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CWPC2024:北京石墨烯研究院有限公司项目经理苏宏宇发表《蒙烯玻纤在风电叶片防除冰应用的探索》的演讲

2024-04-28 浏览数:153

各位专家领导,大家中午好!我们开发一款蒙烯玻纤材料,尝试从材料端提供一个新的解决方案的思路。报告分为4个部分:

各位专家领导,大家中午好!

我们开发一款蒙烯玻纤材料,尝试从材料端提供一个新的解决方案的思路。报告分为4个部分:叶片结冰机理、主要防/除冰方案比较、石墨烯方案介绍、公司及团队介绍。

叶片结冰带来的危害,这个大家比较熟悉了,我不过多介绍了。结冰机理,风电机组叶片覆冰产生的基本气象条件 :环境温度低于0℃、叶片表面低于5℃、空气湿度在85%以上。

覆冰类型及分类:雨凇、雾凇和混合凇三种类型。叶片表面存在较多的污渍、前缘腐蚀、 叶片粗糙度过大等问题,也会导致叶片出现覆冰的问题。

(图示)这是雨凇形成过程,非常快。

(图示)冻雨形成的机理,冷暖气管交锋,在空气中交汇,高层的冰晶在中层的暖湿发生了融化,然后再到低层的冷层再次发生冻结所形成的冻雨。统计数据来看山区主要是暖雨机制,平原是融化机制。

(图示)图中地方是我们收集到叶片结冰比较集中的区域,和刚才我们看到的冻雨形成的地方接近。江西、湖南、贵州三地的风场,以及在陕西和山西部分受微地形影响的一些风场。我们总结叶片结冰会受到诸多因素影响,除冰已经发展十几年,如果算上飞行器除冰已经有几十年发展历史。

叶片除冰主要分为主动和被动,我们现在水平轴风机叶片采用的叶片和飞行器机翼原理相通的。叶片除冰主动有人工除冰、机械除冰、加热除冰;被动有疏水涂料、叶片微观结构、黑色吸热涂层。电加热材料:碳纤维、加热膜、蒙烯纤维、谈纳米管模、碳毡。

电热材料面临的问题:防雷的问题,电加热材料一定会改变叶片电荷分布,如何解决防雷的问题。细分来说就是:不破坏叶片现有防雷体系;对于直击雷和感应雷分别有保护措施;降低引雷概率;雷击后易于修复;二是减少对叶片气动外形的影响:材料轻薄,减少对气动外形影响;材料柔性可弯折;三是加热材料与叶片复材成型工艺的兼容问题:不改变叶片力学性能;孔隙率高,树脂渗透及浸润性好;克重轻,树脂用量少。

介绍我们石墨烯方案,给大家除冰提供一个思路。石墨烯是2004年被证明是真实存在的,作为新兴战略材料,截至2020年底,我国共出台445条相关政策支持石墨烯产业发展。包括《中国制造2025重点领域技术路线图》、《重点新材料首批次应用示范指导目录(2018年版)》等,其中国家层面42条,各地方政府403条,主要涉及江苏、山东、浙江、福建、黑龙江、广东等30个省市。

它是最好的导热材料,柔性、透明、稳定,最好的导电材料,强度、最坚硬的材料,200倍于钢 (130GPa),杨氏模量 1TPa,比金刚石还硬,最薄、最轻的材料。它是原子级别的材料,我们需要找到一个载体与它结合,才能应用到工程应用上。我们首创光滑玻璃上进行石墨烯的生长和承接;二是在单根玻璃纤维丝束上进行石墨烯的生长;三是在编织好的玻璃纤维织物上进行石墨烯的生长和沉积。

石墨烯玻纤材料特性:轻质柔性,单片石墨烯玻纤织物厚度小于0.2mm,柔性可弯折,曲率半径5mm,弯折次数可达100次无衰减,可用于异形构件。电磁屏蔽,暂时用不到,就不展开。导电性,赋予了玻璃纤维导电性能,可实现方阻50-5000自由调控。导热性,改善玻璃纤维导热性,通电后可以远红外辐射方式发热,石墨烯可大幅度提升电热红外辐射性能。极限温度高,升温速率快。有些朋友担心每秒100度太快了,不用担心,这是设计时可控的,可以让它不用升温那么快,这是特殊应用场合才会用到。

(图示)部分石墨烯玻璃纤维材料性能数据,复材实测为93.6%,铜的话在60%左右。

(图示)这是石墨烯CVD生长工艺,右边蓝色是玻璃界面,在上面重合、生长,最后长成一整张联网网状的石墨烯棉。现在市面上石墨烯很多,我们和传统导电辅材有什么不一样呢,传统的导电辅材通过导电剂添加或者堆料,随机形成的导电网络。从A到D导电物质持续增加,添加到C时会随机形成一条导电网络,我用红线箭头标注出来了。其实这个箭头是随机的,而且极不稳定。这是一个碳管,如果位置发生偏移的话,这个导电回路就失效了。石墨烯玻纤有什么呢?我们是先有了玻纤织物形成的网络,在网络上生长石墨烯形成电路,我们的导电网络是稳定的,可以去定制的,这是它非常大的特点。

