مقدمه: مرز بعدی در مواد انرژی باد

انرژی باد تبدیل به سنگ بنای انتقال جهانی به انرژی تجدید پذیر، با نصب توربین [[ویرایش] در سراسر مناطق ساحلی و خارج از کشور ضرب و شتم است، با این حال صنعت با یک چالش مداوم مواجه شده است: تیغه هایی که انرژی باد را جذب می کنند، به بارهای مکانیکی شدید، تخریب محیط زیست و خستگی بیش از دهه ها از عملیات کامپوزیت های سنتی، به طور معمول شیشه یا پلیمر های تقویت شده کربن، به عملکرد صفحاتو رسیده اند [F] [0]؛ این است که پایداری کربن تک برابر است.

این مقاله بررسی می کند که چگونه گرافن در کامپوزیت های تیغه توربین بادی، مکانیسم های پشت قدرت و مزایای طول عمر خود، و پیامدهای زیست محیطی گسترده تر از اتخاذ این نانومواد در مقیاس یکپارچه شده است.

گرافن چیست؟ یک علم ماده

گرافن شامل اتم های کربن است که در یک شبکه دو بعدی Hexagonal قرار دارند، و آن را مواد نازک می دانند - اما یکی از قوی ترین. A متر مربع گرافن، تنها یک اتم ضخامت، می تواند وزن یک کیلوگرم را پشتیبانی کند: قدرت کششی آن بیش از فولاد بیش از 100 بار، در حالی که چگالی آن بسیار پایین است، گرافن یک رسانا عالی و مایع است (تقریباً غیر قابل اشتعال است.

این خواص از پیوندهای قوی اسپ 2 بین اتم های کربن و ساختار کریستالی بدون نقص مواد هنگامی که به درستی تولید می شود، بوجود می آیند. برای تیغه توربین بادی، ویژگی های مربوطه تقویت مکانیکی، عملکرد مانع و مدیریت حرارتی است.

چگونه گرافن برای استفاده کامپوزیت تهیه می شود

گرافن برای کاربردهای صنعتی به طور معمول از طریق رسوب بخار شیمیایی (CVD)، لایه برداری گرافیت یا کاهش اکسید گرافن تولید کامپوزیت، نانوپلکس گرافن (GNPs) یا چند لایه گرافن گرافن به رزین های تقویت کننده پلیمر (epoxy، پلی استر) که ماتریس ترکیب کامپوزیت فیبر-دروفرود را تشکیل می دهند، گسترش می یابد.

قابلیت سازگاری با گرافن: مکانیسم ها و متریک ها

تیغه های توربین بادی با یک محیط سخت عملیاتی مواجه می شوند: خم کردن چرخ های چرخۀ از باد، اشعه ماوراء بنفش (UV)، نوسانات دما، فرسایش باران و اسپری نمک در مکان های دریایی بیش از یک عمر 20 +، این عوامل باعث میکروکتر، توهم و از دست دادن سفت و سخت می شود. گرافن به طور همزمان چندین حالت شکست را به طور همزمان می دهد.

افزایش قدرت کشش و Flexural

هنگامی که کک های گرافن در ماتریس اپوکسی جاسازی می شوند، آنها به عنوان نانو عمل می کنند (تحریم هایی که پل را ترک می کنند و مانع از انتشار آنها می شوند) مطالعات نشان داده اند که اضافه کردن به اندازه 0.1 تا 71 درصد با وزن گرافن می تواند قدرت کششی کامپوزیت های اپوکسی را تا 20 تا 40 درصد افزایش دهد و روش های flexural توسط 25-50٪ ([F0] مقایسه: Aos می تواند به اوج یا افزایش سرعت تولید سریع تر باشد.

