更大更輕，時代新材葉片技術的新征程

本刊 | 王芳

近日，株洲時代新材料科技股份有限公司（下稱“時代新材”）順利下線兩套海上風電葉片：一套是與遠景能源合作，采用碳纖維、長80 米的EN161 葉片；另一套是適配于上海電氣6.25MW整機的葉片。在此之前，時代新材的葉片還曾跋涉5000 千米，遠赴哈薩克斯坦。在全球疫情防控的特殊時期，時代新材不斷探索新材料、新工藝，使產品更加適應大型化、輕量化的趨勢，滿足海上、海外風電市場的需求；在應對未來的技術挑戰和疫情影響下的搶裝時，努力提高質量和效率，苦練內功，增強自我的競爭力。

應用碳纖維是大型葉片的必然趨勢

大型風電葉片對材料的性能提出了更高的要求。碳纖維具有高模量、高強度等優異性能，能有效提高葉片剛度，降低重量，從而進一步降低機組載荷，使整機的部件輕量化。

時代新材風電產品事業部總工馮學斌認為，碳纖維材料的成本雖然比玻璃纖維高，但若生產80 米以上的葉片，從整機的角度考慮，通過應用碳纖維，綜合成本反而會降低。如果全部用玻璃纖維，葉片剛度、成型工藝以及重量都將面臨巨大挑戰，并且沒有成本優勢。

此次與遠景能源合作生產的80 米長碳纖維葉片，是我國第一款批量應用碳纖維的大型海上風電葉片，發電性能優異。馮學斌表示，遠景能源具有很強的技術優勢，與其合作開發的碳纖維輕量化葉片，在葉片設計和工藝設計上實現了很多技術創新，通過對整機和葉片的充分優化設計，碳纖維葉片會為整機帶來更強的市場競爭力。

同時，風電葉片作為目前最大的復合材料產業，也承擔著拉動原材料產業發展的歷史使命，特別是碳纖維產業。國內已經建有很多千噸級的碳纖維生產線，但產能還沒有完全被釋放，包括碳纖維應用的工藝、裝備也在不斷成熟中。預計碳纖維葉片將在3～5 年內進入成長期。風電有望拉動碳纖維產業發展，而國產碳纖維應用帶來的成本空間也會進一步推進風電進步。

馮學斌在接受本刊記者采訪時表示，基于這些優勢和條件，碳纖維材料在大尺寸風電機組葉片上的應用成為必然趨勢，也是行業必須深入研究的戰略課題。目前，與碳纖維葉片相關的重點技術方向包括：碳纖維葉片的設計、碳纖維主梁成型工藝技術、相應的配套設備以及碳纖維制品無損檢測等。

此外，葉片大型化趨勢導致葉片模具占地面積、成本增加，對制造場地的要求更加苛刻。同時，大型葉片的成型周期也相對更長。如何提高葉片的制造效率和單模產出，是未來在工藝技術方面需要重點關注的方向。其中，必須重點研究和關注的關鍵技術包括： 關鍵部件預制技術、纖維套材預成型設計、殼體灌注固化流道設計及固化程序設計技術、腹板快速粘接技術等。需要強調的是，新裝備的開發和應用對于工藝提升也是至關重要的。

芯材應用要盡快實現替代

目前，風電葉片的主要夾心材料以巴沙木（balsa）和聚氯乙烯（PVC）芯材為主。balsa 有一定的生長周期，PVC 也存在環保問題，同時主要依賴進口，存在供應風險。

馮學斌告訴記者，去年balsa 的主產地厄瓜多爾，雨季較長，運輸困難，儲備少；今年受疫情影響，加上搶裝放大了需求，導致儲量和配套相對不足。PVC 主要來自意大利，受疫情等影響，我國balsa 和PVC 的供應出現緊張，價格已經翻倍。由于這兩種材料在葉片中的用量較大，給葉片成本帶來較大壓力。

根據當前情況，國內葉片行業一方面在開發印度尼西亞、巴西等地區的輕木資源，避免對單一產地的依賴；另一方面，開展聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、高強度熱塑性PET泡沫材料性能的應用研究，部分替代輕木及PVC，從而進一步緩解供應壓力。

馮學斌介紹說，國產PET 的技術已經基本成熟，產能也在逐漸擴大，但要實現完全替代，仍需時間。

加強合作，迎接海上風電新挑戰

新材料的應用，也推動解決了海上風電面臨的一些技術難題。

海上環境更加惡劣，同時維修成本高，對葉片前緣防護材料提出更高的要求。加快對高性能前緣防護材料的研究應用，有利于提升海上風電葉片的質量和降低運維的成本。馮學斌解釋說，葉片的前緣以及葉尖的掃風位置，線速度和負荷都比較高，而海上環境下，葉尖受到的雨蝕會更加嚴重。時代新材通過與供應商合作，開發出一種應用于葉片前緣的保護膜，比之前的油漆具有更加優越的耐腐蝕性。

