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材料世界#05

建立可再生能源经济的材料

为了制止有害温室气体排放量的上升,我们需要尽快将经济的许多部门转换为可再生能源。先进材料正在提高可再生能源行业的效率,同时帮助运输等其他部门适应电气化。

巨大的风力涡轮机被锚定在英格兰西北海岸的海床上,静静地转动以收获微风。这些温柔的巨人是当今行动中最大的巨人,它们高约640英尺(比自由女神像的高度高两倍),其叶片长270英尺。它们构成了世界上最大的海上风电场,产生的绿色能源足以为60万户家庭供电。但这区别可能不会持续很长时间。每年,制造商都会推出更大,更高效的风力涡轮机。他们之所以能够做到这一点,很大程度上要归功于材料科学的进步。

发布日期:2021年04月20日
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风力涡轮机的叶片是其功率和效率的关键。它们必须足够坚固以抵御烈风,还必须足够轻巧以使其不会在自身重量下弯曲,并且要耐用,以使风力涡轮机的使用寿命达到25年。

碳纤维是将强度,轻便性和耐用性相结合的为数不多的材料之一,这就是为什么尽管成本较高的原因,但碳纤维现在却成为坚固的叶片骨架的首选材料。东丽公司集团的子公司Zoltek每年向风能市场提供超过12,000吨的碳纤维材料。 Zoltek执行副总裁Philip Schell表示:“关于碳纤维翼梁盖的一个吸引人的方面是,它不仅为设计更轻,更薄的叶片提供了更好的空气动力学性能,也为设计打开了大门。1

东丽的碳纤维只是材料科学为未来的可持续工业做出贡献的一种方式。随着世界努力减少对化石燃料的依赖,是材料工业引入的创新-包括减轻重量的材料,塑料的环保替代品,下一代太阳能电池和燃料电池技术的进步-帮助开创低碳增长的新时代。

1 Composites World采访,2018/3/27

点亮路

在过去的十年中,由于创新使太阳能组件在将光能转化为电能方面既便宜又有效,太阳能也经历了快速的发展。东丽公司目前正在开发下一代太阳能电池的实际应用,该太阳能电池使用有机化合物而不是刚性的结晶硅来导电。这些碳基材料比无机硅吸收更多的光,这意味着它们将在室内和弱光条件下工作。它们也非常薄-仅亚微米(百万分之一米)厚-使有机薄膜太阳能电池具有无与伦比的灵活性和效率。

Toray设想将这些太阳能电池缝在衣服上,涂在窗户或建筑物的侧面上,并用作室内传感器的电源,这将在物联网(IoT)中变得越来越重要。目前,它已经成功测试了安装在无线传感器中的太阳能电池,即使在室内照明下也能表现良好。该公司解释说:“无线通信网络中必不可少的独立电源。”物联网将需要大量的传感器来无线连接一切,每个传感器都有自己的电源。电池麻烦,昂贵且需要更换,因此如果有光就可以无休止地供电的太阳能电池有望成为自主电源。”

推动绿色创新

现在,可再生能源的增长速度快于所有其他形式的电力生产,因此正在争夺将尽可能多的行业转换为低碳燃料的竞赛。世界可持续发展商业理事会说,从我们加热和照明建筑物的方式到我们运输货物,人员和服务的方式,使能源消耗电气化是全球脱碳的核心。

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汽车工业也在向电动汽车的过渡中使用碳纤维。例如,东丽的旗舰电动车Teewave AR1在其基本结构中包括碳纤维,包括发动机罩,仪表板和车顶,而由碳纤维复合材料制成的减震器具有更高的刚度,可以在碰撞时提供更多保护。至关重要的是,汽车也更轻。重量比其他商用电动汽车轻三分之一,减少了二氧化碳2 排放减少了百分之九。

未来的碳纤维

碳纤维的发展并非没有挑战,尤其是需要以负责任的方式进行回收。但是,创新投资已开始获得回报。东丽公司与丰田通商(Toyota Tsusho)合作开发了一种技术,以提取和再利用燃烧碳纤维废料时排放的气体。

将运输转换为清洁电力尤为紧迫,因为目前,运输几乎完全依赖石油基燃料。电动汽车(EV)的销售呈指数增长,2018年中期有400万辆电动汽车上路,尽管它们仅占全球销量的一小部分。然而,随着成本的降低以及电池效率和范围的扩大,电动汽车有望赢得越来越大的市场份额。在这里,东丽集团发挥着至关重要的作用,其创新正在改善锂离子电池的性能和可靠性,包括电池的隔膜,绝缘膜及其制造设备。

除了支持可再生能源和电动汽车,东丽还投资技术和研发&D促进氢型社会。

氢气可以从许多来源中提取,包括水,当使用可再生能源制成时,它完全不含碳。当它与氧气重新结合以产生电能时,唯一的排放物是水。此外,与风能或太阳能不同,氢可以背负到现有的基础设施上,以存储和运输天然气。

使用氢气为电动机提供动力的燃料电池汽车在世界某些地区被视为电池驱动电动汽车的替代产品。东丽正在为氢气供应链开发各种产品,从电解设备和燃料电池所需的膜和材料,到用于氢气存储罐的碳纤维。

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东丽公司与其他日本合作伙伴一起,正在投资开发“电力发电”系统,该系统使用可再生能源制造和储存氢。日本政府,特别是东京都政府,正在将资源用于加氢站等氢基础设施。首都希望在2020年东京奥运会之前及时有6000多辆燃料电池汽车和大量燃料电池公共汽车上路,被称为“绿色运动会”。

显然,向低碳经济的过渡将走很多路。相互支持和增强的技术,例如可再生能源和氢燃料,使其他行业变得更加可持续。通过投资绿色创新,东丽已成为未来低碳经济的关键参与者。

由《华尔街日报》自定义工作室撰写,2019年

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