展望風(fēng)電葉片技術(shù)接下來的演進(jìn)，突破將集中于材料、結(jié)構(gòu)、工藝三個環(huán)節(jié)之上。
文 |《風(fēng)能》雜志 夏云峰
葉片，是風(fēng)電機(jī)組最重要的部件之一，直接左右著機(jī)組的發(fā)電效率與成本。在碳中和時代正式開啟與風(fēng)電全面走向平價(jià)上網(wǎng)的大背景下，葉片的重要性會進(jìn)一步凸顯。從某種意義上來說，葉片技術(shù)未來能取得多大的突破，將在很大程度上決定著風(fēng)電市場競爭力的成色。
那么，國內(nèi)風(fēng)電葉片行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀如何？面臨著哪些挑戰(zhàn)？如何應(yīng)對？帶著這些問題，本刊記者近日走訪了部分葉片企業(yè)。
“三化”下的挑戰(zhàn)
縱覽風(fēng)電葉片發(fā)展歷程，大型化趨勢日趨明顯，近五年更有加速之勢。
中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司（下稱“中材葉片”）總經(jīng)理王欣以陸上風(fēng)電為例向《風(fēng)能》介紹，葉片長度從40米增至60米花了10年左右的時間，升到80米用時近5年，隨后卻在兩年內(nèi)從80米增至90米?！?021年，大家覺得80米級別的產(chǎn)品很有競爭力了，2022年客戶的需求已經(jīng)提高到90米級別?！?/p>
行業(yè)數(shù)據(jù)佐證了上述觀點(diǎn)。據(jù)中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會（CWEA）統(tǒng)計(jì)，2010年，我國新增風(fēng)電機(jī)組的平均風(fēng)輪直徑為78米，2020年達(dá)到136米。2010~2015年，我國新增風(fēng)電機(jī)組平均風(fēng)輪直徑年均增長4.5米，2016~2020年則年均增長7.8米。目前，我國最長陸上風(fēng)電葉片達(dá)到91米，相當(dāng)于30層樓的高度；最長海上風(fēng)電葉片為103米，接近于4個標(biāo)準(zhǔn)籃球場的長度。
圖1 2010—2020年中國新增風(fēng)電機(jī)組不同風(fēng)輪直徑裝機(jī)容量占比
葉片的大型化，被視為增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組捕風(fēng)能力以及降低風(fēng)電項(xiàng)目成本的主要途徑之一。背后的邏輯在于，根據(jù)理論發(fā)電量計(jì)算公式，風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電能與葉片長度的平方成正比，增加葉片長度可以帶來較為可觀的發(fā)電量提升。而大容量機(jī)組搭配長葉片，能夠減少同等裝機(jī)規(guī)模項(xiàng)目所用的機(jī)組數(shù)量，相應(yīng)降低機(jī)組及其施工安裝等方面的投入。
可問題是，由于葉片成本占到風(fēng)電機(jī)組的1/5以上，葉片長度增加將一定程度上推高其自身以及整機(jī)的成本，這顯然與市場走向相左。2021年以來，風(fēng)電機(jī)組投標(biāo)價(jià)格屢創(chuàng)新低，陸上風(fēng)電徘徊在2000元/千瓦，海上風(fēng)電低至4000元/千瓦。葉片價(jià)格同樣一路下滑，僅2021年的降幅就超過了20%。
更嚴(yán)重的是，葉片長度的增加還會導(dǎo)致葉片自重的上升，進(jìn)而對凈空等方面形成挑戰(zhàn)。換句話說，要讓通過研制長葉片來提升發(fā)電量變得可行，就必須想辦法控制好葉片自重，并使之具有更高的強(qiáng)度、剛度等，以確保整機(jī)系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。
輕量化，由此成為葉片發(fā)展的一大趨勢，通常是從材料、工藝等的改進(jìn)入手，以降低葉片重量。
輕量化設(shè)計(jì)的更大價(jià)值在于，它可以降低機(jī)頭的載荷，進(jìn)而使傳動鏈、塔筒、基礎(chǔ)的優(yōu)化成為可能，最終推動整機(jī)降本。
葉片發(fā)展的另一個趨勢則是定制化。
據(jù)王欣介紹，“客戶現(xiàn)在會結(jié)合項(xiàng)目和整機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，在葉片上提出更多的個性化要求，對產(chǎn)品需求的把控更強(qiáng)了。為此，需要開展一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合降本。”
