作者：
顧永明，孫國斌博士，朱宏，吳迪，肖雙印
科思創聚合物(中國)有限公司

Klaus Franken博士，Dirk Soontjens
科思創股份有限公司

Roland Stoer博士，Heiko Hartfiel
WINDnovation Engineering Solutions GmbH

摘要：開發和擴大可再生能源使用的主要目的是著重于研發能帶來社會效益的技術和產品。雖然風能作為清潔能源展現出顯著的優勢，但其廣泛使用仍面臨著成本方面的挑戰。本文根據聚氨酯材料的進展，評估了可持續風能的新發展，同時還指出了風能發展的一個目標是降低風電成本。

提高風電競爭力

科思創是全球*的高科技聚合物材料制造商，業務涉及各行各業;WINDnovation是*的多兆瓦級風力發電機葉片設計公司。科思創研發了用于風力發電機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機葉片中的應用進行評估。目的在于評估聚氨酯材料在提高葉片生產效率和降低葉片成本方面的作用，同時也是為了應對整個行業在未來長期發展中所面臨的挑戰。

此項研究的一個關鍵目標是證明風力發電作為一種高性價比、更可持續能源的“可行性”，實現這一目標需要整個產業鏈加強合作，包括生產、營銷和服務過程監控環節。當前，研發企業認為，風能的可再生性使其成為全球能源市場的重要組成部分。為了提高風能競爭力，不僅需要簡化供應鏈，還需要研發創新方法以提高發電效率。

制造更長葉片是行業趨勢，為了滿足這一發展需求，需要新型材料創新。從材料方面而言，輕量化葉片是至關重要的研究重點。葉片輕量化可以減少原材料使用，同時還需達到更好的產品性能。

另一個目標是提高生產速度和效率，而這需要縮短灌注和固化時間。再加上將生產整個風機葉片的生產周期*小化，總體上能夠降低相關的生產能耗。由于該工藝能增加可再生能源的占比，*終能提升空氣質量。

因此，這項研發活動與多項聯合國可持續發展目標(UN SDG)相契合，具體包括：

• 經濟適用的清潔能源
• 體面工作和經濟增長
• 產業、創新和基礎設施
• 可持續城市和社區
• 負責任的消費和生產
• 氣候行動

此外，該研究證實可以降低平準化度電成本(LCOEa)。如果葉片的生產成本降低 10% 至 15%，重量更輕，性能不變，而且長度增加，那么可以進一步降低平準化度電成本。

風機葉片的形狀和尺寸由有效獲取風能的空氣動力學性能以及葉片承載強度決定。而更高強度的材料在承載強度方面可以發揮出它的作用。

圖 1 顯示了過去幾年間葉片長度和質量間的變化關系。


對于現代葉片設計而言，剛度、壓縮強度以及疲勞性是設計的驅動參數。所有超越現有玻璃纖維增強環氧基復合材料限制的發展突破都受到了風機葉片設計師和制造商的青睞。

過去幾年，已經確定出葉片結構設計中存在的挑戰有：
·細長的葉片可容納葉片結構的內部空間非常有限。
·葉片質量應盡量輕(以降低載荷、充分縮減成本)。
·細長的葉片往往會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，以及復雜的分析方法。

研究和新材料推動發展進步

2009 年，在美國能源部(US DoE)的資助下，科思創開始研究創新型聚氨酯(PU)解決方案，以推動風電行業擺脫阻礙其未來發展的重大難題。鑒于中國和歐洲的風電發展趨勢，這項研究的前景無疑是光明的。風機葉片占到整個風力發電機成本的 20% 至 25%，所以降低葉片成本有助于降低風電行業的平準化度電成本。

聚氨酯樹脂的研發從化學研究開始，并拓展到聚氨酯灌注工藝的開發。第—款商業化產品于 2019 年問世。這項突破性研究中的重要部分——葉片，是由科思創和整個風電產業鏈上的合作伙伴共同開發的。其中包括風機整機制造商、風機葉片制造商、玻璃纖維供應商、機器生產商和葉片設計公司 WINDnovation。

聚氨酯(PU)樹脂的應用使得葉片技術取得了關鍵性的進展。采用輕量化設計能制造出更加細長的風機葉片，而采用新的樹脂可以滿足基本的設計要求。WINDnovation首先表示有興趣利用聚氨酯的特性和優勢提升葉片設計。這項研究表明，聚氨酯樹脂適合于風力發電機葉片的制造，并且能降低葉片成本。

圖2 所示為東北地區大唐風力發電廠的一個風力發電機裝置。該風機葉片長 55.2 米，配有聚氨酯主梁和承剪腹板，自 2018 年 10 月以來一直運轉良好。附圖顯示了截至 2019 年 5 月中旬該風機的裝機發電量(千瓦時)。


靈活的設計性及其優勢

在生產葉片中使用的大型纖維復合材料部件時，全新的聚氨酯樹脂具有灌注速度快和固化速度快的優勢。聚氨酯樹脂的初始粘度很低，能在風機葉片生產過程中實現快速灌注。圖 3 顯示在 25℃時，聚氨酯樹脂粘度只有 58mPa.s，遠遠低于傳統的環氧灌注樹脂。

