徐利強：風(fēng)電葉片大型化下原材料的挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

 

徐利強：各位專家、各位代表，大家上午好！很榮幸能有機會在這里和大家交流分享。我的報告題目是《風(fēng)電葉片大型化下原材料的挑戰(zhàn)與發(fā)展的方向》。

報告主要分三個部分：第一部分是風(fēng)電行業(yè)及風(fēng)電葉片發(fā)展情況。第二部分是葉片大型化下原材料的挑戰(zhàn)及發(fā)展方向。最后是運達(dá)大型化葉片設(shè)計解決方案。

首先，風(fēng)電等可再生能源目前是國家大力支持的產(chǎn)業(yè)，特別是隨著3060碳排放目標(biāo)，“十四五”及2035遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要正式出臺，預(yù)示著風(fēng)電等可再生能源未來發(fā)展前景十分廣闊。

（PPT圖示）從以上兩個圖表可以看出，在2011年到2021年之間，國內(nèi)的風(fēng)電裝機容量在不斷地提升，在2021年度，國內(nèi)風(fēng)電裝機達(dá)到了55.92GW，再創(chuàng)歷史新高。同時，風(fēng)電裝機的平均單機容量也在逐年提升，這表明風(fēng)電機組在向大容量大型化發(fā)展，這樣的好處是可以提升發(fā)電效率，降低度電成本，另外可以開拓在低風(fēng)速區(qū)域的應(yīng)用市場。

大容量大型化的風(fēng)電發(fā)電機組通常要匹配更大型化的葉片才能帶來更好的發(fā)電效率。因此，葉片也在隨著機組的容量不斷提升在不斷地向大型化發(fā)展，根據(jù)中國風(fēng)能協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，從2010年到2020年之間，風(fēng)電機組的風(fēng)輪直徑在不斷地增大，2020年平均風(fēng)輪直徑到136米，目前，最長風(fēng)輪直徑已經(jīng)達(dá)到230米，未來還是會延續(xù)大型化的發(fā)展趨勢。

第二部分，葉片的主要包括增強材料、樹脂、涂料等，葉片大型化要求葉片比較高的剛度，同時需要減重降載，給葉片原材料帶來了很大的挑戰(zhàn)。首先是增強材料，玻纖經(jīng)歷了一代代發(fā)展，容量提升強度變得越來越大，目前可能到了瓶頸狀態(tài)，碳纖維模量是玻纖的2到3倍，性能上是替代玻纖的理想材料，但由于碳纖維的價格依然十分昂貴，產(chǎn)能受限。隨著拉擠工藝出現(xiàn)，拉擠板將織物灌注模量提高了20%左右，因此，它更適合葉片大型化的需求。目前碳纖維材料的價格依然超過了風(fēng)電行業(yè)承受能力，未來要實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用可能需要加大碳纖維的國產(chǎn)化程度，降低成本。碳玻混性能優(yōu)異，是在高模量玻纖和碳纖之間，所以它未來有比較大的應(yīng)用潛力。但在材料設(shè)計和評價經(jīng)驗還不成熟，所以這方面未來值得更深入研究。

具體數(shù)字方面，由于大型化葉片在生產(chǎn)時需要更強的灌注時間和操作時間，所以需要樹脂向低黏度發(fā)展，低黏度可以提高生產(chǎn)效率，另外樹脂的操作試用期長，可以更好地浸潤纖維，低放熱有利于降低葉片固化的內(nèi)引力，提高葉片的品質(zhì)。

基體樹脂，由于目前使用的樹脂是熱固性樹脂，葉片退役后回收處理難度大，帶來匯報問題。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示2050年全世界有4300萬噸葉片廢料，這帶來了比較大的挑戰(zhàn)。比較好的解決途徑是源頭上解決，開發(fā)可降解可回收利用的熱固性或熱塑性樹脂，國內(nèi)外有一些廠商在這方面取得了一些研究進(jìn)展。

