應對風電葉片挑戰的玻璃纖維及其拉擠板材

美國歐文斯科寧公司采用H3玻璃纖維制成的ULTRASPAR? 3型拉擠板材為設計更長、更輕、更強、更具成本效益的風電葉片開創了新的可能性。該公司的風電平臺主管Tom Wassenberg在其《迎接新挑戰的新玻璃》一文中對此作了介紹。茲翻譯如下：

無論是推動帆船穿越海洋，還是使大氣達到平衡，人類發現風對地球上的生命至關重要。各種變化和進步似乎總是與風的力量聯系在一起。不僅如此，現有一件事也是風可以幫助我們解決的：全球變暖——而這十年的行動至關重要。

更輕、更長的葉片：超越挑戰，超越使命

風輪葉片（來源：Owens Corning）

雖然有一個龐大的科學家群體正在設想和設計解決方案，以實現全球變暖僅限于工業化前1.5℃的水平，但我們知道答案的很大一部分在于我們如何產生和使用能源。

由于潛力巨大，風電正在快速增長。然而，有人說，為了在未來幾十年內達到碳中和，我們需要每年安裝390 GW的新風電容量，比目前預測的多3到4倍。是的，我們必須解決這個問題，這就是為什么我們要通過材料科學來共同創造新的解決方案的原因。

對一個大挑戰的簡短答案：A=πr2

當第一個大型商業風電場開始運行時，渦輪機的額定功率為1 MW或更低，葉片長度從10 m到15 m。從那時起，原始設備制造商多年來一直在做的一件事就是增加風力渦輪機的直徑。

簡單地說，（A=πr2）：半徑（r）越大，產生的能量越多（跟隨轉子的平方面積）。聽起來很簡單，但更大的渦輪機意味著更長的風輪葉片，這是葉片設計師周期性面臨的最大挑戰之一：如果他們僅僅使用同樣的材料來制成更長的葉片，那么更長的長度將意味著更重的重量，這是不可接受的，因為輕重量是渦輪機效率的關鍵。

在過去幾年中，這一挑戰導致了對不同更高性能材料的探索，如碳纖維。雖然碳纖維具有性能+輕質的優點，但它也有本身的挑戰，因為它更昂貴，供應鏈更有限，而且碳足跡高得多：1 kg產品約19～43 kg二氧化碳當量，而與之相比，玻璃纖維僅約2～5 kg二氧化碳當量。因此，如果現有的高性能材料不能完全解決這一挑戰，什么能解決？

智能工程

在本世紀初，當渦輪機轉子的直徑約為80 m而葉片長度超過60 m是一個遙遠的夢想時，歐文斯科寧公司就與葉片設計師合作，重新構思了其高模量玻璃（H-glass）配方和織物設計。這使得玻璃模量實現了大步增長（82 GPa至87-89 GPa），此后，我們開始看到直徑超過200m的轉子，以及更長、更輕且具有成本競爭力的葉片。

如果在世紀之交，人們了解玻璃纖維可以在實現更具成本效益的高性能風輪葉片方面發揮關鍵作用，那么這一點在今天仍然適用，它將保持長度、重量和成本效益之間的平衡。

三步增加葉片長度和成本效益

（1）玻璃纖維行業的創新生氣勃勃，這意味著為風輪葉片專門研發的下一代高模量玻纖材料還有空間。2021年，歐文斯科寧風電團隊完成了H2玻璃的設計（目前在中國量產），其模量為91 GPa。現在，同一團隊又完成了H3玻璃的設計，模量達到95 GPa，這是另一個躍進。這兩種材料都經過了最可靠、最精確的聲頻法模量測試協議的驗證，并且具有行業領先的穩定比模量，能夠實現葉片根部、殼體，尤其是主梁帽的可靠設計。

主梁帽（來源：Owens Corning）

雖然這種材料很重要，但它仍不能滿足風電行業本身的所有需求，這就是我們下一步的目標。

（2）雖然玻璃纖維織物在提供不同葉片部件的性能方面發揮了作用，但在設計主梁帽（葉片的一種受力構件）時，需要新的產品形狀因數來提供所需的性能。這就為拉擠生產線提供了空間：這是復合材料最穩定、可重復、具有成本競爭力的生產工藝之一。在主梁帽生產中使用拉擠板材不僅有助于形成更長的葉片（因為與織物相比，纖維體積分數更高），而且支持更高效和更可靠的構造，因為組成主梁帽時無需處理玻纖或碳纖織物鋪層及褶皺。這將提高葉片生產現場的生產率，因為與以前使用的工藝相比，可以把更加標準化的板材置入葉片模具中，使過程更加簡化和流暢。中國的原始設備制造商和葉片制造商已經領會了更高性能玻璃纖維能夠為主梁帽帶來的好處。通過在主梁帽設計中主要采用玻璃纖維拉擠板材（就像歐文斯科寧設計和制造的并在JEC World 2022上亮相的ULTRASPAR?拉擠板材），風電行業就已能夠經濟高效地擴大規模，以滿足中國風電市場的更高需求。

ULTRASPAR?拉擠板材（來源：Owens Corning）

（3）最后也是最重要的部分是真正使這一切成為可能的因素：伙伴關系。數字本身可以講述一個驚人的故事，但如果我們齊心協力將其變成現實，那么我們就創造了歷史。葉片設計有了實質性的進展，但用來組成葉片的材料也有了飛躍，同時我們認為我們的需求還沒有得到完全滿足——成本高、供應鏈有限、排放差。現在，我們已有機會為世界制造葉片，以應對我們面臨的挑戰。

除了挑戰之外，這還是一個必須回應的呼吁，因為隨著世界氣候持續變化，我們也必須這樣做。