隨著美國等國宣布以提高可再生能源能力為重點的政策和目標,一些涉及新型改進的可再生能源技術(shù)就獲得了一定的機遇。美國紐約市Xenecore公司是一家致力于開發(fā)具有更高能量捕獲能力的更高效風力渦輪機葉片的公司,該公司正在利用其復合材料零件領域的專業(yè)知識,設計并開發(fā)基于阻力的扇形風力葉片。
Xenecore公司成立于2010年,起初公司首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人Jerry Choe通過在體育用品應用中使用材料技術(shù)研發(fā)碳纖維復合材料網(wǎng)球拍,并形成了多項專利技術(shù)。為了實現(xiàn)碳纖維網(wǎng)球拍在擊球時具有高性能和高功率,而且要盡量減輕球拍對手臂的影響,經(jīng)過18個月的開發(fā)期,他和他的團隊開發(fā)了一種材料和工藝解決方案,現(xiàn)在以Xenecore商品名進行上市銷售,這是一種熱塑性微球產(chǎn)品,可以用作復合材料零件的結(jié)構(gòu)芯。
在取得上述初步的成功之后,該公司在熱塑性微球技術(shù)的進一步優(yōu)化上投入了大量資金,并在全球獲得了250多項專利。該公司發(fā)現(xiàn)Xenecore產(chǎn)品的使用范圍可以從網(wǎng)球拍擴展到其他應用的新機遇,如無人機葉片以及最近設計的基于阻力的風力渦輪機葉片。
Xenecore正在開發(fā)一種扇形、基于阻力的風力渦輪機,即使在低風中也有可能實現(xiàn)高能量捕獲
傳統(tǒng)風電葉片的特點及缺陷
大約兩年前,Choe和Xenecore團隊開始研究如何利用該公司的工藝技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)風力渦輪機葉片。現(xiàn)如今,大多數(shù)風力渦輪機都有細長的飛機翼形葉片,這些葉片主要利用升力發(fā)電。當風經(jīng)過葉片時,葉片一側(cè)形成的較低壓力垂直于風向拉動葉片,使其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子,將能量轉(zhuǎn)移到渦輪機中發(fā)電。
這些葉片通常由玻璃纖維蒙皮制成,而且在較長的葉片中由碳纖維復合材料翼梁帽支撐。風電葉片通常放置在開放式模具中,真空注入,然后使用抗剪腹板、泡沫芯和粘合劑組裝在一起。
然而,最早的風車看起來非常不同,其特點是寬、平、扇形的木制葉片通過阻力發(fā)電,風力直接用于將葉片推向風的方向。當風力渦輪機剛發(fā)明時,每個人都在使用阻力,因為它能捕獲更多的風。但由于使用的材料,這些第一批葉片是一個問題,因為最早的風車是用柔軟、不太耐用的材料(如布)建造的。
1919年,德國物理學家阿爾伯特·貝茨發(fā)表了他現(xiàn)在著名的關于風捕獲和葉片設計的貝茨定律。根據(jù)這一定律,葉片使用升力最多只能捕獲風動能的59%。這一理論影響了飛機機翼和風力渦輪機葉片的形狀,使升力最大化,阻力最小化,采用薄而彎曲的設計,這種設計至今仍很流行。
根據(jù)Choe的說法,上述59%的能量捕獲率只是理論上的最大值,因為實際的風力渦輪機捕獲能量的效率要低得多,但這個所謂最大值并非是針對當今材料的最大值。因為如今使用的玻璃纖維和碳纖維復合材料更堅固、更輕,比貝茨時代用于生產(chǎn)葉片和機翼的金屬材料性能要好得多。因此,考慮到現(xiàn)有的材料性能已經(jīng)得到優(yōu)化提升,當初最好的設計現(xiàn)如今可能效率很低,不再滿足要求。
值得注意的是,有許多基于阻力的風力葉片設計長期以來一直在使用,例如Savonius式垂直風力渦輪機,其特點是兩個杯狀葉片圍繞中心渦輪機旋轉(zhuǎn)。這些渦輪機通常比基于升力的渦輪機效率低得多,因為在垂直設置中,兩個葉片實際上阻擋了葉片另一半可以捕獲的一些風。然而,它們的簡單設計和在低風區(qū)捕獲能量的能力使它們在家庭或商業(yè)環(huán)境中的渦輪機中很受歡迎。