خستگی زندگی

شکست خستگی نگرانی اصلی برای چرخش تیغه ها است. توانایی گرافن برای جلوگیری از شروع ترک و رشد آهسته کرک تحت بارگذاری چرخه در مطالعات متعدد نشان داده شده است. منطقه سطح بالا گرافن باعث ایجاد چسبندگی قوی بین رشته ای با پلیمر، جذب انرژی در مقیاس نانو. بهبود زندگی خستگی 100-300٪ گزارش شده است در جایگزین فیبر / لمینت با کاهش سرعت کمتر و کاهش این تیغه.

خوردگی و مقاومت زیست محیطی

عدم توانایی گرافن به آب، اکسیژن و یون ها آن را یک لایه سد عالی می کند.پوشش تیغه های توربین بادی با رنگ های گرافن-ننس یا ترکیب گرافن به پالت بالا می تواند به شدت رطوبت را در تهاجمی و خوردگی بعدی اجزای فلزی داخلی کاهش دهد. علاوه بر این، گرافن می تواند حتی گرما را از بین ببرد، کاهش استرس حرارتی از نور خورشید نیز آنزیم مانع از مسدود کردن پلیمر زرد و جلوگیری از جذب شدن آن می شود.

رعد و برق اعتصاب حفاظت

تیغه های توربین بادی اغلب توسط رعد و برق بالا گرافن ضربه زده می شوند، هدایت الکتریکی بالا گرافن یک مسیر برای تخلیه هزینه های الکتریکی بدون اضافه کردن مش های مس سنگین یا انجام فیبرها را ارائه می دهد. کامپوزیت های گرافن می توانند به عنوان محافظت از رعد و برق جدایی ناپذیر، کاهش وزن و بهبود ایمنی عمل کنند.این قابلیت های دوگانه (ساختار + الکتریکی) یک مزیت منحصر به فرد در مورد مواد افزودنی های سنتی است.

مزایای پایداری: از مواد به چرخه زندگی

پایداری در انرژی باد تنها در مورد تولید برق تمیز نیست – همچنین به مواد و فرآیندهای مورد استفاده برای ساخت توربین ها مربوط می شود. گرافن در ابعاد مختلف به پایداری کمک می کند.

دانلود بازی جدید Blade Lifespan باعث کاهش ضایعات می شود

تیغه های توربین بادی فعلی حدود 20 سال عمر طراحی دارند، پس از آن، بسیاری از تیغه ها به دلیل سختی کامپوزیت های فایبرگلاس بازیافت، به دلیل سختی کامپوزیت های فایبرگلاس، جوشیده گرافن با افزایش مقاومت خستگی، می توانند زندگی خدمات را تا 30 سال یا بیشتر گسترش دهند، به تعویق انداختن و کاهش حجم از جایگزین های کامپوزیت.

طراحی سبک و کارایی انرژی

از آنجا که گرافن اجازه می دهد تا برای نازک تر، لمینت های سبک تر بدون قربانی قدرت، وزن تیغه های تیغه کاهش یابد. تیغه های لایتر لحظه ای از بی تحرکی را کاهش می دهد، اجازه می دهد تا توربین ها شروع به تولید انرژی در سرعت های بادی پایین تر کنند.[۱] همچنین بارهای مکانیکی را در بلبرینگ ها، گیربکس های ساختاری و برج ها کاهش می دهند، به طور بالقوه عمر کل سیستم توربین را گسترش می دهند. A 10% کاهش وزن سالانه می تواند تولید انرژی را بهبود بخشد.

امکان پذیر بودن و انزوا

یکی از محدودیت های کامپوزیت گرافن این است که آنها هنوز هم بر اساس ترم تنظیم شده اند، با این حال، تحقیقات در حال انجام برای توسعه ترموپلاستی های گرافن-دررو شده است که می تواند دوباره بازسازی و اصلاح شود.انن در کامپوزیت های ترموپلاستی ممکن است در واقع بهبود فرایند بازیافت با حفظ خواص مکانیکی پس از پردازش مجدد، گرافن می تواند نظارت بهتر، اجازه دهد تا تخریب برای تعمیر و نگهداری و بازیابی.

