风力发电逐渐成为主流可再生能源之一。随着气候问题的日益严峻,各国能源结构亟待变革,可再生能源作为能源革命的核心,对于保障能源安全、保护生态环境、拉动相关产业可持续发展具有重要意义。风力发电是发展*快的可再生能源技术之一。风电迎来快速发展期,新增装机量持续爬升。陆上风电资源充足且成本低,海上风电单机装机量更具有效率,总之,全球风电迎来了发展黄金期。
根据风力发电的工作原理,风轮半径越大,单机功率越大,发电成本就越低。因此,风电大型化是未来发展的趋势,特别是海上风力发电的崛起,风电机组大型化对用材带来了新的挑战。叶片作为风力发电机组的输入端,其使用材料性能直接决定风力发电装置的输出功率。经过近百年的发展历程,风机叶片由木质叶片、布蒙皮叶片、铝合金叶片过度到基体树脂、增强纤维、芯材等高分子材料组成的复合材料领域。叶片各材料中,基体树脂作为整个叶片材料的包裹体,与增强纤维、芯材一同构成叶片的基础壳体,胶粘剂主要用于叶片与大梁腹板的粘接,涂料则可实现抵抗外来介质侵害。
新材料的应用,也是风机大型化发展对叶片轻量化的迫切需求。采用玻璃纤维制作拉挤板材,作为风电叶片主梁,然后再模具内铺设碳纤维板材并固化后制成拉挤碳纤维梁,相较于灌注、预浸料等方案,拉挤成型工艺具有模量高、强度高等特点。随着风电叶片大型化,叶片对材料重量、强度要求越来越高,所以未来叶片制造中以高性能环氧树脂为基体,碳纤维为增强材料的拉挤碳板为主流方案。这样的拉挤碳板再经过大型五轴加工中心的铣削加工,具有更高精度的尺寸,在后期的安装过程中将更轻松。
风电叶片外有玻璃纤维拉挤碳板蒙皮,芯材通常为巴沙木和PVC泡沫。让叶片具有更高的强度,提高整个叶片的抗载荷能力。巴沙木和PVC通常在叶片主材中价值量占有11%。这两类芯材具有轻质、高强的特点,是风电叶片结构夹芯的*理想材料。又具有吸水性低、隔音绝热效果好等特点。使用复合材料开槽钻孔一体机加工,具有高精度的胶槽和曲面造型,将与外蒙皮的玻璃钢材料更好的粘合。让叶片性能更稳定。
多年前,我们风电叶片所用PVC泡沫、环氧树脂等材料多以进口为主,供应商多为瑞典DIAB、意大利MaricellDENG等,数控加工机床也大多用欧美进口。国内芯材制造和机床生产商所研发生产的,在一定程度上很难达到较高的要求。但现在我们正逐渐打破技术壁垒,无论从材料研发生产,还是到数控机床的研发制造,我们都达到了一定的新高度,在风电叶片的制造生产中,已经实现了大部分的替代。预计2025年全球及中国风电新增装机或将分别达到164.6GW/80GW。