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熱塑性復合材料風電機組,或將徹底改變海上風電業
2021-09-08 來源:碳纖維研習社
 幾年來,國家可再生能源實驗室 (NREL) 的研究人員一直在探索將熱塑性復合材料用于風力渦輪機,未來熱塑性復合材料葉片有可能徹底改變海洋能源行業。
 
法國海洋研究所 (IFREMER)展示了熱塑性材料如何提高疲勞性能,降低葉片失效的可能性,并使潮汐渦輪葉片在海洋能源應用中更具可持續性。制造過程也更快、更節能。此外,占全球塑料產量約 75% 的熱塑性塑料可以回收利用,因為塑料聚合物材料可以在高溫下重新成型并在冷卻時重新固化。
 
 
由于美國能源部水力技術辦公室的資助以及與 Verdant Power 的合作,NREL 研究人員已經使用熱塑性復合材料制造了渦輪葉片,目前正在紐約部署的 Verdant Power 潮汐渦輪機之一上進行測試市東河。
 
紐約羅斯福島潮汐能 (RITE) 項目現場的渦輪機負載和性能評估始于 2020 年 10 月,當時安裝了 Verdant Power 的 Triframe 支架,該支架可容納三臺潮汐渦輪機。由于每天多次改變方向的強潮汐流,東河是測試和驗證海洋能源渦輪機性能的理想場所。
 
Triframe 和三葉渦輪機均設計為模塊化和可擴展的,使研究人員能夠研究 5 米 (m) 直徑的渦輪機,然后將它們擴展到更經濟可行的 10 至 15 米級渦輪機系統更有可能在該領域使用。在水中的前 6 個月,最初使用環氧樹脂葉片的潮汐渦輪機產生了近 200 兆瓦時的能量,這是美國海洋能源生產的記錄。經過 6 個月的部署后,在 2021 年 5 月,Verdant Power 團隊執行了回收和更換 (R&R) 操作,將其中一個環氧樹脂葉片轉子更換為具有相同熱塑性葉片的 NREL 制造的新轉子到原始環氧樹脂刀片,除了它們的材料。
 
在 R&R 部署之前的幾個月里,NREL的研究團隊一直在利用 NREL 復合材料制造教育和技術 (CoMET) 設施的制造和材料表征能力。在那里,他們使用 Elium 熱塑性樹脂采用真空灌注方法制造了 2.5 米長的葉片。然后,他們努力確認這些葉片在部署之前具有與傳統環氧樹脂葉片相似的結構性能,從結構上驗證了現在在東河發電的全尺寸熱塑性潮汐發電渦輪葉片。在試運行結束并在 2021 年底之前收回葉片后,該團隊將測量葉片對施加的載荷的結構響應,以量化海水對這些材料的影響。
 
Verdant Power 為 NREL 團隊生產與他們已經制造的環氧樹脂刀片相同的熱塑性刀片,這使我們能夠與傳統材料進行并排比較,這些熱塑性材料有可能延長葉片的使用壽命,并改善了海洋應用的結構性能。
 
NREL 建造的數據采集系統位于新安裝的潮汐渦輪機的尾錐內,使研究人員能夠在東河中測量熱塑性葉片的應變和角位置。數據采集系統設計和驗證過程(包括將系統浸入水中數天)滿足多項要求,包括能夠持續可靠地采集、測量和存儲渦輪機整個部署期間生成的所有數據,預計高達 28 GB。
 
NREL 研究人員將潮汐渦輪葉片連接到數據采集系統進行驗證。
 
這項工作將在有意義的規模上展示一種潛在的改變游戲規則的海洋應用材料,它還將為全尺寸渦輪機生成應變和加速度數據,我們可以使用這些數據來驗證設計工具并降低整個行業未來部署的風險。與 Verdant Power 的合作以及加入其創新 R&R 運營的能力是獲取這些數據的關鍵這將使海洋能源行業在未來幾年受益。
 
自 2021 年 5 月 R&R 以來,NREL 的潮汐渦輪機一直在為紐約市的電網發電,甚至經歷了葉片在部署期間將遇到的一些最高負載。這些數據對于檢查這些渦輪機在最極端條件下的表現將特別有用,為日益增長的渦輪機限制和飽和熱塑性材料的理解以及它們解決未來海洋能源挑戰的承諾增加了關鍵信息。
 
今年夏天,太平洋西北國家實驗室將在 RITE 項目現場對 Triframe 的流速進行調查,以獲得運行中的潮汐渦輪機的流量數據。這些數據將用于驗證流速模型,這些模型可供海洋能源行業公開訪問。
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