用回收的风力涡轮机转子叶片制造地聚合物混凝土的方法与流程

1.本公开大体上涉及风力涡轮机，并且更特别地涉及使用回收的风力涡轮机转子叶片和相关联的制造材料制造地聚合物(geopolymer)混凝土的方法。


背景技术：

2.风能被认为是目前可用的最清洁、最环保的能量源之一，并且风力涡轮机在这方面得到了越来越多的关注。现代风力涡轮机典型地包括塔筒、发电机、齿轮箱、机舱和一个或多个转子叶片。转子叶片使用已知的翼型原理捕获风的动能。例如，转子叶片典型地具有翼型的截面轮廓，使得在操作期间，空气流过叶片，从而在侧部之间产生压差。因此，从压力侧指向吸力侧的升力作用在叶片上。升力在主转子轴上生成扭矩，主转子轴以齿轮方式传动到发电机以产生电力。
3.风力涡轮机转子叶片大体上由纤维增强复合材料构成。进一步，风力涡轮机转子叶片大体上设计成用于20年的寿命。由于这种转子叶片的大小，研究人员估计，仅美国在未来20年就将有超过720,000吨叶片材料需要处置。处置这种叶片材料的当前做法包括填埋处置。
4.因此，需要经改进的回收这种转子叶片的方法，以避免需要过多的填埋空间。因此，本公开涉及使用回收的风力涡轮机转子叶片来制造地聚合物混凝土的方法，该地聚合物混凝土随后可在各种应用中重复使用。


技术实现要素：

5.本发明的方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可从描述中显而易见，或者可通过本发明的实践获知。
6.在一个方面，本公开涉及一种用于回收风力涡轮机的用过的转子叶片的方法。用过的转子叶片由利用至少一种纤维材料增强的至少一种复合材料形成。照此，该方法包括将用过的转子叶片加工成多个材料碎片。该方法还包括处理多个材料碎片以移除所述至少一种复合材料的至少一部分并暴露用过的转子叶片的至少一种纤维材料。进一步，该方法包括将经处理的多个材料碎片至少与碱激发剂混合以形成能够使用的地聚合物混凝土。
7.在另一个实施例中，将转子叶片加工成多个材料碎片可包括以下中的至少一者：例如将转子叶片手动地切割成多个材料碎片或将转子叶片机加工成多个材料碎片。在另一个实施例中，多个材料碎片中的每一个的最大尺寸可等于或低于80毫米(mm)。
8.在实施例中，处理多个材料碎片以移除所述至少一种复合材料的至少一部分并暴露用过的转子叶片的(多种)纤维材料可包括例如：将多个材料碎片中的每一个的至少一部分浸入到溶剂材料中，并随后从溶剂材料中移除多个材料碎片、对多个材料碎片中的每一个施加温度变化、对多个材料碎片中的每一个施加机械过程、和/或它们的组合。
9.在进一步的实施例中，溶剂材料可包括例如硫酸、硝酸、丙酮、异丙醇、二甲苯、过氧化氢或任何其他合适的溶剂。
10.在附加的实施例中，该方法可包括将经处理的多个材料碎片与碱激发剂和一种或多种附加材料混合以形成能够使用的地聚合物混凝土。在这样的实施例中，(多种)附加材料可包括例如水、高效减水剂(superplasticizer)、一种或多种火山灰材料、一种或多种粗集料或细集料、或它们的组合。更具体地，在实施例中，(多种)火山灰成分可包括例如飞灰、高炉炉渣、偏高岭土或硅灰。进一步，在实施例中，一种或多种粗集料或细集料可包括例如砂、砾石、石头或回收混凝土集料。
11.在若干实施例中，(多种)纤维材料可包括玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维、木纤维、竹纤维、陶瓷纤维、金属纤维、玄武岩纤维、或类似物、或它们的组合。例如，在实施例中，(多种)纤维材料可包括玻璃纤维。在这样的实施例中，玻璃纤维构造成与碱激发剂反应以形成能够使用的地聚合物混凝土。
12.在特定实施例中，该方法还可包括使用能够使用的地聚合物混凝土来形成塔筒结构，例如，诸如另一风力涡轮机的塔筒。
13.在另一方面，本公开涉及一种地聚合物混凝土。地聚合物混凝土包括由多个材料碎片形成的浆料、碱激发剂和其中溶解有一种或多种附加材料的水，所述多个材料碎片由风力涡轮机的用过的转子叶片或转子叶片制造材料形成。进一步，多个材料碎片中的每一个都将一部分树脂从其移除，以暴露用过的转子叶片的至少一种纤维材料。照此，(多种)暴露的纤维材料构造成与碱激发剂反应。应当理解，地聚合物混凝土还可包括本文中描述的附加特征中的任一者。
