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(huì)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)。
提高風(fēng)電競爭力
科思創(chuàng)是全球領(lǐng)先的高科技聚合物材料制造商，業(yè)務(wù)涉及各行各業(yè);WINDnovation是領(lǐng)先的多兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)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(shí)也是為了應(yīng)對整個(gè)行業(yè)在未來長期發(fā)展中所面臨的挑戰(zhàn)。
此項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是證明風(fēng)力發(fā)電作為一種高性價(jià)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(gè)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(shí)還需達(dá)到更好的產(chǎn)品性能。
另一個(gè)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(shí)間。再加上將生產(chǎn)整個(gè)風(fēng)機(jī)葉片的生產(chǎn)周期最小化，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，最終能提升空氣質(zhì)量。
因此，這項(xiàng)研發(fā)活動(dòng)與多項(xiàng)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(dòng)
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(dòng)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。
圖1 全球的葉片長度和質(zhì)量發(fā)展趨勢(來源：WINDnovation)
對于現(xiàn)代葉片設(shè)計(jì)而言，剛度、壓縮強(qiáng)度以及疲勞性是設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jì)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(huì)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。
平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)是一種發(fā)電衡量標(biāo)準(zhǔn);便于以一致方式對不同的發(fā)電方法進(jìn)行比較。
研究和新材料推動(dòng)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(dòng)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(xiàng)研究的前景無疑是光明的。風(fēng)機(jī)葉片占到整個(gè)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)。首款商業(yè)化產(chǎn)品于2019年問世。這項(xiàng)突破性研究中的重要部分——葉片，是由科思創(chuàng)和整個(gè)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(jì)公司W(wǎng)INDnovation。
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(jì)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(jì)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(jì)。這項(xiàng)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(gè)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(shí))。
截至2019年5月中旬，總發(fā)電量約為30萬千瓦時(shí)/平均渦輪機(jī)使用率99.6%
圖2該風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其聚氨酯風(fēng)機(jī)葉片使用頻繁，但仍然運(yùn)行良好
靈活的設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，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。
圖3 不同溫度時(shí)的初始粘度
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(dòng)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(shí)，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。
圖4 不同溫度時(shí)的粘度曲線
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(shí)間小于4小時(shí)，預(yù)固化時(shí)間甚至更短，這能節(jié)約寶貴的生產(chǎn)時(shí)間。
特性評估小結(jié)
WINDnovation就SR552-2風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)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)
圖5. 力學(xué)性能比較
結(jié)構(gòu)形式
PU-1on1設(shè)計(jì)(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(gè)葉片中用聚氨酯樹脂取代了環(huán)氧樹脂。這樣設(shè)計(jì)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(jì)(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。
圖6.主梁的鋪層分布
b 資料來源：文件編號(hào)： 00220-00，科思創(chuàng)聚氨酯基準(zhǔn)研究
葉片重量
計(jì)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(jì)，葉片重量減輕高達(dá)5.0%。
圖7. 可能的重量減輕比較
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(jì)指標(biāo)。圖8比較了采用更高纖維含量(FMR)時(shí)的參數(shù)值。將聚氨酯用作基材，采用PU-1on1設(shè)計(jì)，偏轉(zhuǎn)偏移顯著減小2.1%。采用Pu-opt設(shè)計(jì)法，偏轉(zhuǎn)保持不變，與原來的SR552-2相近，偏差僅為-0.03%。
圖8. 偏轉(zhuǎn)比較
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(jì)PU-opt，靜力距減小2.54%。而PU-1on1設(shè)計(jì)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。
圖9. 靜力距比較
纖維間失效(IFF)
在風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)中，纖維間失效是最關(guān)鍵的失效模式之一。圖10顯示了各設(shè)計(jì)中所有葉片構(gòu)件的最大總體纖維間失效指標(biāo)。更高的主梁剛度會(huì)使葉片中的載荷重新分布，因而能顯著減小PU-1on1設(shè)計(jì)中各個(gè)構(gòu)件的纖維間失效指標(biāo)。
即使采用PU-opt優(yōu)化設(shè)計(jì)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。
圖10. 最大總體纖維間失效指標(biāo)
結(jié)論
采用PU/TM層合板以1:1取代各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層合板時(shí)(PU-1on1設(shè)計(jì))，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(jì)進(jìn)行優(yōu)化，形成PU-opt優(yōu)化設(shè)計(jì)，聚氨酯能顯著減少整個(gè)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(gè)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(jì)師進(jìn)一步減輕葉片質(zhì)量，同時(shí)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(jì)。
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(xiǎn)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)處于領(lǐng)先地位。
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 and welding 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(yàn)和疲勞試驗(yàn)的檢測。該型葉片由WINDnovation設(shè)計(jì)且葉片設(shè)計(jì)通過了DEWI認(rèn)證。
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