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CWPC2024:北京石墨烯研究院有限公司項目經理蘇宏宇發表《蒙烯玻纖在風電葉片防除冰應用的探索》的演講

2024-04-28 瀏覽數:125

各位專家領導,大家中午好!我們開發一款蒙烯玻纖材料,嘗試從材料端提供一個新的解決方案的思路。報告分為4個部分:

各位專家領導,大家中午好!

我們開發一款蒙烯玻纖材料,嘗試從材料端提供一個新的解決方案的思路。報告分為4個部分:葉片結冰機理、主要防/除冰方案比較、石墨烯方案介紹、公司及團隊介紹。

葉片結冰帶來的危害,這個大家比較熟悉了,我不過多介紹了。結冰機理,風電機組葉片覆冰產生的基本氣象條件 :環境溫度低于0℃、葉片表面低于5℃、空氣濕度在85%以上。

覆冰類型及分類:雨凇、霧凇和混合凇三種類型。葉片表面存在較多的污漬、前緣腐蝕、 葉片粗糙度過大等問題,也會導致葉片出現覆冰的問題。

(圖示)這是雨凇形成過程,非???。

(圖示)凍雨形成的機理,冷暖氣管交鋒,在空氣中交匯,高層的冰晶在中層的暖濕發生了融化,然后再到低層的冷層再次發生凍結所形成的凍雨。統計數據來看山區主要是暖雨機制,平原是融化機制。

(圖示)圖中地方是我們收集到葉片結冰比較集中的區域,和剛才我們看到的凍雨形成的地方接近。江西、湖南、貴州三地的風場,以及在陜西和山西部分受微地形影響的一些風場。我們總結葉片結冰會受到諸多因素影響,除冰已經發展十幾年,如果算上飛行器除冰已經有幾十年發展歷史。

葉片除冰主要分為主動和被動,我們現在水平軸風機葉片采用的葉片和飛行器機翼原理相通的。葉片除冰主動有人工除冰、機械除冰、加熱除冰;被動有疏水涂料、葉片微觀結構、黑色吸熱涂層。電加熱材料:碳纖維、加熱膜、蒙烯纖維、談納米管模、碳氈。

電熱材料面臨的問題:防雷的問題,電加熱材料一定會改變葉片電荷分布,如何解決防雷的問題。細分來說就是:不破壞葉片現有防雷體系;對于直擊雷和感應雷分別有保護措施;降低引雷概率;雷擊后易于修復;二是減少對葉片氣動外形的影響:材料輕薄,減少對氣動外形影響;材料柔性可彎折;三是加熱材料與葉片復材成型工藝的兼容問題:不改變葉片力學性能;孔隙率高,樹脂滲透及浸潤性好;克重輕,樹脂用量少。

介紹我們石墨烯方案,給大家除冰提供一個思路。石墨烯是2004年被證明是真實存在的,作為新興戰略材料,截至2020年底,我國共出臺445條相關政策支持石墨烯產業發展。包括《中國制造2025重點領域技術路線圖》、《重點新材料首批次應用示范指導目錄(2018年版)》等,其中國家層面42條,各地方政府403條,主要涉及江蘇、山東、浙江、福建、黑龍江、廣東等30個省市。

它是最好的導熱材料,柔性、透明、穩定,最好的導電材料,強度、最堅硬的材料,200倍于鋼 (130GPa),楊氏模量 1TPa,比金剛石還硬,最薄、最輕的材料。它是原子級別的材料,我們需要找到一個載體與它結合,才能應用到工程應用上。我們首創光滑玻璃上進行石墨烯的生長和承接;二是在單根玻璃纖維絲束上進行石墨烯的生長;三是在編織好的玻璃纖維織物上進行石墨烯的生長和沉積。

石墨烯玻纖材料特性:輕質柔性,單片石墨烯玻纖織物厚度小于0.2mm,柔性可彎折,曲率半徑5mm,彎折次數可達100次無衰減,可用于異形構件。電磁屏蔽,暫時用不到,就不展開。導電性,賦予了玻璃纖維導電性能,可實現方阻50-5000自由調控。導熱性,改善玻璃纖維導熱性,通電后可以遠紅外輻射方式發熱,石墨烯可大幅度提升電熱紅外輻射性能。極限溫度高,升溫速率快。有些朋友擔心每秒100度太快了,不用擔心,這是設計時可控的,可以讓它不用升溫那么快,這是特殊應用場合才會用到。

(圖示)部分石墨烯玻璃纖維材料性能數據,復材實測為93.6%,銅的話在60%左右。

(圖示)這是石墨烯CVD生長工藝,右邊藍色是玻璃界面,在上面重合、生長,最后長成一整張聯網網狀的石墨烯棉?,F在市面上石墨烯很多,我們和傳統導電輔材有什么不一樣呢,傳統的導電輔材通過導電劑添加或者堆料,隨機形成的導電網絡。從A到D導電物質持續增加,添加到C時會隨機形成一條導電網絡,我用紅線箭頭標注出來了。其實這個箭頭是隨機的,而且極不穩定。這是一個碳管,如果位置發生偏移的話,這個導電回路就失效了。石墨烯玻纖有什么呢?我們是先有了玻纖織物形成的網絡,在網絡上生長石墨烯形成電路,我們的導電網絡是穩定的,可以去定制的,這是它非常大的特點。

