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北京石墨烯研究院_禹峥嵘_石墨烯导电织物在风电叶片防除冰上的应用.pdf

编号：161091

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北京石墨烯研究院_禹峥嵘_石墨烯导电织物在风电叶片防除冰上的应用.pdf

1、第九届中国国际风电复合材料高峰论坛2023年3月31日泰安石墨烯导电织物在风电叶片防除冰方向上的应用Application of Graphene Glass Composite in Icing Prevention and De-icing for Wind turbine Blades禹峥嵘Zhengrong YUZhengrong YU目录01.公司背景介绍02.技术与团队03.石墨烯玻纤在风电叶片防除冰方向上的应用公司是研究院不同于众多基础研究和技术研发平台的关键要素也是探索高效产学研协同创新的关键抓手一体两翼体制设计-研究院和公司技术源头和技术支撑技术转化和产业化平台研究院是公司

2、不同于数万家石墨烯竞争企业的关键要素，也是公司腾飞的翅膀利益共同体完全一致的追求目标北京石墨烯研究院是北京市政府最早批准建设的新型研发机构之一，由北京大学牵头建设，目标是打造引领世界的石墨烯新材料研发高地和创新创业基地，全方位开展基础研究和产业化核心技术研发北京石墨烯研究院有限公司注册资本3.226亿元人民币。在研究院取得成果的基础上全力推进市场化进程，以高端石墨烯材料和石墨烯装备为核心业务，致力于打造千亿级的石墨烯产业集群石墨烯二十一世纪的战略新兴材料石墨烯最好的导电材料最轻的载流子（静止质量为零）最高的室温可承载电流(百万倍于铜)最强、最坚硬的材料200倍于钢(130GPa)杨氏模量

3、1TPa比金刚石还硬最好的导热材料热导率 5300Wm-1K-110倍于铜(400Wm-1K-1)优于金刚石柔性、透明、稳定透光率大于97%，柔性可弯折最薄、最轻的材料单原子层厚度仅0.34nm比表面积2630 m2g-1作为新兴战略材料，截止2020年底，我国共出台445条相关政策支持石墨烯产业发展包括中国制造2025重点领域技术路线图、重点新材料首批次应用示范指导目录（2018年版）等其中国家层面42条，各地方政府403条，主要涉及江苏、山东、浙江、福建、黑龙江、广东等30个省市。石墨烯玻璃纤维一种新型电热材料，由石墨烯与玻璃纤维复合得到技术路径石墨烯玻璃石墨烯玻璃纤维石墨烯玻璃纤维织物

4、STEP 01STEP 02STEP 03在热管理领域展现出了巨大的应用前景加热均匀性高升温速度快电热转换效率高循环稳定性好功能材料高电导率高热导率高强度柔性化学稳定结构材料绝缘柔性高强度低介电损耗化学稳定石墨烯玻璃纤维载体电磁屏蔽可以通过工艺精准调控石墨烯层厚度进而实现电磁波的透过或反射可控1-18GHz频段下屏蔽性能可达107dB轻质柔性单片石墨烯玻纤织物厚度小于0.2mm，柔性可弯折，曲率半径5mm，弯折次数可达100次无衰减，可用于异形构件导电性赋予了玻璃纤维导电性能可实现方阻50-5000/自由调控导热性改善玻璃纤维导热性，通电后可以远红外辐射方式发热，石墨烯可大幅度提升电热红外辐射

5、性能升温速率快石墨烯玻纤升温速度极快4秒可达饱和温度极限温度高最高耐受温度可达1200石墨烯玻纤材料特性新一代特种复合材料类别项目指标单位测试标准测试单位成分检测二氧化硅含量99.83%GB/T3284-2015石英玻璃化学成分分析方法国家安全玻璃及石英玻璃质量检验检测中心烧失量0.16%力学性能径向拉伸断裂强度177N/25mmGB/T7689.5-2013增强材料机织物实验方法中国国检测试控股集团股份有限公司国家建筑材料测试中心纬向拉伸断裂强度150电性能方块电阻50-5000（可调）/Q/NGSIC 006-2020国家石墨烯产品质量检验检测中心（江苏）电致热特性温度范围室温-200（大

6、气环境）GB/T 7287-2008红外辐射加热器试验方法中国测试技术研究院室温-900（惰性环境）升温速率2-100（可调）/s-温度比1.04-GB/T 7287-2008红外辐射加热器试验方法中国测试技术研究院电-热转换效率90%法向全发射率0.88-部分石墨烯玻璃纤维材料性能数据目录01.公司背景介绍02.技术与团队03.石墨烯玻纤在风电叶片防除冰方向上的应用亓月首席科学家高翾副总经理禹峥嵘市场开发部部长刘忠范首席科学顾问许莉总裁MBA，管理学博士，北京石墨烯研究院有限公司总裁，原华盖资本合伙人，中国人民大学MBA企业导师，全国三八红旗手奖章获得者中国科学院院士，北京石墨烯研究院院长，

