拉擠大梁板在風(fēng)電中的應(yīng)用及未來發(fā)展方向(上篇)
王志偉,中復(fù)碳芯副總經(jīng)理,主要從事復(fù)合材料拉擠工藝研究,中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)輸電線路專委會(huì)電氣學(xué)組委員、中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)拉擠專業(yè)委員會(huì)副主任委員。申請(qǐng)專利29項(xiàng),獲批專利15項(xiàng),其中發(fā)明專利4項(xiàng),實(shí)用新型專利11項(xiàng)。
一、行業(yè)前景
根據(jù)國家能源局發(fā)布數(shù)據(jù)顯示,截至2021年6月底,全國可再生能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)9.71億千瓦,其中,水電裝機(jī)3.78億千瓦、風(fēng)電裝機(jī)2.92億千瓦、光伏發(fā)電裝機(jī)2.68億千瓦、生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量是3319萬千瓦。2021年1到6月,全國風(fēng)電新增并網(wǎng)裝機(jī)1084萬千瓦,其中陸上新增869.4萬千瓦、海上新增214.6萬千瓦。截至2021年6月底,全國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)2.92億千瓦,其中陸上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)2.81億千瓦、海上風(fēng)電1113.4萬千瓦。從數(shù)據(jù)看,風(fēng)電發(fā)展勢(shì)頭整體良好。2021年,風(fēng)電進(jìn)入平價(jià)時(shí)代,不少人預(yù)計(jì)今年風(fēng)電將整體下行,但經(jīng)過上半年的緩沖,現(xiàn)在看風(fēng)電發(fā)展在逐步恢復(fù)。

當(dāng)然,我們既要看到風(fēng)電發(fā)展態(tài)勢(shì)向好,也要看到風(fēng)電平價(jià)時(shí)代給行業(yè)發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)。隨著平價(jià)時(shí)代的來臨,我們要借鑒學(xué)習(xí)光伏等其他新能源的發(fā)展。目前,光伏的成本就要低于風(fēng)電。因此,從降本模型方面考慮,要從分子端(包括投入、材料組件的價(jià)格)和分母端(即發(fā)電量)兩端發(fā)力,提升效益,從而實(shí)現(xiàn)整體成本的降低。比較有效的降本手段就是機(jī)組的大型化。大容量機(jī)組可以大幅減少機(jī)組臺(tái)數(shù),降低分?jǐn)偟絾挝蝗萘康脑牧?、吊裝和土地等成本,降低后期運(yùn)維和管理成本。從分母端提升效益考慮,增收手段也是機(jī)組大型化。大容量機(jī)組擁有更大的掃峰面積和更高的輪轂高度,機(jī)組切入的風(fēng)速更低,單位容量的利用小時(shí)數(shù)更高。

圖為降本模型
隨著平價(jià)時(shí)代來臨了,機(jī)組大型化成為降低風(fēng)電成本的不二選擇。機(jī)組大型化就意味著對(duì)葉片長度的進(jìn)一步加長,同時(shí)對(duì)大梁的要求也相應(yīng)提高。拉擠大梁成為葉片大型化的一種新工藝選擇,但這個(gè)選擇并非唯一。
為了提高大梁的模量,最好的方法就是更換原材料。通過選擇不同的原材料,可以提高大梁的模量。而采用碳纖維,可以有效的提高大梁的性能。關(guān)于采用碳纖維的經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè),首先要說明的是所有的經(jīng)濟(jì)預(yù)測(cè)都是相對(duì)的。當(dāng)玻璃纖維無法滿足性能要求時(shí),碳纖維可能就變成了唯一的選擇。不能光看現(xiàn)在碳纖維的經(jīng)濟(jì)性并不占優(yōu),就認(rèn)為碳纖維沒有未來。
二、工藝介紹
大梁板的生產(chǎn)過程,主要有4個(gè)步驟:板材的拉擠、板材的包裝運(yùn)輸、后處理以及葉片的灌注。板材的性能獲取主要是在拉擠過程當(dāng)中。后處理主要是對(duì)一些斜坡、左右的倒角、鋪設(shè)的長度做一些處理,還有撕脫模布。最后就是灌注成型。需要注意的是,灌注對(duì)拉擠是相互關(guān)系的,在設(shè)計(jì)拉擠工藝過程當(dāng)中,也要關(guān)注灌注環(huán)節(jié),比方說脫模布的撕除,或者板材的直線度,這些都會(huì)影響最終灌注的性能。
兩種常見的拉擠形式,一種是開放式,歷史已經(jīng)很久;第二種是注射式。這兩種工藝目前在拉擠大梁上都有應(yīng)用。各有優(yōu)缺點(diǎn),并不具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。比如說開放式的浸潤時(shí)間比較長,出現(xiàn)浸潤缺陷的概率較低。對(duì)于注射式來說,其纖維直線度和新老膠較少,但浸潤時(shí)間較短,容易產(chǎn)生浸潤缺陷。沖擊壓力對(duì)纖維的分布可能也會(huì)有一些影響。這些要都需要在實(shí)際應(yīng)用過程當(dāng)中不斷地去改善,去體會(huì)。兩種形式?jīng)]有絕對(duì)的替代關(guān)系。

