作者：
顧永明，孫國斌博士，朱宏，吳迪，肖雙印
科思創(chuàng)聚合物(中國)有限公司

Klaus Franken博士，Dirk Soontjens
科思創(chuàng)股份有限公司

Roland Stoer博士，Heiko Hartfiel
WINDnovation Engineering Solutions GmbH

摘要：開發(fā)和擴(kuò)大可再生能源使用的主要目的是著重于研發(fā)能帶來社會效益的技術(shù)和產(chǎn)品。雖然風(fēng)能作為清潔能源展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，但其廣泛使用仍面臨著成本方面的挑戰(zhàn)。本文根據(jù)聚氨酯材料的進(jìn)展，評估了可持續(xù)風(fēng)能的新發(fā)展，同時還指出了風(fēng)能發(fā)展的一個目標(biāo)是降低風(fēng)電成本。

提高風(fēng)電競爭力

科思創(chuàng)是全球*的高科技聚合物材料制造商，業(yè)務(wù)涉及各行各業(yè);WINDnovation是*的多兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計公司?？扑紕?chuàng)研發(fā)了用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的高性能聚氨酯材料，并和 WINDnovation 共同對新型聚氨酯材料在風(fēng)機(jī)葉片中的應(yīng)用進(jìn)行評估。目的在于評估聚氨酯材料在提高葉片生產(chǎn)效率和降低葉片成本方面的作用，同時也是為了應(yīng)對整個行業(yè)在未來長期發(fā)展中所面臨的挑戰(zhàn)。

此項研究的一個關(guān)鍵目標(biāo)是證明風(fēng)力發(fā)電作為一種高性價比、更可持續(xù)能源的“可行性”，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要整個產(chǎn)業(yè)鏈加強(qiáng)合作，包括生產(chǎn)、營銷和服務(wù)過程監(jiān)控環(huán)節(jié)。當(dāng)前，研發(fā)企業(yè)認(rèn)為，風(fēng)能的可再生性使其成為全球能源市場的重要組成部分。為了提高風(fēng)能競爭力，不僅需要簡化供應(yīng)鏈，還需要研發(fā)創(chuàng)新方法以提高發(fā)電效率。

制造更長葉片是行業(yè)趨勢，為了滿足這一發(fā)展需求，需要新型材料創(chuàng)新。從材料方面而言，輕量化葉片是至關(guān)重要的研究重點(diǎn)。葉片輕量化可以減少原材料使用，同時還需達(dá)到更好的產(chǎn)品性能。

另一個目標(biāo)是提高生產(chǎn)速度和效率，而這需要縮短灌注和固化時間。再加上將生產(chǎn)整個風(fēng)機(jī)葉片的生產(chǎn)周期*小化，總體上能夠降低相關(guān)的生產(chǎn)能耗。由于該工藝能增加可再生能源的占比，*終能提升空氣質(zhì)量。

因此，這項研發(fā)活動與多項聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(UN SDG)相契合，具體包括：

• 經(jīng)濟(jì)適用的清潔能源
• 體面工作和經(jīng)濟(jì)增長
• 產(chǎn)業(yè)、創(chuàng)新和基礎(chǔ)設(shè)施
• 可持續(xù)城市和社區(qū)
• 負(fù)責(zé)任的消費(fèi)和生產(chǎn)
• 氣候行動

此外，該研究證實(shí)可以降低平準(zhǔn)化度電成本(LCOEa)。如果葉片的生產(chǎn)成本降低 10% 至 15%，重量更輕，性能不變，而且長度增加，那么可以進(jìn)一步降低平準(zhǔn)化度電成本。

風(fēng)機(jī)葉片的形狀和尺寸由有效獲取風(fēng)能的空氣動力學(xué)性能以及葉片承載強(qiáng)度決定。而更高強(qiáng)度的材料在承載強(qiáng)度方面可以發(fā)揮出它的作用。

圖 1 顯示了過去幾年間葉片長度和質(zhì)量間的變化關(guān)系。


對于現(xiàn)代葉片設(shè)計而言，剛度、壓縮強(qiáng)度以及疲勞性是設(shè)計的驅(qū)動參數(shù)。所有超越現(xiàn)有玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料限制的發(fā)展突破都受到了風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計師和制造商的青睞。

過去幾年，已經(jīng)確定出葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的挑戰(zhàn)有：
·細(xì)長的葉片可容納葉片結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間非常有限。
·葉片質(zhì)量應(yīng)盡量輕(以降低載荷、充分縮減成本)。
·細(xì)長的葉片往往會遇到葉片尖部與塔體的間隙問題，這說明需要使用高性能的玻璃纖維和碳纖維材料，以及復(fù)雜的分析方法。