個性化疊加大型化，導(dǎo)致葉片產(chǎn)品換代周期越來越短。據(jù)悉，2020年前，一款新葉片的市場生命周期是3~5年；2021年以來縮至2年。這給從研發(fā)到模具都帶來巨大壓力，目前一個型號的模具僅能使用2年左右。
面對上述挑戰(zhàn)，加快創(chuàng)新勢在必行。
“葉片技術(shù)接下來有望實(shí)現(xiàn)突破的是三個方向，即新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝?！敝曛迺r代新材料科技股份有限公司（下稱“時代新材”）副總經(jīng)理兼風(fēng)電產(chǎn)品事業(yè)部總經(jīng)理侯彬彬向《風(fēng)能》表示，“氣動性能出現(xiàn)突破的可能性很小，畢竟葉片氣動設(shè)計(jì)所用的理論已經(jīng)使用了幾十年，但在一些具體翼型的使用和組合方面還是有提升空間的。”
材料替代成效顯著
葉片由增強(qiáng)纖維、樹脂基體、芯材等構(gòu)成。其中，增強(qiáng)纖維需要具有高模量，以提高葉片的剛度；樹脂基體需要黏度低，能夠快速灌注，且缺陷低、成型效率高；芯材用于提高葉片的穩(wěn)定性。在葉片總成本中，這些原材料合計(jì)80%左右。因此，選用更優(yōu)質(zhì)的材料，成為提升葉片性能、降低其成本的關(guān)鍵所在。
玻璃纖維是葉片所用的主要增強(qiáng)纖維，經(jīng)過多年的大規(guī)模應(yīng)用，工藝早已成熟。短期內(nèi)玻璃纖維的主導(dǎo)地位難以撼動。
近年來，基于降重等方面的考慮，企業(yè)一直在探索應(yīng)用碳纖維材料。研究表明，碳纖維的密度比玻璃纖維低30%~35%，應(yīng)用碳纖維可使葉片減重20%以上；碳纖維的拉伸模量比玻璃纖維高3~8倍；碳纖維擁有更強(qiáng)的抗疲勞性能，能夠延長葉片的使用壽命。
然而，現(xiàn)階段有兩大因素制約著碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的批量化應(yīng)用：一是碳纖維的價(jià)格居高不下，是玻璃纖維的10倍以上；二是供應(yīng)能力不足，全球碳纖維企業(yè)的產(chǎn)能有限，且向其他行業(yè)傾斜，真正可用于風(fēng)電葉片的碳纖維少之又少。
“對葉片而言，為適應(yīng)平價(jià)上網(wǎng)的要求，新材料的成本不能過高，否則就是再好的材料也用不起。因此，碳纖維的批量化商業(yè)應(yīng)用仍需時日?！蓖跣缽?qiáng)調(diào)。
為了在成本處于可接受的范圍內(nèi)充分利用碳纖維的優(yōu)點(diǎn)，葉片企業(yè)也在嘗試將玻璃纖維與碳纖維混雜的應(yīng)用方式。
此外，業(yè)界還普遍在主梁、葉根等傳導(dǎo)載荷的部位采用高模量玻璃纖維，以實(shí)現(xiàn)葉片的輕量化設(shè)計(jì)。
在樹脂基體方面，環(huán)氧樹脂是主流，但面對近幾年其價(jià)格的急劇上漲，葉片企業(yè)加快了以聚氨酯樹脂取而代之的步伐。
“生意社”網(wǎng)站的數(shù)據(jù)顯示，2018~2019年，環(huán)氧樹脂的市場均價(jià)為1.6萬~1.8萬元/噸，但從2020年下半年開始上揚(yáng)，2021年4月攀升至4萬元/噸的高位，目前回落到2.8萬元/噸。
侯彬彬指出，這一波價(jià)格上漲，背后存在資本炒作的因素，再加上供需關(guān)系緊張，“價(jià)格確實(shí)非?？鋸垺?。
環(huán)氧樹脂價(jià)格高企，凸顯了聚氨酯樹脂的成本優(yōu)勢，且后者的機(jī)械性能和抗疲勞性能更優(yōu)，灌注和固化速度快，加工性能好，有機(jī)物揮發(fā)性低。這些都為聚氨酯樹脂批量用于風(fēng)電葉片奠定基礎(chǔ)。
至于夾芯材料，一個已見成效的發(fā)展方向是使用PET材料替代巴沙木、PVC。
巴沙木生長速度快，木質(zhì)密度低，每立方米的重量僅為0.1噸，被稱為“世界上最輕的樹”。它不易變形，強(qiáng)度以及柔性適中，是一種理想的葉片夾芯材料。
只是作為天然材料，巴沙木自身同樣存在缺陷：主產(chǎn)地限于厄瓜多爾、印度尼西亞、巴布亞新幾內(nèi)亞；易吸水，沿著長度方向和垂直方向的性能差異大；產(chǎn)業(yè)鏈長，從砍伐到切成套材需要?dú)v時數(shù)月，任何環(huán)節(jié)出問題都會影響供應(yīng)。2019―2020年，受風(fēng)電“搶裝”以及新冠肺炎疫情爆發(fā)的影響，巴沙木供應(yīng)一度成為行業(yè)的“瓶頸”，價(jià)格水漲船高，2020年曾突破2萬元/立方米，接近于2019年的3倍。
