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拉挤大梁板在风电中的应用及未来发展方向(上篇)





拉挤大梁板在风电中的应用及未来发展方向(上篇)




拉挤大梁板在风电中的应用及未来发展方向(上篇)
王志伟,中复碳芯副总经理,主要从事复合材料拉挤工艺研究,中国电机工程学会输电线路专委会电气学组委员、中国复合材料工业协会拉挤专业委员会副主任委员。申请专利29项,获批专利15项,其中发明专利4项,实用新型专利11项。


一、行业前景


根据国家能源局发布数据显示,截至2021年6月底,全国可再生能源发电装机达9.71亿千瓦,其中,水电装机3.78亿千瓦、风电装机2.92亿千瓦、光伏发电装机2.68亿千瓦、生物质发电装机容量是3319万千瓦。2021年1到6月,全国风电新增并网装机1084万千瓦,其中陆上新增869.4万千瓦、海上新增214.6万千瓦。截至2021年6月底,全国风电累计装机2.92亿千瓦,其中陆上风电累计装机2.81亿千瓦、海上风电1113.4万千瓦。从数据看,风电发展势头整体良好。2021年,风电进入平价时代,不少人预计今年风电将整体下行,但经过上半年的缓冲,现在看风电发展在逐步恢复。


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当然,我们既要看到风电发展态势向好,也要看到风电平价时代给行业发展带来的挑战。随着平价时代的来临,我们要借鉴学习光伏等其他新能源的发展。目前,光伏的成本就要低于风电。因此,从降本模型方面考虑,要从分子端(包括投入、材料组件的价格)和分母端(即发电量)两端发力,提升效益,从而实现整体成本的降低。比较有效的降本手段就是机组的大型化。大容量机组可以大幅减少机组台数,降低分摊到单位容量的原材料、吊装和土地等成本,降低后期运维和管理成本。从分母端提升效益考虑,增收手段也是机组大型化。大容量机组拥有更大的扫峰面积和更高的轮毂高度,机组切入的风速更低,单位容量的利用小时数更高。


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图为降本模型

随着平价时代来临了,机组大型化成为降低风电成本的不二选择。机组大型化就意味着对叶片长度的进一步加长,同时对大梁的要求也相应提高。拉挤大梁成为叶片大型化的一种新工艺选择,但这个选择并非唯一。


为了提高大梁的模量,最好的方法就是更换原材料。通过选择不同的原材料,可以提高大梁的模量。而采用碳纤维,可以有效的提高大梁的性能。关于采用碳纤维的经济性预测,首先要说明的是所有的经济预测都是相对的。当玻璃纤维无法满足性能要求时,碳纤维可能就变成了唯一的选择。不能光看现在碳纤维的经济性并不占优,就认为碳纤维没有未来。


二、工艺介绍

大梁板的生产过程,主要有4个步骤:板材的拉挤、板材的包装运输、后处理以及叶片的灌注。板材的性能获取主要是在拉挤过程当中。后处理主要是对一些斜坡、左右的倒角、铺设的长度做一些处理,还有撕脱模布。最后就是灌注成型。需要注意的是,灌注对拉挤是相互关系的,在设计拉挤工艺过程当中,也要关注灌注环节,比方说脱模布的撕除,或者板材的直线度,这些都会影响最终灌注的性能。

两种常见的拉挤形式,一种是开放式,历史已经很久;第二种是注射式。这两种工艺目前在拉挤大梁上都有应用。各有优缺点,并不具有绝对的优势。比如说开放式的浸润时间比较长,出现浸润缺陷的概率较低。对于注射式来说,其纤维直线度和新老胶较少,但浸润时间较短,容易产生浸润缺陷。冲击压力对纤维的分布可能也会有一些影响。这些要都需要在实际应用过程当中不断地去改善,去体会。两种形式没有绝对的替代关系。

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图中上方设备为开放式,下方为注射式

三、性能要求

性能要求主要分成五个部分:尺寸外观、物理性能、本体机械性能、组件机械性能和疲劳。

1、尺寸外观


尺寸外观主要是外观、宽度、厚度、撕除脱模布厚度、直线度、粗糙度、宽度方向的平面度。需要关注的是直线度,还有尺寸。直线度涉及到将来拼接成大梁之后拼接缝。两块板材之间的拼接缝隙的大小,缝隙越宽,实际上对横向拉伸强度有一些影响。而且这个影响可能跟最终制品的倒角有关系,比方有斜坡的,或者没有斜坡的,或者是圆弧倒角,最终拼接缝的性能是有差异的。另外一个很重要的事情,如果在拼接缝里面有一些填充,性能会得到得到很大的改善。还有一个就是撕除脱模布的厚度,还有宽度,这个决定了将来叶片拼接之后大梁的重量,或者说叶片的重量。尺寸超差或者不稳定的话,叶片超重的可能性会增大。还有一个就是粗糙度,这个跟脱模布相关,只要脱模布选择没问题,或者说脱模布粘接没有问题,就都没有问题。


2、物理性能


主要是纤维体积含量、树脂质量含量和TG密度。我认为关键指标是,TG密度和树脂质量含量。环氧树脂的固化、胶连程度,随着环境温度的变化,TG密度也会有波动。特别是拉挤开放式胶槽。如果是注射式的话,这个问题会小一些。像夏季湿度比较大的区域,TG会不稳定。树脂质量含量影响了最终纵向的拉伸模量和强度,因此,要尽量控制树脂质量含量的稳定性,减少波动,从而实现纵向性能。


3、本体机械性能


本体机械性能主要是一些拉压弯剪和V型剪切。我认为本体机械性能中比较关键的是零度的拉压模量和90度的拉伸强度,叶片本身对这两个性能要求比较关键。


4、组件机械性能


组合件的机械性能主要有两个概念,一个就是表面的粘接,一个是横向粘接。主要表达的意思是板材与板材之间的层间的粘接和板材与板材横向的拼接缝的粘接。涉及到灌注最终的质量,也要考虑不同树脂跟不同板材的粘接。我们还要注意另外一件事,就是表面粘贴的时候,脱模布撕除之后尽快使用。因为我们脱模布是一种现用现接的一种工艺,最好减少呆滞的时间。呆滞的时间多,表面粘接性能可能会有所下降。


5、疲劳性能


主要是拉拉、拉压、压压。主要关注参数是M值和剩余强度。相同纤维和相同树脂在相接近的固化工艺上的疲劳特性,理论上讲相接近。我们也研究过不同孔隙率的疲劳,主要是针对拉拉做过一些研究。在高载荷和低载荷的情况下,孔隙率对拉拉疲劳的影响并不是特别突出。所以,最主要的要素还是决定于材料和树脂含量,这两个要素决定了最终的疲劳特性。

待续......

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