近幾年哪種材料成為制作風電葉片的新寵
2020-01-08
我國風力資源十分豐富，尤其海上風能資源占比更大。據(jù)悉，海上風電是可再生能源發(fā)展的重要領域，是推動風電技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級的重要力量，同時也是促進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要措施。加快海上風電項目建設，對于促進我國沿海地區(qū)治理大氣霧霾、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式等工作具有重要意義。
風電葉片——風力發(fā)電的關鍵一環(huán)
風力發(fā)電是將風的動能轉(zhuǎn)化為機械動能，再進而轉(zhuǎn)化為電力動能，這要依靠風力發(fā)電機的良好運轉(zhuǎn)才能實現(xiàn)。其中，風力葉片的設計會直接影響風能的轉(zhuǎn)換率，是風力發(fā)電中十分重要的一環(huán)。
風電葉片主要由基體樹脂、增強材料、夾芯材料、結(jié)構(gòu)膠以及表面涂料等構(gòu)成。基體材料包括不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂和乙烯基樹脂等；增強材料有玻璃纖維、碳纖維和天然纖維（竹纖維）等；夾芯材料有PVC 泡沫、PMI泡沫、Balsa（輕木）、san 泡沫和竹纖維等。
目前，風電葉片大多采用的是玻璃纖維增強聚酯樹脂或玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂來制作。環(huán)氧樹脂具有良好的力學性能、耐化學腐蝕性以及尺寸穩(wěn)定性，因此在葉片不斷加長的趨勢之下，許多葉片設計公司的基體樹脂漸漸以環(huán)氧樹脂代替了最初使用的不飽和聚酯。環(huán)氧樹脂的主要產(chǎn)地分布于中國、日本以及歐洲。其中，我國的環(huán)氧樹脂產(chǎn)能約占到世界總產(chǎn)能的60%。
值得關注的是，近幾年，逐漸有不少公司開始嘗試以聚氨酯來作為制作風電葉片的材料。相比之下，聚氨酯風電葉片具有：設計性強，力學性能好，能夠平衡葉片強度與韌性間的需求，還能考慮到材料的歷史性能與疲勞性能；效率更高，固化快節(jié)省時間和生產(chǎn)成本，尤其是在對大尺寸部件的生產(chǎn)時，能保障生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；兼容性好，與其他材料融合良好。例如：在玻璃纖維與碳纖維的復合生產(chǎn)中將呈現(xiàn)出更理想的界面結(jié)合力。
目前主要使用E 級玻璃纖維，H 級和S 級在未來可能會得到廣泛的使用，使用比較多的玻璃纖維生產(chǎn)商主要有OCV、CPIC、PPG、巨石和泰山等，其中OCV 和PPG 均在中國本地生產(chǎn)。碳纖維的目前成本較高，還需要等待大規(guī)模工業(yè)化時機的到來。隨著我國葉片行業(yè)的快速發(fā)展，葉片材料的相關領域取得了較大突破，大部分原材料已經(jīng)可以實現(xiàn)本地化，為我國風電葉片產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展打下了基礎。
我國風電葉片產(chǎn)業(yè)發(fā)展須尋求新突破
19年北京國際風能大會暨展覽會的開幕式上，國家能源局新能源和可再生能源司副司長李創(chuàng)軍首先闡明了我國風電產(chǎn)業(yè)最新的發(fā)展動向，主要表現(xiàn)為：市場平穩(wěn)增長、結(jié)構(gòu)穩(wěn)步調(diào)整、海上風電穩(wěn)妥推進、分散式風電穩(wěn)中有進，實現(xiàn)新突破、棄風問題企穩(wěn)向好、技術(shù)研發(fā)有序推進、企業(yè)實力明顯增強，可以看出我國風電產(chǎn)業(yè)正迎來新的發(fā)展空間，與之相應的，也將帶動風電葉片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
實際上，我國風電葉片產(chǎn)業(yè)走過了一段較為艱難的時期。我國風電葉片產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚，早期國內(nèi)的風電葉片被歐美企業(yè)普遍壟斷，技術(shù)和材料制約著我國的風電葉片的市場競爭力。而隨著國內(nèi)市場逐步繁榮，以及國家的扶持和科研能力的提升，2000年左右迎來了產(chǎn)業(yè)發(fā)展的分水嶺。緊接著2005年以后，風電市場迎來爆發(fā)式發(fā)展，大量資本進入這一行業(yè)，也使產(chǎn)能從供不應求轉(zhuǎn)為嚴重過剩，直到2010年受到國家一系列調(diào)控政策的影響，企業(yè)大量退出，風電葉片行業(yè)才正式走上穩(wěn)定發(fā)展之路。
在近十年的快速發(fā)展中，我國風電產(chǎn)業(yè)逐漸形成了較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。近年來我國風電市場持續(xù)發(fā)展，在科研的不斷深入之下，我國已具備自主研發(fā)能力，風電葉片行業(yè)已達到了國際同步水平，實現(xiàn)了風電葉片研發(fā)技術(shù)從全部引進到部分輸出的華麗轉(zhuǎn)身。但美中不足的是，在葉片設計層面仍然處于初級階段，在翼型開發(fā)、新型結(jié)構(gòu)設計等方面依然與國外先進技術(shù)存在差距。
然而，在風電葉片產(chǎn)業(yè)的人才建設和復合材料相關理論方面，我國尚欠優(yōu)勢。相關人員的經(jīng)驗、技術(shù)沉淀都不足，與國外風電技術(shù)發(fā)達國家相比差距明顯。而相關材料的研究試驗數(shù)據(jù)的缺失，也影響著我國葉片結(jié)構(gòu)設計的可靠性和經(jīng)濟性。
可喜的是，近年來國內(nèi)也在不斷發(fā)力：比如：復合材料領域研究成果頻傳，由西北工業(yè)大學和北京航空航天大學分別主導的兩個系列的風電專用翼型研究已經(jīng)從理論走向?qū)嵺`，在風電葉片相關的實驗室、認證機構(gòu)、建造工作等方面的持續(xù)建設等，無不在推動著我國這一產(chǎn)業(yè)領域的進步發(fā)展。
結(jié)語
風電產(chǎn)業(yè)的興起帶動了風電葉片產(chǎn)業(yè)的繁榮，風電葉片作為風力發(fā)電過程中十分關鍵的一環(huán)，集合了無數(shù)的科研成果。而在風電葉片的應用材料中擔綱主角的高分子復合材料，在風電產(chǎn)業(yè)平穩(wěn)發(fā)展的未來中，也將迎來新一輪的發(fā)展契機。
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