由于風(fēng)能行業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)塑料可能會迎來一個(gè)巨大的新興市場。
復(fù)合材料已經(jīng)成為這個(gè)蓬勃發(fā)展的新興行業(yè)的關(guān)鍵推動者，它們可以制成風(fēng)力渦輪機(jī)葉片、機(jī)艙和各種較小的部件，但是尚有一個(gè)頗有希望的領(lǐng)域它們還沒有完全滲透，那就是塔架、底座和過渡連接件（使渦輪機(jī)“高豎在那里”）， 迄今為止過渡件幾乎都是用鐵和混凝土制成的。
這些無處不在的材料存在一個(gè)問題，那就是它們太重了。隨著塔架越來越高，幾兆瓦的風(fēng)機(jī)所配備的葉片越來越長，而海上風(fēng)機(jī)需要安裝在更深的水位之下，因此風(fēng)場基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)所需的元件就變得過于笨重了，難以運(yùn)輸和架設(shè)。這對于復(fù)合材料來說是一個(gè)新的機(jī)會，它們可以制成更輕、更易于控制的結(jié)構(gòu)。目前，轉(zhuǎn)子葉片可能是復(fù)合材料行業(yè)關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域，但看起來吸引力較小的塔架和底座行業(yè)所帶來的機(jī)會不應(yīng)該被忽視。
遺憾的是，雖然復(fù)合材料塔架已經(jīng)成為許多研究項(xiàng)目和論文的主題，但迄今卻很少有人生產(chǎn)。事實(shí)上，PPG 工業(yè)公司指出，一個(gè)65 英尺（20 米）高的風(fēng)力渦輪機(jī)的原型在去年5 月被安裝在美國緬因州的Penobscot 河中，這在上是例。
PPG 玻纖業(yè)務(wù)總經(jīng)理Kevin McDonald 說， 這臺名為VolturnUS 1.8 的風(fēng)機(jī)是6MW 的VolturnUS 浮式風(fēng)機(jī)的原型，大小只有后者的八分之一， 其目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楹Ｉ习l(fā)電。完整尺寸的風(fēng)機(jī)將配備423 英尺（129 米） 直徑的轉(zhuǎn)子葉片，支撐它的玻纖復(fù)合材料塔架將高達(dá)270 英尺（82 米）。Volturn 項(xiàng)目的目標(biāo)是降低海上風(fēng)能的成本，該項(xiàng)目的主要推動者是緬因大學(xué)（University of Maine）， 該大學(xué)的結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中心（Structures and Composites Centre） 正在進(jìn)行技術(shù)的改進(jìn)，包括用于塔架和底座結(jié)構(gòu)的牢固、輕量、耐腐蝕的復(fù)合材料。通過與DeepCwind 行業(yè)聯(lián)盟的合作，緬因大學(xué)希望終可以在距離海岸14 英里（22 公里）的海上安裝4 臺3MW 的“浮式風(fēng)機(jī)”。每臺裝置將包括一個(gè)帶有3 根支柱的混凝土和復(fù)合材料浮動平臺，支撐著安裝在中心的風(fēng)機(jī)。
八分之一大小的原型塔架由Ershigs 公司制造，該公司在FRP 管道、儲罐和大型圓柱結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)領(lǐng)域擁有幾十年的經(jīng)驗(yàn)，并積極地將其所積累的專業(yè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到風(fēng)能行業(yè)。Ershigs 提供完整的交鑰匙解決方案，從工程設(shè)計(jì)到制造直到塔架的現(xiàn)場架設(shè)。
Ershigs 的塔架制造概念是先制造出方便運(yùn)輸?shù)哪K，然后到現(xiàn)場再組裝在一起。每個(gè)模塊目前都是采用一臺26 英尺（8 米）×45 英尺（13.7 米） 的水平纏繞機(jī)制成的，它通過將多根纖維長絲纏繞到一個(gè)大的旋轉(zhuǎn)芯軸上來進(jìn)行生產(chǎn)。
每個(gè)模塊的頂部直徑都比底部小。這有兩個(gè)原因：先它在模塊成型之后， 可以脫出芯軸；其次，如果一個(gè)塔架的所有模塊連接在一起的，后會形成一個(gè)優(yōu)雅的錐形。
