為進(jìn)一步降低風(fēng)電葉片重量及成本，提高競爭力，整個(gè)風(fēng)電行業(yè)加速了對新材料或新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。通過采用力學(xué)性能更優(yōu)的增強(qiáng)纖維，如用高模玻璃纖維或碳纖維，可明顯提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，但同時(shí)也帶來了更高的成本。

而通過采用更先進(jìn)的復(fù)合材料制造工藝可充分發(fā)揮增強(qiáng)材料的力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)葉片減重和降本的目的。

 

風(fēng)力發(fā)電

拉擠成型技術(shù)始于20世紀(jì)50年代，至80年代已發(fā)展成為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的主要成型方法之一。

近年來，拉擠成型技術(shù)更是受到各行業(yè)的重視，其產(chǎn)品向著形狀復(fù)雜化、截面尺寸極端化、生產(chǎn)高效化、種類多樣化、高性能化等方向發(fā)展，適用于各種工程領(lǐng)域。如從細(xì)到1mm的線材到70mm的棒材，再到800mm×280mm空腹型材，部分產(chǎn)品的拉擠速度高達(dá)6m/min。

 

EN161 碳拉擠梁葉片 圖源：中國江蘇網(wǎng)

拉擠板是由多束增強(qiáng)纖維浸漬樹脂后通過拉擠工藝制成的具有一定截面形狀、連續(xù)長度的復(fù)合材料板材。拉擠工藝使纖維有一定的張力，能夠顯著提高制品沿纖維方向的力學(xué)性能，故其關(guān)鍵性能優(yōu)于灌注織物和預(yù)浸料復(fù)合材料制品。

 

國際著名風(fēng)電制造商Vestas公司率先采用拉擠板拼裝主梁技術(shù)，將原本為一個(gè)整體的主梁部分拆分為拉擠板標(biāo)準(zhǔn)件，經(jīng)組裝成型。這一革命性創(chuàng)新設(shè)計(jì)極大地推動了拉擠板在風(fēng)電葉片領(lǐng)域的應(yīng)用。

 

本文介紹風(fēng)電葉片主梁用拉擠板的發(fā)展歷程、技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了拉擠板在未來風(fēng)電葉片應(yīng)用的發(fā)展方向。

一、拉擠板技術(shù)發(fā)展

碳纖維拉擠板

20年前，歐洲采用手糊、真空灌注、預(yù)浸料方式生產(chǎn)風(fēng)電葉片主梁，但一些關(guān)于碳纖維的制造缺陷難以避免。

2003年，Vestas率先申請了使用拉擠板來制造風(fēng)電葉片主梁的專利。

2015年，Vestas把整體成型主梁拆解為高效、低成本、高質(zhì)量的拉擠板標(biāo)準(zhǔn)件，實(shí)現(xiàn)組裝并灌注成型。

通過大量測試驗(yàn)證及改進(jìn)，Vestas率先全球在風(fēng)機(jī)葉片上規(guī)模化使用碳纖維拉擠板。之后開發(fā)的2.0MW以上葉片均使用該產(chǎn)品，極大地推動了碳纖維拉擠板在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用。

近幾年，GE-LM、Siemens-Gemesea、Nordex等國外葉片廠商陸續(xù)突破Vestas專利限制，設(shè)計(jì)出各自的碳纖維拉擠板，并在大型葉片上應(yīng)用。

以2021年為例，風(fēng)電葉片中碳纖維用量為3.3萬噸，主要應(yīng)用形式為拉擠主梁。因此，拉擠成型工藝已成為風(fēng)電葉片碳梁生產(chǎn)的主流工藝。

國內(nèi)則是在獲取玻纖拉擠板制造及應(yīng)用的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)后，一部分整機(jī)廠、葉片企業(yè)、材料供應(yīng)商轉(zhuǎn)向開發(fā)碳纖維拉擠板，并逐漸應(yīng)用到百米以上的海上大型風(fēng)電葉片上，如上海電氣的102、運(yùn)達(dá)風(fēng)電的110、金風(fēng)科技的123等葉型。

 

圖1 碳纖維拉擠板

碳纖維拉擠板開發(fā)初期使用國外碳纖維，隨著國產(chǎn)碳纖維技術(shù)的進(jìn)步及價(jià)格優(yōu)勢，逐漸成為國內(nèi)碳纖維拉擠板的主要供應(yīng)渠道。通過調(diào)整纖維與樹脂之間的匹配，碳纖維拉擠板的模量可從130GPa提高至145GPa，進(jìn)一步提升了葉片輕量化水平。

