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复合材料在风能行业发挥更大作用
作者:George Marsh
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由于风能行业的发展,增强塑料可能会迎来一个巨大的新兴市场。

复合材料已经成为这个蓬勃发展的新兴行业的关键推动者,它们可以制成风力涡轮机叶片、机舱和各种较小的部件,但是尚有一个颇有希望的领域它们还没有完全渗透,那就是塔架、底座和过渡连接件(使涡轮机“高竖在那里”), 迄今为止过渡件几乎都是用铁和混凝土制成的。

这些无处不在的材料存在一个问题,那就是它们太重了。随着塔架越来越高,几兆瓦的风机所配备的叶片越来越长,而海上风机需要安装在更深的水位之下,因此风场基础设施建设所需的元件就变得过于笨重了,难以运输和架设。这对于复合材料来说是一个新的机会,它们可以制成更轻、更易于控制的结构。目前,转子叶片可能是复合材料行业最关注的一个领域,但看起来吸引力较小的塔架和底座行业所带来的机会不应该被忽视。

遗憾的是,虽然复合材料塔架已经成为许多研究项目和论文的主题,但迄今却很少有人生产。事实上,PPG 工业公司指出,一个65 英尺(20 米)高的风力涡轮机的原型在去年5 月被安装在美国缅因州的Penobscot 河中,这在世界上是第一例。

PPG 玻纤业务总经理Kevin McDonald 说, 这台名为VolturnUS 1.8 的风机是6MW 的VolturnUS 浮式风机的原型,大小只有后者的八分之一, 其目标应用领域为海上发电。完整尺寸的风机将配备423 英尺(129 米) 直径的转子叶片,支撑它的玻纤复合材料塔架将高达270 英尺(82 米)。Volturn 项目的目标是降低海上风能的成本,该项目的主要推动者是缅因大学(University of Maine), 该大学的结构和复合材料中心(Structures and Composites Centre) 正在进行技术的改进,包括用于塔架和底座结构的牢固、轻量、耐腐蚀的复合材料。通过与DeepCwind 行业联盟的合作,缅因大学希望最终可以在距离海岸14 英里(22 公里)的海上安装4 台3MW 的“浮式风机”。每台装置将包括一个带有3 根支柱的混凝土和复合材料浮动平台,支撑着安装在中心的风机。

八分之一大小的原型塔架由Ershigs 公司制造,该公司在FRP 管道、储罐和大型圆柱结构的生产领域拥有几十年的经验,并积极地将其所积累的专业技术和经验应用到风能行业。Ershigs 提供完整的交钥匙解决方案,从工程设计到制造直到塔架的现场架设。

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Ershigs 的塔架制造概念是先制造出方便运输的模块,然后到现场再组装在一起。每个模块目前都是采用一台26 英尺(8 米)×45 英尺(13.7 米) 的水平缠绕机制成的,它通过将多根纤维长丝缠绕到一个大的旋转芯轴上来进行生产。

每个模块的顶部直径都比底部小。这有两个原因:首先它在模块成型之后, 可以脱出芯轴;其次,如果一个塔架的所有模块连接在一起的,最后会形成一个优雅的锥形。

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缅因州的学术机构以及PPG 和Ershigs 公司都很清楚复合材料在风机领域具有的重大优势,无论是陆上还是海上风机。如果可以通过材料、纤维排列和制造技术的选择随时随地优化结构的性能,就可以预测负荷,无论是静态、动态还是周期性的,那么预期的负荷就可以调节并显著减轻重量。与金属相比, 复合材料结构在循环荷载作用下发生疲劳失效的可能性更小,它们不会腐蚀, 即使是在对钢材都会造成腐蚀的恶劣海洋环境下亦如此。因此,它们更耐用。

成本也不会是缺点, 虽然有时被认为是缺点。几年前, 一家名叫WindTower Composites 的公司估计, 对于一个拥有25 架风机的风场,其所用复合材料塔架的成本比钢质塔架低28%。虽然单位重量的成本较高,但是较低的总重量以及因此而减少的运输和安装成本,使得复合材料塔架在经济上也更具竞争力。

在另一个研究项目中,Ershig 也是牵头人, 项目成员包括另一家学术机构—— 俄亥俄州Dayton 大学研究院(UDRI)。其他成员还包括位于Dayton 的Edison 材料技术中心、WebCore Technologies 公司、欧文斯科宁公司和亚什兰高性能材料。