14.在又一个方面，本公开涉及一种用于回收纤维增强复合部件的方法。纤维增强复合部件由利用至少一种纤维材料增强的至少一种复合材料形成。该方法包括：将纤维增强复合部件加工成多个材料碎片、处理多个材料碎片以移除纤维增强复合部件的涂层的至少一部分并暴露纤维增强复合部件的至少一种纤维材料、和将所移除的多个材料碎片至少与碱激发剂混合以形成能够使用的地聚合物混凝土。应当理解，风力涡轮机还可包括本文中描述的附加特征中的任一者。
15.参考以下的描述和所附的权利要求书，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解。并入并构成本说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
16.在参考附图的说明书中阐述了本发明的针对本领域普通技术人员的完整且能够实现的公开内容，包括本发明的最佳模式，在附图中：图1示出根据本公开的风力涡轮机的一个实施例的透视图；图2示出根据本公开的风力涡轮机的转子叶片的一个实施例的透视图；图3示出图2的转子叶片的一部分的示意图，特别地示出了由利用纤维材料增强的复合材料形成的转子叶片；图4示出根据本公开的用于回收风力涡轮机的用过的转子叶片的方法的一个实施例的流程图；并且图5示出根据本公开的用于回收风力涡轮机的用过的转子叶片的方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
17.现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中被示出。通过解释本发明的方式而不是限制本发明的方式提供每个示例。事实上，对于本领域技术人员来说将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中做出各种改型和变型。例如，作为一个实施例的部分被示出或描述的特征可与另一个实施例一起使用，以产生再进一步的实施例。因此，意图是，本发明覆盖如归入所附权利要求书的范围内的这样的改型和变型及其等同物。
18.一般来说，本公开涉及使用回收的报废和过程废物风力涡轮机转子叶片材料来制造地聚合物混凝土的方法，所述地聚合物混凝土可用于塔筒构筑或其他混凝土构筑，例如通过使用3d混凝土打印、滑动成型、现场浇注等。更具体地，在将回收的叶片材料添加到地聚合物混凝土混合物中之前，可例如利用溶剂、热过程或机械过程来加工回收的叶片材料以溶解表面树脂。照此，叶片材料内的纤维可暴露，从而允许用来形成地聚合物混凝土的纤维和碱之间的地聚合化。因此，本公开的方法避免了填埋风力涡轮机叶片材料的成本，并且还通过使用回收材料降低了塔筒构筑的成本。
19.参考附图，图1示出了根据本公开的风力涡轮机10的透视图。如所示出的那样，风力涡轮机10包括塔筒12，其中在该塔筒12上安装有机舱14。多个转子叶片16安装到转子毂18，该转子毂18又连接到转动主转子轴(未示出)的主凸缘。风力涡轮机发电和控制部件大体上容纳在机舱14内。应当意识到，仅出于说明性目的而提供图1的风力涡轮机10，以将本发明置于示例性使用领域中。因此，本领域的普通技术人员应当理解，本发明不限于任何特定类型的风力涡轮机配置。
20.现在参考图2，示出了根据本公开的转子叶片16的透视图。如所示出的那样，转子叶片16大体上包括叶片根部20和叶片末端22，该叶片根部20构造成用于将转子叶片16安装到风力涡轮机毂18(图1)的安装凸缘(未示出)，该叶片末端22与叶片根部20相反地设置。转子叶片16也可包括在前缘28和后缘30之间延伸的压力侧24和吸力侧26。另外，转子叶片16可包括翼展32和翼弦34，该翼展32限定了在叶片根部20和叶片末端22之间的总长度，该翼弦34限定了在前缘28和后缘30之间的总长度。如大体上所理解的那样，随着转子叶片16从叶片根部20延伸到叶片末端22，翼弦34在长度上可相对于翼展32发生变化。
