风电叶片制造：机遇和限制

　　在缅因州波特兰举行的2011年复合材料风能和海洋能源研讨会上，TPI composites公司(以下简称”TPI公司”，位于亚利桑那州斯科茨代尔)的席工程师／创新主管Stephen Nolet向观众介绍了TPI公司在叶片设计和制造方面上的观点。他的报告涵盖了大量的内容，先是有关风能行业的成本敏感度。尽管人们对石油的成本有很多关注，但是他说风能的大竞争者是天然气――现在上便宜的能源之一。风电产业的压力是以有竞争力的价格生产电力。随着风能成本的降低，对天然气的需求就会下降。反过来，降低天然气的成本，会使风电产业面临更大的压力。他说：“能源成本将使我们的行业可持续发展，我要做的工作就是把叶片的成本降下来。”
　　Nolet还回顾了风力涡轮机和风力发电的一些物理极限。平方／立方法是指一台涡轮机的功率输出与其叶片长度的平方成正比，从而使得长叶片更具吸引力。然而，叶片的体积和重量与其长度的立方成正比，因此，当涡轮机的尺寸增加时，其价格上升速度快干其输出功率的增加速度。这个等式中的变量是材料的类型(例如碳纤维、玻璃纤维)，选择合适的材料可以降低叶片的重量，且制造出更长、更高效的叶片。
　　Betz限制规定，没有一台涡轮机可以捕捉到风中超过59.3％的动能――这主要是因为小量的风通过叶片包层时，无法转动叶片。Nolet说，大部分的涡轮机有一个49％的额定容量因子，而行业的目标是53％。
　　第三个限制是经济效益。风并不总是在刮动，这产生了一个统计上所谓的“利用率”。Nolet说，陆上风力涡轮机有30％～35％的利用率。在海上，由于其层流相对接近水面，因此利用率可以很容易地超过45％。而且，大多数的风力涡轮机是为3 m／s的风而设计的，其额定风速为7 m／s，切出风速为25 m／s。“这给了我们一个获得可用风的途径。”他指出。
　　Nolet介绍了“先进制造创新倡议”(AMII)，这是TPI公司3年努力的结果，通过和桑迪亚实验室(位于新墨西哥州Albuquerque)和爱荷华州立大学的能源独立办公室合作，用以解决这些限制。18个月以来，AMII的全部工作着重于“通过生产技术的实施，使生产率、生产周期、质量和工艺稳健性方面有可衡量的提升，创造可持续的美国风力发电机叶片制造业的就业机会。”在TPI公司中，这主要是通过自动化的应用来达到两个目标：提高35％的劳动生产率，缩短35％的生产周期。重点领域包括工厂建模、无损检测(NDI)、配套、材料转移、铺层、加工、装配、打磨、钻孔和切割。
　　无损检测技术将包括脉冲回声、超声波、非接触式空气耦合和激光剪切测量技术系统，着眼于开发能在现场应用的便携式系统。例如，TPI公司也正在评估五联动激光投影机的使用，它被安装在46.2 m叶片模具上方的天花板上，用以确定层的位置、粘接胶粘剂的轮廓线和剪切肋的位置。
　　关于对叶片铺层使用自动铺带(ATL)和纤维铺放(AFP)系统，Nolet的看法是悲观的。他看到的系统――甚至那些专为风电叶片生产而设计的系统――太昂贵并且速度太慢。目前，TPI公司在模具中手工铺放材料的速度是3307 1b／h(11b=0.4536 kg)，而这是目前设备无法比拟的速度。此外，他称，自动化必须满足材料$5／1b～$10／1b的成品成本基础――比目前采用ATL和AFP制造的航空航天级产品的成本基础$200／1b～$700／1b要低很多。
　　Nolet认为，有前途的自动化应用可能是主梁帽。它们相对扁平，比较长，并且有连续的厚度，适合于高速度的纤维铺放和树脂灌注。在这个领域，TPI公司已经和NEPTCO公司(位于罗得岛波塔基特)展开合作，NEPTCO公司提供单向无碱玻璃纤维粘接在载体片材一面的拉挤棒，用以加强结构支撑。Nolet称，使用这些片层制备的一个9 m主梁帽，其厚度达40mm，可在短短的45 s内灌注完，并且其机械性能非常好。TPI公司的目的是把这种材料的技术转移到更大叶片的应用中，同时Nolet并不排除在主梁帽中增加使用碳纤维预浸料。
　　Nolet称，一个大幅节省劳动力的机会是在成型后的修剪、打磨和切割上，这些操作占到TPI公司生产一片叶片总劳动成本的50％以上。AMII项目正在研究六轴关节机器人的使用，让这些机器人执行这些操作。“我认为任何人都不希望我们的孩子长大后成为叶片的修整工。”Nolet打趣地说道，“我宁愿培养我们的修整工操作自动化系统。”