三年前,在宣布政府将为该项目提供27 万美元的财政支持时,UDRI Multi-Scale Composites and Polymers 部门的负责人Brian Rice 说过:“风力发电机的塔架必须足够坚固,它不仅要承受风机的重量——可能重达100 吨,还要能够抵抗由于旋转设备的压力而导致的压曲力。为了适应这种重量和压力, 需要分段预制钢质支柱,每段的直径达14 英尺(4.2 米)、长达70 英尺(21.3 米),然后用货车将它们单独运送到现场后再组装到一起,并安装在混凝土底座上。如果增加塔架的高度,就要相应地增大直径,这就意味着下一代的风力涡轮机所采用的塔架将会过于庞大,而无法通过高速公路运输,即使是分段也不可能。”

很显然,Rice 那时已经有打算在陆上风场安装复合材料塔架,并建议复合材料塔架部分可以采用运送到现场的原材料就地生产,还可以使用当地的劳动力。他认为这一方法对于比较偏远的以及位于山区的风场尤其有用,因为那里虽然风力资源丰富但货车很难驶入或者根本不可能。对于海上风机,模块化制造技术将会更受欢迎,模块的物流比整个塔架的运输要容易的多。此外,Rice 还预见到,100 米高的复合材料塔架不仅有可能成为现实也很有市场。

大型风机

在千禧年之初的几年,一项名为European Megawind 的项目在欧洲建造了一个40 米高的复合材料塔架。项目参与者提出了一种现场生产塔架的概念,以复合材料夹芯材料作为外壳环绕在混凝土或其他芯材外面。

作为欧盟第五框架研究项目的一部分,该项目的一个关键要求是将该塔架的设计、工艺和制造紧密整合起来。设计所采用的工具是最先进的,并经过复杂地形条件的检验。项目重点强调了层压工艺的优化以及要保证不同塔架元件的正确连接。工程设计团队采用数字模拟方法来检验塔架的动力学性能和结构性能。在最终的结构得到认可之前,主要的子配件都经过了彻底的检测。这个新型塔架是专门为欧洲南部一座高速风场1.3MW 的涡轮机而创造的,随后塔架本身也经过了大量的静态和动态测试。

项目结束后的一份报告申明,虽然对于标准架设场地来说,标准的钢筋混凝土塔架更具有价格竞争力,但是在偏远地区或者深度超过10 米的水下,情况往往不同。报告指出,先进的复合材料结构不仅可以降低运输和架设风力发电机上部结构的成本,还可以降低维护成本,同时还可以延长风机的使用寿命, 增加可商业化运行的风场数量,因此复合材料结构的寿命周期成本更低。这包括位于山地和其他复杂的地形上以及海上的风场。对于海上风场,纤维增强塑料在盐水中表现出来的化学惰性是一个额外的优势。

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牵索复合材料

在英国,剑桥大学的一项研究表明, 如果采用一种新型的风机安装设施,就能源回报来说,海上风场的效率可以达到现有效率的两倍。

剑桥大学制造学会(Institute for Manufacturing)的Jim Platts 认为,如果风机制造商建造轻量的复合材料塔架, 并用钢绳牵索它们,以提供额外的制成, 他们就可以将回报时间缩短一半。他解释了其中的原理:“我们急需降低海上风机所耗费的能量水平,这不仅降低了能源回报速度也提高了成本。如果我们能够在塔架以及底座的制造和安装工艺的创新方面加大投资,这会变得相当容易。”

这项研究表明,对于标准的陆上风机来说,用于制造和安装的能量中有三分之一是被塔架和底座消耗掉的。对于海上风机,需要的塔架更高更重,需要的底座也更巨大,所用钢材和混凝土的量可达到陆上风机的四倍。钢材和混凝土的生产过程所消耗的能量都是很高的,因此,海上飞机的能源收获率(风机产生的能量与安装所消耗的能量之间的比例)从陆上风机的40:1 直降至15:1。此外,钢材容易腐蚀和老化。总之, 是不是另一种材料系统更优越? Platts 的答案是yes。

他补充说:“我们可以将复合材料用于塔架,正如我们用它来生产叶片一样。这些材料比钢材更轻、更坚固、耐腐蚀、更具弹力。用钢绳牵索住塔架, 用螺旋锚将其固定在海床,这使得塔架更修长,因为像帐篷一样被牵索的形状可以更快的将负荷分散出去。同样的, 它所需要的底座也轻得多。”

