風(fēng)電葉片創(chuàng)新進(jìn)行時(shí)

展望風(fēng)電葉片技術(shù)接下來(lái)的演進(jìn)，突破將集中于材料、結(jié)構(gòu)、工藝三個(gè)環(huán)節(jié)之上。

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(shí)代正式開(kāi)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(huì)進(jìn)一步凸顯。從某種意義上來(lái)說(shuō)，葉片技術(shù)未來(lái)能取得多大的突破，將在很大程度上決定著風(fēng)電市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的成色。

那么，國(guó)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(duì)?帶著這些問(wèn)題，本刊記者近日走訪(fǎng)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(shì)日趨明顯，近五年更有加速之勢(shì)。

中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司(下稱(chēng)“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(zhǎng)度從40米增至60米花了10年左右的時(shí)間，升到80米用時(shí)近5年，隨后卻在兩年內(nèi)從80米增至90米。“2021年，大家覺(jué)得80米級(jí)別的產(chǎn)品很有競(jìng)爭(zhēng)力了，2022年客戶(hù)的需求已經(jīng)提高到90米級(jí)別。”

行業(yè)數(shù)據(jù)佐證了上述觀(guān)點(diǎn)。據(jù)中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專(zhuān)業(yè)委員會(huì)(CWEA)統(tǒng)計(jì)，2010年，我國(guó)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(guó)新增風(fēng)電機(jī)組平均風(fēng)輪直徑年均增長(zhǎng)4.5米，2016~2020年則年均增長(zhǎng)7.8米。目前，我國(guó)最長(zhǎng)陸上風(fēng)電葉片達(dá)到91米，相當(dāng)于30層樓的高度;最長(zhǎng)海上風(fēng)電葉片為103米，接近于4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)籃球場(chǎng)的長(zhǎng)度。

圖1 2010—2020年中國(guó)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(zhǎng)度的平方成正比，增加葉片長(zhǎng)度可以帶來(lái)較為可觀(guān)的發(fā)電量提升。而大容量機(jī)組搭配長(zhǎng)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(wèn)題是，由于葉片成本占到風(fēng)電機(jī)組的1/5以上，葉片長(zhǎng)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(chǎng)走向相左。2021年以來(lái)，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(guò)了20%。

更嚴(yán)重的是，葉片長(zhǎng)度的增加還會(huì)導(dǎo)致葉片自重的上升，進(jìn)而對(duì)凈空等方面形成挑戰(zhàn)。換句話(huà)說(shuō)，要讓通過(guò)研制長(zhǎng)葉片來(lái)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(shì)，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(dòng)鏈、塔筒、基礎(chǔ)的優(yōu)化成為可能，最終推動(dòng)整機(jī)降本。

葉片發(fā)展的另一個(gè)趨勢(shì)則是定制化。

據(jù)王欣介紹，“客戶(hù)現(xiàn)在會(huì)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(gè)性化要求，對(duì)產(chǎn)品需求的把控更強(qiáng)了。為此，需要開(kāi)展一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合降本。”

個(gè)性化疊加大型化，導(dǎo)致葉片產(chǎn)品換代周期越來(lái)越短。據(jù)悉，2020年前，一款新葉片的市場(chǎng)生命周期是3~5年;2021年以來(lái)縮至2年。這給從研發(fā)到模具都帶來(lái)巨大壓力，目前一個(gè)型號(hào)的模具僅能使用2年左右。

面對(duì)上述挑戰(zhàn)，加快創(chuàng)新勢(shì)在必行。

“葉片技術(shù)接下來(lái)有望實(shí)現(xiàn)突破的是三個(gè)方向，即新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝。”株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司(下稱(chēng)“時(shí)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(dòng)性能出現(xiàn)突破的可能性很小，畢竟葉片氣動(dòng)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(shù)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(shù)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(guò)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(dòng)。

近年來(lái)，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(zhǎng)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(duì)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(guò)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(shí)日。”王欣強(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(shù)脂基體方面，環(huán)氧樹(shù)脂是主流，但面對(duì)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(shù)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(shù)脂的市場(chǎng)均價(jià)為1.6萬(wàn)~1.8萬(wàn)元/噸，但從2020年下半年開(kāi)始上揚(yáng)，2021年4月攀升至4萬(wàn)元/噸的高位，目前回落到2.8萬(wàn)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)非常夸張”。

環(huán)氧樹(shù)脂價(jià)格高企，凸顯了聚氨酯樹(shù)脂的成本優(yōu)勢(shì)，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(shù)脂批量用于風(fēng)電葉片奠定基礎(chǔ)。

至于夾芯材料，一個(gè)已見(jiàn)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(zhǎng)速度快，木質(zhì)密度低，每立方米的重量?jī)H為0.1噸，被稱(chēng)為“世界上最輕的樹(shù)”。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(zhǎng)度方向和垂直方向的性能差異大;產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，從砍伐到切成套材需要?dú)v時(shí)數(shù)月，任何環(huán)節(jié)出問(wèn)題都會(huì)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(wàn)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(shí)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(lái)的益處是顯而易見(jiàn)的。首先，PET屬于成熟的工業(yè)化制品，且實(shí)現(xiàn)了完全國(guó)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(duì)葉片變長(zhǎng)后鋪層增多帶來(lái)的溫度上升問(wèn)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(duì)上游原材料價(jià)格的瘋漲，葉片價(jià)格仍能下降超過(guò)20%，就與PET材料的批量替代有重要關(guān)系。”侯彬彬說(shuō)。

