展望風電葉片技術(shù)接下來的演進，突破將集中于材料、結(jié)構(gòu)、工藝三個環(huán)節(jié)之上。
文 |《風能》雜志 夏云峰
葉片，是風電機組最重要的部件之一，直接左右著機組的發(fā)電效率與成本。在碳中和時代正式開啟與風電全面走向平價上網(wǎng)的大背景下，葉片的重要性會進一步凸顯。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電市場競爭力的成色。
那么，國內(nèi)風電葉片行業(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)理王欣以陸上風電為例向《風能》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。據(jù)中國可再生能源學(xué)會風能專業(yè)委員會（CWEA）統(tǒng)計，2010年，我國新增風電機組的平均風輪直徑為78米，2020年達到136米。2010~2015年，我國新增風電機組平均風輪直徑年均增長4.5米，2016~2020年則年均增長7.8米。目前，我國最長陸上風電葉片達到91米，相當于30層樓的高度；最長海上風電葉片為103米，接近于4個標準籃球場的長度。
圖1 2010—2020年中國新增風電機組不同風輪直徑裝機容量占比
葉片的大型化，被視為增強風電機組捕風能力以及降低風電項目成本的主要途徑之一。背后的邏輯在于，根據(jù)理論發(fā)電量計算公式，風電機組產(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。而大容量機組搭配長葉片，能夠減少同等裝機規(guī)模項目所用的機組數(shù)量，相應(yīng)降低機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電機組的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的成本，這顯然與市場走向相左。2021年以來，風電機組投標價格屢創(chuàng)新低，陸上風電徘徊在2000元/千瓦，海上風電低至4000元/千瓦。葉片價格同樣一路下滑，僅2021年的降幅就超過了20%。
更嚴重的是，葉片長度的增加還會導(dǎo)致葉片自重的上升，進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度、剛度等，以確保整機系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行。
輕量化，由此成為葉片發(fā)展的一大趨勢，通常是從材料、工藝等的改進入手，以降低葉片重量。
輕量化設(shè)計的更大價值在于，它可以降低機頭的載荷，進而使傳動鏈、塔筒、基礎(chǔ)的優(yōu)化成為可能，最終推動整機降本。
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)合項目和整機系統(tǒng)的特點，在葉片上提出更多的個性化要求，對產(chǎn)品需求的把控更強了。為此，需要開展一體化設(shè)計，實現(xiàn)聯(lián)合降本?！?/p>
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)理兼風電產(chǎn)品事業(yè)部總經(jīng)理侯彬彬向《風能》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
葉片由增強纖維、樹脂基體、芯材等構(gòu)成。其中，增強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電領(lǐng)域的批量化應(yīng)用：一是碳纖維的價格居高不下，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，真正可用于風電葉片的碳纖維少之又少。
“對葉片而言，為適應(yīng)平價上網(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?！蓖跣缽娬{(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，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，以實現(xiàn)葉片的輕量化設(shè)計。
在樹脂基體方面，環(huán)氧樹脂是主流，但面對近幾年其價格的急劇上漲，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)氧樹脂的市場均價為1.6萬~1.8萬元/噸，但從2020年下半年開始上揚，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，“價格確實非?？鋸垺薄?/p>
環(huán)氧樹脂價格高企，凸顯了聚氨酯樹脂的成本優(yōu)勢，且后者的機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，有機物揮發(fā)性低。這些都為聚氨酯樹脂批量用于風電葉片奠定基礎(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歷時數(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，面對上游原材料價格的瘋漲，葉片價格仍能下降超過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)計有待優(yōu)化
近些年風電葉片結(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，改為單腹板設(shè)計。
另外，為了解決長葉片的運輸難題，業(yè)內(nèi)還在嘗試研制分段葉片，但進展緩慢，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：一是機械連接，通過法蘭和螺桿連接分段，缺點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)計標準有望成為葉片結(jié)構(gòu)實現(xiàn)進一步突破的方向。
侯彬彬告訴《風能》，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)計得很“笨重”，但實際上部分設(shè)計余量是偏大的，存在優(yōu)化的空間。“我們正在做的是，借助多目標優(yōu)化算法平臺，運用葉片參數(shù)建模，進行反復(fù)迭代。”
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，并通過更多的試驗與測試來加以驗證。
王欣指出，為挑戰(zhàn)現(xiàn)有的設(shè)計標準，必須提高設(shè)計的精細化程度，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)品投運后發(fā)生問題的概率將增加。
工藝革新多點開花
工藝，是利用生產(chǎn)工具對原材料進行加工或處理，最終使之成為成品的方法與過程。就風電葉片而言，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?，F(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)量風險，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?！八梢詼p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?！?/p>
從中長期來看，依靠數(shù)字化、智能化技術(shù)實現(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)運等環(huán)節(jié)均已實現(xiàn)自動化，但鋪層工序仍無法采用機器作業(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。
侯彬彬認為，這一方式也有可能應(yīng)用于模具上，在將來葉片設(shè)計實現(xiàn)標準化的情況下，將模具分成幾段標準化模塊，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，在設(shè)計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著試驗驗證體系。記者了解到，目前風電企業(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需求，最大的挑戰(zhàn)來自于葉片性能測試。
侯彬彬告訴《風能》，業(yè)內(nèi)此前建設(shè)的很多試驗平臺均已經(jīng)無法再使用。特別是隨著葉片長度進入“百米級”，國內(nèi)試驗平臺資源的緊張程度進一步加劇。
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)試驗平臺建設(shè)。
目前，這方面的工作正在穩(wěn)步推進中。比如，于2021年1月投運的陽江國家海上風電裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，是國內(nèi)唯一國家級海上風電裝備公共技術(shù)研發(fā)實驗平臺，也是迄今為止全球最大的葉片檢測實驗室。該中心由國家認監(jiān)委批準、陽江市政府支持，北京鑒衡認證中心有限公司負責建設(shè)和運營，可以開展150米級葉片全尺寸結(jié)構(gòu)測試，將有效支撐海上風電技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展。
談及葉片試驗驗證體系建設(shè)，侯彬彬認為現(xiàn)有的測試手段也需要升級，一個值得關(guān)注的重點是構(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，葉片疲勞試驗時均將兩者解耦，分別進行測試。然而，在風電場的實際運行過程中，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)果更接近實際情況，行業(yè)應(yīng)當考慮發(fā)展雙軸加載測試技術(shù)，即兩個方向同時施加力?！焙畋虮驈娬{(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)標準更無從談起。數(shù)據(jù)積累不足以及標準缺失，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，風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路也會越走越寬。
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