緬因州的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)以及PPG 和Ershigs 公司都很清楚復(fù)合材料在風(fēng)機(jī)領(lǐng)域具有的重大優(yōu)勢，無論是陸上還是海上風(fēng)機(jī)。如果可以通過材料、纖維排列和制造技術(shù)的選擇隨時(shí)隨地優(yōu)化結(jié)構(gòu)的性能，就可以預(yù)測負(fù)荷，無論是靜態(tài)、動態(tài)還是周期性的，那么預(yù)期的負(fù)荷就可以調(diào)節(jié)并顯著減輕重量。與金屬相比， 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下發(fā)生疲勞失效的可能性更小，它們不會腐蝕， 即使是在對鋼材都會造成腐蝕的惡劣海洋環(huán)境下亦如此。因此，它們更耐用。
成本也不會是缺點(diǎn)， 雖然有時(shí)被認(rèn)為是缺點(diǎn)。幾年前， 一家名叫WindTower Composites 的公司估計(jì)， 對于一個(gè)擁有25 架風(fēng)機(jī)的風(fēng)場，其所用復(fù)合材料塔架的成本比鋼質(zhì)塔架低28%。雖然單位重量的成本較高，但是較低的總重量以及因此而減少的運(yùn)輸和安裝成本，使得復(fù)合材料塔架在經(jīng)濟(jì)上也更具競爭力。
在另一個(gè)研究項(xiàng)目中，Ershig 也是牽頭人， 項(xiàng)目成員包括另一家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)—— 俄亥俄州Dayton 大學(xué)研究院（UDRI）。其他成員還包括位于Dayton 的Edison 材料技術(shù)中心、WebCore Technologies 公司、歐文斯科寧公司和亞什蘭高性能材料。
三年前，在宣布政府將為該項(xiàng)目提供27 萬美元的財(cái)政支持時(shí)，UDRI Multi-Scale Composites and Polymers 部門的負(fù)責(zé)人Brian Rice 說過：“風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架必須足夠堅(jiān)固，它不僅要承受風(fēng)機(jī)的重量——可能重達(dá)100 噸，還要能夠抵抗由于旋轉(zhuǎn)設(shè)備的壓力而導(dǎo)致的壓曲力。為了適應(yīng)這種重量和壓力， 需要分段預(yù)制鋼質(zhì)支柱，每段的直徑達(dá)14 英尺（4.2 米）、長達(dá)70 英尺（21.3 米），然后用貨車將它們單獨(dú)運(yùn)送到現(xiàn)場后再組裝到一起，并安裝在混凝土底座上。如果增加塔架的高度，就要相應(yīng)地增大直徑，這就意味著下一代的風(fēng)力渦輪機(jī)所采用的塔架將會過于龐大，而無法通過高速公路運(yùn)輸，即使是分段也不可能。”
很顯然，Rice 那時(shí)已經(jīng)有打算在陸上風(fēng)場安裝復(fù)合材料塔架，并建議復(fù)合材料塔架部分可以采用運(yùn)送到現(xiàn)場的原材料就地生產(chǎn)，還可以使用當(dāng)?shù)氐膭趧恿?。他認(rèn)為這一方法對于比較偏遠(yuǎn)的以及位于山區(qū)的風(fēng)場尤其有用，因?yàn)槟抢镫m然風(fēng)力資源豐富但貨車很難駛?cè)牖蛘吒静豢赡?。對于海上風(fēng)機(jī)，模塊化制造技術(shù)將會更受歡迎，模塊的物流比整個(gè)塔架的運(yùn)輸要容易的多。此外，Rice 還預(yù)見到，100 米高的復(fù)合材料塔架不僅有可能成為現(xiàn)實(shí)也很有市場。
大型風(fēng)機(jī)
在千禧年之初的幾年，一項(xiàng)名為European Megawind 的項(xiàng)目在歐洲建造了一個(gè)40 米高的復(fù)合材料塔架。項(xiàng)目參與者提出了一種現(xiàn)場生產(chǎn)塔架的概念，以復(fù)合材料夾芯材料作為外殼環(huán)繞在混凝土或其他芯材外面。
作為歐盟第五框架研究項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目的一個(gè)關(guān)鍵要求是將該塔架的設(shè)計(jì)、工藝和制造緊密整合起來。設(shè)計(jì)所采用的工具是先進(jìn)的，并經(jīng)過復(fù)雜地形條件的檢驗(yàn)。項(xiàng)目重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了層壓工藝的優(yōu)化以及要保證不同塔架元件的正確連接。工程設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采用數(shù)字模擬方法來檢驗(yàn)塔架的動力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)性能。在終的結(jié)構(gòu)得到認(rèn)可之前，主要的子配件都經(jīng)過了徹底的檢測。這個(gè)新型塔架是專門為歐洲南部一座高速風(fēng)場1.3MW 的渦輪機(jī)而創(chuàng)造的，隨后塔架本身也經(jīng)過了大量的靜態(tài)和動態(tài)測試。