在此背景下，實(shí)施PET替代巴沙木被提上日程。以時代新材為例，其在生產(chǎn)葉片所用的夾芯材料中，PET占一半，巴沙木與PVC占一半，前者的比重還在上升。
由此帶來的益處是顯而易見的。首先，PET屬于成熟的工業(yè)化制品，且實(shí)現(xiàn)了完全國產(chǎn)化，供應(yīng)更有保障。其次，PET的耐溫性能優(yōu)于PVC，能夠很好地應(yīng)對葉片變長后鋪層增多帶來的溫度上升問題。再次，PET材料是可回收利用的。更為關(guān)鍵的是，PET的價(jià)格只有巴沙木、PVC的一半，批量替代可以大大降低葉片成本。
“2021年，面對上游原材料價(jià)格的瘋漲，葉片價(jià)格仍能下降超過20%，就與PET材料的批量替代有重要關(guān)系?！焙畋虮蛘f。
在他看來，基于廢舊葉片環(huán)保回收利用的需要，可降解的熱塑性樹脂或?qū)⑹俏磥砣~片新材料應(yīng)用值得關(guān)注的一個方向。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有待優(yōu)化
近些年風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)的一個明顯變化是，將之前主梁位置的雙腹板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改為單腹板設(shè)計(jì)。
另外，為了解決長葉片的運(yùn)輸難題，業(yè)內(nèi)還在嘗試研制分段葉片，但進(jìn)展緩慢，尚未形成可批量應(yīng)用的成熟解決方案。
據(jù)王欣介紹，分段葉片的連接主要有兩種方式：一是機(jī)械連接，通過法蘭和螺桿連接分段，缺點(diǎn)是會增加重量和成本，葉片質(zhì)量會在連接處發(fā)生突變；二是粘接膠連接，這種方式仍有待解決現(xiàn)場定位夾緊、快速固化等方面的問題。
接下來，挑戰(zhàn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有望成為葉片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破的方向。
侯彬彬告訴《風(fēng)能》，在葉片尺寸越來越大后，為了滿足剛度的要求，有可能會將葉片設(shè)計(jì)得很“笨重”，但實(shí)際上部分設(shè)計(jì)余量是偏大的，存在優(yōu)化的空間?！拔覀冋谧龅氖?，借助多目標(biāo)優(yōu)化算法平臺，運(yùn)用葉片參數(shù)建模，進(jìn)行反復(fù)迭代?！?/p>
他提醒，這樣做的前提條件是，要有足夠的測試數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)積累，并通過更多的試驗(yàn)與測試來加以驗(yàn)證。
王欣指出，為挑戰(zhàn)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，必須提高設(shè)計(jì)的精細(xì)化程度，管控好批量制造的產(chǎn)品質(zhì)量一致性。否則，一旦制造過程中的工藝控制和質(zhì)量控制出現(xiàn)波動，由于安全余度較之前有所調(diào)低，產(chǎn)品投運(yùn)后發(fā)生問題的概率將增加。
工藝革新多點(diǎn)開花
工藝，是利用生產(chǎn)工具對原材料進(jìn)行加工或處理，最終使之成為成品的方法與過程。就風(fēng)電葉片而言，近些年得以推廣的工藝包括在線灌注與拉擠技術(shù)。
在線灌注是針對樹脂而言的，“最開始，樹脂的混合、脫泡、灌注分別采用專門的設(shè)備。現(xiàn)在開發(fā)出新的設(shè)備，可以一邊混合，一邊脫泡，一邊灌注。”侯彬彬解釋道。
采取這種方式，既降低了產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，大幅減少了工人數(shù)量，灌注效率也會顯著提升，單支葉片的灌注時間從十幾個小時縮短至三四個小時。
據(jù)王欣介紹，運(yùn)用拉擠成型工藝將碳纖維或玻璃纖維制成主梁的技術(shù)日臻成熟。“它可以減少工序，相應(yīng)減少模具的投入。與灌注工藝相比，拉擠的樹脂含量更低，可以使葉片重量下降3%左右。”
從中長期來看，依靠數(shù)字化、智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)葉片生產(chǎn)線的自動化，被業(yè)內(nèi)寄予厚望。
長期以來，葉片制造嚴(yán)重依賴人工，不利于保障產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)效率同樣大大受限。
