風(fēng)電葉片用芯材應(yīng)用進展

梁小杰， 楊文濤， 游慧鵬， 謝宇飛， 劉宏偉， 張朝鋒， 鄭 冰

（中車山東風(fēng)電有限公司，山東，濟南 250061）

0 引言

人類社會不斷發(fā)展，對能源的需求越來越多，煤炭和石油等傳統(tǒng)的化石能源作為不可再生能源，存儲量越來越少，并且對生態(tài)環(huán)境具有破壞性，因此為了保護環(huán)境和緩解世界能源危機，需要大量開發(fā)利用可再生能源。風(fēng)能是一種對生態(tài)環(huán)境無污染的可再生綠色能源，在世界能源需求日益增長，環(huán)境問題備受關(guān)注，尤其在碳達峰、碳中和的背景下，具有較大的經(jīng)濟價值和社會應(yīng)用前景，具有非常重要的戰(zhàn)略意義[1]。國際可再生能源署在《全球可再生能源展望》報告中指出，預(yù)測到2050 年海陸兩地風(fēng)能的有效利用將實現(xiàn)全球90%以上的減排量。21 世紀(jì)以來，風(fēng)電技術(shù)處于快速發(fā)展的狀態(tài)，風(fēng)電裝機容量增長迅速，這促使風(fēng)電產(chǎn)業(yè)成為了世界范圍內(nèi)快速增長的行業(yè)。近幾年，我國風(fēng)電裝機容量一直是世界占比第一的增長量，并且已經(jīng)是世界上累計裝機容量最多的國家，風(fēng)電葉片作為風(fēng)機的關(guān)鍵部件，對風(fēng)機的性能起到重要作用。風(fēng)電葉片原材料主要由基體材料、增強材料和泡沫芯材等制成，風(fēng)電葉片的設(shè)計結(jié)構(gòu)屬于三明治夾芯結(jié)構(gòu)，泡沫芯材作為風(fēng)電葉片的主要材料之一，是重要的剪切載荷的承受者，而上邊表層的玻璃鋼是彎曲剛性的承受者[2-5]。目前風(fēng)電葉片用的芯材主要有輕木、交聯(lián)聚氯乙烯泡沫（PVC 泡沫）、丙烯腈-苯乙烯泡沫（SAN 泡沫）和聚對二甲酸乙二醇酯泡沫（PET 泡沫）4 種。

1 風(fēng)電葉片用芯材分類

1.1 Balsa 輕木

輕木主要生長在南美地區(qū)，結(jié)構(gòu)為蜂窩結(jié)構(gòu)，是一種天然植物，屬于可再生資源，力學(xué)性能和加工性能都比較好，具有良好的抗疲勞性和高強度/質(zhì)量比。真空灌注過程中，由于輕木的毛細管作用，會吸收大量的樹脂，降低灌注效率，同時增加風(fēng)電葉片的質(zhì)量[6]。但是相比于PVC、PET 等其他泡沫材料，輕木具有更高的強度和剛度，因此一般用于抗剪切性能要求更高的葉根部分[7]。除了上述特點，輕木還易吸水，在風(fēng)電葉片的制備過程中輕木的含水率要求<12%，但是在長期儲存和運輸過程中非常容易導(dǎo)致含水率的超標(biāo)，在樹脂固化放熱過程中存在的水分形成水蒸氣，導(dǎo)致過多水分存在的區(qū)域形成缺陷，另外過多的水分會降低芯材與玻纖布的結(jié)合作用而降低風(fēng)電葉片的質(zhì)量，因此輕木在使用前需對含水率進行測量并處理。

國內(nèi)的輕木主要依賴于進口，隨著風(fēng)機裝機量的逐年增加和國際環(huán)境的影響，輕木的質(zhì)量和數(shù)量很難保障，因此急需開發(fā)出可以替代輕木的泡沫材料，目前有風(fēng)電葉片廠家嘗試采用高密度的PET 泡沫芯材代替輕木[8]。

