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        風(fēng)電葉片用芯材應(yīng)用進(jìn)展

        2023-03-07 06:33:09梁小杰楊文濤游慧鵬謝宇飛劉宏偉張朝鋒
        農(nóng)業(yè)工程 2023年10期
        關(guān)鍵詞:芯材泡沫風(fēng)電

        梁小杰, 楊文濤, 游慧鵬, 謝宇飛, 劉宏偉, 張朝鋒, 鄭 冰

        (中車山東風(fēng)電有限公司,山東,濟(jì)南 250061)

        0 引言

        人類社會不斷發(fā)展,對能源的需求越來越多,煤炭和石油等傳統(tǒng)的化石能源作為不可再生能源,存儲量越來越少,并且對生態(tài)環(huán)境具有破壞性,因此為了保護(hù)環(huán)境和緩解世界能源危機(jī),需要大量開發(fā)利用可再生能源。風(fēng)能是一種對生態(tài)環(huán)境無污染的可再生綠色能源,在世界能源需求日益增長,環(huán)境問題備受關(guān)注,尤其在碳達(dá)峰、碳中和的背景下,具有較大的經(jīng)濟(jì)價值和社會應(yīng)用前景,具有非常重要的戰(zhàn)略意義[1]。國際可再生能源署在《全球可再生能源展望》報告中指出,預(yù)測到2050 年海陸兩地風(fēng)能的有效利用將實(shí)現(xiàn)全球90%以上的減排量。21 世紀(jì)以來,風(fēng)電技術(shù)處于快速發(fā)展的狀態(tài),風(fēng)電裝機(jī)容量增長迅速,這促使風(fēng)電產(chǎn)業(yè)成為了世界范圍內(nèi)快速增長的行業(yè)。近幾年,我國風(fēng)電裝機(jī)容量一直是世界占比第一的增長量,并且已經(jīng)是世界上累計(jì)裝機(jī)容量最多的國家,風(fēng)電葉片作為風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件,對風(fēng)機(jī)的性能起到重要作用。風(fēng)電葉片原材料主要由基體材料、增強(qiáng)材料和泡沫芯材等制成,風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)屬于三明治夾芯結(jié)構(gòu),泡沫芯材作為風(fēng)電葉片的主要材料之一,是重要的剪切載荷的承受者,而上邊表層的玻璃鋼是彎曲剛性的承受者[2-5]。目前風(fēng)電葉片用的芯材主要有輕木、交聯(lián)聚氯乙烯泡沫(PVC 泡沫)、丙烯腈-苯乙烯泡沫(SAN 泡沫)和聚對二甲酸乙二醇酯泡沫(PET 泡沫)4 種。

        1 風(fēng)電葉片用芯材分類

        1.1 Balsa 輕木

        輕木主要生長在南美地區(qū),結(jié)構(gòu)為蜂窩結(jié)構(gòu),是一種天然植物,屬于可再生資源,力學(xué)性能和加工性能都比較好,具有良好的抗疲勞性和高強(qiáng)度/質(zhì)量比。真空灌注過程中,由于輕木的毛細(xì)管作用,會吸收大量的樹脂,降低灌注效率,同時增加風(fēng)電葉片的質(zhì)量[6]。但是相比于PVC、PET 等其他泡沫材料,輕木具有更高的強(qiáng)度和剛度,因此一般用于抗剪切性能要求更高的葉根部分[7]。除了上述特點(diǎn),輕木還易吸水,在風(fēng)電葉片的制備過程中輕木的含水率要求<12%,但是在長期儲存和運(yùn)輸過程中非常容易導(dǎo)致含水率的超標(biāo),在樹脂固化放熱過程中存在的水分形成水蒸氣,導(dǎo)致過多水分存在的區(qū)域形成缺陷,另外過多的水分會降低芯材與玻纖布的結(jié)合作用而降低風(fēng)電葉片的質(zhì)量,因此輕木在使用前需對含水率進(jìn)行測量并處理。

        國內(nèi)的輕木主要依賴于進(jìn)口,隨著風(fēng)機(jī)裝機(jī)量的逐年增加和國際環(huán)境的影響,輕木的質(zhì)量和數(shù)量很難保障,因此急需開發(fā)出可以替代輕木的泡沫材料,目前有風(fēng)電葉片廠家嘗試采用高密度的PET 泡沫芯材代替輕木[8]。