研究和新材料推動發(fā)展進(jìn)步

2009 年，在美國能源部(US DoE)的資助下，科思創(chuàng)開始研究創(chuàng)新型聚氨酯(PU)解決方案，以推動風(fēng)電行業(yè)擺脫阻礙其未來發(fā)展的重大難題。鑒于中國和歐洲的風(fēng)電發(fā)展趨勢，這項研究的前景無疑是光明的。風(fēng)機(jī)葉片占到整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)成本的 20% 至 25%，所以降低葉片成本有助于降低風(fēng)電行業(yè)的平準(zhǔn)化度電成本。

聚氨酯樹脂的研發(fā)從化學(xué)研究開始，并拓展到聚氨酯灌注工藝的開發(fā)。第—款商業(yè)化產(chǎn)品于 2019 年問世。這項突破性研究中的重要部分——葉片，是由科思創(chuàng)和整個風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈上的合作伙伴共同開發(fā)的。其中包括風(fēng)機(jī)整機(jī)制造商、風(fēng)機(jī)葉片制造商、玻璃纖維供應(yīng)商、機(jī)器生產(chǎn)商和葉片設(shè)計公司 WINDnovation。

聚氨酯(PU)樹脂的應(yīng)用使得葉片技術(shù)取得了關(guān)鍵性的進(jìn)展。采用輕量化設(shè)計能制造出更加細(xì)長的風(fēng)機(jī)葉片，而采用新的樹脂可以滿足基本的設(shè)計要求。WINDnovation首先表示有興趣利用聚氨酯的特性和優(yōu)勢提升葉片設(shè)計。這項研究表明，聚氨酯樹脂適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的制造，并且能降低葉片成本。

圖2 所示為東北地區(qū)大唐風(fēng)力發(fā)電廠的一個風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置。該風(fēng)機(jī)葉片長 55.2 米，配有聚氨酯主梁和承剪腹板，自 2018 年 10 月以來一直運(yùn)轉(zhuǎn)良好。附圖顯示了截至 2019 年 5 月中旬該風(fēng)機(jī)的裝機(jī)發(fā)電量(千瓦時)。


靈活的設(shè)計性及其優(yōu)勢

在生產(chǎn)葉片中使用的大型纖維復(fù)合材料部件時，全新的聚氨酯樹脂具有灌注速度快和固化速度快的優(yōu)勢。聚氨酯樹脂的初始粘度很低，能在風(fēng)機(jī)葉片生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)快速灌注。圖 3 顯示在 25℃時，聚氨酯樹脂粘度只有 58mPa.s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的環(huán)氧灌注樹脂。

在相同條件下，由于粘度低，聚氨酯樹脂比環(huán)氧樹脂的流動性更好，灌注速度更快。

圖4 顯示，在 25°C 條件下，混合 140 分鐘后聚氨酯粘度小于 600mPa.s，非常適合大型風(fēng)機(jī)葉片生產(chǎn)使用。尤其在 90 分鐘開始時，聚氨酯粘度持續(xù)低于 300mPa.s，這意味著在風(fēng)機(jī)葉片生產(chǎn)過程中，聚氨酯的灌注速度比常規(guī)的環(huán)氧注塑樹脂快很多。


聚氨酯樹脂的固化性能為葉片生產(chǎn)帶來更多的優(yōu)勢。在 80°C 情況下，葉片固化時間小于 4 小時，預(yù)固化時間甚至更短，這能節(jié)約寶貴的生產(chǎn)時間。

特性評估小結(jié)

WINDnovation 就 SR552-2 風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計進(jìn)行了基準(zhǔn)研究，以下是對葉片特性的描述與評估b。

材料數(shù)據(jù)

聚氨酯基復(fù)合材料結(jié)合聚氨酯灌注工藝，可以提高纖維含量，帶來優(yōu)于傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能，從而使減輕葉片重量(圖 5)成為可能。WINDnovation 根據(jù)兩種情境開展了分析研究：(a)1:1 取代現(xiàn)有環(huán)氧樹脂，不做任何形式的優(yōu)化;(b)利用聚氨酯力學(xué)性能優(yōu)勢進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
(EP：環(huán)氧樹脂PU：聚氨酯樹脂TM：CPIC 供應(yīng)的 TM 玻璃纖維)


結(jié)構(gòu)形式

PU-1on1 設(shè)計(1:1 取代環(huán)氧樹脂，不做任何形式的優(yōu)化)與原來的葉片 SR552-2 具有相同的結(jié)構(gòu)形式，只是在整個葉片中用聚氨酯樹脂取代了環(huán)氧樹脂。這樣設(shè)計出的葉片重量更輕，偏轉(zhuǎn)更低，疲勞性更佳，而且穩(wěn)定性更高。為了減少質(zhì)量，需要根據(jù)新的強(qiáng)度特性調(diào)整葉片結(jié)構(gòu)。對于 PU-opt 設(shè)計(利用聚氨酯的力學(xué)特性優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化)，主要是通過減少主梁層數(shù)并通過調(diào)整根部的鋪層來保持有效的安全系數(shù)。圖6顯示了主梁層在葉片上的鋪層分布。