1.2 交聯(lián)PVC 泡沫

交聯(lián)PVC 泡沫塑料的歷史可以追溯到20 世紀(jì)30年代的德國，林德曼采用異氰酸酯改性PVC 制得，50年代就有相關(guān)的專利，現(xiàn)在經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展，國外很多廠家已經(jīng)實現(xiàn)了交聯(lián)PVC 的商業(yè)化生產(chǎn)，代表廠家有瑞典Diab 公司、瑞士Airex 公司、固瑞特公司和日本JFC 公司[9]。我國在硬質(zhì)交聯(lián)PVC 泡沫方面起步較晚，從20 世紀(jì)90 年代開始硬質(zhì)PVC 泡沫塑料的研制，目前保定維賽新材料科技股份有限公司和常州天晟新材料集團股份有限公司等廠家生產(chǎn)的低密度硬質(zhì)PVC 泡沫塑料已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用，是我國風(fēng)電葉片用PVC 芯材的主要供應(yīng)商[10-13]。

PVC 泡沫是一種交聯(lián)閉孔的熱固性塑料，具有各向同性，質(zhì)輕、性價比高、優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能，利用熱變形能力可制造曲面結(jié)構(gòu)，不易吸水等優(yōu)點，但是作為夾層結(jié)構(gòu)剪切強度較低，不適合作為主承力結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于風(fēng)電葉片殼體部位[14-16]。另外，PVC 泡沫耐溫最高80 °C，在風(fēng)電葉片制造過程中會出現(xiàn)由于環(huán)氧樹脂固化放熱溫度過高（高至100 °C）導(dǎo)致PVC 泡沫變色或燒焦現(xiàn)象出現(xiàn)，這些會對風(fēng)電葉片性能產(chǎn)生不好影響。江一杭等[17]對PVC 泡沫放置于70 和100 °C 烘箱中處理6 h，并對兩種溫度處理下的PVC 泡沫剪切、壓縮性能，以及層合板的剪切、壓縮、剝離性能進行了對比，發(fā)現(xiàn)100 °C 處理的PVC 泡沫和層合板的性能均低于70 °C 處理的PVC 泡沫和層合板，但是仍高于設(shè)計值，為了進一步提高風(fēng)電葉片的剛度需盡可能降低體系的溫度。

由于PVC 泡沫質(zhì)輕、價格低、力學(xué)性能能夠滿足風(fēng)電葉片設(shè)計要求，因此目前風(fēng)電葉片殼體和腹板上的夾芯泡沫材料主要是PVC 泡沫，目前PVC 泡沫國內(nèi)只有幾家生產(chǎn)和供應(yīng)，全部產(chǎn)能也無法滿足目前國內(nèi)風(fēng)電葉片市場的需求，因此仍需繼續(xù)開發(fā)和研究可替代PVC 泡沫的夾芯材料。

1.3 SAN 泡沫

SAN 泡沫是一種熱固性泡沫，20 世紀(jì)90 年代加拿大ATC 公司（已被固瑞特公司收購）開始SAN 泡沫的生產(chǎn)。SAN 泡沫與PVC 泡沫性能相近，但是抗沖擊性能和耐溫性更高，可以在風(fēng)電葉片中代替PVC 泡沫材料。目前只有固瑞特公司能夠生產(chǎn)SAN 泡沫，由于產(chǎn)能受限，世界上僅有TPI 公司采用SAN 泡沫作為風(fēng)電葉片的夾芯材料[18]。

