图16 沃尔玛公司研制的新概念卡车
目前,该计划已完成84%的任务量,但仍有许多创新性技术有待继续研发。可以预见,沃尔玛公司的新概念卡车对推进卡车技术的进步和拓展碳纤维的应用,有非常大的作用。
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CFRP作为风电叶片的增强结构
风能是最具成本优势的可再生能源,风能发电在近10年来已取得飞速发展。截至2016年5月,全球风电装机容量已近4 270亿MW(表1)。并据预测,2020年前,新增风电装机能力将按25%的年增长率递增;到2020年,风力发电量将占世界总发电量的11.81%。

为提高风力发电机的风能转换效率,增大单机容量和减轻单位千瓦质量是关键。20世纪90年代初期,风电机组单机容量仅为500 kW,而如今,单机容量10 MW的海上风力发电机组都已产品化。风电叶片是风电机组中有效捕获风能的关键部件,叶片长度 随风电机组单机容量的提高而不断增长。根据顶旋理论,为获得更大的发电能力,风力发电机需安装更大的叶片。1990年,叶轮直径(Rotor Diameter)为25 m;2010年,叶轮直径已达120 m。2011年,Kaj Lindvig预测海上风机的叶轮直径2015年将达135 m,2020年将达到160 m。但这一预测很快就被突破,美国超导公司(AmericanSuperconductor Corp.)2016年已投入市场销售的10 MW海上风力发电机的叶轮直径就已达190 m。但因叶片长度的问题,业界就是否需发展10 MW及以上能力的风力发电机存有争议,但主流观点是需要发展的。西门子风电(Siemens Wind Power)公司首席技术官认为:面积与体积的关系的科学定律将最终限制叶轮直径的不断增长,但目前还未达到极限,制造10 MW风力发电机在技术上是可行的;且从运营效益上看,降低每兆瓦时的运营成本,必须提高风力发电机的容量(图17)。

图17 叶片直径的增长过程
叶轮直径的增加对叶片的质量及抗拉强力提出了更轻、更高的要求。CFRP是制造大型叶片的关键材料,其可弥补玻璃纤维复合材料(GFRP)的性能不足。但长期以来,出于成本因素,CFRP在叶片制造中只被用于樑帽、叶根、叶尖和蒙皮等关键部位。近年,随着碳纤维价格稳中有降,加之叶片长度进一步加长,CFRP的应用部位增加,用量也有较大提升。2014年,中材科技风电叶片股份有限公司成功研制出国内最长的6 MW风机叶片,该叶片全长77.7 m、质量28 t,其中主梁由5 t的国产CFRP制成。如采用GFRP设计,则该叶片质量将约达36 t(图18)。

图18 6 MW风机叶片加工与试验现场(中材科技风电叶片股份有限公司研制)
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碳纤维纸作为燃料电池的电极气体扩散材料
燃料电池是指不经过燃烧,直接将化学能转化为电能的一种装置。燃料电池在等温条件下工作,其利用电化学反应,将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能,是一种备受瞩目的清洁能源技术,转化效率非常高(除10%的能量以废热形式浪费外,其余的90%都转化成了可利用的热能和电能)且环境友好;而相较之下,使用煤、天然气和石油等化石燃料发电时,60%的能量以废热的形式浪费,还有7%的电能浪费在传输和分配过程中,只有约33%的电能可以真正用到用电设备上(图19)。