玻璃纖維拉擠板

歐美曾經(jīng)研究過使用玻纖拉擠板制造葉片主梁，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商Senvion公司使用NEPTCO公司的RodPack拉擠板與UD織物混合灌注形成葉片主梁，但該方案一直未得到批量使用。近年來，歐洲有些葉片設(shè)計(jì)公司和制造公司陸續(xù)開發(fā)玻纖拉擠板，但目前仍未見應(yīng)用案例的報(bào)道。

 

圖 2 玻璃纖維拉擠板

與國外開發(fā)拉擠板的順序不同，國內(nèi)首先開發(fā)并應(yīng)用的是性價(jià)比更高的玻纖拉擠板。2014年，中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司（簡稱中復(fù)連眾）率先申請了拉擠板在風(fēng)電葉片上應(yīng)用的專利。

 

中復(fù)連眾 LZ84-6.25葉片

2019年，中復(fù)連眾聯(lián)合中復(fù)碳芯電纜科技有限公司（簡稱中復(fù)碳芯），成功突破了高強(qiáng)玻纖拉擠板制造及其在大型風(fēng)電葉片上的一體化灌注等技術(shù)體系，開發(fā)了應(yīng)用拉擠主梁的兆瓦級葉片。

隨之，國內(nèi)越來越多的整機(jī)廠、葉片企業(yè)、材料供應(yīng)商投身于拉擠板及其應(yīng)用技術(shù)研發(fā)，產(chǎn)生了大量專利技術(shù)，涉及到拉擠板截面、拉擠板制造工藝、拉擠板應(yīng)用等方面。

國內(nèi)拉擠板開發(fā)初期，行業(yè)先聚焦于低成本玻纖拉擠板及其應(yīng)用技術(shù)研發(fā)，通過使用超高模玻纖（浸膠模量95GPa左右）和高樹脂含量開發(fā)高性能的拉擠板。

掌握一定經(jīng)驗(yàn)后，為實(shí)現(xiàn)葉片降本，采用低一級別的高模量纖維（浸膠模量90GPa左右）和低樹脂含量，進(jìn)一步提升玻纖剛度和強(qiáng)度轉(zhuǎn)化效率，成功開發(fā)出性能相當(dāng)?shù)睦瓟D板。

整個(gè)國內(nèi)市場快速積累并共享了制造及使用經(jīng)驗(yàn)，由此拉擠板在大型風(fēng)電葉片上得到廣泛應(yīng)用。

目前，一些企業(yè)利用超高模玻纖及低樹脂含量，正試圖開發(fā)更高性能的拉擠板，期望拉擠板設(shè)計(jì)模量達(dá)到65GPa-68GPa。

國內(nèi)對多種體系的拉擠樹脂，如不飽和聚酯、聚氨酯、環(huán)氧樹脂等進(jìn)行過研究，因環(huán)氧體系工藝成熟、性能高且穩(wěn)定，成為目前行業(yè)內(nèi)的主流體系。另外，國內(nèi)企業(yè)突破了Vestas所定義的薄而寬片材截面概念設(shè)計(jì)，創(chuàng)新開發(fā)了窄而厚截面，大幅提升了拉擠板對葉片幾何外形的普適性以及葉片主梁灌注質(zhì)量。

碳玻混拉擠板

目前碳纖維材料價(jià)格昂貴，其制造的拉擠板主梁成本高，只能用于百米級海上風(fēng)電葉片。為了降低材料成本，同時(shí)又保留較高的性能。

國內(nèi)葉片材料廠商將開發(fā)方向轉(zhuǎn)向了碳玻混編拉擠技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合了碳纖維高強(qiáng)高模、低密度與玻璃纖維高延伸率、低成本的特點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)玻璃纖維大葉片設(shè)計(jì)所面臨的低模量，重量大的技術(shù)壁壘。

通過改變碳紗和玻纖的比例，可以實(shí)現(xiàn)模量由60Gpa到120Gpa的線性變化。為葉片設(shè)計(jì)、優(yōu)化、減重、降本等提供了更多可能，為性能、重量與成本尋找到最佳契合點(diǎn)。

 

圖 3 碳玻混拉擠板

2021年7月，國內(nèi)首款碳玻混主梁葉片-明陽智能MySE11-99A1葉片成功下線，該葉片長99米。目前，華美、風(fēng)渡、中復(fù)碳芯等多家拉擠復(fù)合材料供應(yīng)商為明陽提供碳玻混大梁產(chǎn)品，并已應(yīng)用于多款葉型。

