Cánh tuabin gió lớn nhất thế giới được làm bằng vật liệu gì mà bền gấp 9 lần thép?

Ngày nay, những tuabin gió khổng lồ có thể được nhìn thấy ở khắp mọi nơi trên thế giới. Chuyển động quay của các cánh quạt mảnh mai của nó điều khiển máy phát điện tạo ra dòng điện ổn định. Nhưng nếu nhìn kỹ, bạn sẽ thấy những chiếc lá mảnh mai thực sự rất to lớn.

Trong quá khứ, chiều dài của các cánh tuabin gió ở Liên Vân Cảng, do Zhongfu Lianzhong Trung Quốc sản xuất, đạt tới 123 mét được coi là cánh tuabin lớn nhất thế giới. Khối lượng của một cánh quạt đơn vượt quá 50 tấn, đường kính gốc cánh vượt quá 5 mét và diện tích bề mặt vượt quá 1.000 mét vuông, thích hợp cho các tuabin gió ngoài khơi. Một tổ máy có thể tạo ra công suất vượt quá 50 triệu kilowatt giờ.

Tuy nhiên, các cánh tuabin gió do Công ty Điện gió Shuangrui thuộc Tập đoàn Công nghiệp Đóng tàu Trung Quốc 725 tại Diêm Thành, Giang Tô sản xuất đã lập kỷ lục mới. Đường kính cánh quạt của các cánh SR260 đã đạt tới 260 mét và chiều dài của mỗi cánh là hơn 125 mét. Cánh quạt quét gió có diện tích vượt quá 53.000 mét vuông, tương đương với diện tích 7,4 sân bóng đá tiêu chuẩn. Nó có thể thích ứng với tuabin gió 18WM và sản lượng điện hàng năm có thể đạt tới 74 triệu kilowatt giờ.

Nhưng ở thời điểm hiện tại, cánh tuabin gió lớn nhất và dài nhất trên thế giới hiện đã được Công ty Năng lượng nặng Sany Trung Quốc chế tạo thành công bằng cách sử dụng sợi carbon hóa dầu (CFRP). Chiều dài của một cánh quạt riêng lẻ đạt tới 131 mét. Cánh quạt này sử dụng dầm chính được ép đùn hoàn toàn bằng carbon và được trang bị dầm phụ cạnh sau tiên tiến với các đặc tính cơ học đặc biệt.

Cánh tuabin gió dài 131 mét này tương đương với chiều cao của tòa nhà 45 tầng và đủ rộng để chứa 340 người lớn đứng cạnh nhau. Nó hiện là cánh tuabin gió lớn nhất và dài nhất thế giới.

Với kích thước khổng lồ như vậy, yêu cầu về vật liệu đương nhiên là vô cùng cao. Hiệu suất của vật liệu sợi thủy tinh truyền thống (GFRP) đạt đến giới hạn khi chiều dài cánh tuabin gió vượt quá 120 mét và khó đáp ứng các yêu cầu về độ nhẹ, độ bền cao, độ cứng cao cũng như các yêu cầu khác của cánh tuabin gió quy mô lớn. Tuy nhiên việc sử dụng vật liệu sợi carbon đã vượt qua thành công nút thắt này nhờ các đặc tính cơ học tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn.

Sợi thủy tinh (GFRP): GFRP cũng là vật liệu phổ biến, rẻ hơn CFRP nhưng có độ bền và độ cứng thấp hơn. GFRP thường được sử dụng kết hợp với CFRP hoặc cho các cánh tuabin gió nhỏ hơn.

Sợi carbon là một loại vật liệu sợi mới có hàm lượng carbon trên 90%. Nó được mệnh danh là "vua của các loại vật liệu mới" vì đặc tính siêu nhẹ, siêu bền và chống ăn mòn. Trọng lượng riêng của nó nhỏ nhẹ hơn thép 40%, nhưng độ bền của nó gấp 7 đến 9 lần so với thép, điều này mang lại cho nó một lợi thế độc nhất trong việc sản xuất các cánh tuabin gió khổng lồ. Đặc biệt khi số lượng sợi carbon kéo lên tới hơn 48K, hiệu suất của nó được cải thiện đáng kể.