圖中上方設(shè)備為開放式,下方為注射式
三、性能要求
性能要求主要分成五個(gè)部分:尺寸外觀、物理性能、本體機(jī)械性能、組件機(jī)械性能和疲勞。
1、尺寸外觀
尺寸外觀主要是外觀、寬度、厚度、撕除脫模布厚度、直線度、粗糙度、寬度方向的平面度。需要關(guān)注的是直線度,還有尺寸。直線度涉及到將來拼接成大梁之后拼接縫。兩塊板材之間的拼接縫隙的大小,縫隙越寬,實(shí)際上對(duì)橫向拉伸強(qiáng)度有一些影響。而且這個(gè)影響可能跟最終制品的倒角有關(guān)系,比方有斜坡的,或者沒有斜坡的,或者是圓弧倒角,最終拼接縫的性能是有差異的。另外一個(gè)很重要的事情,如果在拼接縫里面有一些填充,性能會(huì)得到得到很大的改善。還有一個(gè)就是撕除脫模布的厚度,還有寬度,這個(gè)決定了將來葉片拼接之后大梁的重量,或者說葉片的重量。尺寸超差或者不穩(wěn)定的話,葉片超重的可能性會(huì)增大。還有一個(gè)就是粗糙度,這個(gè)跟脫模布相關(guān),只要脫模布選擇沒問題,或者說脫模布粘接沒有問題,就都沒有問題。
2、物理性能
主要是纖維體積含量、樹脂質(zhì)量含量和TG密度。我認(rèn)為關(guān)鍵指標(biāo)是,TG密度和樹脂質(zhì)量含量。環(huán)氧樹脂的固化、膠連程度,隨著環(huán)境溫度的變化,TG密度也會(huì)有波動(dòng)。特別是拉擠開放式膠槽。如果是注射式的話,這個(gè)問題會(huì)小一些。像夏季濕度比較大的區(qū)域,TG會(huì)不穩(wěn)定。樹脂質(zhì)量含量影響了最終縱向的拉伸模量和強(qiáng)度,因此,要盡量控制樹脂質(zhì)量含量的穩(wěn)定性,減少波動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)縱向性能。
3、本體機(jī)械性能
本體機(jī)械性能主要是一些拉壓彎剪和V型剪切。我認(rèn)為本體機(jī)械性能中比較關(guān)鍵的是零度的拉壓模量和90度的拉伸強(qiáng)度,葉片本身對(duì)這兩個(gè)性能要求比較關(guān)鍵。
4、組件機(jī)械性能
組合件的機(jī)械性能主要有兩個(gè)概念,一個(gè)就是表面的粘接,一個(gè)是橫向粘接。主要表達(dá)的意思是板材與板材之間的層間的粘接和板材與板材橫向的拼接縫的粘接。涉及到灌注最終的質(zhì)量,也要考慮不同樹脂跟不同板材的粘接。我們還要注意另外一件事,就是表面粘貼的時(shí)候,脫模布撕除之后盡快使用。因?yàn)槲覀兠撃2际且环N現(xiàn)用現(xiàn)接的一種工藝,最好減少呆滯的時(shí)間。呆滯的時(shí)間多,表面粘接性能可能會(huì)有所下降。
5、疲勞性能
主要是拉拉、拉壓、壓壓。主要關(guān)注參數(shù)是M值和剩余強(qiáng)度。相同纖維和相同樹脂在相接近的固化工藝上的疲勞特性,理論上講相接近。我們也研究過不同孔隙率的疲勞,主要是針對(duì)拉拉做過一些研究。在高載荷和低載荷的情況下,孔隙率對(duì)拉拉疲勞的影響并不是特別突出。所以,最主要的要素還是決定于材料和樹脂含量,這兩個(gè)要素決定了最終的疲勞特性。