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这项研究的结论是,钢材和混凝土需求量的减少可以将收获率提高到32:1。此外,Platts 说,风机的服务寿命可以从目前的20 年延长至60 年。他补充了一个基本观点:“风机制造商促进了复合材料的发展,即使用航空航天用复合材料5%的成本制成了拥有其95% 性能的复合材料。因此,风能行业所用复合材料的量已经达到汽车和航空航天业总和的十倍以上。现在他们有机会发挥更大的作用。”

现在已经有一些实验性的成果。例如,据报道,芬兰的Mervento 公司针对波罗的海研制了一种牵索式风机。目前土木工程行业只采用经过验证的并被熟知的材料,如果他们可以克服这种保守思想,那么复合材料行业将会取得更多进展。例如,对于深水“浮动式风机”,复合材料塔架可以减小支撑水上结构所需的浮力,从而节约成本。FORWARD 项目提出在福岛风场采用半潜式风机系统,实际上无论是半潜式还是绳索拉住的水下风机, 复合材料都可以减轻重量,降低物流难度和成本。

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复合材料在土木工程建筑领域的应用也有很多实例。例如,采用纤维缠绕技术加固混凝土柱,可以显著降低特定结构的混凝土/ 水泥的需求量。或者,它还可以通过中期的结构升级来延长使用寿命。越来越多的土木工程师开始重视工程复合材料所具有的优势—— 轻量(150-900g/sqm)、低轮廓厚度、高E 模量(特别是碳纤维增强塑料)、优异的疲劳性能、高比强度以及耐腐蚀性。

进展

未来的创新型风能转换器也将受益于增强塑料,特别是具有复杂的形状或其他新奇特点的产品。这里有两个例子:Shee-wind 公司提出的Invelox 概念和商人James Greeson 提出的一种复合材料混合设备。

Invelox 利用定向风捕获系统和文丘里效应将风集中起来并加速,从而增大管道中的涡轮机所受的冲击力。该系统在概念上类似于一个大型的垂直收集漏斗,连接着一个锥形管,锥形管中包含文丘里管和涡轮机。它具有复杂的曲率,因此需要一种基于复合材料结构的解决方案。

Invelox 的创始者说,从塔顶(漏斗)将气流吹至地面可以产生更多的电能,而所用的涡轮叶片短得多。该装置中的叶片长度比传统风机塔架短50%,采用的叶片比传统陆上风机叶片小84%。Sheerwind 公司称,该系统可以从低至2mph 的风速中获得能量, 而且因为设备更小,它适用于更广泛的地域范围内,对环境的影响最小。它可以用于公共风场或微型发电设备。如果条件合适,可以将多个漏斗通向单一的发电机。在原型上所进行的测试据报道已经超出了预期。

同时,身在美国乔治亚州的商人James Greeson 针对风力的间歇性问题提出了一个有趣的解决方式。他的中心思想是,圆柱形的风力涡轮机塔也是一个水塔,在风能的高峰时段,多余的电力无法输入电网,那么这部分电力就会驱动水泵将水注入水塔。反之,当风太轻无法发电时,水在重力作用下会自行流入设备底部的水力发电机。这台发电机能够以“反转”模式运转,作为一台电机来驱动水泵。

这种组合式的风机/ 抽水蓄能解决方案目标是使得风电的并网变得顺畅。

这一概念的成功要依赖于复合材料。Greeson 在所提交的“创造未来(Create the Future)奖”的资料中这样说道:“传统的风力涡轮机塔架和水箱是由钢材或其他金属制成的。世界上有些地方,风机的运转效率很高, 但却很少有能力工业化生产大型的钢质组件,而且它们的运输和安装是非常昂贵或困难的。可行的方案是将模块化的夹具和铺设机械以及树脂和复合材料运送到偏远地区,然后进行塔架结构的生产。可以通过建造一个尺寸足够大的已经存在的建筑,或制造一个临时的预制结构来适应生产。这种方法为这种地区提供了以往少有的工作岗位、收入和新技能。”

总的来说,工程复合材料的低重量和高性能再加上现场制造和组装的宝贵能力,使它们成为了风力涡轮机塔架和底座梦寐以求的材料。无论风能行业是否将继续依赖于盛行的“丹麦模式“的风力涡轮机或将采取一些更具未来特征的东西,毋庸置疑的是,复合材料仍然拥有大量尚未开发出来的潜能,足以引领风能行业的变革。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (10/30/2014)
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