        1.2 交聯(lián)PVC 泡沫

        交聯(lián)PVC 泡沫塑料的歷史可以追溯到20 世紀(jì)30年代的德國,林德曼采用異氰酸酯改性PVC 制得,50年代就有相關(guān)的專利,現(xiàn)在經(jīng)過幾十年的研究發(fā)展,國外很多廠家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了交聯(lián)PVC 的商業(yè)化生產(chǎn),代表廠家有瑞典Diab 公司、瑞士Airex 公司、固瑞特公司和日本JFC 公司[9]。我國在硬質(zhì)交聯(lián)PVC 泡沫方面起步較晚,從20 世紀(jì)90 年代開始硬質(zhì)PVC 泡沫塑料的研制,目前保定維賽新材料科技股份有限公司和常州天晟新材料集團(tuán)股份有限公司等廠家生產(chǎn)的低密度硬質(zhì)PVC 泡沫塑料已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用,是我國風(fēng)電葉片用PVC 芯材的主要供應(yīng)商[10-13]。

        PVC 泡沫是一種交聯(lián)閉孔的熱固性塑料,具有各向同性,質(zhì)輕、性價比高、優(yōu)良的靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能,利用熱變形能力可制造曲面結(jié)構(gòu),不易吸水等優(yōu)點(diǎn),但是作為夾層結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度較低,不適合作為主承力結(jié)構(gòu),主要應(yīng)用于風(fēng)電葉片殼體部位[14-16]。另外,PVC 泡沫耐溫最高80 °C,在風(fēng)電葉片制造過程中會出現(xiàn)由于環(huán)氧樹脂固化放熱溫度過高(高至100 °C)導(dǎo)致PVC 泡沫變色或燒焦現(xiàn)象出現(xiàn),這些會對風(fēng)電葉片性能產(chǎn)生不好影響。江一杭等[17]對PVC 泡沫放置于70 和100 °C 烘箱中處理6 h,并對兩種溫度處理下的PVC 泡沫剪切、壓縮性能,以及層合板的剪切、壓縮、剝離性能進(jìn)行了對比,發(fā)現(xiàn)100 °C 處理的PVC 泡沫和層合板的性能均低于70 °C 處理的PVC 泡沫和層合板,但是仍高于設(shè)計(jì)值,為了進(jìn)一步提高風(fēng)電葉片的剛度需盡可能降低體系的溫度。

        由于PVC 泡沫質(zhì)輕、價格低、力學(xué)性能能夠滿足風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)要求,因此目前風(fēng)電葉片殼體和腹板上的夾芯泡沫材料主要是PVC 泡沫,目前PVC 泡沫國內(nèi)只有幾家生產(chǎn)和供應(yīng),全部產(chǎn)能也無法滿足目前國內(nèi)風(fēng)電葉片市場的需求,因此仍需繼續(xù)開發(fā)和研究可替代PVC 泡沫的夾芯材料。

        1.3 SAN 泡沫

        SAN 泡沫是一種熱固性泡沫,20 世紀(jì)90 年代加拿大ATC 公司(已被固瑞特公司收購)開始SAN 泡沫的生產(chǎn)。SAN 泡沫與PVC 泡沫性能相近,但是抗沖擊性能和耐溫性更高,可以在風(fēng)電葉片中代替PVC 泡沫材料。目前只有固瑞特公司能夠生產(chǎn)SAN 泡沫,由于產(chǎn)能受限,世界上僅有TPI 公司采用SAN 泡沫作為風(fēng)電葉片的夾芯材料[18]。