此次時代新材與上海電氣合作生產的應用于6.25MW 機型、長84 米的葉片，是該公司目前生產的葉根節圓最大、預彎最大、長度最長、重量最重的葉片。

從海、陸兩用的S72 項目，到此次的6.25MW-84 項目，時代新材與上海電氣已經合作很多年。馮學斌介紹說，上海電氣目前的海上風電累計裝機在國內排名第一，在大功率海上風電機組的開發上積累了很多經驗和優勢。這款84 米長的葉片，風能利用效率大于0.48，掃風面積大于23000 平方米，發電性能優異，是我國目前批量裝機中最大功率等級的葉片。在海上風電項目中，應用大功率機組的優勢明顯，降低了初始投資、基礎建設和運維的成本。目前，這款葉片采用的是玻璃纖維材料，應該說是探索了玻纖葉片現階段最大、最長的極限，也為后續更大級別的葉片開發做了技術儲備。

嚴格的試驗測試，形成設計閉環

在新產品的研發過程中，最煎熬、漫長的莫過于進行葉片的靜載試驗及疲勞試驗。對此，馮學斌深有感觸：“靜載試驗是指測試全尺寸葉片在極限載荷的1.1 倍及以上的載荷下葉片的承受能力，是檢測葉片設計最關鍵的試驗之一，決定了整個設計項目能否成功。由于葉片巨大，試驗都是在室外進行。夏天時，由于天氣炎熱，試驗選擇在每天早上5 點前開始，7點前就要做完。葉片上要有4 到6 個拉力點，通過加重載荷，測試其變形的應力結果。目前70 米以上的葉尖最大變形均在20 米以上，場面極其壯觀，尤其對設計者的心理承受能力是極大考驗。”

“靜載試驗通過后，接下來是葉片疲勞試驗，分為擺振及揮舞兩個方向，在所要求的載荷下，各方向需要至少進行200 萬次試驗。在長達4 個多月的時間里，技術人員需要在現場持續定期觀測，非常辛苦。”他接著說，葉片經過實驗室嚴苛的“摧殘蹂躪”，精確地達到測試效果，才能形成對產品開發的閉環。

此外，作為風電整機的核心部件，對于葉片的開發，企業除了要加強自身的研發設計和試驗能力以外，更需要利用產業鏈的協同，與整機企業、材料供應商合作。馮學斌強調，今后，如何與整機企業形成共同開發新葉型的合作模式，快速與整機企業進行設計迭代，如何應用新材料實現減重、降本，提高產品性能，共享開發信息，成為合作的新方向。

平價之下，錨定清晰的技術路線

隨著平價時代的來臨，整個產業鏈會進行新一輪的洗牌。正如中國可再生能源學會風能專業委員會秘書長秦海巖所言，“十四五”將是風電企業靠本事吃飯的時代。部件制造商更要瞄準未來的技術前沿，找準技術路線，不斷加強技術開發與儲備應用。

對此，時代新材率先研發出“關于超長柔性葉片氣彈穩定性分析技術”。馮學斌解釋說，超長柔性葉片存在復雜氣動力、彈性力和慣性力之間強烈的相互作用，并由此引發多自由度的受迫和自激振動問題，使其氣動彈性呈現強非線性特征，而當前的線性化氣彈分析方法會造成葉片極限載荷和振動分析出現較大的偏差。時代新材通過與院校開展合作，聯合申報國家項目，建立一套從精細化分析到工程應用的非線性氣彈分析與顫振預測方法，為大型葉片安全運行提供保障。

在平價的背景下，在新葉型的開發上如何找到葉片成本或者整機綜合成本與發電量的最佳平衡點，至關重要。通過葉片提升整機的性價比能夠有效地提升企業的核心競爭力。馮學斌認為：“這就要求葉片要降低成本，增加發電性能。葉片需要越做越大，而重量卻要求越來越輕，新葉型的開發面臨著前所未有的挑戰，這對我們的精細化設計、優化設計能力提出了更高的要求。”

企業競爭力的提高有賴于制造技術核心競爭力的提升。目前，搶裝給葉片的交付帶來很大的壓力。“為提高生產效率，提升葉片質量，時代新材的做法是對大型葉片的葉根及后緣UD 預制工藝進行研究和驗證，獲得充分的制造經驗，以此加快產品的成型周期，減少占模時間，同時降低質量風險，最大程度地滿足客戶的交付要求。”

在技術儲備方面，馮學斌表示，從材料方面來看，要加快碳纖維技術儲備；從功能性上來看，要加強除冰、防腐蝕的技術研究；而對于海上風電機組或可達性較差的陸上風電機組，要加強智能在線監控管理，完善光纖傳感監測技術；在制造技術上，要加強自動化設備的應用，注重質量與效率的提高。