تحلیل انرژی چرخه عمر

در حالی که تولید گرافن نیاز به انرژی دارد (به ویژه برای گرافن با کیفیت بالا)، انرژی تجسم شده با کاهش استفاده از مواد و عمر عملیاتی طولانی تر از تیغه ها جبران می شود. A 2022 ارزیابی چرخه عمر نشان داد که تیغه های گرافن-ننسد می تواند رد پای کربن گهواره به گرم کردن توربین بادی را تا 8 تا 12٪ در مقایسه با طرح های معمولی کاهش دهد.

تحقیقات فعلی و پیاده سازی های دنیای واقعی

چندین شرکت و شرکت تحقیقاتی، به طور فعال کامپوزیت گرافن را برای انرژی باد تجاری می کنند.

  • مواد / گرافن ترین: گسترش پراکندگی گرافن نانوپلولت برای پوشش تیغه و روکش های ساختاری.
  • [NanoXplore / Vestas: پروژه مشترک کاوش اپوکسی گرافن-ننسد برای کلاه های تیغه توربینی نشان می دهد 30٪ قدرت فشرده سازی بالاتر است.
  • دانشگاه بریستول / مرکز کامپوزیت ملی: تحقیقات در مورد رزین گرافن-دود برای حفاظت از اعتصاب رعد و برق، دستیابی به هدایت قابل مقایسه با مس مش با 5٪ از وزن.

چالش ها و چشم انداز آینده

علی رغم وعده، اتخاذ گسترده با موانع مواجه است.هزینه گرافن با کیفیت بالا، در حالی که کاهش، همچنان بالاتر از پرکننده های کربن معمولی است. پراکندگی همگن در مقیاس صنعتی هنوز یک چالش مهندسی است - انگلمرها می توانند به عنوان نقطه تمرکز تست و صدور گواهینامه برای کامپوزیت گرافن نیز فاقد، تایید تاخیر برای اجزای ایمنی بحرانی عمل می کنند.

با این حال، مسیر روشن است، زیرا هزینه های سنتز کاهش و کنترل فرآیند بهبود می یابد (به عنوان مثال، نظارت بر کیفیت در خط در طول مخلوط رزین)، تیغه های گرافن-درون تزریق شده به هزینه رقابتی تبدیل خواهد شد. 5 تا 10 سال آینده باید شاهد اجرای خلبان در مزارع باد تجاری، به ویژه برای توربین های بزرگ دریایی که در آن وزن و دوام بیشتر پرداخت می کنند.

مسیر های آینده

  • [FLT: 1] ترکیب گرافن با نانولوله های کربنی یا نانوسلولز برای اثرات هم افزایی.
  • تیغه های هوشمند: سنسورهای گرافن را برای نظارت بر سلامت ساختاری زمان واقعی، شناسایی آسیب قبل از شکست فاجعه بار.
  • گرافن مبتنی بر بیو: گرافتیزه کننده از منابع کربن تجدید پذیر (دیننین، بیوmass زباله) برای کاهش تاثیر زیست محیطی بیشتر.

نتیجه گیری: یک ماده برای نسل بعدی توربین ها

گرافن یک درمان معجزه آسا نیست، اما مسلماً مهم ترین نانوماده برای تأثیر بر مهندسی تیغه باد در دهه ها است.با هم زمان بهبود قدرت، زندگی خستگی، مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد الکتریکی، آن را قادر می سازد تا طولانی تر، سبک تر و با دوام تر است که به طور مستقیم از اهداف اقتصادی و زیست محیطی انرژی باد پشتیبانی می کند.

با تسریع تحقیقات و مقیاس های تولید، صنعت باد بر اساس یک انقلاب مواد استوار است. تیغه های فردا نه تنها از الیاف کربن و پلیمرها ساخته می شود؛ آنها توسط قوی ترین و نازک ترین مواد شناخته شده به علم تقویت می شوند.