i neizvjesno je hoće li se značajno povećati u budućnosti. To je zato što prednosti koje nude termoreaktivni kompoziti od ugljičnih vlakana - kao što su svojstva male težine, velika čvrstoća i velika krutost - već zadovoljavaju trenutne zahtjeve uporabe. Čak i jeftinija karbonska vlakna mogu pružiti odgovarajuću podršku performansama, što je jedan od razloga zašto su jeftinija karbonska vlakna uvedena u industriju energije vjetra kako bi se uravnotežila ponuda i potražnja u sektoru karbonskih vlakana.
Međutim, industrija energije vjetra se razvija, a razvija se i industrija karbonskih vlakana. Kao što je izvedba staklenih vlakana dosegla usko grlo, primjena termoreaktivnih karbonskih vlakana u sektoru energije vjetra također bi mogla naići na ograničenja u budućnosti. Možda postoji potraga za bržim tehnologijama obrade, sveobuhvatnijom izvedbom od kompozita od ugljičnih vlakana i smolnih matrica koje manje zagađuju okoliš. Upravo su to područja u kojima termoplastična karbonska vlakna prednjače. To je i razlog zašto su mnoge tvrtke i institucije, kako domaće tako i međunarodne, predane istraživanju termoplastičnih karbonskih vlakana.
