徐利強：風電葉片大型化下原材料的挑戰與發展方向

 

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《風電葉片大型化下原材料的挑戰與發展的方向》。

報告主要分三個部分：第一部分是風電行業及風電葉片發展情況。第二部分是葉片大型化下原材料的挑戰及發展方向。最后是運達大型化葉片設計解決方案。

首先，風電等可再生能源目前是國家大力支持的產業，特別是隨著3060碳排放目標，“十四五”及2035遠景目標綱要正式出臺，預示著風電等可再生能源未來發展前景十分廣闊。

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

大容量大型化的風電發電機組通常要匹配更大型化的葉片才能帶來更好的發電效率。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展，根據中國風能協會的數據顯示，從2010年到2020年之間，風電機組的風輪直徑在不斷地增大，2020年平均風輪直徑到136米，目前，最長風輪直徑已經達到230米，未來還是會延續大型化的發展趨勢。

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。首先是增強材料，玻纖經歷了一代代發展，容量提升強度變得越來越大，目前可能到了瓶頸狀態，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，產能受限。隨著拉擠工藝出現，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電行業承受能力，未來要實現規模化應用可能需要加大碳纖維的國產化程度，降低成本。碳玻混性能優異，是在高模量玻纖和碳纖之間，所以它未來有比較大的應用潛力。但在材料設計和評價經驗還不成熟，所以這方面未來值得更深入研究。

具體數字方面，由于大型化葉片在生產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展，低黏度可以提高生產效率，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引力，提高葉片的品質。

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。根據數據顯示2050年全世界有4300萬噸葉片廢料，這帶來了比較大的挑戰。比較好的解決途徑是源頭上解決，開發可降解可回收利用的熱固性或熱塑性樹脂，國內外有一些廠商在這方面取得了一些研究進展。

芯材方面，目前葉片上使用芯材包括巴沙、PVC和PET，三種芯材各有優劣，巴沙是力學性能好，但存在生產周期、工藝不穩定、易吸水，灌注容易產生灌注缺陷。PET密度低，行業應用經驗成熟，缺點是不耐高溫，而且是熱固性塑料，無法做到回收利用。PET優點是綠色環保，耐高溫性優于PVC，但密度大，行業應用經驗不成熟，PET在產品性能穩定性控制方面存在一些不足。

未來在葉片持續大型化的發展過程中，PVC+巴沙木的組合認為是比較安全優化的選擇。現在我們也會用泡沫替代巴沙木，但巴沙木各方面的力學性能好于泡沫芯材，目前無法完全取代。PET符合環保的趨勢，行業內有不少選擇PET材料，我認為應該要從葉片設計初期進行核算，不能簡單直接替代。

關于結構膠，大型化葉片在運行過程中受到風更容易產生振動，如果結構膠的韌性不足，承受葉面能力弱，引起粘貼性能失效，所以結構膠高韌性和高延伸率非常重要。

關于前緣防護材料，隨著葉片大型化，葉片前緣腐蝕更加嚴峻，前緣防護難度越來越大，葉片前緣腐蝕會破壞葉片氣動外形，給風電機組帶來發電量5%到25%的損失，甚至危害葉片結構安全，葉片腐蝕主要是紫外線、雨水、沙粒等等，目前雨蝕被認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材料時，除了要考察它的常規力學性能，更重要是要對其雨蝕性能進行評估。目前葉片上采用的前緣防護材料主要是兩大類，一個是前緣保護漆，一個是前緣保護膜。常規的前緣保護漆在大型化葉片前顯得防護能力不足，難以滿足大型化葉片的前緣防護要求，目前有很多廠商也在推出新一代的前緣保護漆，但在掛機驗證階段。前緣保護膜機械強度高，防護壽命長，但缺點是成本過高，施工工藝有些復雜。所以，在陸上葉片很難承受，海上葉片有比較多的應用。下面的前緣保護膜的機械強度高，理論防護壽命比較長，但實際上防護能力還不是很理想，在自然環境中也容易發生老化，葉片之間的粘接性能不太理想。未來前緣防護材料的方向主要是要開發一些低成本、高性能的前緣保護油漆，或者低成本，施工工藝簡單的高性能前緣保護膜。現在對前緣材料的侵蝕和防護機理研究不夠深入，葉片面臨的自然環境十分復雜，未來應該在侵蝕機理和防護機理加強進一步研究。

最后，運達大型化葉片設計解決方案。

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

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

以上是我報告的全部內容，感謝大家的聆聽，謝謝！