Жел турбинасының жапырақшаларынан сутегі сақтау ыдыстарына дейін: Көміртегі талшығы неге энергия материалдарында «стандарт» болып табылады?

Дүниежүзілік энергетикалық өтіс үдерісінің төмен көміртегілі және таза шешімдерге қарай үдеу алуының артында материалдар энергетикалық технологиялардың дамуындағы негізгі қозғаушы күш ретінде тыныштықпен пайда болуда. Жүзден астам метрлік жел турбинасының қанаттарынан бастап, жоғары қысымды сутегі сақтау ыдыстарына дейін көміртекті талшық жаңа энергия көздерінің негізгі жабдықтарында барынша кеңінен қолданыла бастады, ол «жоғары деңгейлі материал» ретінен энергетика саласындағы қажетті стандартқа бірте-бірте айналуда.

Бұл көрінісі бойынша әдеттегі қара талшықты жел энергетикасы мен сутегі энергетикасы сияқты маңызды салаларда ауыстырылмайтын орынға ие етуге қандай қабілеттер мүмкіндік береді?

Жел турбинасының қанаттары материалдарға экстремалды талаптар қояды.

Қазіргі уақытта жел энергетикасы — ең жетілген таза энергия түрлерінің бірі болып табылады және одан әрі үлкен мегаваттық қуатқа және ұзын қанаттарға қарай дамып келеді. Ұзын қанаттар айналым аймағын кеңейтеді, бұл теория жағынан электр энергиясын өндіру тиімділігін арттырады. Алайда, бұл бағыт материалдардың сапасына экстремалды қиындықтар туғызады.

Дәстүрлі шыны талшықты желдеткіш жапырақтары жапырақтардың ұзындығы артқан сайын өзінің артық салмағына байланысты құрылымдық және циклдық қаттылық мәселелеріне ұшырайды. Көміртекті талшықтың ерекше меншікті беріктігі мен меншікті модулі артықшылықтары желдеткіш жапырақтарында «салмағын азайту және пайдалы әсерлілігін арттыру» мақсатын іске асыру үшін жоғары деңгейдегі шешім ұсынады.

Негізгі арқа қанаты мен күшейтілетін аймақтар сияқты негізгі жүктеме қабылдаушы аймақтарға көміртекті талшықпен күшейтілген композиттерді енгізу жалпы жапырақ салмағын қатты төмендетеді және қаттылығы мен циклдық қаттылығын қатты арттырады. Бұл тек жапырақ ұзындығы бойынша қосымша жетістіктерге жол ашпайды, сонымен қатар турбина бойынша тасымалдау, орнату және жұмыс істеу жүктемелерін де азайтады, сондықтан теңіздегі жел энергетикасы мен төмен жел жылдамдығы аймақтарындағы жел электр станцияларын дамытуға мүмкіндік туғызады.

Сутегі сақтау ыдыстары: жеңілдету мен қауіпсіздік үшін негізгі қолдау

Егер жел энергиясы жаңа энергияның «өндіру жағын» білдірсе, онда сутегі энергиясы энергияны сақтау мен пайдалану бойынша маңызды бағыт болып табылады. Сутегі энергиясы жүйесінде жоғары қысымдағы сутегін қауіпсіз және тиімді сақтау — айналып өтуге болмайтын негізгі қиындықтардың бірі.

Қазіргі кездегі негізгі Type III және Type IV жоғары қысымды сутегі сақтау ыдыстары негізінен көміртекті талшықты композитті орамды құрылымдарды ғана қолданады. Дәстүрлі метал ыдыстармен салыстырғанда көміртекті талшықты сутегі ыдыстары бірнеше бағытта маңызды артықшылықтарға ие:
(1) Жеңіл салмақ: Бірдей сутегі сақтау қуаты үшін салмақ әлдеқайда азаяды, бұл көлік немесе жүйенің жалпы тиімділігін арттырады.
(2) Жоғары қысымға төзімділік: 35 МПа, 70 МПа және одан да жоғары қысымда сақтау талаптарын қанағаттандыруға қабілетті.
(3) Коррозияға және циклдық тозуға төзімділік: Сутегінің әлсізденуіне төзімді, ұзақ мерзімді қауіпсіздік пен сенімділікті қамтамасыз етеді.