21.另外，转子叶片16可限定任何合适的空气动力学轮廓。因此，在若干实施例中，转子叶片16可限定翼型形状的截面。例如，转子叶片16可构造为对称翼型或弧形翼型。进一步，转子叶片16也可被以气动弹性方式制做。以气动弹性方式制做转子叶片16可能需要使叶片16在大体上的弦向方向上和/或在大体上的展向方向上弯曲。弦向方向大体上对应于平行于限定在转子叶片16的前缘28和后缘30之间的翼弦34的方向。另外，展向方向大体上对应于平行于转子叶片16的翼展32的方向。
22.现在参考图3，本文中描述的转子叶片16大体上由利用至少一种纤维材料38增强的至少一种复合材料36形成。例如，复合材料36可包括热塑性材料或热固性材料。如本文中描述那样的热塑性材料大体上涵盖本质上不可逆的塑料材料或聚合物。例如，热塑性材料在加热到一定温度时典型地变得柔韧或可模制，并在冷却时返回到更刚性的状态。进一步，热塑性材料可包括无定形热塑性材料和/或半结晶热塑性材料。例如，一些无定形热塑性材料可大体上包括但不限于苯乙烯、乙烯树脂、纤维素、聚酯、丙烯酸树脂、聚砜和/或酰亚胺。
更具体地，示例性无定形热塑性材料可包括聚苯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯(abs)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、乙交酯聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet-g)、聚碳酸酯、聚乙酸乙烯酯、无定形聚酰胺、聚氯乙烯(pvc)、聚偏二氯乙烯、聚氨酯或任何其他合适的无定形热塑性材料。此外，示例性半结晶热塑性材料可大体上包括但不限于聚烯烃、聚酰胺、含氟共聚物(fluropolymer)、甲基丙烯酸乙酯、聚酯、聚碳酸酯和/或缩醛。更具体地，示例性半结晶热塑性材料可包括聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚丙烯、聚苯硫醚、聚乙烯、聚酰胺(尼龙)、聚醚酮或任何其他合适的半结晶热塑性材料。例如，在一个实施例中，可使用被改性以具有缓慢的结晶速率的半结晶热塑性树脂。此外，也可使用无定形和半结晶聚合物的共混物。
23.进一步，如在本文中所描述那样的热固性材料大体上涵盖本质上不可逆的塑料或聚合物。例如，一旦固化，热固性材料就不能容易地被再模制或恢复到液态。因此，在初始形成之后，热固性材料通常耐热、耐腐蚀和/或抗蠕变。示例性热固性材料可大体上包括但不限于一些聚酯、一些聚氨酯、酯、环氧树脂或任何其他合适的热固性材料。
24.此外，如所提及的那样，如在本文中所描绘的热塑性和/或热固性材料可任选地利用纤维材料38增强，所述纤维材料38包括但不限于玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维、木纤维、竹纤维、陶瓷纤维、纳米纤维、金属纤维或类似物或它们的组合。此外，纤维的方向可包括多轴、单向、双轴、三轴或任何其他另一合适的方向和/或它们的组合。
25.现在参考图4，示出了用于回收风力涡轮机的用过的转子叶片的方法100的一个实施例的流程图。一般来说，在本文中参照图1至图3的风力涡轮机10和转子叶片16来描述方法100。然而，应当意识到，所公开的方法100可利用具有任何其他合适构造的转子叶片来实现。此外，尽管为了说明和讨论的目的，图4描绘了以特定顺序执行的步骤，但是本文中讨论的方法不限于任何特定顺序或布置。使用本文中提供的公开内容，本领域技术人员将意识到，在不偏离本公开的范围的情况下，本文中公开的方法的各种步骤可以各种方式被省略、重新布置、组合和/或修改。