在相同條件下，由于粘度低，聚氨酯樹脂比環氧樹脂的流動性更好，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，非常適合大型風機葉片生產使用。尤其在 90 分鐘開始時，聚氨酯粘度持續低于 300mPa.s，這意味著在風機葉片生產過程中，聚氨酯的灌注速度比常規的環氧注塑樹脂快很多。


聚氨酯樹脂的固化性能為葉片生產帶來更多的優勢。在 80°C 情況下，葉片固化時間小于 4 小時，預固化時間甚至更短，這能節約寶貴的生產時間。

特性評估小結

WINDnovation 就 SR552-2 風機葉片設計進行了基準研究，以下是對葉片特性的描述與評估b。

材料數據

聚氨酯基復合材料結合聚氨酯灌注工藝，可以提高纖維含量，帶來優于傳統環氧樹脂復合材料的力學性能，從而使減輕葉片重量(圖 5)成為可能。WINDnovation 根據兩種情境開展了分析研究：(a)1:1 取代現有環氧樹脂，不做任何形式的優化;(b)利用聚氨酯力學性能優勢進行結構優化。
(EP：環氧樹脂PU：聚氨酯樹脂TM：CPIC 供應的 TM 玻璃纖維)


結構形式

PU-1on1 設計(1:1 取代環氧樹脂，不做任何形式的優化)與原來的葉片 SR552-2 具有相同的結構形式，只是在整個葉片中用聚氨酯樹脂取代了環氧樹脂。這樣設計出的葉片重量更輕，偏轉更低，疲勞性更佳，而且穩定性更高。為了減少質量，需要根據新的強度特性調整葉片結構。對于 PU-opt 設計(利用聚氨酯的力學特性優點進行結構優化)，主要是通過減少主梁層數并通過調整根部的鋪層來保持有效的安全系數。圖6顯示了主梁層在葉片上的鋪層分布。


葉片重量

計算表明，采用直接樹脂替代法，在保持必要的強度的條件下，葉片重量初步可以減輕 1.1%。圖 7 顯示采用 Pu-opt 葉片設計，葉片重量減輕高達 5.0%。


葉片偏轉

在特定的額定功率，隨著葉片長度的增加，葉片偏轉變得更加重要。這是避免葉片尖部和塔筒之間碰撞的必要的關鍵設計指標。圖8比較了采用更高纖維含量(FMR)時的參數值。將聚氨酯用作基材，采用PU-1on1設計，偏轉偏移顯著減小2.1%。采用Pu-opt設計法，偏轉保持不變，與原來的SR552-2相近，偏差僅為-0.03%。


靜力距

如圖9所示，隨著葉片重量減輕，靜力距也減小。

采用重量優化設計PU-opt，靜力距減小2.54%。而PU-1on1設計僅通過取代樹脂，便使得靜力距減小1.76%。靜力距減小有助于減小風機承受的疲勞載荷，并延長部分組件的使用壽命。


纖維間失效(IFF)

在風機葉片設計中，纖維間失效是關鍵的失效模式之一。圖10顯示了各設計中所有葉片構件的*大總體纖維間失效指標。更高的主梁剛度會使葉片中的載荷重新分布，因而能顯著減小PU-1on1設計中各個構件的纖維間失效指標。

即使采用PU-opt優化設計法，纖維間失效力也能顯著減少，因而能顯著提高安全余量。

纖維間的失效指標可以降低至0.87，降低率為11.2%，展現更多的優化潛力。


結論

采用PU/TM層合板以1:1取代各個標準層合板時(PU-1on1設計)，葉片重量略有減輕。

但是纖維間失效指標和偏轉安全余量得到顯著改善。

通過對PU-1on1設計進行優化，形成PU-opt優化設計，聚氨酯能顯著減少整個葉片的材料使用量，葉片減重5.0%。尤其對于大型風力發電機而言，這是一個非常重要的結果，減輕質量將能降低疲勞載荷，也有助于設計師進一步減輕葉片質量，同時按照比例降低其它風力發電機構件(尤其是渦輪機轂)的質量。另外，鋪層數減少有助于實現更快速和容易的灌注工藝流程。

總之，根據聚氨酯材料的性能順利地執行了SR552-2優化，實現了更輕的葉片設計。

認證證書

DNV-GL(“Det Norske Veritas–Germanischer Lloyd”公司簡稱)是一家全球性的質量保證和風險管理公司，不論是安全、可靠性還是性能標準方面，都在國際風電行業處于*地位。

科思創聚氨酯樹脂體系(Desmodur? 44CP20 / Baydur? 78BD085)已經過DNV-GL批準和認證，這些產品符合“GL classification and construction II – Materials andwelding part 2 – non-metallic materials”的要求，用于玻璃纖維增強塑料復合材料結構中的基體樹脂。

對于風電行業而言，尤其是對于風力發電機和風機葉片制造商而言，DNV-GL 認證是證明科思創聚氨酯樹脂用作風機葉片制造樹脂基材具有良好特性和性能的一張名片。


風機葉片檢測認證

用于 2 兆瓦風力發電機機且配有聚氨酯主梁和承剪腹板的 55.2 米風機葉片已經在北京鑒衡認證中心(CGC)通過靜力試驗和疲勞試驗的檢測。該型葉片由 WINDnovation 設計且葉片設計通過了 DEWI 認證。


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