应对风电叶片挑战的玻璃纤维及其拉挤板材

美国欧文斯科宁公司采用H³玻璃纤维制成的ULTRASPAR™ 3型拉挤板材为设计更长、更轻、更强、更具成本效益的风电叶片开创了新的可能性。该公司的风电平台主管Tom Wassenberg在其《迎接新挑战的新玻璃》一文中对此作了介绍。兹翻译如下：

无论是推动帆船穿越海洋，还是使大气达到平衡，人类发现风对地球上的生命至关重要。各种变化和进步似乎总是与风的力量联系在一起。不仅如此，现有一件事也是风可以帮助我们解决的：全球变暖 — 而这十年的行动至关重要。

更轻、更长的叶片：超越挑战，超越使命

风轮叶片（来源：Owens Corning）

虽然有一个庞大的科学家群体正在设想和设计解决方案，以实现全球变暖仅限于工业化前

1.5℃的水平，但我们知道答案的很大一部分在于我们如何产生和使用能源。

由于潜力巨大，风电正在快速增长。然而，有人说，为了在未来几十年内达到碳中和，我们需要每年安装390 GW的新风电容量，比目前预测的多3到4倍。是的，我们必须解决这个问题，这就是为什么我们要通过材料科学来共同创造新的解决方案的原因。

当第一个大型商业风电场开始运行时，涡轮机的额定功率为1MW或更低，叶片长度从10m到15m。从那时起，原始设备制造商多年来一直在做的一件事就是增加风力涡轮机的直径。

简单地说，（A=πr²）：半径（r）越大，产生的能量越多（跟随转子的平方面积）。听起来很简单，但更大的涡轮机意味着更长的风轮叶片，这是叶片设计师周期性面临的最大挑战之一：如果他们仅仅使用同样的材料来制成更长的叶片，那么更长的长度将意味着更重的重量，这是不可接受的，因为轻重量是涡轮机效率的关键。

在过去几年中，这一挑战导致了对不同更高性能材料的探索，如碳纤维。虽然碳纤维具有性能+轻质的优点，但它也有本身的挑战，因为它更昂贵，供应链更有限，而且碳足迹高得多：每kg产品约19-43kg二氧化碳当量，而与之相比，玻璃纤维仅约2-5kg二氧化碳当量。因此，如果现有的高性能材料不能完全解决这一挑战，什么能解决？

早在2000年代，当涡轮机转子的直径约为80m而叶片长度超过60m是一个遥远的梦想时，欧文斯科宁公司就与叶片设计师合作，重新构思了其高模量玻璃（H-glass）配方和织物设计。这使得玻璃模量实现了大步增长（82 GPa至87-89 GPa），此后，我们开始看到直径超过200m的转子，以及更长、更轻且具有成本竞争力的叶片。

如果在世纪之交，人们了解玻璃纤维可以在实现更具成本效益的高性能风轮叶片方面发挥关键作用，那么这一点在今天仍然适用，它将保持长度、重量和成本效益之间的平衡。

1）玻璃纤维行业的创新生气勃勃，这意味着为风轮叶片专门研发的下一代高模量玻纤材料还有空间。2021年，欧文斯科宁风电团队完成了H²玻璃的设计（目前在中国量产），其模量为91 GPa。现在，同一团队又完成了H³玻璃的设计，模量达到95 GPa，这是另一个跃进。这两种材料都经过了最可靠、最精确的声频法模量测试协议的验证，并且具有行业领先的稳定比模量，能够实现叶片根部、壳体，尤其是主梁帽的可靠设计。

虽然这种材料很重要，但它仍不能满足风电行业本身的所有需求，这就是我们下一步的目标。

2) 虽然玻璃纤维织物在提供不同叶片部件的性能方面发挥了作用，但在设计主梁帽（叶片的一种受力构件）时，需要新的产品形状因数来提供所需的性能。这就为拉挤生产线提供了空间：这是复合材料最稳定、可重复、具有成本竞争力的生产工艺之一。在主梁帽生产中使用拉挤板材不仅有助于形成更长的叶片（因为与织物相比，纤维体积分数更高），而且支持更高效和更可靠的构造，因为组成主梁帽时无需处理玻纤或碳纤织物铺层及褶皱。这将提高叶片生产现场的生产率，因为与以前使用的工艺相比，可以把更加标准化的板材置入叶片模具中，使过程更加简化和流畅。中国的原始设备制造商和叶片制造商已经领会了更高性能玻璃纤维能够为主梁帽带来的好处。通过在主梁帽设计中主要采用玻璃纤维拉挤板材（就像欧文斯科宁设计和制造的并在JEC World 2022上亮相的ULTRASPAR™拉挤板材），风电行业就已能够经济高效地扩大规模，以满足中国风电市场的更高需求。

3) 最后也是最重要的部分是真正使这一切成为可能的因素：伙伴关系。数字本身可以讲述一个惊人的故事，但如果我们齐心协力将其变成现实，那么我们就创造了历史。叶片设计有了实质性的进展，但用来组成叶片的材料也有了飞跃，同时我们认为我们的需求还没有得到完全满足——成本高、供应链有限、排放差。现在，我们已有机会为世界制造叶片，以应对我们面临的挑战。

除了挑战之外，这还是一个必须回应的呼吁，因为随着世界和气候持续变化，我们也必须这样做。