Choe和他的團隊著手開發(fā)一種更新的水平風力渦輪機,該渦輪機可以最大限度地利用阻力,最重要的是它使用了先進的復合材料。
風電葉片結(jié)構(gòu)的現(xiàn)代化設計
Xenecore團隊早期面臨的一個挑戰(zhàn)是,由于基于升力的渦輪機已成為標準,因此如今的模擬軟件僅用于分析基于升力的風機的性能。Choe和他的團隊嘗試了許多分析工具,并最終使用Ansys Fluent計算流體動力學軟件對風在葉片上的行為進行建模。
利用這些模型,其目標是開發(fā)一種可以最大限度地捕獲阻力的葉片,可在渦輪機內(nèi)發(fā)電,同時以盡可能小的重量承受高風荷載。Xenecore團隊首先嘗試制造一種固體碳纖維復合材料葉片,但比強度并不好,即使是固態(tài)碳纖維板也會在高風力下斷裂。
最終,Xenecore設計了一種單體扇形葉片,稱為Fanturbine,由頂部和底部表皮組成,表面覆蓋有Xenecore熱塑性微球。這些外皮用被稱為工字鋼的肋骨加固。該設計是仿生的,因為肋從中心點呈扇形,很像棕櫚葉上的葉子。
Xenecore受到棕櫚葉的力量和紋理的啟發(fā),開發(fā)了從中心向外扇動的肋結(jié)構(gòu)
葉片采用一步壓縮成型工藝制造,使用高模量碳纖維和環(huán)氧樹脂以最大限度地提高強度和穩(wěn)定性,并以盡可能輕的重量抵抗高風荷載。一體式單體設計還旨在最大限度地提高穩(wěn)定性,并在理論上延長葉片的壽命,因為沒有接縫或粘合劑會隨著時間的推移而損壞或疲勞。目前,這些葉片的第一個版本相對較小,尺寸為3×3英尺,目標是擴大到更大的尺寸,以與傳統(tǒng)的風力葉片競爭。
為了生產(chǎn)好每一個葉片,將切割好的碳纖維織物放入鋁制頂部和底部模具中,并將多層Xenecore薄膜紙放置在每個皮層的頂部。模具閉合,在高溫和高壓下,微球膨脹成與皮層結(jié)合的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)泡沫。該工藝生產(chǎn)出一個單一的、無縫的、無粘合劑的、I型梁自由活動的單體零件。
Xenecore的渦輪機設計包括每個渦輪機上的四個風扇葉片,覆蓋了約80%的可用表面積。風推動葉片,使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),從而在渦輪機中產(chǎn)生能量。根據(jù)已故巴西利亞大學航空教授Paulo Abdala博士2021年的一份白皮書,發(fā)電量在很大程度上取決于風速。扁平扇形葉片的堅固性有助于在葉片兩側(cè)產(chǎn)生陡峭的壓差,這會增加風速和發(fā)電量。
根據(jù)Xenecore的模擬,在理想條件下,風機理論上可以達到最大98%的風能捕獲。此外,該葉片的設計可以承受颶風級的風,在模擬中,它被證明可以承受高達每小時376英里的風速,遠遠高于颶風的最高速度。Choe表示:這些葉片可以在不改變現(xiàn)有基礎設施的情況下在現(xiàn)有渦輪機上運行。
未來的發(fā)展?jié)摿?/strong>
2022年,Xenecore開始生產(chǎn)3×3英尺葉片的5千瓦小型渦輪機,并將其銷售給南美的分銷商,并在全球范圍內(nèi)在線銷售。Choe解釋說,這些小型系統(tǒng)旨在取代用于住宅和企業(yè)的功率相似的太陽能電池板,提供同等的功率,但它們的性能要好得多,運行成本低三倍。
經(jīng)過測試,這些葉片發(fā)電量是類似尺寸的傳統(tǒng)風電葉片的七倍。Xenecore測試過的最大系統(tǒng)是一臺100千瓦的渦輪機,葉片寬11英尺。它有一個兆瓦級別版本在設計中。
Choe表示,在不久的將來,人們對更大的Fanturbine葉片很感興趣,并指出這項技術(shù)有可能改裝法國通用電氣GE目前最大的Haliade X渦輪機,這可以將其容量增加100倍,從14兆瓦增加到1.4千兆瓦。
目前,該公司正在尋找投資者和合作伙伴,以幫助將該技術(shù)推向下一階段。為了證明這項技術(shù),Xenecore下一步的目標是在改造退役的風力渦輪機塔架上建造并安裝一臺1兆瓦的渦輪機。
來源:碳纖維及其復合材料技術(shù)