 

明陽智能MySE11-99A1葉片 圖源：明陽智能

免脫模布拉擠板

傳統(tǒng)的拉擠板上下表面均附有一層脫模布，其主要作用為形成粗糙粘接面、吸收脫模劑及保護(hù)板材表面免受污染和損傷。

但脫模布的使用帶來了材料、生產(chǎn)設(shè)備及質(zhì)量控制成本的增加。

為此，自2022年以來，國內(nèi)多家拉擠板廠商陸續(xù)研制免脫模布拉擠板，以提高其產(chǎn)品的競爭優(yōu)勢。

 

圖 4 免脫模布拉擠板

目前，三一已在多個(gè)葉型上批量使用免脫模布片材，并計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍；中材、時(shí)代、重通和雙瑞等均已進(jìn)入試用或小批量階段。

聚氨酯拉擠板

近兩年來，環(huán)氧樹脂價(jià)格上浮超過34％，造成葉片成本上漲超過10％。因此，迫切需要尋找一種低成本高性能的樹脂替代環(huán)氧樹脂。

聚氨酯樹脂由于其低成本、高韌性及抗疲勞的優(yōu)點(diǎn)，為葉片的降本及性能提升提供了新的思路。

另一方面，拉擠板的生產(chǎn)成本因素中，拉擠速度影響最大。而聚氨酯較環(huán)氧樹脂粘度低且固化速度快，能夠有效提高拉擠速度從而降低生產(chǎn)成本，與環(huán)氧體系相比，可以節(jié)約高達(dá)20%的生產(chǎn)成本。

 

圖 5 聚氨酯拉擠板

2020年，中材葉片最早試用聚氨酯拉擠大梁。2023年2月，時(shí)代新材TMT95葉型的首支測試葉片采用了玻纖增強(qiáng)聚氨酯拉擠板大梁。

不過，由于該葉片尚未完成全尺寸測試驗(yàn)證，后續(xù)批產(chǎn)葉片仍采用環(huán)氧樹脂體系的拉擠板。因此，目前行業(yè)內(nèi)尚無聚氨酯拉擠大梁批量應(yīng)用案例。

 

時(shí)代新材TMT95聚氨酯拉擠大梁葉片 圖源：時(shí)代新材

二、拉擠板技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用現(xiàn)狀

技術(shù)優(yōu)勢

（1）機(jī)械性能優(yōu)異

拉擠工藝?yán)w維體積含量高達(dá)70%，明顯高于真空灌注（纖維體積含量范圍55%-60%）；而且拉擠工藝成就了更高的纖維直線度。兩者結(jié)合大幅提升了纖維模量、強(qiáng)度轉(zhuǎn)化到復(fù)合材料中的比例。

表1 各類單向復(fù)合材料的性能

注：Ex-復(fù)合材料纖維方向的彈性模量。

從表1可以看出，玻纖拉擠板的模量可達(dá)62GPa，而傳統(tǒng)的灌注玻纖布的模量僅能達(dá)到50GPa，前者模量較后者提高24%。比較單位質(zhì)量復(fù)材的模量，玻纖拉擠板較灌注玻纖布高出約16%。

碳纖拉擠板的模量可以達(dá)到135GPa，而碳纖維預(yù)浸料的模量僅能達(dá)到125GPa左右，碳纖維拉擠板的模量較預(yù)浸料提高8%-16%。比較單位質(zhì)量復(fù)材的模量，碳纖維拉擠板的模量較預(yù)浸料高出約7%。

以國內(nèi)某84m葉片為例，玻纖拉擠板主梁葉片較灌注主梁葉片減重約500kg，減重約為2.5%；而碳纖維拉擠板葉片相比玻纖主梁葉片減重比例可達(dá)15%-30%。

（2）質(zhì)量穩(wěn)定

穩(wěn)定的拉擠工藝參數(shù)、生產(chǎn)環(huán)境、含膠量和纖維張力，使得復(fù)合材料內(nèi)的纖維直線度始終保持在高水平，有效提升了產(chǎn)品質(zhì)量和性能的穩(wěn)定性。解決了真空灌注、預(yù)浸料成型工藝所帶來的葉片主梁皺褶問題，減少了生產(chǎn)質(zhì)量成本。