        1.4 PET 泡沫

        PET 泡沫發(fā)泡后制得的PET 泡沫,屬于閉孔熱塑性塑料。PET 泡沫尺寸穩(wěn)定性好,耐熱性高(可長期耐溫130 °C),不會由于溫度過高而造成芯材變色或燒焦,降低風(fēng)電葉片的性能。隨著風(fēng)電葉片裝機(jī)量的增加,報廢的風(fēng)電葉片也會越來越多,報廢風(fēng)電葉片的回收處理需要考慮,PET 泡沫作為熱塑性材料,可以做到100%回收循環(huán)利用。PET 泡沫的閉孔結(jié)構(gòu),可以降低風(fēng)電葉片制造過程中樹脂的吸膠量而降低風(fēng)電葉片的質(zhì)量從而降低風(fēng)電葉片成本[19-20]。憑借上述優(yōu)勢,PET 泡沫已得到世界各大風(fēng)電葉片制造商的關(guān)注,現(xiàn)在已經(jīng)得到批量應(yīng)用。張振聰?shù)萚21]基于等效剪切剛度退化理論,建立了風(fēng)電葉片PET200 夾芯結(jié)構(gòu)的指數(shù)型累計(jì)損傷模型,可以很好地描述該結(jié)構(gòu)的損傷演化規(guī)律,為風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。劉艷霞等[20]對風(fēng)電葉片用芯材PET 泡沫的性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)PET 泡沫的抗壓強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度和耐高溫性能都要優(yōu)于PVC 泡沫,而吸膠量則低于PVC 泡沫,因此風(fēng)電葉片芯材采用PET 泡沫在提高強(qiáng)度和降低成本方面具有較大的優(yōu)勢。低密度的PET 泡沫可以替代風(fēng)電葉片中的PVC 泡沫,而高密度的PET 泡沫可以替代風(fēng)電葉片中的輕木。

        上述4 種泡沫夾芯材料都在風(fēng)電葉片上得到應(yīng)用,說明他們的性能都能滿足風(fēng)電葉片不同部位的設(shè)計(jì)要求。目前風(fēng)電葉片制備過程中所采用的樹脂仍是以環(huán)氧樹脂為主,環(huán)氧樹脂在固化過程中會放熱,導(dǎo)致體系溫度升高,可達(dá)100 °C 以上,而PVC 泡沫的耐熱溫度80 °C,因此在樹脂灌注過程中可能會導(dǎo)致變形或放氣。SAN 泡沫耐熱性較高,因此和環(huán)氧樹脂的尺寸穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于PVC 泡沫,這也使SAN 泡沫有望可以成為PVC 泡沫的替代品。近年來,PET 泡沫因其可回收且在高加工溫度下的穩(wěn)定性而備受關(guān)注。然而,它需要更高的密度才能達(dá)到 PVC 泡沫或SAN 泡沫提供的強(qiáng)度,但這不影響風(fēng)電葉片制造商對PET 泡沫的關(guān)注。

        2 芯材加工

        由于輕木具有優(yōu)異的機(jī)械性能,密度較其他夾芯材料要高,因此輕木主要應(yīng)用于需要承受較大剪切力作用的葉根。PVC 泡沫和SAN 泡沫的密度較低,因此在輕量化的領(lǐng)域比較常見,如風(fēng)電葉片的外殼和腹板,但是與輕木相比他們的機(jī)械性能較差。因此為了保證風(fēng)電葉片的性能和成本,兩種材料會在風(fēng)電葉片中共同使用[22]。

        風(fēng)電葉片的制備主要采用真空輔助樹脂灌注工藝,這是一種高性能、低成本的大型纖維復(fù)合材料部件的成型技術(shù)[23-25]。為了環(huán)氧樹脂能夠在芯材中快速流動和充分浸潤芯材,目前大部分風(fēng)電葉片制造商在芯材表面上進(jìn)行打孔和開槽[26]。芯材表面的打孔和開槽方式,打孔的孔徑、孔間距和開槽的數(shù)量、形狀和間距等會影響樹脂在芯材中的流動,另外還會影響芯材的吸膠量,因此需要合理設(shè)計(jì)布置孔和槽的數(shù)量和形狀,既有利于樹脂在芯材的快速流動,又有助于樹脂充分流入層壓板,盡量減少樹脂的吸收量而不降低材料的性能,從而降低產(chǎn)品的質(zhì)量。