Sợi carbon (CFRP): Đây là vật liệu phổ biến nhất cho cánh tuabin gió lớn. Sợi carbon có độ bền cao gấp 9 lần thép theo trọng lượng, nhẹ hơn thép 40% và có khả năng chịu được các điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Nhờ những ưu điểm này, CFRP giúp cánh tuabin gió hoạt động bền bỉ, hiệu quả trong thời gian dài.

Đường kính cánh quạt của nó có thể đạt tới 270 mét và diện tích quét của nó tương đương với 8 sân bóng đá và 136 sân bóng rổ tiêu chuẩn. Điều này có nghĩa là trong cùng một khoảng thời gian, cánh quạt này có thể thu được nhiều năng lượng gió hơn và chuyển đổi nó thành nhiều năng lượng hơn.

Cấu trúc sợi carbon, hay còn gọi là CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer), là vật liệu composite được tạo thành từ sợi carbon được nhúng trong nhựa polymer. Nhờ những đặc tính ưu việt như độ bền cao, trọng lượng nhẹ, độ cứng cao và khả năng chịu nhiệt tốt, CFRP có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

1. Hàng không vũ trụ

CFRP được sử dụng rộng rãi trong chế tạo máy bay, tàu vũ trụ, vệ tinh và các bộ phận khác trong ngành hàng không vũ trụ. Nhờ độ bền cao và trọng lượng nhẹ, CFRP giúp giảm trọng lượng tổng thể của phương tiện, giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăng hiệu suất hoạt động. Ví dụ: cánh máy bay Boeing 787 Dreamliner được làm từ 50% CFRP, giúp giảm 20% trọng lượng so với máy bay sử dụng vật liệu truyền thống.

2. Ô tô

CFRP được sử dụng trong chế tạo khung xe, thân xe, hệ thống treo và các bộ phận khác của ô tô. Nhờ độ bền cao và trọng lượng nhẹ, CFRP giúp tăng độ an toàn, cải thiện hiệu suất vận hành và tiết kiệm nhiên liệu cho ô tô. Ví dụ: siêu xe Lamborghini Aventador sử dụng khung xe monocoque bằng CFRP, giúp giảm 35% trọng lượng so với khung xe bằng thép.

3. Năng lượng gió

CFRP được sử dụng rộng rãi trong sản xuất cánh tuabin gió. Nhờ độ bền cao, trọng lượng nhẹ và độ cứng cao, CFRP giúp cánh tuabin gió hoạt động bền bỉ, hiệu quả trong thời gian dài.

4. Thể thao

CFRP được sử dụng trong chế tạo dụng cụ thể thao như vợt tennis, gậy bóng gôn, xe đạp và khung xe đua. Nhờ độ bền cao, trọng lượng nhẹ và độ cứng cao, CFRP giúp dụng cụ thể thao nhẹ hơn, cứng hơn và hiệu quả hơn. Ví dụ: vợt tennis Babolat Pure Drive sử dụng khung vợt bằng CFRP, giúp tăng lực đánh và độ chính xác.

5. Xây dựng

CFRP được sử dụng trong gia cố kết cấu bê tông, cầu cống, tòa nhà và các công trình xây dựng khác. Nhờ độ bền cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn tốt, CFRP giúp tăng cường độ bền và tuổi thọ của công trình. Ví dụ: cầu Chaotianmen ở Trung Quốc sử dụng dầm thép gia cố CFRP, giúp tăng tải trọng của cầu và giảm chi phí bảo trì.

6. Y tế

CFRP được sử dụng trong chế tạo cấy ghép y tế như xương nhân tạo, khớp nhân tạo và các thiết bị nha khoa. Nhờ độ tương thích sinh học cao, độ bền cao và trọng lượng nhẹ, CFRP giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân. Ví dụ: xương chày nhân tạo bằng CFRP có trọng lượng nhẹ hơn và bền hơn so với xương chày nhân tạo bằng kim loại, giúp bệnh nhân phục hồi chức năng nhanh hơn.

• Dự án máy bay lớn nhất thế giới chuyên chở cánh turbine gió
• Công nghệ tuabin mới hứa hẹn gây đột phá trong lĩnh vực năng lượng tái tạo
• Turbin gió không cánh quạt