26.如在(102)处所示出的那样，方法100包括将用过的转子叶片加工成多个材料碎片。例如，如在图5中所示出的那样，在步骤(a)和(b)处，用过的转子叶片可对应于退役的转子叶片200，诸如图1中所示出的转子叶片16中的一个，其被分解成多个材料碎片202。例如，在实施例中，可通过使用例如任何合适的工具手动地切割转子叶片200或将转子叶片200机加工成材料碎片202来将转子叶片200加工成材料碎片202。此外，多个材料碎片202中的每一个的最大尺寸(诸如长度、宽度、高度、直径等)可等于或低于80毫米(mm)。尽管如此，但在进一步的实施例中，材料碎片202可被理解为具有任何合适的大小和/或形状。还应当理解，用过的转子叶片可包括任何退役的转子叶片，诸如已经达到其操作寿命末尾的转子叶片、损坏的转子叶片或作为可回收材料而不是作为可操作转子叶片使用的原本更有价值的任何其他转子叶片。
27.返回参考图4，如在(104)处所示出的那样，方法100包括处理多个材料碎片202以移除(多种)复合材料的至少一部分并暴露用过的转子叶片的(多种)纤维材料。例如，在一个实施例中，方法100可包括将多个材料碎片202中的每一个的至少一部分浸入到溶剂材料中以溶解表面涂层并暴露用过的转子叶片200的(多种)纤维材料38。例如，在实施例中，溶剂材料可包括例如硫酸、硝酸、丙酮、异丙醇、二甲苯、过氧化氢或任何其他合适的溶剂。进
一步，如在图5中所示出的那样，在步骤(c)处，可将材料碎片202浸没到溶剂浴204中以进行加工。还应当理解，诸如混合、振动等的任何附加的机械方法以及热过程可与溶剂溶解方法结合或独立于溶剂溶解方法使用。例如，在实施例中，诸如热解的任何高温过程也可被采用和/或与溶剂溶解方法相结合。
28.返回参考图4，如在(106)处所示出的那样，方法100包括从溶剂材料204中移除多个材料碎片202。这样的移除允许将材料碎片202至少部分地擦干，使得一些残留的溶剂材料保留在碎片上，或者可利用水冲洗碎片以移除所有溶剂材料，并且然后擦干以进一步加工。例如，如在图5中所示出的那样，在步骤(d)处，示出了在从溶剂材料204中移除之后的材料碎片202中的一个。如所示出的那样，表面涂层已被移除，并且其纤维材料中的一些被暴露。
29.因此，如在图4中在(108)处和在图5的步骤(e)处所示出的那样，方法100包括将所移除的多个材料碎片202与至少一种或多种碱激发剂和/或一种或多种附加材料混合，以形成能够使用的地聚合物混凝土(例如，通过地聚合化的过程)。例如，在这样的实施例中，(多种)碱激发剂可包括例如钾盐、氢氧化钠、石灰、碳酸钠或硅酸钠。此外，在这样的实施例中，(多种)附加材料可包括例如水、高效减水剂、一种或多种火山灰材料、一种或多种粗集料或细集料、或它们的组合。更具体地，在实施例中，(多种)火山灰成分可包括例如飞灰、偏高岭土、高炉炉渣或硅灰。进一步，在实施例中，一个或多个粗集料或细集料可包括例如砂、砾石、石头和/或回收的混凝土集料。此外，在材料碎片202的(多种)纤维材料包括玻璃纤维的特定实施例中，玻璃纤维构造成与碱激发剂反应以形成能够使用的地聚合物混凝土。
30.照此，在本文中描述的地聚合物混凝土可在多种有用的应用中使用。例如，在实施例中，如在图5中在步骤(f)处所示出的那样，方法100还可包括使用能够使用的地聚合物混凝土来形成另一风力涡轮机的塔筒。
31.本发明的各个方面和实施例由以下编号的条款限定：条款1. 一种用于回收风力涡轮机的用过的转子叶片的方法，所述用过的转子叶片由利用至少一种纤维材料增强的至少一种复合材料形成，所述方法包括：将所述用过的转子叶片加工成多个材料碎片；处理所述多个材料碎片以移除所述至少一种复合材料的至少一部分并暴露所述用过的转子叶片的至少一种纤维材料；和，将经处理的多个材料碎片至少与碱激发剂混合，以形成能够使用的地聚合物混凝土。
32.条款2. 根据条款1所述的方法，其中，将所述转子叶片加工成多个材料碎片包括以下中的至少一者：将所述转子叶片手动地切割成多个材料碎片或将所述转子叶片机加工成多个材料碎片。
33.条款3. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述多个材料碎片中的每一个的最大尺寸等于或低于80毫米(mm)。
34.条款4. 根据前述权利要求所述的方法，其中，处理所述多个材料碎片以移除所述至少一种复合材料的至少一部分并暴露所述用过的转子叶片的至少一种纤维材料还包括以下中的至少一者：将所述多个材料碎片中的每一个的至少一部分浸入到溶剂材料中并随后从所述溶剂材料中移除所述多个材料碎片、对所述多个材料碎片中的每一个施加温度变