1.4 PET 泡沫

PET 泡沫發(fā)泡后制得的PET 泡沫，屬于閉孔熱塑性塑料。PET 泡沫尺寸穩(wěn)定性好，耐熱性高（可長期耐溫130 °C），不會由于溫度過高而造成芯材變色或燒焦，降低風(fēng)電葉片的性能。隨著風(fēng)電葉片裝機量的增加，報廢的風(fēng)電葉片也會越來越多，報廢風(fēng)電葉片的回收處理需要考慮，PET 泡沫作為熱塑性材料，可以做到100%回收循環(huán)利用。PET 泡沫的閉孔結(jié)構(gòu)，可以降低風(fēng)電葉片制造過程中樹脂的吸膠量而降低風(fēng)電葉片的質(zhì)量從而降低風(fēng)電葉片成本[19-20]。憑借上述優(yōu)勢，PET 泡沫已得到世界各大風(fēng)電葉片制造商的關(guān)注，現(xiàn)在已經(jīng)得到批量應(yīng)用。張振聰?shù)萚21]基于等效剪切剛度退化理論，建立了風(fēng)電葉片PET200 夾芯結(jié)構(gòu)的指數(shù)型累計損傷模型，可以很好地描述該結(jié)構(gòu)的損傷演化規(guī)律，為風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。劉艷霞等[20]對風(fēng)電葉片用芯材PET 泡沫的性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)PET 泡沫的抗壓強度、抗剪切強度和耐高溫性能都要優(yōu)于PVC 泡沫，而吸膠量則低于PVC 泡沫，因此風(fēng)電葉片芯材采用PET 泡沫在提高強度和降低成本方面具有較大的優(yōu)勢。低密度的PET 泡沫可以替代風(fēng)電葉片中的PVC 泡沫，而高密度的PET 泡沫可以替代風(fēng)電葉片中的輕木。

上述4 種泡沫夾芯材料都在風(fēng)電葉片上得到應(yīng)用，說明他們的性能都能滿足風(fēng)電葉片不同部位的設(shè)計要求。目前風(fēng)電葉片制備過程中所采用的樹脂仍是以環(huán)氧樹脂為主，環(huán)氧樹脂在固化過程中會放熱，導(dǎo)致體系溫度升高，可達100 °C 以上，而PVC 泡沫的耐熱溫度80 °C，因此在樹脂灌注過程中可能會導(dǎo)致變形或放氣。SAN 泡沫耐熱性較高，因此和環(huán)氧樹脂的尺寸穩(wěn)定性遠高于PVC 泡沫，這也使SAN 泡沫有望可以成為PVC 泡沫的替代品。近年來，PET 泡沫因其可回收且在高加工溫度下的穩(wěn)定性而備受關(guān)注。然而，它需要更高的密度才能達到 PVC 泡沫或SAN 泡沫提供的強度，但這不影響風(fēng)電葉片制造商對PET 泡沫的關(guān)注。

2 芯材加工

由于輕木具有優(yōu)異的機械性能，密度較其他夾芯材料要高，因此輕木主要應(yīng)用于需要承受較大剪切力作用的葉根。PVC 泡沫和SAN 泡沫的密度較低，因此在輕量化的領(lǐng)域比較常見，如風(fēng)電葉片的外殼和腹板，但是與輕木相比他們的機械性能較差。因此為了保證風(fēng)電葉片的性能和成本，兩種材料會在風(fēng)電葉片中共同使用[22]。

風(fēng)電葉片的制備主要采用真空輔助樹脂灌注工藝，這是一種高性能、低成本的大型纖維復(fù)合材料部件的成型技術(shù)[23-25]。為了環(huán)氧樹脂能夠在芯材中快速流動和充分浸潤芯材，目前大部分風(fēng)電葉片制造商在芯材表面上進行打孔和開槽[26]。芯材表面的打孔和開槽方式，打孔的孔徑、孔間距和開槽的數(shù)量、形狀和間距等會影響樹脂在芯材中的流動，另外還會影響芯材的吸膠量，因此需要合理設(shè)計布置孔和槽的數(shù)量和形狀，既有利于樹脂在芯材的快速流動，又有助于樹脂充分流入層壓板，盡量減少樹脂的吸收量而不降低材料的性能，從而降低產(chǎn)品的質(zhì)量。