还有朋友担心孔吸率会不会堵住,不用担心,我们通过扫描电镜放大到1万倍,石墨烯包裹率非常好,孔吸率也得到极大保障。我们在宏观层面上空间来讲的话,对它是极其宏大,不会影响到它的孔吸率及生长。其他材料放大8千倍时已经惨不忍睹了,断面处极易发生剥离,剥离之后就容易影响它的性能。

(图示)这是我们实测的电阻均匀性及稳定性,几乎与测量仪器相当。

同样只有织物还是不行,可以看到一小块石墨烯织物就和烧杯差不多大的一块,快速在十几秒、技术秒时间把水进行烧开。同时我们开发了多种电极,它不会发生断裂。我们拿蒙烯玻纤和碳纤维做了对比,因为现在碳纤维应用也比较多,前面提到蒙烯玻纤采用的是先有网络再铺电路的方案,所以我们是面加热的状态。蒙烯玻纤红外的实拍图可以看到非常均匀,中间下方是碳纤维红外实拍图,碳纤维的丝束非常清晰,所以碳纤维是线加热、石墨烯是面加热的状态。

总结来说,蒙烯玻纤有哪些特性:和叶片的成型工艺兼容性更好,叶片用环氧树脂,孔吸率很高,我们封测时树脂用量比较少,浸润率比较高。施工工艺更简单。温度均匀性更好。控制方便。可定制功率密度,实现分区控制和温度精确控制。升温更快。电热转换效率更高(>90%),这是蒙烯玻纤材料的优势。

我们在湖南有一台样机,采用分区多块并联布局,这么布局的好处是什么呢?凸显材料的优势。分区布局,可以从叶尖往叶根方向,制作不同功率密度的加热材料,其他材料实现不了,只有我们能实现,所以这么来设计。二是减少风险,万一中间是某一个回路发生损伤,不管什么原因的损伤,其他几个回路还可以独立工作。

(图示)我们做了低温环境测试,从零下5度、零下10度、零下30度的升温实验,大家可以看一下从零下5度升到0度是1分钟,零下10度升下来10.5分钟,零下20度上来5分钟,零下30度升到0度是15分钟。因为做低温环境测试时结的冰层比较薄,曲线里大家看不到潜热的时间段,因为冰层很薄。同时我们也做了非常多雷击测试,我们在春节前1月底、2月初时做的测试来看,蒙烯玻纤对雷电测试和碳纤维有极大的不同,所以我们对这个产品非常有信心。我们用的100克重的玻纤基材,整个材料也是非常轻的。

(图示)这是我们铺设的蒙烯玻纤,分块布局,中间是断开的,做好之后利用红外测温去量了加热的情况。我12月底去到现场采用红外线无人机拍摄,我们常用的PS/SS两面布局,可以看到非常漂亮,经历了近一年的运行,石墨烯材料表现还是非常优异。

最后,介绍一下我们公司和团队的情况。北京石墨烯研究院和北京大学石墨烯产业技术研究院,以及北京石墨烯研究院有限公司,我们是三块牌子协同创新的状态。北京大学石墨烯产业技术研究院是做技术研发,北京石墨烯研究院有限公司是负责产业落地,是这样“三位一体”的结构。三角形最稳定,所以我们是这样的结构。核心团队,我们有2位中科院的院士,学术带头人带领大概300多人的研发队伍,技术实力还是有一些的。

我们都知道材料在实验室做的可能会很好,如果放到产线上来说会受到很多条件的制约,尤其是装备,装备不好的话材料设计再好也做不出来,所以我们装备也是自己设计、自己来做的,这是我们目前在用的生产装备、预处理装备,以及第三代的生产装备,这些装备我们也是得了很多专利。石墨烯是一个新型材料,有非常多应用,除了目前我们正在探索的叶片除冰方向,在传感器的防除冰,以及机组需要加热温度补偿的地方,包括电池需要电磁屏蔽方向,乃至散热、热管理方向,都可以值得探索。

我们每年10月份会在北京举办一个国际性的石墨烯论坛,去年的论坛我们邀请了十多位院士,以及石墨烯诺奖的得主。石墨烯诺奖得主来到现场,大家做一些学术交流。这是现场实景照片,主会场有1000多人到了现场,网络上有大几十万的观众在线观看。同时在会场我们与华能集团清洁能源技术研究院挂牌了联合创新实验室,我们就风机叶片除冰方向合作课题进行研究,进行研发。同时还举办了风电叶片除冰的分论坛,邀请行业内的专家和领导到现场专家进行交流。如果大家对石墨烯材料感兴趣,或者对除冰感兴趣的,欢迎今年参与这些活动,到达现场与我们一起讨论、一起交流。

谢谢大家!


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