化、对所述多个材料碎片中的每一个施加机械过程、或它们的组合。
35.条款5. 根据条款4所述的方法，其中，所述溶剂材料包括硫酸、硝酸、丙酮、异丙醇、二甲苯或过氧化氢中的至少一种。
36.条款6. 根据前述权利要求所述的方法，所述方法还包括将所述经处理的多个材料碎片与所述碱激发剂和一种或多种附加材料混合以形成所述能够使用的地聚合物混凝土。
37.条款7. 根据条款6所述的方法，其中，所述一种或多种附加材料包括以下中的至少一者：水、高效减水剂、一种或多种火山灰材料、一种或多种粗集料或细集料、或它们的组合。
38.条款8. 根据条款7所述的方法，其中，所述一种或多种火山灰材料包括飞灰、高炉炉渣、偏高岭土或硅灰。
39.条款9. 根据条款7所述的方法，其中，所述一种或多种粗集料或细集料包括砂、砾石、石头或回收混凝土集料。
40.条款10. 根据前述权利要求所述的方法，其中，所述至少一种纤维材料包括玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维、木纤维、竹纤维、陶瓷纤维、金属纤维、玄武岩纤维、或类似物、或它们的组合。
41.条款11. 根据条款10所述的方法，其中，所述至少一种纤维材料包括玻璃纤维，所述玻璃纤维与所述碱激发剂反应以形成所述能够使用的地聚合物混凝土。
42.条款12. 根据前述权利要求所述的方法，所述方法还包括使用所述能够使用的地聚合物混凝土来形成塔筒结构。
43.条款13. 一种地聚合物混凝土，包括：浆料，其包括：多个材料碎片，其由以下中的至少一者形成：风力涡轮机的用过的转子叶片或转子叶片制造材料；碱激发剂；和，水，其包括溶解在其中的一种或多种附加材料，其中，所述多个材料碎片中的每一个使一定量的树脂从其移除，以暴露所述用过的转子叶片或转子叶片制造材料的至少一种纤维材料，所暴露的至少一种纤维材料构造成与所述碱激发剂反应。
44.条款14. 根据条款13所述的地聚合物混凝土，其中，所述多个材料碎片中的每一个的最大尺寸等于或低于80毫米(mm)。
45.条款15. 根据条款13至14所述的地聚合物混凝土，其中，经由溶剂材料移除所述多个叶片区段中的每一个的表面涂层，所述溶剂材料包括硫酸、硝酸、丙酮、异丙醇、二甲苯或过氧化氢中的至少一种。
46.条款16. 根据条款13至15所述的地聚合物混凝土，其中，所述一种或多种附加材料包括以下中的至少一者：一种或多种火山灰材料、一种或多种粗集料或细集料、高效减水剂、或它们的组合。
47.条款17. 根据条款16所述的地聚合物混凝土，其中，所述一种或多种火山灰材料包括以下中的至少一种：飞灰、高炉炉渣、偏高岭土或硅灰，并且所述一种或多种粗集料或
细集料包括砂、砾石、石头或回收混凝土集料。
48.条款18. 根据条款13至17条所述的地聚合物混凝土，其中，所述至少一种纤维材料包括玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维、木纤维、竹纤维、陶瓷纤维、金属纤维、玄武岩纤维、或类似物、或它们的组合。
49.条款19. 根据条款18所述的地聚合物混凝土，其中，所述至少一种纤维材料包括所述玻璃纤维，所述玻璃纤维与所述碱激发剂反应。
50.条款20. 一种用于回收纤维增强复合部件的方法，所述纤维增强复合部件由利用至少一种纤维材料增强的至少一种复合材料形成，所述方法包括：将所述纤维增强复合部件加工成多个材料碎片；处理所述多个材料碎片以移除所述纤维增强复合部件的涂层的至少一部分并暴露所述纤维增强复合部件的至少一种纤维材料；和将所移除的多个材料碎片至少与碱激发剂混合，以形成能够使用的地聚合物混凝土。
51.本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使得任何本领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差异的等效结构要素，则这些其他示例旨在处于权利要求书的范围内。