風電葉片制造：機遇和限制

　　在緬因州波特蘭舉行的2011年復合材料風能和海洋能源研討會上，TPI composites公司(以下簡稱”TPI公司”，位于亞利桑那州斯科茨代爾)的席工程師／創新主管Stephen Nolet向觀眾介紹了TPI公司在葉片設計和制造方面上的觀點。他的報告涵蓋了大量的內容，先是有關風能行業的成本敏感度。盡管人們對石油的成本有很多關注，但是他說風能的大競爭者是天然氣――現在上便宜的能源之一。風電產業的壓力是以有競爭力的價格生產電力。隨著風能成本的降低，對天然氣的需求就會下降。反過來，降低天然氣的成本，會使風電產業面臨更大的壓力。他說：“能源成本將使我們的行業可持續發展，我要做的工作就是把葉片的成本降下來?！?BR>　　Nolet還回顧了風力渦輪機和風力發電的一些物理極限。平方／立方法是指一臺渦輪機的功率輸出與其葉片長度的平方成正比，從而使得長葉片更具吸引力。然而，葉片的體積和重量與其長度的立方成正比，因此，當渦輪機的尺寸增加時，其價格上升速度快干其輸出功率的增加速度。這個等式中的變量是材料的類型(例如碳纖維、玻璃纖維)，選擇合適的材料可以降低葉片的重量，且制造出更長、更高效的葉片。
　　Betz限制規定，沒有一臺渦輪機可以捕捉到風中超過59.3％的動能――這主要是因為小量的風通過葉片包層時，無法轉動葉片。Nolet說，大部分的渦輪機有一個49％的額定容量因子，而行業的目標是53％。
　　第三個限制是經濟效益。風并不總是在刮動，這產生了一個統計上所謂的“利用率”。Nolet說，陸上風力渦輪機有30％～35％的利用率。在海上，由于其層流相對接近水面，因此利用率可以很容易地超過45％。而且，大多數的風力渦輪機是為3 m／s的風而設計的，其額定風速為7 m／s，切出風速為25 m／s。“這給了我們一個獲得可用風的途徑?！彼赋?。
　　Nolet介紹了“先進制造創新倡議”(AMII)，這是TPI公司3年努力的結果，通過和桑迪亞實驗室(位于新墨西哥州Albuquerque)和愛荷華州立大學的能源獨立辦公室合作，用以解決這些限制。18個月以來，AMII的全部工作著重于“通過生產技術的實施，使生產率、生產周期、質量和工藝穩健性方面有可衡量的提升，創造可持續的美國風力發電機葉片制造業的就業機會?！痹赥PI公司中，這主要是通過自動化的應用來達到兩個目標：提高35％的勞動生產率，縮短35％的生產周期。重點領域包括工廠建模、無損檢測(NDI)、配套、材料轉移、鋪層、加工、裝配、打磨、鉆孔和切割。
　　無損檢測技術將包括脈沖回聲、超聲波、非接觸式空氣耦合和激光剪切測量技術系統，著眼于開發能在現場應用的便攜式系統。例如，TPI公司也正在評估五聯動激光投影機的使用，它被安裝在46.2 m葉片模具上方的天花板上，用以確定層的位置、粘接膠粘劑的輪廓線和剪切肋的位置。
　　關于對葉片鋪層使用自動鋪帶(ATL)和纖維鋪放(AFP)系統，Nolet的看法是悲觀的。他看到的系統――甚至那些專為風電葉片生產而設計的系統――太昂貴并且速度太慢。目前，TPI公司在模具中手工鋪放材料的速度是3307 1b／h(11b=0.4536 kg)，而這是目前設備無法比擬的速度。此外，他稱，自動化必須滿足材料$5／1b～$10／1b的成品成本基礎――比目前采用ATL和AFP制造的航空航天級產品的成本基礎$200／1b～$700／1b要低很多。
　　Nolet認為，有前途的自動化應用可能是主梁帽。它們相對扁平，比較長，并且有連續的厚度，適合于高速度的纖維鋪放和樹脂灌注。在這個領域，TPI公司已經和NEPTCO公司(位于羅得島波塔基特)展開合作，NEPTCO公司提供單向無堿玻璃纖維粘接在載體片材一面的拉擠棒，用以加強結構支撐。Nolet稱，使用這些片層制備的一個9 m主梁帽，其厚度達40mm，可在短短的45 s內灌注完，并且其機械性能非常好。TPI公司的目的是把這種材料的技術轉移到更大葉片的應用中，同時Nolet并不排除在主梁帽中增加使用碳纖維預浸料。
　　Nolet稱，一個大幅節省勞動力的機會是在成型后的修剪、打磨和切割上，這些操作占到TPI公司生產一片葉片總勞動成本的50％以上。AMII項目正在研究六軸關節機器人的使用，讓這些機器人執行這些操作?！拔艺J為任何人都不希望我們的孩子長大后成為葉片的修整工?！盢olet打趣地說道，“我寧愿培養我們的修整工操作自動化系統。”