在他看來(lái)，基于廢舊葉片環(huán)?；厥绽玫男枰山到獾臒崴苄詷?shù)脂或?qū)⑹俏磥?lái)葉片新材料應(yīng)用值得關(guān)注的一個(gè)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(gè)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(zhǎng)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(guò)法蘭和螺桿連接分段，缺點(diǎn)是會(huì)增加重量和成本，葉片質(zhì)量會(huì)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(chǎng)定位夾緊、快速固化等方面的問(wèn)題。

接下來(lái)，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(lái)越大后，為了滿(mǎn)足剛度的要求，有可能會(huì)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。“我們正在做的是，借助多目標(biāo)優(yōu)化算法平臺(tái)，運(yùn)用葉片參數(shù)建模，進(jìn)行反復(fù)迭代。”

他提醒，這樣做的前提條件是，要有足夠的測(cè)試數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)積累，并通過(guò)更多的試驗(yàn)與測(cè)試來(lái)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(guò)程中的工藝控制和質(zhì)量控制出現(xiàn)波動(dòng)，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(wèn)題的概率將增加。

工藝革新多點(diǎn)開(kāi)花

工藝，是利用生產(chǎn)工具對(duì)原材料進(jìn)行加工或處理，最終使之成為成品的方法與過(guò)程。就風(fēng)電葉片而言，近些年得以推廣的工藝包括在線(xiàn)灌注與拉擠技術(shù)。

在線(xiàn)灌注是針對(duì)樹(shù)脂而言的，“最開(kāi)始，樹(shù)脂的混合、脫泡、灌注分別采用專(zhuān)門(mén)的設(shè)備?，F(xiàn)在開(kāi)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(huì)顯著提升，單支葉片的灌注時(shí)間從十幾個(gè)小時(shí)縮短至三四個(gè)小時(shí)。

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(shù)脂含量更低，可以使葉片重量下降3%左右。”

從中長(zhǎng)期來(lái)看，依靠數(shù)字化、智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)葉片生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化，被業(yè)內(nèi)寄予厚望。

長(zhǎng)期以來(lái)，葉片制造嚴(yán)重依賴(lài)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(xiàn)自動(dòng)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(dòng)化，但鋪層工序仍無(wú)法采用機(jī)器作業(yè)。最主要的原因是，這個(gè)過(guò)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(shù)脂的化學(xué)反應(yīng)，影響因素多，控制難度大。

另一個(gè)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(lái)，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(lái)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(zhǎng)模具的壽命。

眼下，為了化解葉片更新?lián)Q代給模具帶來(lái)的壓力，通常采用家族化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)模具時(shí)即兼顧多個(gè)葉片型號(hào)，后期通過(guò)延長(zhǎng)或更換某一段的方式來(lái)提高模具的復(fù)用率。

測(cè)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(duì)所用原材料建立起較為完善的測(cè)試能力，足以滿(mǎn)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(lái)自于葉片性能測(cè)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(tái)均已經(jīng)無(wú)法再使用。特別是隨著葉片長(zhǎng)度進(jìn)入“百米級(jí)”，國(guó)內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)資源的緊張程度進(jìn)一步加劇。

針對(duì)于此，有業(yè)內(nèi)專(zhuān)家呼吁，除了企業(yè)自建測(cè)試平臺(tái)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(tái)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(yáng)江國(guó)家海上風(fēng)電裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，是國(guó)內(nèi)唯一國(guó)家級(jí)海上風(fēng)電裝備公共技術(shù)研發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也是迄今為止全球最大的葉片檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室。該中心由國(guó)家認(rèn)監(jiān)委批準(zhǔn)、陽(yáng)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(yíng)，可以開(kāi)展150米級(jí)葉片全尺寸結(jié)構(gòu)測(cè)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(cè)試手段也需要升級(jí)，一個(gè)值得關(guān)注的重點(diǎn)是構(gòu)建雙軸加載測(cè)試能力。

眾所周知，葉片的受力主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方向——揮舞與擺振。長(zhǎng)期以來(lái)，葉片疲勞試驗(yàn)時(shí)均將兩者解耦，分別進(jìn)行測(cè)試。然而，在風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，葉片會(huì)同時(shí)受到兩個(gè)方向力的作用，呈現(xiàn)一種“扭”的姿態(tài)。

“要想讓測(cè)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(cè)試技術(shù)，即兩個(gè)方向同時(shí)施加力。”侯彬彬強(qiáng)調(diào)。

據(jù)悉，雙軸加載測(cè)試技術(shù)在全世界范圍內(nèi)仍處于研究階段，尚缺少測(cè)試設(shè)備，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更無(wú)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(kāi)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(huì)越走越寬。