7、中组部首批万人计划杰出人才，国际著名石墨烯等纳米碳材料专家，石墨烯玻璃纤维材料发明人北京大学博士，哈佛大学博士后，北京大学化学与分子工程学院助理研究员西密歇根大学博士，高级工程师，重庆市高层次引进人才，长期从事石墨烯薄膜材料的量产解决方案与运营管理工作博士就读于伦敦帝国理工学院复合材料专业，10年国内外风电、航空等树脂基复合材料行业经验顾伟产品制造部部部长北京科技大学博士，中国科学院过程工程研究所博士后，在石墨烯复合材料批量生产工艺开发上有丰富经验核心团队核心制造技术研发、生产装备设计均为原创、自主可控BXF系列-石墨烯玻璃纤维布石墨烯玻璃纤维工艺简单、效率高，适合大规模批量化稳定生产 BG

8、I现已推出BXF系列石墨烯玻璃纤维布产品，针对不同客户需求，提供500-3000/的各型号标准化产品。B3000F 面电阻：2500-3500/；纤维束直径：510m；石墨烯覆盖度：99%；B2000F 面电阻：1500-2500/；纤维束直径：510m；石墨烯覆盖度：99%；B1000F 面电阻：500-1500/；纤维束直径：510m；石墨烯覆盖度：99%；BGI第二代玻纤预处理装备BGI第二代石墨烯生长装备石墨烯玻纤产品与产能石墨烯玻纤技术发展路径石墨烯玻纤将朝着低成本衬底、低温快速生长技术发展，预期成本可降低至现阶段1/10石墨烯玻纤核心专利石墨烯玻纤复合材料为核心团队独创技术，团队拥

9、有对石墨烯玻璃纤维相关核心专利BGI第三代玻纤预处理装备BGI第三代石墨烯生长装备新一代石墨烯玻纤生产系统BGI第三代石墨烯玻纤生产设备研制中单台产能可达10000m2/年，进一步提高材料产能13 项发明专利3 项国家级奖项10+篇论文技术储备与技术迭代产品开发能力目录01.公司背景介绍02.技术与团队03.石墨烯玻纤在风电叶片防除冰方向上的应用风电机组叶片覆冰产生的基本气象条件叶片出现覆冰的问题应该具备如下条件：环境温度低于0、叶片表面低于5、空气湿度在85%以上。虽然这几个气象条件范围较窄，但通常风电场会处于大气冷热气流交汇地区，受微地形微气象的影响严重，所以部分风电场机组叶片覆冰现象

10、较为普遍。叶片表面结冰机制叶片表面出现结冰的现象，是水在特定环境之下产生的物相变化，空气中过冷水与风机叶片碰撞形成覆冰，风机叶片表面覆冰是耦合相变复杂传热过程，由于叶片表面温度低于冷水滴温度，过冷却水滴与叶片发生碰撞时，叶片表面会快速吸收水滴在凝固过程中释放的热量，过冷却水滴在叶片表面迅速覆冰。因风机叶片处于旋转状态，空气中过冷却水滴将与叶片前缘迎风面发生碰撞，过冷却水滴内部平衡被破坏，风机叶片表面更易覆冰。覆冰类型及分类叶片表面结冰主要有雨凇、雾凇和混合凇三种类型，叶片表面极易出现雾凇、混合淞的形式。此外，叶片的长期运行之下，表面会存在较多的污渍、前缘腐蚀、叶片粗糙度过大等问题，也会导致

11、叶片出现覆冰的问题。叶片结冰机理雨凇：密度大（0.85g/cm）主要形成于迎风面雾凇：（0.25g/cm）主要形成于垂直面*图片来源于百度结冰区域摘至：王遵娅.中国冰冻日数的气候及变化特征分析J.大气科学,2011,35(003):411-421.孔锋.中国灾害性冰冻天气日数气候演变空间分异特征(1961-2016年)J.灾害学,2019,v.34;No.134(0易结冰区域海拔与冰冻天数的关系雨凇多发区域雾凇多发区域叶片结冰的危害结冰停机的损失可占风机年发电量的8-10%；结冰停机等效小时数多达240h以上；不同风场不同机位结冰差异非常明显。叶片结冰的直接影响气动外形改变增加载荷传感、控制

12、偏差气动效率下降发电效率下降叶片及风轮振动整机寿命可靠性下降叶片弯矩增加轴承运行过载控制策略失效风机失速防冰除冰人工除冰：人工/无人机使用机械或喷淋设备机械除冰：膨胀管、电斥、电脉冲电热除冰气热法：加热器+鼓风设备电热法：加热元件直接加热目前的叶片防/除冰方法疏水涂层黑色吸热涂层叶片防水微观结构保险加热单元接触器760 V142 AAC1单支叶片回路加热单元760 V机舱控制柜760 V760 V电加热方案示意图石墨烯玻纤防除冰方案概括：1）加热单元采用多个单元并联方式布置；2）除冰系统电压可调；2）采用光纤测温；4）叶尖区域布置防雷导流条；成本与收益控制系统定制化设计施工工艺1 给叶