芯材方面，目前葉片上使用芯材包括巴沙、PVC和PET，三種芯材各有優(yōu)劣，巴沙是力學(xué)性能好，但存在生產(chǎn)周期、工藝不穩(wěn)定、易吸水，灌注容易產(chǎn)生灌注缺陷。PET密度低，行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗成熟，缺點是不耐高溫，而且是熱固性塑料，無法做到回收利用。PET優(yōu)點是綠色環(huán)保，耐高溫性優(yōu)于PVC，但密度大，行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗不成熟，PET在產(chǎn)品性能穩(wěn)定性控制方面存在一些不足。

未來在葉片持續(xù)大型化的發(fā)展過程中，PVC+巴沙木的組合認(rèn)為是比較安全優(yōu)化的選擇。現(xiàn)在我們也會用泡沫替代巴沙木，但巴沙木各方面的力學(xué)性能好于泡沫芯材，目前無法完全取代。PET符合環(huán)保的趨勢，行業(yè)內(nèi)有不少選擇PET材料，我認(rèn)為應(yīng)該要從葉片設(shè)計初期進(jìn)行核算，不能簡單直接替代。

關(guān)于結(jié)構(gòu)膠，大型化葉片在運行過程中受到風(fēng)更容易產(chǎn)生振動，如果結(jié)構(gòu)膠的韌性不足，承受葉面能力弱，引起粘貼性能失效，所以結(jié)構(gòu)膠高韌性和高延伸率非常重要。

關(guān)于前緣防護(hù)材料，隨著葉片大型化，葉片前緣腐蝕更加嚴(yán)峻，前緣防護(hù)難度越來越大，葉片前緣腐蝕會破壞葉片氣動外形，給風(fēng)電機組帶來發(fā)電量5%到25%的損失，甚至危害葉片結(jié)構(gòu)安全，葉片腐蝕主要是紫外線、雨水、沙粒等等，目前雨蝕被認(rèn)為對葉片前緣腐蝕影響最大的因素。

所以，在評估葉片前緣防護(hù)材料時，除了要考察它的常規(guī)力學(xué)性能，更重要是要對其雨蝕性能進(jìn)行評估。目前葉片上采用的前緣防護(hù)材料主要是兩大類，一個是前緣保護(hù)漆，一個是前緣保護(hù)膜。常規(guī)的前緣保護(hù)漆在大型化葉片前顯得防護(hù)能力不足，難以滿足大型化葉片的前緣防護(hù)要求，目前有很多廠商也在推出新一代的前緣保護(hù)漆，但在掛機驗證階段。前緣保護(hù)膜機械強度高，防護(hù)壽命長，但缺點是成本過高，施工工藝有些復(fù)雜。所以，在陸上葉片很難承受，海上葉片有比較多的應(yīng)用。下面的前緣保護(hù)膜的機械強度高，理論防護(hù)壽命比較長，但實際上防護(hù)能力還不是很理想，在自然環(huán)境中也容易發(fā)生老化，葉片之間的粘接性能不太理想。未來前緣防護(hù)材料的方向主要是要開發(fā)一些低成本、高性能的前緣保護(hù)油漆，或者低成本，施工工藝簡單的高性能前緣保護(hù)膜。現(xiàn)在對前緣材料的侵蝕和防護(hù)機理研究不夠深入，葉片面臨的自然環(huán)境十分復(fù)雜，未來應(yīng)該在侵蝕機理和防護(hù)機理加強進(jìn)一步研究。

最后，運達(dá)大型化葉片設(shè)計解決方案。

今年推出來兩款陸上和海上葉片，運達(dá)97B陸上葉片，有以下設(shè)計亮點，我們主梁采用了拉擠玻板，采用了翼型族設(shè)計，三腹板結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)葉片減重8%，有良好的可靠性。

（PPT圖示）這是運達(dá)110米的海上葉片，在設(shè)計上采用了拉擠碳板主梁，2.0防雷系統(tǒng)，同時在前緣保護(hù)方案上采用保護(hù)膜+保護(hù)漆的組合方式，實現(xiàn)了葉片減重25%，實現(xiàn)整機降載10%，前緣防護(hù)能力有了很大的提升，這方面可以降低后期的維護(hù)成本。

以上是我報告的全部內(nèi)容，感謝大家的聆聽，謝謝！