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近几年哪种材料成为制作风电叶片的新宠?

风来自于自然界,而人类对风的利用从很早就已经存在。风能作为蕴量巨大且清洁无公害的可再生能源,表现出极大的潜力,被各国日益重视,利用风力发电是目前使用风能的一个主要途径。

 

我国风力资源十分丰富,尤其海上风能资源占比更大。据悉,海上风电是可再生能源发展的重要领域,是推动风电技术进步和产业升级的重要力量,同时也是促进能源结构调整的重要措施。加快海上风电项目建设,对于促进我国沿海地区治理大气雾霾、调整能源结构和转变经济发展方式等工作具有重要意义。

 

 

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风电叶片——风力发电的关键一环

 

 

风力发电是将风的动能转化为机械动能,再进而转化为电力动能,这要依靠风力发电机的良好运转才能实现。其中,风力叶片的设计会直接影响风能的转换率,是风力发电中十分重要的一环。

 

风电叶片主要由基体树脂、增强材料、加薪材料、结构胶以及表面涂料等构成。基体材料包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂和乙烯基树脂等;增强材料有玻璃纤维、碳纤维和天然纤维(竹纤维)等;夹芯材料有PVC 泡沫、PMI泡沫、Balsa(轻木)、san 泡沫和竹纤维等。

 

目前,风电叶片大多采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂或玻璃纤维增强环氧树脂来制作。环氧树脂具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性以及尺寸稳定性,因此在叶片不断加长的趋势之下,许多叶片设计公司的基体树脂渐渐以环氧树脂代替了最初使用的不饱和聚酯。环氧树脂的主要产地分布于中国、日本以及欧洲。其中,我国的环氧树脂产能约占到世界总产能的60%。

 

值得关注的是,近几年,逐渐有不少公司开始尝试以聚氨酯来作为制作风电叶片的材料。相比之下,聚氨酯风电叶片具有:设计性强,力学性能好,能够平衡叶片强度与韧性间的需求,还能考虑到材料的历史性能与疲劳性能;效率更高,固化快节省时间和生产成本,尤其是在对大尺寸部件的生产时,能保障生产效率和产品质量;兼容性好,与其他材料融合良好。例如:在玻璃纤维与碳纤维的复合生产中将呈现出更理想的界面结合力。

 

目前主要使用E 级玻璃纤维,H 级和S 级在未来可能会得到广泛的使用,使用比较多的玻璃纤维生产商主要有OCV、CPIC、PPG、巨石和泰山等,其中OCV 和PPG 均在中国本地生产。碳纤维的目前成本较高,还需要等待大规模工业化时机的到来。随着我国叶片行业的快速发展,叶片材料的相关领域取得了较大突破,大部分原材料已经可以实现本地化,为我国风电叶片产业的快速发展打下了基础。

 

 

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我国风电叶片产业发展须寻求新突破

 

 

2019年10月21日,2019北京国际风能大会暨展览会在北京隆重召开,大会以“风电助力‘十四五’能源高质量发展:绿色、低碳、可持续”为主题,将风力发电再度推向新闻视野的第一线。

 

开幕式上,国家能源局新能源和可再生能源司副司长李创军首先阐明了我国风电产业最新的发展动向,主要表现为:市场平稳增长、结构稳步调整、海上风电稳妥推进、分散式风电稳中有进,实现新突破、弃风问题企稳向好、技术研发有序推进、企业实力明显增强,可以看出我国风电产业正迎来新的发展空间,与之相应的,也将带动风电叶片产业的发展。

 

实际上,我国风电叶片产业走过了一段较为艰难的时期。我国风电叶片产业发展起步较晚,早期国内的风电叶片被欧美企业普遍垄断,技术和材料制约着我国的风电叶片的市场竞争力。而随着国内市场逐步繁荣,以及国家的扶持和科研能力的提升,2000年左右迎来了产业发展的分水岭。紧接着2005年以后,风电市场迎来爆发式发展,大量资本进入这一行业,也使产能从供不应求转为严重过剩,直到2010年受到国家一系列调控政策的影响,企业大量退出,风电叶片行业才正式走上稳定发展之路。

 

在近十年的快速发展中,我国风电产业逐渐形成了较为完整的产业链。近年来我国风电市场持续发展,在科研的不断深入之下,我国已具备自主研发能力,风电叶片行业已达到了国际同步水平,实现了风电叶片研发技术从全部引进到部分输出的华丽转身。但美中不足的是,在叶片设计层面仍然处于初级阶段,在翼型开发、新型结构设计等方面依然与国外先进技术存在差距。

 

然而,在风电叶片产业的人才建设和复合材料相关理论方面,我国尚欠优势。相关人员的经验、技术沉淀都不足,与国外风电技术发达国家相比差距明显。而相关材料的研究试验数据的缺失,也影响着我国叶片结构设计的可靠性和经济性。

 

可喜的是,近年来国内也在不断发力:比如:复合材料领域研究成果频传,由西北工业大学和北京航空航天大学分别主导的两个系列的风电专用翼型研究已经从理论走向实践,在风电叶片相关的实验室、认证机构、建造工作等方面的持续建设等,无不在推动着我国这一产业领域的进步发展。

 

 

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结语

 

 

风电产业的兴起带动了风电叶片产业的繁荣,风电叶片作为风力发电过程中十分关键的一环,集合了无数的科研成果。而在风电叶片的应用材料中担纲主角的高分子复合材料,在风电产业平稳发展的未来中,也将迎来新一轮的发展契机。