探索新材料

目前几乎所有风电叶片是用热固性树脂制造的，但是这种情况很快就要改变了。

2013年，欧洲的由11个研究和产业合作者组成的团队发起了WALiD项目（采用具有成本效益的先进复合材料轻质设计的风电叶片）来研究热塑性材料在叶片的全方位应用。“我们研发了新材料概念和工艺技术。同时，由于新的工艺技术，我们能够根据新材料的性能修改叶片的设计，”弗劳恩霍夫化学技术研究所（ICT）聚合物工程部泡沫技术团队领导Florian Rapp说。

在四年的项目期间（今年1月结束），WALiD团队研发了高度耐用的热塑性塑料泡沫和复合材料，一种具有高度耐腐蚀和耐紫外线性能的热塑性涂料，和一种混合纤维带的自动化铺纤工艺。根据WALiD网站介绍，结果得到了一种更轻的叶片，改进了设计，增加了使用寿命。

该项目不是专注于制造整个叶片，而是关注材料定义和工艺条件。“我们在试样和子部件级别做了很多关于机械性能的表征描述，”拉普说。

尽管还没有WALiD叶片的工作模型，Rapp说许多制造商已经对其表示出兴趣。但制造一种完整的热塑性塑料叶片需要大规模改变当前的生产方式，这在生产大型叶片时尤其困难。Rapp认为WALiD研发的技术可能会先用于生产较小的叶片。

同时，IACMI复合材料研究所丹佛国家可再生能源实验室的研究人员制造了一种长9米的试验性热塑叶片。

“我们不能每次想要创新一种新材料或者新的制造技术时，都要出去建造一个70或80米的叶片，”风能技术领域主管Derek Berry说。尽管实验室以试样级试验开始研究，9米的叶片是一种理想的尺寸来证明可以制造更厚、更大、更复杂的部件，不需要去用一个巨大的兆瓦尺寸的叶片，Berry说。“你可以走完80%到90%的路程去理解一种材料在制造工艺中如何起作用，你能得到什么类型的性能等等…。它提供了大量关于是否应该利用那种材料和制造工艺继续向前的信息。”

试验性叶片中最激进的创新是热塑性树脂系统的使用。“热固性叶片一旦成型就没有办法返回，它是一个化学工艺，是不可逆转的。20到30年后，叶片的使用寿命终结，你唯一能做的是把它放进垃圾填埋场，或者将其切割并用在低端用途。”他解释说。

另一方面，热塑性树脂叶片则可以循环使用。它甚至可以回收纤维和树脂体系，重新利用它们制造新的叶片或者其他复合材料结构。

IACMI的9米试验性叶片是用阿科玛的Elium®树脂体系制成的，它和热固性材料具有同样的放热范围。“这是一种加工时更像热固性塑料的热塑性塑料，” Berry说。这很重要，它意味着叶片制造商不需要更换他们的模具和加工泵。

研究人员因为其循环利用能力开始重视热塑性塑料，结果证明它们还提供了其他对风能行业来说更为重要的益处。例如，使用热塑性塑料可以采用热焊接的方式将叶片部件组合起来。“现在，我们有两片用粘合剂粘合的叶片蒙皮，”Berry说，“以后，我们会摆脱粘合剂，而是将两片蒙皮放在一起然后加热连接部位使它们连接起来。因为热塑性树脂体系的热焊接潜力，我们将会拥有更好、更可靠、更便宜的叶片。”热塑性复合材料叶片在现场可能更容易维修。

尽管IACMI的研究人员仍在调查热塑性叶片生产是否会快于热固性叶片，但热塑性塑料确有另一个优势，因为它不需要在烘炉中进行后固化。除了能节省购买固化炉的相关成本，还可以节省时间和人力。

Berry说下一步将做一个全尺寸的叶片组件（可能是一个大的壁厚100mm的根段）来试验其放热曲线。

“这种叶片帮助们理解这些挑战并使我们受益匪浅，但这只是一个开始，” Berry说，“从现在到热塑性树脂可能用在兆瓦级风电叶片时，我们还需要几年时间的创新。”这项工作将包括更多的样品级试验（关于静电、疲劳、使用寿命、抗拉强度、抗压强度、剪切强度）以致风电叶片设计师和制造商将得到复合材料性能的完整数据库。

目标是实现这项前途无限的制造创新，搭建研发和商业化之间的桥梁，Berry说，“我们与合作伙伴一起工作，这样我们就为他们提供需要的决策基础，并且将这种技术商业化，进一步向市场推广。”反过来说，叶片制造的进步可以提高风能产业的成本效率，并驱动对这种可再生能源的更大需求。