サンディア国立研究所の研究者が主導した研究によると、新しい炭素繊維素材が商業的に開発されれば、風力発電産業にコストと性能のメリットをもたらす可能性がある。

炭素繊維を使用した風力ブレードの重量は、従来のグラスファイバー製よりも25%軽い。つまり、カーボンファイバー製のブレードはグラスファイバー製よりも長持ちし、風の弱い場所ではより多くのエネルギーを捕捉できることになる。サンディア研究所の風力エネルギー研究者であり、このプロジェクトの主任研究者であるブランドン・アニス氏は、カーボンファイバー素材は高い耐疲労性を持っているため、カーボンファイバーに切り替えることでブレードの寿命を延ばすこともできると述べた。

The project is funded by DOE’s Wind Energy Technologies Office in the Office of Energy Efficiency and Renewable Energy. Partners on the project include Oak Ridge National Laboratory and Montana State University.

Of all the companies producing wind turbines, only one uses carbon fibre materials extensively in their blade designs. Wind turbine blades are the largest single-piece composite structures in the world, and the wind industry could represent the largest market for carbon fibre materials by weight if a material that competed on a cost-value basis to fibreglass reinforced composites was commercially available, said Ennis.

風力発電業界では、部品設計の際にコストを主に考慮するが、タービンメーカーは、ブレードが回転する際に受ける圧縮荷重や疲労荷重に最長30年間耐えられるブレードを製造する必要もある。

エニスたちは、オークリッジ国立研究所で開発された新しい低コストの炭素繊維が、風力産業にコストメリットをもたらすと同時に、性能のニーズを満たせるのではないかと考えた。この素材は、アクリル繊維の太い束を含む、繊維産業から広く入手可能な前駆体から始まる。繊維を加熱して炭素に変換する製造工程に続いて、炭素繊維を板状に引き抜く中間工程が行われる。この引き抜き工程により、ブレード製造に必要な高い性能と信頼性を備えた炭素繊維が製造され、高い生産能力が可能になる。

研究チームがこの低コストの炭素繊維を研究したところ、風力産業にとって最も関心の高いコスト別の特性において、現在の市販素材よりも優れていることがわかった。

ORNLは、炭素繊維技術施設から炭素繊維の開発サンプルと、この材料から作られた複合材、および比較のために市販の炭素繊維から作られた同様の複合材を提供した。

モンタナ州立大学の同僚たちは、市販の炭素繊維や標準的なガラス繊維複合材料と比較して、新しい炭素繊維の機械的特性を測定した。そしてエニスは、これらの測定結果をORNLのコストモデリング結果と組み合わせた。彼はこれらのデータをブレード設計分析に使用し、風力ブレードの主要構造支持体として、標準的な炭素繊維やガラス繊維の代わりに新規炭素繊維を使用した場合のシステムへの影響を評価した。この研究は、米国エネルギー省風力エネルギー技術局から資金提供を受けた。

エニスたちは、この新しい炭素繊維材料は、業界の基準である市販の炭素繊維よりも、1ドルあたりの圧縮強度が56%高いことを発見した。一般的に、メーカーは圧縮強度が低くても、より多くの材料を使用することで対応する。アニスの計算では、風力タービンブレードの主要構造部品であるスパーキャップの材料費は、市販の炭素繊維に比べて40%節約できる。