Zvýší se výrazně podíl použití termoplastických uhlíkových vláken v projektech větrných elektráren?
V současné době se rozvoj průmyslu uhlíkových vláken v Číně potýká s překážkami. Dochází k převisu nabídky kapacity výroby uhlíkových vláken nižší třídy, což vedlo k výraznému poklesu cen standardních produktů z uhlíkových vláken v důsledku dopadu na navazující průmyslová odvětví. Mezitím uhlíková vlákna střední a vyšší třídy nelze vyrábět ve velkém měřítku kvůli vyšším technickým potížím, což má za následek neuspokojenou poptávku ve špičkových oborech, jako je letecký průmysl. Aby se vyrovnala nabídka a poptávka, některé studie naznačují, že neustálý růst odvětví větrné energie by mohl absorbovat část kapacity výroby uhlíkových vláken. Jaká je však skutečná situace ve větrné energetice? Vyžaduje to low-end nebo střední až high-end kompozity z uhlíkových vláken?
Úvod do matrice uhlíkových vláken a pryskyřice v lopatkách větrných turbín
Větrné turbíny se obecně skládají z komponent, jako je rotor, generátor, vychylovací mechanismus, věž, bezpečnostní zařízení omezující rychlost a systémy pro ukládání energie. Rotor se skládá z několika dlouhých lopatek, což je hlavní zaměření této diskuse. Lopatky větrných turbín se skládají především z materiálů jádra, matricových materiálů, výztužných materiálů a povrchových povlaků. Náklady na suroviny při výrobě jedné čepele mohou činit až 70 %, včetně výztužných vláken, matricových pryskyřic, materiálů jádra, konstrukčních lepidel, kovů a příslušenství.
V současné době jsou výztužné materiály používané u lopatek větrných turbín převážně skleněná vlákna a uhlíková vlákna. S rostoucí velikostí turbín roste i délka lopatek větrných turbín, což vede k vyšším nárokům na celkovou tuhost. Výkon výztuh ze skelných vláken se postupně dostal do úzkých, v tomto okamžiku se začaly objevovat výhody mechanického výkonu uhlíkových vláken. Tento vývojový trend umožnil uhlíkovým vláknům a kompozitům vyniknout v průmyslu větrné energetiky a se svou inherentní výhodou lehkých vlastností mohou v budoucnu nahradit skleněná vlákna.
Výzkum z "Aplikace a vývoj kompozitů ve velkých lopatkách větrných turbín" ukazuje, že modul uhlíkových vláken je 3 až 8krát vyšší než u skleněných vláken, zatímco jejich hustota je přibližně o 30 % nižší. To umožňuje splnit požadavky jak na zvětšování, tak na odlehčení lopatek. Podle projekcí se bude míra pronikání uhlíkových vláken do hlavních nosníků větrných turbín na pevnině a na moři postupně zvyšovat a existuje značná potřeba velkých lopatek větrných turbín využívajících hlavní nosníky z uhlíkových vláken.
Pokud jde o matricovou pryskyřici v lopatkách větrných turbín, primárními použitými materiály jsou epoxidová pryskyřice a nenasycená polyesterová pryskyřice. Mezi nimi je epoxidová pryskyřice v současné době hlavní složkou termosetových kompozitů z uhlíkových vláken kvůli nižší obtížnosti přípravy, stabilní fyzikální formě po lisování a vynikajícímu celkovému výkonu. Proto se stal základní součástí současného průmyslu uhlíkových vláken. Kromě toho výzkum různých pryskyřic odhalil, že termoplastické pryskyřice mají také vysokou kompatibilitu s uhlíkovými vlákny a jsou vhodnější pro recyklaci a opětovné použití, což z nich činí důležitý směr pro budoucí vývoj.
Mohou termoplastická uhlíková vlákna nahradit termosetová uhlíková vlákna v lopatkách větrných turbín?