吉林重通成飛新材料股份公司對相同打孔方式、有無開槽的腹板SAN 泡沫進行了力學(xué)性能測試[27]。發(fā)現(xiàn)開槽打孔的樣品面積吸膠量、體積吸膠量和灌注后芯材密度分別比打孔樣品高43.1%、43.1%和16.9%，而打孔樣品的剪切性能和壓縮性能分別比開槽打孔樣品下降3.7%和1.5%，但是力學(xué)性能均在設(shè)計要求數(shù)值之上。該公司實際生產(chǎn)了多支68 m 左右的腹板，打孔方式制作的腹板比開槽打孔方式制作的腹板質(zhì)量要輕，對于風(fēng)電葉片腹板輕量化具有重大意義。但是芯材表面開槽區(qū)域的樹脂流速要快于無槽孔區(qū)域，表面開槽區(qū)域由于樹脂流速過快，會導(dǎo)致樹脂的流失，產(chǎn)生沒有樹脂的縫隙或?qū)е戮植繀^(qū)域的白斑缺陷，導(dǎo)致風(fēng)電葉片在運行中由于芯材的抗剪切和抗壓縮能力降低而失效產(chǎn)生事故。因此需要對芯材的開槽方式進行全方面的考慮，既要保證樹脂的流速，又要保證材料的性能，還需要盡可能降低吸膠量。

由于模具具有一定的弧度，因此在具有弧度的區(qū)域，芯材之間會有間隙產(chǎn)生。天津明陽風(fēng)電設(shè)備有限公司對不同間隙（2、5 和7 mm）PVC 平壓、剪切、剝離和四點彎曲板材的性能進行了研究，試驗結(jié)果表明，PVC 泡沫芯材不同間隙吸膠后，隨著芯材間隙的增大、吸膠量增加和密度增大，平壓強度和模量、剪切強度和模量、四點彎曲芯子剪切強度、四點彎曲面板彎曲強度都提升，剝離能先增大后降低[28]。目前在風(fēng)電葉片的制備過程中，為了降低風(fēng)電葉片的質(zhì)量一般平鋪芯材的間隙盡可能的低，但是風(fēng)電葉片間隙的增大，會提升風(fēng)電葉片的力學(xué)性能，因此可以合理設(shè)計芯材間隙，既滿足風(fēng)電葉片力學(xué)性能的提升又滿足風(fēng)電葉片減質(zhì)的目的。

3 結(jié)束語

2016 年，國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016—2030 年）》明確，將研發(fā)100 m 級及以上風(fēng)電葉片列入能源技術(shù)創(chuàng)新的重點任務(wù)中[29]。風(fēng)電葉片尺寸的增大會提升機組的發(fā)電量，同時也會導(dǎo)致載荷增加，因此長風(fēng)電葉片的輕量化是風(fēng)電葉片的重點研究方向，而材料是風(fēng)電葉片輕量化的突破口。根據(jù)全球風(fēng)能理事會的預(yù)測，全球裝機量從2019 的60.4 GW 增長到2024 年的73.4 GW，年均增長率接近4%，根據(jù)《巴黎協(xié)定》全球電力可再生能源比例從2020 年的24%增長到2050 年的86%，這都促使風(fēng)力發(fā)電在內(nèi)的新能源具有廣闊的發(fā)展空間，將來風(fēng)火同價的市場環(huán)境下，要求在不降低風(fēng)電葉片性能的前提下盡可能降低成本。我國21 世紀(jì)以來開始加大風(fēng)力發(fā)電速度，風(fēng)電葉片的設(shè)計使用壽命為20 年，隨著風(fēng)電葉片裝機量的增加，需要報廢的風(fēng)電葉片也會越來越多，因此需要考慮風(fēng)電葉片的可回收問題[30]。基于風(fēng)電葉片面臨的以上問題，開發(fā)和使用力學(xué)性能優(yōu)異的可回收的熱塑性泡沫芯材或天然泡沫芯材是一種趨勢，預(yù)計接下來風(fēng)電葉片制造商、風(fēng)電葉片原材料供應(yīng)商、風(fēng)電葉片使用商會聯(lián)合開發(fā)研究驗證可回收的PET 等性能優(yōu)異的熱塑性泡沫材料，逐漸替代熱固性PVC 等泡沫夾芯材料。