Theo một nghiên cứu do các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia dẫn đầu, một loại vật liệu sợi carbon mới có thể mang lại lợi thế về chi phí và hiệu suất cho ngành năng lượng gió nếu được phát triển thương mại.

Các cánh quạt làm bằng sợi carbon nhẹ hơn 25 phần trăm so với các cánh quạt làm bằng sợi thủy tinh thông thường. Điều này có nghĩa là các cánh quạt làm bằng sợi carbon có thể dài hơn các cánh quạt làm bằng sợi thủy tinh, do đó chúng có thể thu được nhiều năng lượng hơn ở tốc độ gió thấp hơn. Brandon Enix, Tây Ban Nha, một nhà nghiên cứu năng lượng gió tại Phòng thí nghiệm Sandia và là nhà nghiên cứu chính của dự án, cho biết do sợi carbon có khả năng chống mỏi cao nên việc sử dụng sợi carbon cũng có thể kéo dài tuổi thọ của cánh quạt.

Dự án được tài trợ bởi Văn phòng hiệu quả năng lượng và năng lượng tái tạo và văn phòng công nghệ năng lượng gió của Bộ Năng lượng. Các đối tác trong dự án bao gồm Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Đại học bang Montana tại Bozeman.

Trong số tất cả các công ty sản xuất tua-bin gió, chỉ có một công ty sử dụng sợi carbon rộng rãi trong thiết kế cánh quạt. Cánh quạt tua-bin gió là cấu trúc composite một mảnh lớn nhất thế giới và nếu có thể thu được vật liệu cạnh tranh với vật liệu composite gia cố bằng sợi thủy tinh trên thị trường thương mại, thì ngành công nghiệp gió có khả năng sẽ là thị trường lớn nhất cho sợi carbon. Enix, Tây Ban Nha.

Chi phí là yếu tố quan trọng cần cân nhắc khi thiết kế các bộ phận cho ngành năng lượng gió, nhưng các nhà sản xuất tua-bin cũng phải sản xuất các cánh quạt có thể chịu được tải nén và tải mỏi, có thể quay trong vòng 30 năm.

Enix, Tây Ban Nha và các đồng nghiệp muốn xem liệu sợi carbon mới, giá rẻ do Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge phát triển có thể đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và tiết kiệm chi phí cho ngành năng lượng gió hay không. Vật liệu này ban đầu là một chất tiền thân được sử dụng rộng rãi trong ngành dệt may, chứa các bó sợi acrylic lớn. Quá trình sản xuất làm nóng các sợi để biến chúng thành carbon được theo sau bởi bước trung gian là kéo các sợi vào gỗ. Sợi carbon được sản xuất bằng quy trình kéo đùn sản xuất tấm có hiệu suất và độ tin cậy cao để sản xuất cánh quạt, đồng thời tăng năng suất sản xuất.

Khi nhóm nghiên cứu sợi carbon giá rẻ, họ phát hiện ra rằng chúng vượt trội hơn các vật liệu thương mại hiện tại ở các đặc điểm chi phí cụ thể mà ngành năng lượng gió quan tâm nhất.

ORNL đã cung cấp các mẫu phát triển sợi carbon từ cơ sở công nghệ sợi carbon của mình để so sánh với vật liệu composite làm từ vật liệu này và các vật liệu composite tương tự làm từ sợi carbon có bán trên thị trường.

Các đồng nghiệp của Bozman tại Đại học bang Montana-bozeman đã đo các đặc tính cơ học của sợi carbon mới, so sánh với sợi carbon có sẵn trên thị trường và vật liệu composite sợi thủy tinh tiêu chuẩn. Sau đó, Ennis kết hợp các phép đo này với kết quả mô hình hóa chi phí của ORNL. Ông đã sử dụng dữ liệu này trong phân tích thiết kế cánh quạt để đánh giá tác động lên hệ thống khi sử dụng sợi carbon mới thay vì sợi carbon hoặc sợi thủy tinh tiêu chuẩn làm giá đỡ cấu trúc chính cho cánh quạt. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Văn phòng công nghệ năng lượng gió của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Enix, Tây Ban Nha và các đồng nghiệp của ông phát hiện ra rằng vật liệu sợi carbon mới có cường độ nén cao hơn 56 phần trăm trên một đô la so với sợi carbon thương mại, chuẩn mực của ngành. Nhìn chung, các nhà sản xuất tăng chi phí bằng cách sử dụng nhiều vật liệu hơn để điều chỉnh các bộ phận để giảm cường độ nén. Xem xét chi phí đơn vị cao hơn của sợi carbon mới, Ennis tính toán rằng chi phí vật liệu của nắp cánh sợi carbon mới sẽ giảm khoảng 40 phần trăm so với sợi carbon mới. Nắp dầm cánh sợi carbon là thành phần cấu trúc chính của cánh tuabin gió. Sợi carbon dùng cho mục đích thương mại.