Science：风力发电机的“大叶片”，终于能回收再利用了？- 大数跨境

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2024-08-29

导读：美国国家可再生能源实验室Robynne E. Murray和Nicholas A. Rorrer等研究者在Science 杂志上发表论文，报道了一种生物质衍生的聚酯共价自适应网络用于纤维增强复合材料制

风力发电是推动全球可持续供电的重要组成部分。据全球风能理事会（Global Wind Energy Council, GWEC）发布的报告 ^[1]，2023年全球风能行业新增装机容量达到创纪录的117吉瓦（1.17×10¹¹瓦）。预计2024~2030年间，全球风能的新增装机容量将进一步增加至1210吉瓦。与此同时，我国的风电发展步伐也在加快，技术水平位居世界前列。2023年，全国（不包括港澳台地区）新增风电装机14187台，总容量达到7937万千瓦（7.937×10¹⁰瓦）。据新华社报道，2024年，全球单体容量最大的漂浮式海上风电平台“明阳天成号”将在广州建成，容量达16.6兆瓦。这一平台首次采用双叶轮、双主机设计，并计划在广东阳江海域投入使用 ^[2]。

“明阳天成号”。图片来源：人民网 ^[3]

随着风电行业的快速发展，涡轮机和叶片的建造速度和规模也在不断增加。然而目前，风力叶片通常使用环氧热固性树脂纤维增强复合材料制成，一旦损坏，此类材料基本无法溶解及熔融，很难回收再利用。据估计，到2050年，全球将有约4300万吨风力叶片废弃物被丢弃在垃圾填埋场。虽然热解是一种处理风力叶片废弃物的方法，但炭残留和表面功能性丧失会降低纤维的品质。动态热固性材料，包括共价自适应网络（covalent adaptable networks, CANs），正在成为传统交联聚合物的可持续替代品。不过，此类材料的工业应用也受制于合成复杂、机械性能稍逊等问题，尚未经过大规模制造的验证。

风力发电机叶片的横截面结构。图片来源：Compos. Part B-Eng. ^[4]

近日，美国国家可再生能源实验室（NREL）Robynne E. Murray和Nicholas A. Rorrer等研究者在Science 杂志上发表论文，报道了一种生物质衍生的聚酯共价自适应网络（polyester covalent adaptable network, PECAN）用于纤维增强复合材料制造大型风力发电机的可回收叶片。这种新材料不仅与现有的制造技术高度兼容，还表现出优于传统材料的机械性能。

小块PECAN树脂。图片来源：NREL ^[5]

该材料采用几种生物质衍生物作为前驱体，包括山梨醇缩水甘油醚（SPGE）、丁二醇二缩水甘油醚（BDGE）和甲基六氢邻苯二甲酸酐（MHHPA）。在加热至80 °C的条件下，短时间内（<5小时）完成批量固化。研究人员选择了SPGE摩尔百分比分别为15%和35%的两种PECAN树脂材料，即PECAN-15和PECAN-35，用于后续实验，并选取了目前广泛应用于商用叶片的两种树脂进行对比：丙烯酸热塑性塑料Elium-188O和环氧-胺热固性塑料RIMR-135。

PECAN树脂及Elium-188O和RIMR-135两种对比塑料。图片来源：Science

与Elium-188O和RIMR-135相比，PECAN-35的机械性能更优越，具有更高的极限应力（83.8±2.41 MPa）、断裂伸长率（9.88±0.99%）、杨氏模量（1650±103 MPa）和拉伸韧性（5.03±0.72 MJ m^-3）。热循环过程中，PECAN-15和PECAN-35分别表现出较高的玻璃化转变温度（103 °C和128 °C）和储能模量（~2 GPa）。相比之下Elium-188O为96 °C、1.4 GPa，RIMR-135为95°C、1.8 GPa，且Elium-188O在第一个循环后储能模量就大大降低，突显了交联网络的重要性。

PECAN树脂机械性能及对比。图片来源：Science

不同的聚合物被添加到四层取向的玻璃纤维板中，以制备大尺寸（约2千克）的复合树脂材料，用于实验数据的测量。PECAN-15树脂则进一步通过真空辅助树脂传递模塑法（VARTM）注入到取向的玻璃纤维板中，制造出了重量约40千克、长度约9米的风力发电机叶片，证明了PECAN树脂材料与当前叶片制造技术具有良好的兼容性。随后，研究者使用有限元法和COMSOL软件对这个9米长的风力叶片进行了建模。

PECAN建模。图片来源：Science

面内剪切测试显示，PECAN-15、PECAN-35 和 RIMR-135 的剪切强度（41~43 MPa）和模量（3.6~4.0 GPa）相似，均比 Elium-188O 高出 20%~33%。这表明玻璃纤维与 PECAN 和 RIMR-135 的亲和力相似，但与 Elium-188O 的兼容性相对较低。

机械和流变性能分析。图片来源：Science

户外风化导致的侵蚀和光降解也是实际应用中必须考虑的关键因素，研究者将每种复合材料在加速老化箱中暴露1000小时，并随后进行机械性能测试。RIMR-135变色最明显，极限应力下降~20%，这可能是由芳香族环氧基团光照导致的显色团增加所致。而PECAN的变化非常小，归因于其脂肪族结构，能减少紫外线吸收。

复合材料的老化实验。图片来源：Science

最重要的是，PECAN材料表现出优异的可回收性。9米长的PECAN-15复合材料风力叶片的根部被切割成约5.0克的立方块，并在225 °C下进行甲醇解。处理后，PECAN-15几乎完全分解，剩下的几乎全是玻璃纤维。回收后的纤维在极限应力、断裂伸长率及杨氏模量等机械性能参数方面几乎没有变化，符合再利用的要求。

PECAN风力叶片的可回收性。图片来源：Science

“开发可回收风力发电机叶片的PECAN材料，是推动能源材料循环经济的重要一步”，NREL机械与热工程科学实验室副主任Johney Green表示。“传统观念认为，生物质衍生物制造的叶片虽可回收，但性能普遍不佳”，通讯作者Nicholas Rorrer说，“不过我们的实验结果显示，可回收并不意味着它性能糟糕”。^[5]

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Manufacture and testing of biomass-derivable thermosets for wind blade recycling

Ryan W. Clarke, Erik G. Rognerud, Allen Puente-Urbina, David Barnes, Paul Murdy, Michael L. McGraw, Jimmy M. Newkirk, Ryan Beach, Jacob A. Wrubel, Levi J. Hamernik, Katherine A. Chism, Andrea L. Baer, Gregg T. Beckham, Robynne E. Murray, Nicholas A. Rorrer

Science, 2024, 385, 854-860, DOI: 10.1126/science.adp5395

参考文献：

[1] Global Wind Report 2024

https://gwec.net/global-wind-report-2024/

[2] 新华网：我国大型漂浮式风电平台“明阳天成号”即将投入使用

http://www.news.cn/tech/20240712/e9035cde01ba46dc9f3994afb99a57e8/c.html

[3] 人民网：漂浮式风电平台“明阳天成号”吊装完成

http://finance.people.com.cn/n1/2024/0703/c1004-40270194.html

[4] F. Spini & P. Bettini, End-of-Life wind turbine blades: Review on recycling strategies. Compos. Part B-Eng. 2024, 275, 111290. DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111290

[5] News Release: NREL Advances Method for Recyclable Wind Turbine Blades

https://www.nrel.gov/news/press/2024/nrel-advances-method-for-recyclable-wind-turbine-blades.html

（本文由小希供稿）

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