        吉林重通成飛新材料股份公司對相同打孔方式、有無開槽的腹板SAN 泡沫進(jìn)行了力學(xué)性能測試[27]。發(fā)現(xiàn)開槽打孔的樣品面積吸膠量、體積吸膠量和灌注后芯材密度分別比打孔樣品高43.1%、43.1%和16.9%,而打孔樣品的剪切性能和壓縮性能分別比開槽打孔樣品下降3.7%和1.5%,但是力學(xué)性能均在設(shè)計(jì)要求數(shù)值之上。該公司實(shí)際生產(chǎn)了多支68 m 左右的腹板,打孔方式制作的腹板比開槽打孔方式制作的腹板質(zhì)量要輕,對于風(fēng)電葉片腹板輕量化具有重大意義。但是芯材表面開槽區(qū)域的樹脂流速要快于無槽孔區(qū)域,表面開槽區(qū)域由于樹脂流速過快,會導(dǎo)致樹脂的流失,產(chǎn)生沒有樹脂的縫隙或?qū)е戮植繀^(qū)域的白斑缺陷,導(dǎo)致風(fēng)電葉片在運(yùn)行中由于芯材的抗剪切和抗壓縮能力降低而失效產(chǎn)生事故。因此需要對芯材的開槽方式進(jìn)行全方面的考慮,既要保證樹脂的流速,又要保證材料的性能,還需要盡可能降低吸膠量。

        由于模具具有一定的弧度,因此在具有弧度的區(qū)域,芯材之間會有間隙產(chǎn)生。天津明陽風(fēng)電設(shè)備有限公司對不同間隙(2、5 和7 mm)PVC 平壓、剪切、剝離和四點(diǎn)彎曲板材的性能進(jìn)行了研究,試驗(yàn)結(jié)果表明,PVC 泡沫芯材不同間隙吸膠后,隨著芯材間隙的增大、吸膠量增加和密度增大,平壓強(qiáng)度和模量、剪切強(qiáng)度和模量、四點(diǎn)彎曲芯子剪切強(qiáng)度、四點(diǎn)彎曲面板彎曲強(qiáng)度都提升,剝離能先增大后降低[28]。目前在風(fēng)電葉片的制備過程中,為了降低風(fēng)電葉片的質(zhì)量一般平鋪芯材的間隙盡可能的低,但是風(fēng)電葉片間隙的增大,會提升風(fēng)電葉片的力學(xué)性能,因此可以合理設(shè)計(jì)芯材間隙,既滿足風(fēng)電葉片力學(xué)性能的提升又滿足風(fēng)電葉片減質(zhì)的目的。

        3 結(jié)束語

        2016 年,國家發(fā)展改革委和國家能源局聯(lián)合發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃(2016—2030 年)》明確,將研發(fā)100 m 級及以上風(fēng)電葉片列入能源技術(shù)創(chuàng)新的重點(diǎn)任務(wù)中[29]。風(fēng)電葉片尺寸的增大會提升機(jī)組的發(fā)電量,同時也會導(dǎo)致載荷增加,因此長風(fēng)電葉片的輕量化是風(fēng)電葉片的重點(diǎn)研究方向,而材料是風(fēng)電葉片輕量化的突破口。根據(jù)全球風(fēng)能理事會的預(yù)測,全球裝機(jī)量從2019 的60.4 GW 增長到2024 年的73.4 GW,年均增長率接近4%,根據(jù)《巴黎協(xié)定》全球電力可再生能源比例從2020 年的24%增長到2050 年的86%,這都促使風(fēng)力發(fā)電在內(nèi)的新能源具有廣闊的發(fā)展空間,將來風(fēng)火同價的市場環(huán)境下,要求在不降低風(fēng)電葉片性能的前提下盡可能降低成本。我國21 世紀(jì)以來開始加大風(fēng)力發(fā)電速度,風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)使用壽命為20 年,隨著風(fēng)電葉片裝機(jī)量的增加,需要報廢的風(fēng)電葉片也會越來越多,因此需要考慮風(fēng)電葉片的可回收問題[30]?;陲L(fēng)電葉片面臨的以上問題,開發(fā)和使用力學(xué)性能優(yōu)異的可回收的熱塑性泡沫芯材或天然泡沫芯材是一種趨勢,預(yù)計(jì)接下來風(fēng)電葉片制造商、風(fēng)電葉片原材料供應(yīng)商、風(fēng)電葉片使用商會聯(lián)合開發(fā)研究驗(yàn)證可回收的PET 等性能優(yōu)異的熱塑性泡沫材料,逐漸替代熱固性PVC 等泡沫夾芯材料。

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