近幾年哪種材料成為制作風(fēng)電葉片的新寵
2020-01-08
我國風(fēng)力資源十分豐富，尤其海上風(fēng)能資源占比更大。據(jù)悉，海上風(fēng)電是可再生能源發(fā)展的重要領(lǐng)域，是推動(dòng)風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要力量，同時(shí)也是促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要措施。加快海上風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)，對(duì)于促進(jìn)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(jì)發(fā)展方式等工作具有重要意義。
風(fēng)電葉片——風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵一環(huán)
風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能，再進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電力動(dòng)能，這要依靠風(fēng)力發(fā)電機(jī)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn)。其中，風(fēng)力葉片的設(shè)計(jì)會(huì)直接影響風(fēng)能的轉(zhuǎn)換率，是風(fēng)力發(fā)電中十分重要的一環(huán)。
風(fēng)電葉片主要由基體樹脂、增強(qiáng)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(qiáng)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(fēng)電葉片大多采用的是玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂或玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂來制作。環(huán)氧樹脂具有良好的力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕性以及尺寸穩(wěn)定性，因此在葉片不斷加長的趨勢(shì)之下，許多葉片設(shè)計(jì)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(guān)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(fēng)電葉片的材料。相比之下，聚氨酯風(fēng)電葉片具有：設(shè)計(jì)性強(qiáng)，力學(xué)性能好，能夠平衡葉片強(qiáng)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(shí)間和生產(chǎn)成本，尤其是在對(duì)大尺寸部件的生產(chǎn)時(shí)，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(fù)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(jí)玻璃纖維，H 級(jí)和S 級(jí)在未來可能會(huì)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(shí)機(jī)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(guān)領(lǐng)域取得了較大突破，大部分原材料已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)本地化，為我國風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展打下了基礎(chǔ)。
我國風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)發(fā)展須尋求新突破
19年北京國際風(fēng)能大會(huì)暨展覽會(huì)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(fēng)電產(chǎn)業(yè)最新的發(fā)展動(dòng)向，主要表現(xiàn)為：市場(chǎng)平穩(wěn)增長、結(jié)構(gòu)穩(wěn)步調(diào)整、海上風(fēng)電穩(wěn)妥推進(jìn)、分散式風(fēng)電穩(wěn)中有進(jìn)，實(shí)現(xiàn)新突破、棄風(fēng)問題企穩(wěn)向好、技術(shù)研發(fā)有序推進(jìn)、企業(yè)實(shí)力明顯增強(qiáng)，可以看出我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正迎來新的發(fā)展空間，與之相應(yīng)的，也將帶動(dòng)風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
實(shí)際上，我國風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)走過了一段較為艱難的時(shí)期。我國風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚，早期國內(nèi)的風(fēng)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(fēng)電葉片的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。而隨著國內(nèi)市場(chǎng)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(fēng)電市場(chǎng)迎來爆發(fā)式發(fā)展，大量資本進(jìn)入這一行業(yè)，也使產(chǎn)能從供不應(yīng)求轉(zhuǎn)為嚴(yán)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電市場(chǎng)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(fēng)電葉片行業(yè)已達(dá)到了國際同步水平，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電葉片研發(fā)技術(shù)從全部引進(jìn)到部分輸出的華麗轉(zhuǎn)身。但美中不足的是，在葉片設(shè)計(jì)層面仍然處于初級(jí)階段，在翼型開發(fā)、新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面依然與國外先進(jìn)技術(shù)存在差距。
然而，在風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)的人才建設(shè)和復(fù)合材料相關(guān)理論方面，我國尚欠優(yōu)勢(shì)。相關(guān)人員的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)沉淀都不足，與國外風(fēng)電技術(shù)發(fā)達(dá)國家相比差距明顯。而相關(guān)材料的研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺失，也影響著我國葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
可喜的是，近年來國內(nèi)也在不斷發(fā)力：比如：復(fù)合材料領(lǐng)域研究成果頻傳，由西北工業(yè)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)分別主導(dǎo)的兩個(gè)系列的風(fēng)電專用翼型研究已經(jīng)從理論走向?qū)嵺`，在風(fēng)電葉片相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室、認(rèn)證機(jī)構(gòu)、建造工作等方面的持續(xù)建設(shè)等，無不在推動(dòng)著我國這一產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)步發(fā)展。
結(jié)語
風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的興起帶動(dòng)了風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)的繁榮，風(fēng)電葉片作為風(fēng)力發(fā)電過程中十分關(guān)鍵的一環(huán)，集合了無數(shù)的科研成果。而在風(fēng)電葉片的應(yīng)用材料中擔(dān)綱主角的高分子復(fù)合材料，在風(fēng)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(jī)。
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