美國(guó)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(shè)計(jì)更長(zhǎng)、更輕、更強(qiáng)、更具成本效益的風(fēng)電葉片開創(chuàng)了新的可能性。該公司的風(fēng)電平臺(tái)主管Tom Wassenberg在其《迎接新挑戰(zhàn)的新玻璃》一文中對(duì)此作了介紹。茲翻譯如下：

無(wú)論是推動(dòng)帆船穿越海洋，還是使大氣達(dá)到平衡，人類發(fā)現(xiàn)風(fēng)對(duì)地球上的生命至關(guān)重要。各種變化和進(jìn)步似乎總是與風(fēng)的力量聯(lián)系在一起。不僅如此，現(xiàn)有一件事也是風(fēng)可以幫助我們解決的：全球變暖 — 而這十年的行動(dòng)至關(guān)重要。

更輕、更長(zhǎng)的葉片：超越挑戰(zhàn)，超越使命

風(fēng)輪葉片（來(lái)源：Owens Corning）

雖然有一個(gè)龐大的科學(xué)家群體正在設(shè)想和設(shè)計(jì)解決方案，以實(shí)現(xiàn)全球變暖僅限于工業(yè)化前

1.5℃的水平，但我們知道答案的很大一部分在于我們?nèi)绾萎a(chǎn)生和使用能源。

由于潛力巨大，風(fēng)電正在快速增長(zhǎng)。然而，有人說(shuō)，為了在未來(lái)幾十年內(nèi)達(dá)到碳中和，我們需要每年安裝390 GW的新風(fēng)電容量，比目前預(yù)測(cè)的多3到4倍。是的，我們必須解決這個(gè)問(wèn)題，這就是為什么我們要通過(guò)材料科學(xué)來(lái)共同創(chuàng)造新的解決方案的原因。

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)大型商業(yè)風(fēng)電場(chǎng)開始運(yùn)行時(shí)，渦輪機(jī)的額定功率為1MW或更低，葉片長(zhǎng)度從10m到15m。從那時(shí)起，原始設(shè)備制造商多年來(lái)一直在做的一件事就是增加風(fēng)力渦輪機(jī)的直徑。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，（A=πr2）：半徑（r）越大，產(chǎn)生的能量越多（跟隨轉(zhuǎn)子的平方面積）。聽起來(lái)很簡(jiǎn)單，但更大的渦輪機(jī)意味著更長(zhǎng)的風(fēng)輪葉片，這是葉片設(shè)計(jì)師周期性面臨的最大挑戰(zhàn)之一：如果他們僅僅使用同樣的材料來(lái)制成更長(zhǎng)的葉片，那么更長(zhǎng)的長(zhǎng)度將意味著更重的重量，這是不可接受的，因?yàn)檩p重量是渦輪機(jī)效率的關(guān)鍵。

在過(guò)去幾年中，這一挑戰(zhàn)導(dǎo)致了對(duì)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(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，但它也有本身的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗嘿F，供應(yīng)鏈更有限，而且碳足跡高得多：每kg產(chǎn)品約19-43kg二氧化碳當(dāng)量，而與之相比，玻璃纖維僅約2-5kg二氧化碳當(dāng)量。因此，如果現(xiàn)有的高性能材料不能完全解決這一挑戰(zhàn)，什么能解決？

早在2000年代，當(dāng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的直徑約為80m而葉片長(zhǎng)度超過(guò)60m是一個(gè)遙遠(yuǎn)的夢(mèng)想時(shí)，歐文斯科寧公司就與葉片設(shè)計(jì)師合作，重新構(gòu)思了其高模量玻璃（H-glass）配方和織物設(shè)計(jì)。這使得玻璃模量實(shí)現(xiàn)了大步增長(zhǎng)（82 GPa至87-89 GPa），此后，我們開始看到直徑超過(guò)200m的轉(zhuǎn)子，以及更長(zhǎng)、更輕且具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的葉片。

如果在世紀(jì)之交，人們了解玻璃纖維可以在實(shí)現(xiàn)更具成本效益的高性能風(fēng)輪葉片方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，那么這一點(diǎn)在今天仍然適用，它將保持長(zhǎng)度、重量和成本效益之間的平衡。

1）玻璃纖維行業(yè)的創(chuàng)新生氣勃勃，這意味著為風(fēng)輪葉片專門研發(fā)的下一代高模量玻纖材料還有空間。2021年，歐文斯科寧風(fēng)電團(tuán)隊(duì)完成了H2玻璃的設(shè)計(jì)（目前在中國(guó)量產(chǎn)），其模量為91 GPa。現(xiàn)在，同一團(tuán)隊(duì)又完成了H3玻璃的設(shè)計(jì)，模量達(dá)到95 GPa，這是另一個(gè)躍進(jìn)。這兩種材料都經(jīng)過(guò)了最可靠、最精確的聲頻法模量測(cè)試協(xié)議的驗(yàn)證，并且具有行業(yè)領(lǐng)先的穩(wěn)定比模量，能夠?qū)崿F(xiàn)葉片根部、殼體，尤其是主梁帽的可靠設(shè)計(jì)。

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

2) 雖然玻璃纖維織物在提供不同葉片部件的性能方面發(fā)揮了作用，但在設(shè)計(jì)主梁帽（葉片的一種受力構(gòu)件）時(shí)，需要新的產(chǎn)品形狀因數(shù)來(lái)提供所需的性能。這就為拉擠生產(chǎn)線提供了空間：這是復(fù)合材料最穩(wěn)定、可重復(fù)、具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的生產(chǎn)工藝之一。在主梁帽生產(chǎn)中使用拉擠板材不僅有助于形成更長(zhǎng)的葉片（因?yàn)榕c織物相比，纖維體積分?jǐn)?shù)更高），而且支持更高效和更可靠的構(gòu)造，因?yàn)榻M成主梁帽時(shí)無(wú)需處理玻纖或碳纖織物鋪層及褶皺。這將提高葉片生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)率，因?yàn)榕c以前使用的工藝相比，可以把更加標(biāo)準(zhǔn)化的板材置入葉片模具中，使過(guò)程更加簡(jiǎn)化和流暢。中國(guó)的原始設(shè)備制造商和葉片制造商已經(jīng)領(lǐng)會(huì)了更高性能玻璃纖維能夠?yàn)橹髁好睅?lái)的好處。通過(guò)在主梁帽設(shè)計(jì)中主要采用玻璃纖維拉擠板材（就像歐文斯科寧設(shè)計(jì)和制造的并在JEC World 2022上亮相的ULTRASPAR?拉擠板材），風(fēng)電行業(yè)就已能夠經(jīng)濟(jì)高效地?cái)U(kuò)大規(guī)模，以滿足中國(guó)風(fēng)電市場(chǎng)的更高需求。

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(guān)系。數(shù)字本身可以講述一個(gè)驚人的故事，但如果我們齊心協(xié)力將其變成現(xiàn)實(shí)，那么我們就創(chuàng)造了歷史。葉片設(shè)計(jì)有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，但用來(lái)組成葉片的材料也有了飛躍，同時(shí)我們認(rèn)為我們的需求還沒(méi)有得到完全滿足——成本高、供應(yīng)鏈有限、排放差。現(xiàn)在，我們已有機(jī)會(huì)為世界制造葉片，以應(yīng)對(duì)我們面臨的挑戰(zhàn)。

除了挑戰(zhàn)之外，這還是一個(gè)必須回應(yīng)的呼吁，因?yàn)殡S著世界和氣候持續(xù)變化，我們也必須這樣做。