13、片载荷更低；加热系统重量约为2.5KG.2 优秀的防雷设计；安全性能1 加热单元较为柔软以及重量更轻，更容易贴合叶片表面，不容易分层气泡，易于高空施工。2 采用并联方式，易于高空修复。可根据业主的实际需求以及风场的实际风资源情况，选择不同配置以实现定制化设计。集成了叶片覆冰检测系统、故障自检系统、加热功率自动调节系统等。在除冰模式下，加热系统会以较低功率运行，在防止叶片结冰的同时最大程度节约用电损耗。石墨烯玻纤防除冰方案的优势防雷设计：1 加热单元远离雷击高危区域；2 叶尖3-5m区域增加导流条；3 叶根柜增加SPD保护；4 加热单元电阻为千欧级别，远高于碳纤维的欧姆级别；石墨烯玻纤加热方案的

14、防雷设计雷击测试对接地平板角度叶片变桨角度正极性放电次数负极性放电次数10PS面对地33前缘对地33SS面对地33后缘对地33叶片铺覆与其它电热材料的对比1.和叶片的成型工艺兼容性更好。2.施工工艺更简单。3.温度均匀性更好。4.控制方便。5.可定制功率密度，实现分区控制和温度精确控制。6.升温更快。7.电热转换效率更高（90%)。石墨烯加热单元材料优势：1 面密度为碳纤维加热材料的三分之一，材质较为柔软，容易贴合叶片本体，施工周期短；2 碳纤维一支叶片加热单元的重量约为7kg，高空施工时不能断开；石墨烯一支叶片加热单元的重量约为2.5kg，施工时允许断开。3 若风场叶片出现损伤，由于树脂绝缘

15、，碳纤维高空工艺困难，极易造成局部过热点，而石墨烯加热单元材料修复工艺简单。石墨烯加热单元石墨烯玻纤加热的施工工艺碳纤维控制系统优势：1 自带结冰检测系统、故障自检系统等；2 根据风场实际情况，单支叶片可实现加热功率6kW-30kW区间的多档调节。3 此系统分为“除冰模式”及“防冰模式”，除冰模式可在15min以内快速除冰，防冰模式可以最低6kW/支的极低功率防止叶片覆冰。4 可根据风场实际覆冰情况自动切换加热模式，实现“又快又省”；石墨烯玻纤加热的控制系统加热单元测温单元控制单元读取叶片表面温度反馈温度信号判断是否满足加热条件开启/关闭加热控制系统示意图：除冰模式：预计会以50kW/台功率运

16、行，预计除冰时间15min；防冰模式：预计会以28kW/台功率运行。（注：风场环境温度高于-10，风速小于10m/s）成本若机组结冰时长为240hr，预计产生的收益为15万/年2-3年可收回成本。收益石墨烯玻纤加热防除冰方案的成本和收益29%71%满功率情况下，同尺寸叶片石墨烯电热方案功率仅为气热法的29%。-6-4-2024688升温曲线（-5）时间/min温度/-12-10-8-6-4-20246802升温曲线（-10）时间/min温度/-35-30-25-20-15-10-50521242730333

17、6394245升温曲线（-35）时间/min温度/-22-16-10-42845048236404448525660升温曲线（-20）时间/min温度/不同环境温度下，温升曲线及升温到零度以上所需要的时间。低温环境测试15 min4.5 min5 min1 min工程样机吊装成功全球首台石墨烯玻纤防除冰叶片样机于2023年初在湖南某风场吊装成功。演讲人介绍禹峥嵘，北京石墨烯研究院有限公司，孵烯玻碳事业部，市场开发部部长。长期聚焦于树脂基纤维增强复合材料及相关工业级产品的开发、设计和优化工作。本科就读于中南大学材料科学与工程/澳大利亚Monash大学材料工程学院，硕士/博士就读于伦敦帝国理工学院航空系复合材料中心，指导老师EmileS.Greenhalgh 教授/Bamber R.K Blackman教授，期间研究专注于树脂基复合材料，尤其是碳纤维复合材料的断口学、微观形貌与失效机理分析、纤维/基体界面研究，多次参与包括风机叶片、建材、汽车组件等在内的复合材料产品失效分析。曾在Rio Tinto Alcan,Camfil Australia,中科院工程热物理所,北京航空材料研究院等国际国内知名科学与工业单位有多年工作经验。联系邮箱：yuzrbgi-联系电话：2023年3月31日泰安谢谢！Thank You

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