Новый материал из углеродного волокна может принести ветроэнергетике выгоду в плане стоимости и производительности, если будет разработан на коммерческой основе, говорится в исследовании, проведенном под руководством ученых из Национальной лаборатории Сандия.Ветряные лопасти из углеродного волокна весят на 25% меньше, чем лопасти из традиционного стекловолокна. Это означает, что лопасти из углеродного волокна могут быть длиннее стекловолоконных и, следовательно, улавливать больше энергии в местах со слабым ветром. Переход на углеродное волокно также может увеличить срок службы лопастей, поскольку материалы из углеродного волокна обладают высокой усталостной прочностью, говорит Брэндон Эннис, исследователь ветроэнергетики в Sandia Labs и главный исследователь проекта.Проект финансируется Управлением ветроэнергетических технологий Министерства энергетики в Управлении энергоэффективности и возобновляемых источников энергии. Партнерами проекта являются Национальная лаборатория Оук-Ридж и Университет штата Монтана.Из всех компаний, производящих ветряные турбины, только одна широко использует материалы из углеродного волокна в конструкции лопастей. Лопасти ветряных турбин - самые крупные цельные композитные конструкции в мире, и ветроэнергетика могла бы стать крупнейшим рынком для углеволоконных материалов по весу, если бы был коммерчески доступен материал, конкурирующий по стоимости с композитами, армированными стекловолокном, - говорит Эннис.Стоимость является основным фактором при проектировании компонентов в ветроэнергетике, однако производители турбин также должны создавать лопасти, выдерживающие сжимающие и усталостные нагрузки, которые лопасти испытывают при вращении в течение 30 лет.Эннис и его коллеги задались вопросом, сможет ли новое недорогое углеродное волокно, разработанное в Национальной лаборатории Оук-Ридж, удовлетворить требования к эксплуатационным характеристикам и при этом принести выгоду ветроэнергетике. Для изготовления этого материала используется широкодоступный прекурсор из текстильной промышленности, содержащий толстые пучки акриловых волокон. Процесс производства, в ходе которого волокна нагреваются для преобразования в углерод, сопровождается промежуточным этапом, в ходе которого углеродное волокно вытягивается в доски. Пултрузионный процесс изготовления досок позволяет получить углеродное волокно с высокими эксплуатационными характеристиками и надежностью, необходимыми для производства лезвий, а также обеспечивает высокую производственную мощность.Когда исследовательская группа изучила это недорогое углеродное волокно, она обнаружила, что оно превосходит существующие коммерческие материалы в отношении специфических для стоимости свойств, представляющих наибольший интерес для ветровой промышленности.ORNL предоставил образцы углеродного волокна из своего технологического центра Carbon Fiber Technology Facility и композиты, изготовленные из этого материала, а также аналогичные композиты, изготовленные из коммерчески доступного углеродного волокна для сравнения.Коллеги из Университета штата Монтана измерили механические свойства нового углеродного волокна в сравнении с коммерчески доступным углеродным волокном и стандартными композитами из стекловолокна. Затем Эннис объединил эти измерения с результатами моделирования затрат, полученными в ORNL. Он использовал эти данные в анализе конструкции лопасти для оценки системного воздействия использования нового углеродного волокна вместо стандартного углеродного волокна или стекловолокна в качестве основной структурной опоры ветровой лопасти. Исследование финансировалось Управлением технологий ветроэнергетики Министерства энергетики США.Эннис и его коллеги обнаружили, что новый материал из углеродного волокна имеет на 56% больше прочности на сжатие в расчете на доллар, чем коммерчески доступное углеродное волокно, которое является базовым для отрасли. Обычно производители компенсируют более низкую прочность на сжатие, используя больше материала для изготовления компонента, что приводит к увеличению стоимости. Учитывая более высокую прочность на сжатие в расчете на стоимость нового углеродного волокна, расчеты Энниса предсказали экономию в 40% в стоимости материала для крышки лонжерона, который является основным структурным компонентом лопасти ветряной турбины, изготовленной из нового углеродного волокна, по сравнению с коммерческим углеродным волокном.