Сондықтан көміртекті талшық отын жасаушы элементтік көліктер мен сутегін сақтау/тасымалдау жүйелерінде ажырамас негізгі материалға айналды.

Неге көміртекті талшық осындай «ерекше»?

Көміртекті талшықтың қасиеттік артықшылықтары оның ерекше микрқұрылымынан туындайды.

Көміртекті атомдар графитке ұқсас кристалдық құрылымды құрайтындай етіп, өте бағытталған тәртіппен орналасқан; талшық диаметрі әдетте барынша 5–10 микрометр болса да, ол өте жоғары созылу жүктемелерін көтере алады. Сонымен қатар, беттің өңделуі мен мата құрылымының жобалануы арқылы көміртекті талшық полимерлік жүйелермен тұрақты байланыстар құрып, әртүрлі энергетикалық жабдықтардың конструкциялық талаптарын қанағаттандырады.

Дәл осындай конструкциялық және технологиялық жобалау икемділігі көміртекті талшық композиттерінің беріктік, қаттылық, салмақ пен тұрақтылық арасында ешқандай аналогы жоқ тепе-теңдікті қамтамасыз етуіне мүмкіндік береді.

Тарихи тұрғыдан алғанда, көміртекті талшықтың жоғары құны оның қолдану кеңею. Алайда, соңғы жылдары технологиялық жетістіктер мен қолданыс масштабының өсуі бұл жағдайды постепенно өзгертті:
(1) Үлкен тартулы көміртекті талшықтардың технологиясының жетілуі үнемі бірлік құнын төмендетуді қамтамасыз етті.
(2) Алғышарттық материалдар мен өндіріс процестерінің үнемі оптимизациялануы өндіріс тиімділігін арттырды.
(3) Қайта өңдеу және қайта пайдалану технологиялары тұрақты жақсарып келеді.
(4) Энергетика саласындағы өсетін сұраныс ірі масштабды өнеркәсіптік дамуды қозғап отыр.
Жалпы сапа мен толық өмірлік цикл құнын ескере отырып, көміртекті талшықтардың энергетикалық жабдықтарда қолданылуы барынша экономикалық тиімді болып келеді.

Жел энергиясы мен сутегі энергиясынан басқа, энергетикалық қолданыс аясы әрі қарай кеңейіп келеді.

Жел қозғалтқышының қанаттары мен сутегі сақтау ыдыстарынан басқа, көміртекті талшықтардың энергетика саласындағы қолданыс шекаралары әрі қарай кеңейіп келеді, мысалы:
(1) Фотоэлектрлік орнату құрылымдары мен конструкциялық компоненттер
(2) Ядролық энергетикалық жабдықтардағы құрылымдық және қорғаныс компоненттері
(3) Теңіз энергетикалық жабдықтарындағы коррозияға төзімді компоненттер
(4) Тасымалдау және желіні күшейтетін құрылымдар

Жаңа энергия технологияларының әрі қарай дамуымен бірге көміртекті талшықтың одан әрі маңызды салаларда рөл атқаратыны көзге түседі.

Жел турбинасының қанаттары желге қарсы айналғаннан бастап, сутегі сақтау ыдыстарының қысым астында жұмыс істеуіне дейін көміртекті талшық энергетикалық жабдықтардың материалдық логикасын қайта қалыптастыруда. Ол тек жеңілірек, берікірек материалдық таңдау емес, сонымен қатар жаңа энергия дәуіріндегі тиімділік, қауіпсіздік пен сенімділікке ортақ ұмтылысқа да ие.

Көміртекті талшық «премиум опциясынан» «энергетика саласының стандартына» айналған сайын бұл ауысу тек материалдар ғылымындағы жетістіктерді ғана емес, сонымен қатар энергетикалық өтудің қажетті таңдауын да көрсетеді.

Болашақ энергетикалық жүйелерде көміртегі талшығы қазіргі замандағы болатқа ұқсас таралған болуы мүмкін — бірақ жеңілірек, беріктеу және тұрақты даму мақсаттарына жақсы сәйкес келеді.