項(xiàng)目結(jié)束后的一份報(bào)告申明，雖然對于標(biāo)準(zhǔn)架設(shè)場地來說，標(biāo)準(zhǔn)的鋼筋混凝土塔架更具有價(jià)格競爭力，但是在偏遠(yuǎn)地區(qū)或者深度超過10 米的水下，情況往往不同。報(bào)告指出，先進(jìn)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不僅可以降低運(yùn)輸和架設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)上部結(jié)構(gòu)的成本，還可以降低維護(hù)成本，同時(shí)還可以延長風(fēng)機(jī)的使用壽命， 增加可商業(yè)化運(yùn)行的風(fēng)場數(shù)量，因此復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的壽命周期成本更低。這包括位于山地和其他復(fù)雜的地形上以及海上的風(fēng)場。對于海上風(fēng)場，纖維增強(qiáng)塑料在鹽水中表現(xiàn)出來的化學(xué)惰性是一個(gè)額外的優(yōu)勢。
牽索復(fù)合材料
在英國，劍橋大學(xué)的一項(xiàng)研究表明， 如果采用一種新型的風(fēng)機(jī)安裝設(shè)施，就能源回報(bào)來說，海上風(fēng)場的效率可以達(dá)到現(xiàn)有效率的兩倍。
劍橋大學(xué)制造學(xué)會（Institute for Manufacturing）的Jim Platts 認(rèn)為，如果風(fēng)機(jī)制造商建造輕量的復(fù)合材料塔架， 并用鋼繩牽索它們，以提供額外的制成， 他們就可以將回報(bào)時(shí)間縮短一半。他解釋了其中的原理：“我們急需降低海上風(fēng)機(jī)所耗費(fèi)的能量水平，這不僅降低了能源回報(bào)速度也提高了成本。如果我們能夠在塔架以及底座的制造和安裝工藝的創(chuàng)新方面加大投資，這會變得相當(dāng)容易。”
這項(xiàng)研究表明，對于標(biāo)準(zhǔn)的陸上風(fēng)機(jī)來說，用于制造和安裝的能量中有三分之一是被塔架和底座消耗掉的。對于海上風(fēng)機(jī)，需要的塔架更高更重，需要的底座也更巨大，所用鋼材和混凝土的量可達(dá)到陸上風(fēng)機(jī)的四倍。鋼材和混凝土的生產(chǎn)過程所消耗的能量都是很高的，因此，海上飛機(jī)的能源收獲率（風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的能量與安裝所消耗的能量之間的比例）從陸上風(fēng)機(jī)的40:1 直降至15:1。此外，鋼材容易腐蝕和老化?？傊?， 是不是另一種材料系統(tǒng)更優(yōu)越？ Platts 的答案是yes。
他補(bǔ)充說：“我們可以將復(fù)合材料用于塔架，正如我們用它來生產(chǎn)葉片一樣。這些材料比鋼材更輕、更堅(jiān)固、耐腐蝕、更具彈力。用鋼繩牽索住塔架， 用螺旋錨將其固定在海床，這使得塔架更修長，因?yàn)橄駧づ褚粯颖粻克鞯男螤羁梢愿斓膶⒇?fù)荷分散出去。同樣的， 它所需要的底座也輕得多。”
這項(xiàng)研究的結(jié)論是，鋼材和混凝土需求量的減少可以將收獲率提高到32:1。此外，Platts 說，風(fēng)機(jī)的服務(wù)壽命可以從目前的20 年延長至60 年。他補(bǔ)充了一個(gè)基本觀點(diǎn)：“風(fēng)機(jī)制造商促進(jìn)了復(fù)合材料的發(fā)展，即使用航空航天用復(fù)合材料5％的成本制成了擁有其95% 性能的復(fù)合材料。因此，風(fēng)能行業(yè)所用復(fù)合材料的量已經(jīng)達(dá)到汽車和航空航天業(yè)總和的十倍以上?，F(xiàn)在他們有機(jī)會發(fā)揮更大的作用。”
現(xiàn)在已經(jīng)有一些實(shí)驗(yàn)性的成果。例如，據(jù)報(bào)道，芬蘭的Mervento 公司針對波羅的海研制了一種牽索式風(fēng)機(jī)。目前土木工程行業(yè)只采用經(jīng)過驗(yàn)證的并被熟知的材料，如果他們可以克服這種保守思想，那么復(fù)合材料行業(yè)將會取得更多進(jìn)展。例如，對于深水“浮動式風(fēng)機(jī)”，復(fù)合材料塔架可以減小支撐水上結(jié)構(gòu)所需的浮力，從而節(jié)約成本。FORWARD 項(xiàng)目提出在福島風(fēng)場采用半潛式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，實(shí)際上無論是半潛式還是繩索拉住的水下風(fēng)機(jī)， 復(fù)合材料都可以減輕重量，降低物流難度和成本。
