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拉擠大梁板在風電中的應用及未來發展方向(上篇)





拉擠大梁板在風電中的應用及未來發展方向(上篇)




拉擠大梁板在風電中的應用及未來發展方向(上篇)
王志偉,中復碳芯副總經理,主要從事復合材料拉擠工藝研究,中國電機工程學會輸電線路專委會電氣學組委員、中國復合材料工業協會拉擠專業委員會副主任委員。申請專利29項,獲批專利15項,其中發明專利4項,實用新型專利11項。


一、行業前景


根據國家能源局發布數據顯示,截至2021年6月底,全國可再生能源發電裝機達9.71億千瓦,其中,水電裝機3.78億千瓦、風電裝機2.92億千瓦、光伏發電裝機2.68億千瓦、生物質發電裝機容量是3319萬千瓦。2021年1到6月,全國風電新增并網裝機1084萬千瓦,其中陸上新增869.4萬千瓦、海上新增214.6萬千瓦。截至2021年6月底,全國風電累計裝機2.92億千瓦,其中陸上風電累計裝機2.81億千瓦、海上風電1113.4萬千瓦。從數據看,風電發展勢頭整體良好。2021年,風電進入平價時代,不少人預計今年風電將整體下行,但經過上半年的緩沖,現在看風電發展在逐步恢復。


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當然,我們既要看到風電發展態勢向好,也要看到風電平價時代給行業發展帶來的挑戰。隨著平價時代的來臨,我們要借鑒學習光伏等其他新能源的發展。目前,光伏的成本就要低于風電。因此,從降本模型方面考慮,要從分子端(包括投入、材料組件的價格)和分母端(即發電量)兩端發力,提升效益,從而實現整體成本的降低。比較有效的降本手段就是機組的大型化。大容量機組可以大幅減少機組臺數,降低分攤到單位容量的原材料、吊裝和土地等成本,降低后期運維和管理成本。從分母端提升效益考慮,增收手段也是機組大型化。大容量機組擁有更大的掃峰面積和更高的輪轂高度,機組切入的風速更低,單位容量的利用小時數更高。


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圖為降本模型

隨著平價時代來臨了,機組大型化成為降低風電成本的不二選擇。機組大型化就意味著對葉片長度的進一步加長,同時對大梁的要求也相應提高。拉擠大梁成為葉片大型化的一種新工藝選擇,但這個選擇并非唯一。


為了提高大梁的模量,最好的方法就是更換原材料。通過選擇不同的原材料,可以提高大梁的模量。而采用碳纖維,可以有效的提高大梁的性能。關于采用碳纖維的經濟性預測,首先要說明的是所有的經濟預測都是相對的。當玻璃纖維無法滿足性能要求時,碳纖維可能就變成了唯一的選擇。不能光看現在碳纖維的經濟性并不占優,就認為碳纖維沒有未來。


二、工藝介紹

大梁板的生產過程,主要有4個步驟:板材的拉擠、板材的包裝運輸、后處理以及葉片的灌注。板材的性能獲取主要是在拉擠過程當中。后處理主要是對一些斜坡、左右的倒角、鋪設的長度做一些處理,還有撕脫模布。最后就是灌注成型。需要注意的是,灌注對拉擠是相互關系的,在設計拉擠工藝過程當中,也要關注灌注環節,比方說脫模布的撕除,或者板材的直線度,這些都會影響最終灌注的性能。

兩種常見的拉擠形式,一種是開放式,歷史已經很久;第二種是注射式。這兩種工藝目前在拉擠大梁上都有應用。各有優缺點,并不具有絕對的優勢。比如說開放式的浸潤時間比較長,出現浸潤缺陷的概率較低。對于注射式來說,其纖維直線度和新老膠較少,但浸潤時間較短,容易產生浸潤缺陷。沖擊壓力對纖維的分布可能也會有一些影響。這些要都需要在實際應用過程當中不斷地去改善,去體會。兩種形式沒有絕對的替代關系。

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圖中上方設備為開放式,下方為注射式

三、性能要求

性能要求主要分成五個部分:尺寸外觀、物理性能、本體機械性能、組件機械性能和疲勞。

1、尺寸外觀


尺寸外觀主要是外觀、寬度、厚度、撕除脫模布厚度、直線度、粗糙度、寬度方向的平面度。需要關注的是直線度,還有尺寸。直線度涉及到將來拼接成大梁之后拼接縫。兩塊板材之間的拼接縫隙的大小,縫隙越寬,實際上對橫向拉伸強度有一些影響。而且這個影響可能跟最終制品的倒角有關系,比方有斜坡的,或者沒有斜坡的,或者是圓弧倒角,最終拼接縫的性能是有差異的。另外一個很重要的事情,如果在拼接縫里面有一些填充,性能會得到得到很大的改善。還有一個就是撕除脫模布的厚度,還有寬度,這個決定了將來葉片拼接之后大梁的重量,或者說葉片的重量。尺寸超差或者不穩定的話,葉片超重的可能性會增大。還有一個就是粗糙度,這個跟脫模布相關,只要脫模布選擇沒問題,或者說脫模布粘接沒有問題,就都沒有問題。


2、物理性能


主要是纖維體積含量、樹脂質量含量和TG密度。我認為關鍵指標是,TG密度和樹脂質量含量。環氧樹脂的固化、膠連程度,隨著環境溫度的變化,TG密度也會有波動。特別是拉擠開放式膠槽。如果是注射式的話,這個問題會小一些。像夏季濕度比較大的區域,TG會不穩定。樹脂質量含量影響了最終縱向的拉伸模量和強度,因此,要盡量控制樹脂質量含量的穩定性,減少波動,從而實現縱向性能。


3、本體機械性能


本體機械性能主要是一些拉壓彎剪和V型剪切。我認為本體機械性能中比較關鍵的是零度的拉壓模量和90度的拉伸強度,葉片本身對這兩個性能要求比較關鍵。


4、組件機械性能


組合件的機械性能主要有兩個概念,一個就是表面的粘接,一個是橫向粘接。主要表達的意思是板材與板材之間的層間的粘接和板材與板材橫向的拼接縫的粘接。涉及到灌注最終的質量,也要考慮不同樹脂跟不同板材的粘接。我們還要注意另外一件事,就是表面粘貼的時候,脫模布撕除之后盡快使用。因為我們脫模布是一種現用現接的一種工藝,最好減少呆滯的時間。呆滯的時間多,表面粘接性能可能會有所下降。


5、疲勞性能


主要是拉拉、拉壓、壓壓。主要關注參數是M值和剩余強度。相同纖維和相同樹脂在相接近的固化工藝上的疲勞特性,理論上講相接近。我們也研究過不同孔隙率的疲勞,主要是針對拉拉做過一些研究。在高載荷和低載荷的情況下,孔隙率對拉拉疲勞的影響并不是特別突出。所以,最主要的要素還是決定于材料和樹脂含量,這兩個要素決定了最終的疲勞特性。

待續......

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