還有朋友擔心孔吸率會不會堵住,不用擔心,我們通過掃描電鏡放大到1萬倍,石墨烯包裹率非常好,孔吸率也得到極大保障。我們在宏觀層面上空間來講的話,對它是極其宏大,不會影響到它的孔吸率及生長。其他材料放大8千倍時已經慘不忍睹了,斷面處極易發生剝離,剝離之后就容易影響它的性能。

(圖示)這是我們實測的電阻均勻性及穩定性,幾乎與測量儀器相當。

同樣只有織物還是不行,可以看到一小塊石墨烯織物就和燒杯差不多大的一塊,快速在十幾秒、技術秒時間把水進行燒開。同時我們開發了多種電極,它不會發生斷裂。我們拿蒙烯玻纖和碳纖維做了對比,因為現在碳纖維應用也比較多,前面提到蒙烯玻纖采用的是先有網絡再鋪電路的方案,所以我們是面加熱的狀態。蒙烯玻纖紅外的實拍圖可以看到非常均勻,中間下方是碳纖維紅外實拍圖,碳纖維的絲束非常清晰,所以碳纖維是線加熱、石墨烯是面加熱的狀態。

總結來說,蒙烯玻纖有哪些特性:和葉片的成型工藝兼容性更好,葉片用環氧樹脂,孔吸率很高,我們封測時樹脂用量比較少,浸潤率比較高。施工工藝更簡單。溫度均勻性更好??刂品奖???啥ㄖ乒β拭芏?,實現分區控制和溫度精確控制。升溫更快。電熱轉換效率更高(>90%),這是蒙烯玻纖材料的優勢。

我們在湖南有一臺樣機,采用分區多塊并聯布局,這么布局的好處是什么呢?凸顯材料的優勢。分區布局,可以從葉尖往葉根方向,制作不同功率密度的加熱材料,其他材料實現不了,只有我們能實現,所以這么來設計。二是減少風險,萬一中間是某一個回路發生損傷,不管什么原因的損傷,其他幾個回路還可以獨立工作。

(圖示)我們做了低溫環境測試,從零下5度、零下10度、零下30度的升溫實驗,大家可以看一下從零下5度升到0度是1分鐘,零下10度升下來10.5分鐘,零下20度上來5分鐘,零下30度升到0度是15分鐘。因為做低溫環境測試時結的冰層比較薄,曲線里大家看不到潛熱的時間段,因為冰層很薄。同時我們也做了非常多雷擊測試,我們在春節前1月底、2月初時做的測試來看,蒙烯玻纖對雷電測試和碳纖維有極大的不同,所以我們對這個產品非常有信心。我們用的100克重的玻纖基材,整個材料也是非常輕的。

(圖示)這是我們鋪設的蒙烯玻纖,分塊布局,中間是斷開的,做好之后利用紅外測溫去量了加熱的情況。我12月底去到現場采用紅外線無人機拍攝,我們常用的PS/SS兩面布局,可以看到非常漂亮,經歷了近一年的運行,石墨烯材料表現還是非常優異。

最后,介紹一下我們公司和團隊的情況。北京石墨烯研究院和北京大學石墨烯產業技術研究院,以及北京石墨烯研究院有限公司,我們是三塊牌子協同創新的狀態。北京大學石墨烯產業技術研究院是做技術研發,北京石墨烯研究院有限公司是負責產業落地,是這樣“三位一體”的結構。三角形最穩定,所以我們是這樣的結構。核心團隊,我們有2位中科院的院士,學術帶頭人帶領大概300多人的研發隊伍,技術實力還是有一些的。

我們都知道材料在實驗室做的可能會很好,如果放到產線上來說會受到很多條件的制約,尤其是裝備,裝備不好的話材料設計再好也做不出來,所以我們裝備也是自己設計、自己來做的,這是我們目前在用的生產裝備、預處理裝備,以及第三代的生產裝備,這些裝備我們也是得了很多專利。石墨烯是一個新型材料,有非常多應用,除了目前我們正在探索的葉片除冰方向,在傳感器的防除冰,以及機組需要加熱溫度補償的地方,包括電池需要電磁屏蔽方向,乃至散熱、熱管理方向,都可以值得探索。

我們每年10月份會在北京舉辦一個國際性的石墨烯論壇,去年的論壇我們邀請了十多位院士,以及石墨烯諾獎的得主。石墨烯諾獎得主來到現場,大家做一些學術交流。這是現場實景照片,主會場有1000多人到了現場,網絡上有大幾十萬的觀眾在線觀看。同時在會場我們與華能集團清潔能源技術研究院掛牌了聯合創新實驗室,我們就風機葉片除冰方向合作課題進行研究,進行研發。同時還舉辦了風電葉片除冰的分論壇,邀請行業內的專家和領導到現場專家進行交流。如果大家對石墨烯材料感興趣,或者對除冰感興趣的,歡迎今年參與這些活動,到達現場與我們一起討論、一起交流。

謝謝大家!


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