近些年，伴隨數(shù)字化、智能化技術(shù)的廣泛滲透，葉片企業(yè)大力推進(jìn)生產(chǎn)線自動化，目前葉片表面打磨、切邊、涂裝，螺栓裝配，葉片及部件轉(zhuǎn)運(yùn)等環(huán)節(jié)均已實(shí)現(xiàn)自動化，但鋪層工序仍無法采用機(jī)器作業(yè)。最主要的原因是，這個過程需要鋪幾十層玻璃纖維布，牽涉到曲面、布的搭接以及各種尺寸，且不能有褶皺，還存在樹脂的化學(xué)反應(yīng)，影響因素多，控制難度大。
另一個正在被推廣的新工藝是預(yù)制件，即采用模塊化的生產(chǎn)方式，將主梁、后緣梁、腹板等預(yù)先制造出來，再在模具中完成組裝。
侯彬彬認(rèn)為，這一方式也有可能應(yīng)用于模具上，在將來葉片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的情況下，將模具分成幾段標(biāo)準(zhǔn)化模塊，根據(jù)需要組合使用，從而延長模具的壽命。
眼下，為了化解葉片更新?lián)Q代給模具帶來的壓力，通常采用家族化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)模具時即兼顧多個葉片型號，后期通過延長或更換某一段的方式來提高模具的復(fù)用率。
測試能力亟需提升
作為基礎(chǔ)性支撐，葉片技術(shù)的快速迭代同樣考驗(yàn)著試驗(yàn)驗(yàn)證體系。記者了解到，目前風(fēng)電企業(yè)已針對所用原材料建立起較為完善的測試能力，足以滿足批量應(yīng)用材料與新材料的試驗(yàn)需求，最大的挑戰(zhàn)來自于葉片性能測試。
侯彬彬告訴《風(fēng)能》，業(yè)內(nèi)此前建設(shè)的很多試驗(yàn)平臺均已經(jīng)無法再使用。特別是隨著葉片長度進(jìn)入“百米級”，國內(nèi)試驗(yàn)平臺資源的緊張程度進(jìn)一步加劇。
針對于此，有業(yè)內(nèi)專家呼吁，除了企業(yè)自建測試平臺之外，還應(yīng)圍繞關(guān)鍵共性技術(shù)，加快公共技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)平臺建設(shè)。
目前，這方面的工作正在穩(wěn)步推進(jìn)中。比如，于2021年1月投運(yùn)的陽江國家海上風(fēng)電裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，是國內(nèi)唯一國家級海上風(fēng)電裝備公共技術(shù)研發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺，也是迄今為止全球最大的葉片檢測實(shí)驗(yàn)室。該中心由國家認(rèn)監(jiān)委批準(zhǔn)、陽江市政府支持，北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司負(fù)責(zé)建設(shè)和運(yùn)營，可以開展150米級葉片全尺寸結(jié)構(gòu)測試，將有效支撐海上風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展。
談及葉片試驗(yàn)驗(yàn)證體系建設(shè)，侯彬彬認(rèn)為現(xiàn)有的測試手段也需要升級，一個值得關(guān)注的重點(diǎn)是構(gòu)建雙軸加載測試能力。
眾所周知，葉片的受力主要來自兩個方向——揮舞與擺振。長期以來，葉片疲勞試驗(yàn)時均將兩者解耦，分別進(jìn)行測試。然而，在風(fēng)電場的實(shí)際運(yùn)行過程中，葉片會同時受到兩個方向力的作用，呈現(xiàn)一種“扭”的姿態(tài)。
“要想讓測試結(jié)果更接近實(shí)際情況，行業(yè)應(yīng)當(dāng)考慮發(fā)展雙軸加載測試技術(shù)，即兩個方向同時施加力。”侯彬彬強(qiáng)調(diào)。
據(jù)悉，雙軸加載測試技術(shù)在全世界范圍內(nèi)仍處于研究階段，尚缺少測試設(shè)備，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更無從談起。數(shù)據(jù)積累不足以及標(biāo)準(zhǔn)缺失，使得軟件模擬同樣成為一道難題。
雖然存在種種挑戰(zhàn)，但上述創(chuàng)新舉措的逐步推廣，以及新突破的不斷出現(xiàn)，必將為葉片技術(shù)發(fā)展打開更廣闊的空間。在此加持下，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路也會越走越寬。
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