Existuje mnoho typů termoplastických pryskyřic, včetně polyetheretherketonu (PEEK), polyaryletherketonu (PAEK), polyetherketonu (PEK), polyfenylensulfidu (PPS), polyamidu (PA) a polyethersulfonu (PES). Výkon termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken vytvořených těmito pryskyřicemi kombinovanými s uhlíkovými vlákny se velmi liší. Proto, aby bylo možné široce nahradit termosetová uhlíková vlákna ve větrném průmyslu, je zapotřebí více výzkumu a experimentů. Předtím si nejprve ujasněme výhody a nevýhody termosetových a termoplastických uhlíkových vláken.
1. Termosetová uhlíková vlákna:
A. Proces vytvrzování: Termosetová uhlíková vlákna procházejí během výroby vytvrzovacím procesem. Po vytvrzení je nelze přetvářet, což neprospívá sekundárnímu zpracování a recyklaci.
B. Síla a tuhost: Termosetová uhlíková vlákna typicky vykazují větší pevnost a tuhost než některá termoplastická uhlíková vlákna. Navíc jejich odolnost proti vysokým teplotám a odolnost proti opotřebení mají své výhody a nevýhody.
C. Křehkost: V porovnání s termoplastickými uhlíkovými vlákny mohou být termosetová uhlíková vlákna křehčí a náchylnější k poškození během skutečného používání.
2. Termoplastické uhlíkové vlákno:
A. Recyklovatelnost: Jednou z významných výhod termoplastických uhlíkových vláken je jejich recyklovatelnost; mohou být taveny a přetvářeny několikrát bez podstatné ztráty mechanických vlastností.
B. Doba zpracování: Doba zpracování termoplastických uhlíkových vláken je obecně kratší než u termosetových uhlíkových vláken a lze je zpracovávat pomocí inteligentních výrobních technik.
C. Odolnost proti nárazu: Termoplastická uhlíková vlákna vykazují lepší odolnost proti nárazu ve srovnání s termosetovými uhlíkovými vlákny.
3. Praktické srovnání aplikací:
A. Náklady: Termoplastická uhlíková vlákna mají výhody při zpracování, s nižšími náklady, jakmile technologie uzraje, ale problémem zůstávají vysoké náklady na suroviny.
B. Technologická vyspělost: Technologie a výrobní procesy pro termoplastická uhlíková vlákna možná nejsou tak vyspělé jako u termosetových uhlíkových vláken, protože první z nich má kratší dobu vývoje, ale má větší potenciál.
Souhrnně lze říci, že zatímco termoplastická uhlíková vlákna vykazují v určitých oblastech významné výhody, rozsáhlé nahrazení termosetových uhlíkových vláken v lopatkách větrných turbín bude vyžadovat další výzkum a vývoj.
Zvýší se výrazně aplikační podíl termoplastických uhlíkových vláken v projektech větrné energie?
V současné době je aplikační podíl termoplastických uhlíkových vláken v projektech větrných elektráren poměrně malý a není jisté, zda se v budoucnu výrazně zvýší. Je tomu tak proto, že výhody, které nabízejí termosetové kompozity z uhlíkových vláken – jako jsou lehké vlastnosti, vysoká pevnost a vysoká tuhost – již splňují současné požadavky na použití. Dokonce i uhlíková vlákna nižší třídy mohou poskytnout adekvátní podporu výkonu, což je jeden z důvodů, proč byla uhlíková vlákna nižší třídy zavedena do odvětví větrné energie, aby se vyrovnala nabídka a poptávka v sektoru uhlíkových vláken.
Rozvíjí se však odvětví větrné energetiky a vyvíjí se i průmysl uhlíkových vláken. Stejně jako výkonnost skleněných vláken dosáhla úzkého hrdla, může aplikace termosetových uhlíkových vláken v sektoru větrné energetiky v budoucnu narazit na omezení. Možná se hledají rychlejší technologie zpracování, komplexnější výkon kompozitů z uhlíkových vláken a pryskyřičné matrice, které méně znečišťují životní prostředí. To jsou přesně oblasti, kde termoplastická uhlíková vlákna vynikají. To je také důvod, proč se mnoho společností a institucí, jak v tuzemsku, tak v zahraničí, zavázalo k výzkumu termoplastických uhlíkových vláken.