復(fù)合材料在土木工程建筑領(lǐng)域的應(yīng)用也有很多實(shí)例。例如，采用纖維纏繞技術(shù)加固混凝土柱，可以顯著降低特定結(jié)構(gòu)的混凝土/ 水泥的需求量。或者，它還可以通過中期的結(jié)構(gòu)升級來延長使用壽命。越來越多的土木工程師開始重視工程復(fù)合材料所具有的優(yōu)勢—— 輕量（150-900g/sqm）、低輪廓厚度、高E 模量（特別是碳纖維增強(qiáng)塑料）、優(yōu)異的疲勞性能、高比強(qiáng)度以及耐腐蝕性。
進(jìn)展
未來的創(chuàng)新型風(fēng)能轉(zhuǎn)換器也將受益于增強(qiáng)塑料，特別是具有復(fù)雜的形狀或其他新奇特點(diǎn)的產(chǎn)品。這里有兩個(gè)例子：Shee-wind 公司提出的Invelox 概念和商人James Greeson 提出的一種復(fù)合材料混合設(shè)備。
Invelox 利用定向風(fēng)捕獲系統(tǒng)和文丘里效應(yīng)將風(fēng)集中起來并加速，從而增大管道中的渦輪機(jī)所受的沖擊力。該系統(tǒng)在概念上類似于一個(gè)大型的垂直收集漏斗，連接著一個(gè)錐形管，錐形管中包含文丘里管和渦輪機(jī)。它具有復(fù)雜的曲率，因此需要一種基于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的解決方案。
Invelox 的創(chuàng)始者說，從塔頂（漏斗）將氣流吹至地面可以產(chǎn)生更多的電能，而所用的渦輪葉片短得多。該裝置中的葉片長度比傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)塔架短50%，采用的葉片比傳統(tǒng)陸上風(fēng)機(jī)葉片小84%。Sheerwind 公司稱，該系統(tǒng)可以從低至2mph 的風(fēng)速中獲得能量， 而且因?yàn)樵O(shè)備更小，它適用于更廣泛的地域范圍內(nèi)，對環(huán)境的影響小。它可以用于公共風(fēng)場或微型發(fā)電設(shè)備。如果條件合適，可以將多個(gè)漏斗通向單一的發(fā)電機(jī)。在原型上所進(jìn)行的測試據(jù)報(bào)道已經(jīng)超出了預(yù)期。
同時(shí)，身在美國喬治亞州的商人James Greeson 針對風(fēng)力的間歇性問題提出了一個(gè)有趣的解決方式。他的中心思想是，圓柱形的風(fēng)力渦輪機(jī)塔也是一個(gè)水塔，在風(fēng)能的高峰時(shí)段，多余的電力無法輸入電網(wǎng)，那么這部分電力就會驅(qū)動水泵將水注入水塔。反之，當(dāng)風(fēng)太輕無法發(fā)電時(shí)，水在重力作用下會自行流入設(shè)備底部的水力發(fā)電機(jī)。這臺發(fā)電機(jī)能夠以“反轉(zhuǎn)”模式運(yùn)轉(zhuǎn)，作為一臺電機(jī)來驅(qū)動水泵。
這種組合式的風(fēng)機(jī)/ 抽水蓄能解決方案目標(biāo)是使得風(fēng)電的并網(wǎng)變得順暢。
這一概念的成功要依賴于復(fù)合材料。Greeson 在所提交的“創(chuàng)造未來（Create the Future）獎”的資料中這樣說道：“傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)塔架和水箱是由鋼材或其他金屬制成的。上有些地方，風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率很高， 但卻很少有能力工業(yè)化生產(chǎn)大型的鋼質(zhì)組件，而且它們的運(yùn)輸和安裝是非常昂貴或困難的?？尚械姆桨甘菍⒛K化的夾具和鋪設(shè)機(jī)械以及樹脂和復(fù)合材料運(yùn)送到偏遠(yuǎn)地區(qū)，然后進(jìn)行塔架結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)?？梢酝ㄟ^建造一個(gè)尺寸足夠大的已經(jīng)存在的建筑，或制造一個(gè)臨時(shí)的預(yù)制結(jié)構(gòu)來適應(yīng)生產(chǎn)。這種方法為這種地區(qū)提供了以往少有的工作崗位、收入和新技能。”
總的來說，工程復(fù)合材料的低重量和高性能再加上現(xiàn)場制造和組裝的寶貴能力，使它們成為了風(fēng)力渦輪機(jī)塔架和底座夢寐以求的材料。無論風(fēng)能行業(yè)是否將繼續(xù)依賴于盛行的“丹麥模式“的風(fēng)力渦輪機(jī)或?qū)⒉扇∫恍└呶磥硖卣鞯臇|西，毋庸置疑的是，復(fù)合材料仍然擁有大量尚未開發(fā)出來的潛能，足以引領(lǐng)風(fēng)能行業(yè)的變革。
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