葉片重量

計算表明，采用直接樹脂替代法，在保持必要的強(qiáng)度的條件下，葉片重量初步可以減輕 1.1%。圖 7 顯示采用 Pu-opt 葉片設(shè)計，葉片重量減輕高達(dá) 5.0%。


葉片偏轉(zhuǎn)

在特定的額定功率，隨著葉片長度的增加，葉片偏轉(zhuǎn)變得更加重要。這是避免葉片尖部和塔筒之間碰撞的必要的關(guān)鍵設(shè)計指標(biāo)。圖8比較了采用更高纖維含量(FMR)時的參數(shù)值。將聚氨酯用作基材，采用PU-1on1設(shè)計，偏轉(zhuǎn)偏移顯著減小2.1%。采用Pu-opt設(shè)計法，偏轉(zhuǎn)保持不變，與原來的SR552-2相近，偏差僅為-0.03%。


靜力距

如圖9所示，隨著葉片重量減輕，靜力距也減小。

采用重量優(yōu)化設(shè)計PU-opt，靜力距減小2.54%。而PU-1on1設(shè)計僅通過取代樹脂，便使得靜力距減小1.76%。靜力距減小有助于減小風(fēng)機(jī)承受的疲勞載荷，并延長部分組件的使用壽命。


纖維間失效(IFF)

在風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計中，纖維間失效是關(guān)鍵的失效模式之一。圖10顯示了各設(shè)計中所有葉片構(gòu)件的*大總體纖維間失效指標(biāo)。更高的主梁剛度會使葉片中的載荷重新分布，因而能顯著減小PU-1on1設(shè)計中各個構(gòu)件的纖維間失效指標(biāo)。

即使采用PU-opt優(yōu)化設(shè)計法，纖維間失效力也能顯著減少，因而能顯著提高安全余量。

纖維間的失效指標(biāo)可以降低至0.87，降低率為11.2%，展現(xiàn)更多的優(yōu)化潛力。


結(jié)論

采用PU/TM層合板以1:1取代各個標(biāo)準(zhǔn)層合板時(PU-1on1設(shè)計)，葉片重量略有減輕。

但是纖維間失效指標(biāo)和偏轉(zhuǎn)安全余量得到顯著改善。

通過對PU-1on1設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，形成PU-opt優(yōu)化設(shè)計，聚氨酯能顯著減少整個葉片的材料使用量，葉片減重5.0%。尤其對于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，這是一個非常重要的結(jié)果，減輕質(zhì)量將能降低疲勞載荷，也有助于設(shè)計師進(jìn)一步減輕葉片質(zhì)量，同時按照比例降低其它風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)件(尤其是渦輪機(jī)轂)的質(zhì)量。另外，鋪層數(shù)減少有助于實(shí)現(xiàn)更快速和容易的灌注工藝流程。

總之，根據(jù)聚氨酯材料的性能順利地執(zhí)行了SR552-2優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了更輕的葉片設(shè)計。

認(rèn)證證書

DNV-GL(“Det Norske Veritas–Germanischer Lloyd”公司簡稱)是一家全球性的質(zhì)量保證和風(fēng)險管理公司，不論是安全、可靠性還是性能標(biāo)準(zhǔn)方面，都在國際風(fēng)電行業(yè)處于*地位。

科思創(chuàng)聚氨酯樹脂體系(Desmodur? 44CP20 / Baydur? 78BD085)已經(jīng)過DNV-GL批準(zhǔn)和認(rèn)證，這些產(chǎn)品符合“GL classification and construction II – Materials andwelding part 2 – non-metallic materials”的要求，用于玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的基體樹脂。

對于風(fēng)電行業(yè)而言，尤其是對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)機(jī)葉片制造商而言，DNV-GL 認(rèn)證是證明科思創(chuàng)聚氨酯樹脂用作風(fēng)機(jī)葉片制造樹脂基材具有良好特性和性能的一張名片。


風(fēng)機(jī)葉片檢測認(rèn)證

用于 2 兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)且配有聚氨酯主梁和承剪腹板的 55.2 米風(fēng)機(jī)葉片已經(jīng)在北京鑒衡認(rèn)證中心(CGC)通過靜力試驗和疲勞試驗的檢測。該型葉片由 WINDnovation 設(shè)計且葉片設(shè)計通過了 DEWI 認(rèn)證。


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