大葉片對新型芯材意味著更好的機遇
日期：2014-11-26
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WebCore 技術公司業務發展部副總 Rob Banerjee 博士討論了一種新型芯材能夠怎樣幫助大型葉片對無排放的風電的需求，正推動著風力機在尺寸和功率上向大型化發展。 在風力機大型 化趨勢背后一個關鍵性的驅動力是經濟性：根據美國風能協會（AWEA）近一份報告，更 高的風力機憑借更長的葉片和更大的掃掠區域，能以每千瓦時更低的成本產生更多的電力。 大型風力機還能捕獲低速風，使風電向人口中心靠近。然而電力的增加并不是對更長、更大 和有時是更重的風力機葉片的唯一要求，客戶還期望以極小的維護達到更長的壽命周期 （多 達 25 年） ，尤其針對近海和偏遠地區。
對芯材供貨商而言，如總部位于美國 俄亥俄州蒙加馬利市的 WebCore 技術公 司，大型葉片其更嚴格的產品規格和更加 頻繁的新設計對新型芯材意味著更好的機 會。WebCore 公司的纖維增強復合材料芯 材 TYCOR W，由于滿足風力機葉片制造 商們對成本、重量、供應、品質和一致性 的 要 求 ， 從 而 填 補 了 輕 木 和 聚 氯 乙 烯 圖 1 TYCOR W 將玻璃纖維和閉孔、低密度泡沫結合 （PVC）泡沫芯材兩者間的空缺。 TYCOR W 將玻璃纖維和閉孔低密度泡沫結合在同一結構中，已在風能行業應用了兩 年。一家葉片制造商使用該芯材代替了輕木材料， 45 米長的葉片每片立刻減輕了 325 鎊。 使 葉片制造商還發現該復合芯材能提供傳統芯材一般不具備的其他優勢，如： （1）設計優化； （2）與芯材裝配商合作使葉片生產更優化； （3）改善灌注； （4）更適合于較少數量、較大型的芯材件； （5）由于較少的芯材間隙從而提高了均勻性。
芯材的選擇
隨著葉片日趨大型化和市場競爭的加劇，葉片制造商們不斷優化著他們的設計以保持競爭優勢。 WebCore 銷售工程總監 Scott Campbell 說：葉片設計師和制造商們可以通過去除過剩的 “ 材料，并評估哪些材料可以在葉片各部位中發揮佳性能來優化成本和重量， 但是對余下的 那些材料—樹脂、層壓板和芯材—一定要能預知。” 靠近葉片根部需要高強度芯材的地方，輕木是一個很好的選擇。然而，在制造更大型的 葉片時，輕木的可變性限制了設計工程師們進行優化設計。 因為輕木是一種天然生長的木制 品， 在用來制造輕木芯材產品的單根原木個體之間， 存在著密度、 強度和硬度上的巨大差異。 即使在木料的選擇上達到了大致相同的密度，芯材在性能上仍然極易變化。輕木產品在接受 強度或硬度測試時，單個樣品之間其測試結果有相當大的分散性，這意味著葉片設計師必須 為輕木的特性采用一個相當大的打倒因子以確保足夠的結構性能。 木制品還會吸潮導致尺寸 變化。
因為 TYCOR W 是一種由合成材料制造的工程復合材料芯材產品， 它的性能較之輕木能 表現出更高的一致性，機械性能測試顯示出樣品間的差別明顯較少。由于 TYCOR 的性能對 于打倒因子的設計要求降低，設計過程中能夠發揮更多材料的固有性能，使材料更易優化， 葉片設計更有效。 結構泡沫如苯乙烯- 丙烯腈（SAN）和聚氯乙烯（PVC） ，比輕木輕且一致性高，但是承 重較差也更貴。低密度泡沫必須達到輕木的兩倍厚才能達到相同的強度和硬度。由于這些因 素，泡沫材料更適合用在葉片中點至尖部的低應力區域。
聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）泡沫是一種較新的泡沫芯材，比 PVC 泡沫的性價比更 高，但是在同等重量下強度和硬度比 PVC 泡沫低。由于它比多數結構泡沫更重，PET 無法 提供顯著的減重效果。但是它因為價格因素受到歡迎，并且比輕木的一致性好，因此逐漸獲得市場的認可。 由于看到制造商們對生產大型葉片不斷增長的需求， WebCore 公司提供了四種標準型號 的 TYCOR W 產品，以供設計師和制造商們靈活自如的優化葉片設計，并對在葉片任何部分 使用該材料均有充分的選項。例如：TYCOR W 4 已被設計使用在葉片的高強度部位或靠近 根部區域，效果良好，而且比輕木這種厚重的天然木制品具有更輕的分量和更經濟的成本。 TYCOR W 1 和 2 比 SAN 和 PVC 泡沫成本更低，卻仍保持這些用于葉片中部和葉尖部分的 低強度芯材所具備的高一致性和減重特性。
進一步優化芯材的適當裝配也能達到優化。通過與裝配商的緊密合作，Webcore 能夠改變其復合芯材的片材尺寸，提高裝配速率大約 10%。而且，由于芯材的片材長達 2 米可用，TYCOR W 減少了負載大型葉片模具所必要的芯材段的數量， 使得芯材的連接點更少且相鄰連接段間的 連接增強。連接點數量的減少和更好的芯材密接性，極大提高了灌注的均勻性和葉片與葉片 間重量的一致性。所有這些優點都提高了制造商的終產品。 芯材也影響著樹脂的消耗： 樹脂成本和完全灌注一片風力機葉片所需的重量。
輕木、 SAN 和 PVC 經常被開口或分段以有效的控制樹脂流動和確保浸濕充分。TYCOR W 固有的可滲透的內部纖維結構和小型的泡沫蜂窩尺寸使得樹脂容易滲透，并且可控， 不會提高寄生樹脂 吸收。 這一特點減輕了灌注件的重量和成本。 英寸厚的 TYCOR W 與 1 英寸厚的輕木相比， 1 平均節約 0.5lb/ft2 的重量和減少 0.2 lb/ft2 樹脂的使用。由于 TYCOR W 芯材的高度可成形和 柔韌性，無論彎曲和平面的部件都吸收更少的樹脂。其不受污染、尺寸穩固的性能也有助于 免去對不一致的修復及相關質量問題。
對期望提高競爭地位的制造商而言，能夠利用芯材優勢，如 TYCOR 所具有的那些優 點，與利用傳統芯材的設計師們區別開來，” Campbell 說。 芯材原料的供貨準備也影響著制造商的競爭力。雖然風力機葉片市場目前保持平穩，但 預計在不久的 2011 年即將恢復加速增長。就輕木而言，因其價格優勢和物理性能而倍受傳 統青睞，預期的市場增長將極有可能導致該天然木料產品的供應有限。
“ 葉片制造商想要重量、成本和質量的改善，但對一個爭取快速增長或維持其市場份額 的公司而言，供應和穩定性是至關重要的，” Campbell 說。 WebCore 的復合芯材是在“ 準時” 的基礎上進行供貨，以滿足低庫存的需求，幫助客戶降 低成本。“ 我們從傳統和易獲取的復合材料原材料中制備我們的芯材——直接控制玻纖粗砂、一 些短切原絲薄氈和泡沫絕緣材料，因此供應永遠不成問題，” Campbell 指出。 該復合芯材具有 100%的準時發貨率。 除了發貨及時，TYCOR W 從未因質量問題導致延誤工廠時間。在 ISO 質量標準體系下 制造， 并即將獲得 GL 認證， 該復合芯材的原材料在裝配之前在 WebCore 公司的生產車間進 37行檢查。
“ 我們也在制造中的每一個階段檢查我們的復合芯材，以確保其符合我們和那些正在優 化其風力機葉片產品的客戶們一起制定的新標準，” Campbell 補充道。
面對建造更大更長葉片的挑戰，制造商們必須不斷尋找方法來提高產品的質量和一致性。與此同時，制造商們必需確保其芯材的庫存能夠跟得上風力機葉片市場的增長趨勢。就 期望應對生產挑戰，并活躍在不斷發展的市場中的制造商們而言，把視線轉向傳統芯材 之外，考慮像 TYCOR W 這樣的解決方案也許正是下一步自然而然的選擇。 （ 《RP》7/8 2010：42-44）
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