（3）模塊化生產(chǎn)降低葉片生產(chǎn)投資

拉擠主梁模塊化生產(chǎn)是將拉擠板卷材按照所需長度裁切、組裝形成拉擠主梁，再吊入葉片殼體模具內(nèi)，與殼體一體化灌注成型。此過程節(jié)省了不同型號葉片所需的主梁模具及其空間投資。統(tǒng)一的裁切組裝工裝可以柔性應(yīng)對不同葉片型號需求，大量節(jié)省固定資產(chǎn)投資。

應(yīng)用現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

（1）應(yīng)用現(xiàn)狀

2019年，中國風(fēng)電葉片自用拉擠板業(yè)務(wù)起步，經(jīng)過3年的迅猛發(fā)展，目前國內(nèi)主流葉型中，拉擠板主梁已基本取代了傳統(tǒng)的玻纖真空灌注梁、碳纖預(yù)浸料梁。據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)風(fēng)電葉片主梁用拉擠板生產(chǎn)線總量高達(dá)1420余條，總產(chǎn)能預(yù)估36萬噸，其中碳板產(chǎn)能預(yù)估1.8萬噸。

目前，拉擠板已經(jīng)形成了成熟穩(wěn)定且規(guī)模化的供應(yīng)鏈，國內(nèi)風(fēng)電葉片用拉擠板完全由國內(nèi)市場提供，國外葉片廠商（如Vestas、GE-LM）也從國內(nèi)大量采購拉擠板。

（2）挑戰(zhàn)

拉擠板在葉片主梁上已獲得批量使用，但是在應(yīng)用端仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

• 脫模布引入的缺陷問題。

例如：脫模布烘干不徹底影響環(huán)氧樹脂的固化、搭接導(dǎo)致的質(zhì)量缺陷及損耗、脫模布褶皺、撕除導(dǎo)致的脫模布?xì)埩粢约八簜宀谋倔w。

• 直線度/平面度。

隨著追求高模量和高生產(chǎn)效率，纖維含量和拉擠速率的提高，會進(jìn)一步增加拉擠板內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而影響拉擠板的直線度及平面度，在大梁拼裝使用中出現(xiàn)不隨型或偏移等問題。

• 灌注缺陷及維修。

在拉擠板組裝堆疊中可能會出現(xiàn)堆疊形成富樹脂；灌注過程存留氣泡或出現(xiàn)缺樹脂情況等。

另外，拉擠主梁與殼體灌注成型，當(dāng)出現(xiàn)灌注缺陷后，如何進(jìn)行有效維修，以確保不影響葉片結(jié)構(gòu)安全，也是行業(yè)內(nèi)目前關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)問題。

綜上：

（1）國外風(fēng)電葉片用拉擠板目前仍只有碳纖維拉擠板；而國內(nèi)拉擠板技術(shù)近兩年內(nèi)發(fā)展迅速且多樣化，開發(fā)出了更具性價(jià)比的玻纖拉擠板、碳玻混拉擠板、免脫模布拉擠板和聚氨酯拉擠板，助力了國內(nèi)風(fēng)電葉片的大型化發(fā)展。

（2）拉擠板與傳統(tǒng)的UD織物真空灌注、預(yù)浸料復(fù)合材料相比優(yōu)勢明顯，具有更高的機(jī)械性能、更優(yōu)的質(zhì)量穩(wěn)定性以及更低的生產(chǎn)投入成本。

（3）碳纖維拉擠板技術(shù)漸趨成熟并逐漸得到批量應(yīng)用，隨著海上風(fēng)電的發(fā)展及碳絲國產(chǎn)化進(jìn)程加速，碳纖維拉擠板將會有更廣闊的的發(fā)展應(yīng)用前景，同時(shí)也對其質(zhì)量穩(wěn)定性提出了更高的要求。

（4）玻纖拉擠板已在風(fēng)電葉片行業(yè)內(nèi)得到批量應(yīng)用，因其低成本的巨大優(yōu)勢，在未來的陸上風(fēng)電葉片中仍會占據(jù)主流，并將往更高模量、低成本的方向繼續(xù)發(fā)展。

（5）在風(fēng)電行業(yè)減重、降本、環(huán)保的大環(huán)境下，碳玻混拉擠板、免脫模布拉擠板及聚氨酯拉擠板應(yīng)運(yùn)而生，并在部分葉型上得到了批量應(yīng)用或試用。

參考資料：風(fēng)電葉片用拉擠板應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，徐強(qiáng)等，中復(fù)連眾，中復(fù)碳芯。