大叶片对新型芯材意味着更好的机遇

　　WebCore 技术公司业务发展部副总 Rob Banerjee 博士讨论了一种新型芯材能够怎样帮助大型叶片对无排放的风电的需求，正推动着风力机在尺寸和功率上向大型化发展。 在风力机大型 化趋势背后一个关键性的驱动力是经济性：根据美国风能协会（AWEA）近一份报告，更 高的风力机凭借更长的叶片和更大的扫掠区域，能以每千瓦时更低的成本产生更多的电力。 大型风力机还能捕获低速风，使风电向人口中心靠近。然而电力的增加并不是对更长、更大 和有时是更重的风力机叶片的唯一要求，客户还期望以极小的维护达到更长的寿命周期 （多 达 25 年） ，尤其针对近海和偏远地区。
　　对芯材供货商而言，如总部位于美国 俄亥俄州蒙加马利市的 WebCore 技术公 司，大型叶片其更严格的产品规格和更加 频繁的新设计对新型芯材意味着更好的机 会。WebCore 公司的纤维增强复合材料芯 材 TYCOR W，由于满足风力机叶片制造 商们对成本、重量、供应、品质和一致性 的 要 求 ， 从 而 填 补 了 轻 木 和 聚 氯 乙 烯 图 1 TYCOR W 将玻璃纤维和闭孔、低密度泡沫结合 （PVC）泡沫芯材两者间的空缺。 TYCOR W 将玻璃纤维和闭孔低密度泡沫结合在同一结构中，已在风能行业应用了两 年。一家叶片制造商使用该芯材代替了轻木材料， 45 米长的叶片每片立刻减轻了 325 镑。 使 叶片制造商还发现该复合芯材能提供传统芯材一般不具备的其他优势，如： （1）设计优化； （2）与芯材装配商合作使叶片生产更优化； （3）改善灌注； （4）更适合于较少数量、较大型的芯材件； （5）由于较少的芯材间隙从而提高了均匀性。
　　芯材的选择
　　随着叶片日趋大型化和市场竞争的加剧，叶片制造商们不断优化着他们的设计以保持竞争优势。 WebCore 销售工程总监 Scott Campbell 说：叶片设计师和制造商们可以通过去除过剩的 “ 材料，并评估哪些材料可以在叶片各部位中发挥佳性能来优化成本和重量， 但是对余下的 那些材料—树脂、层压板和芯材—一定要能预知。” 靠近叶片根部需要高强度芯材的地方，轻木是一个很好的选择。然而，在制造更大型的 叶片时，轻木的可变性限制了设计工程师们进行优化设计。 因为轻木是一种天然生长的木制 品， 在用来制造轻木芯材产品的单根原木个体之间， 存在着密度、 强度和硬度上的巨大差异。 即使在木料的选择上达到了大致相同的密度，芯材在性能上仍然极易变化。轻木产品在接受 强度或硬度测试时，单个样品之间其测试结果有相当大的分散性，这意味着叶片设计师必须 为轻木的特性采用一个相当大的打倒因子以确保足够的结构性能。 木制品还会吸潮导致尺寸 变化。
　　因为 TYCOR W 是一种由合成材料制造的工程复合材料芯材产品， 它的性能较之轻木能 表现出更高的一致性，机械性能测试显示出样品间的差别明显较少。由于 TYCOR 的性能对 于打倒因子的设计要求降低，设计过程中能够发挥更多材料的固有性能，使材料更易优化， 叶片设计更有效。 结构泡沫如苯乙烯- 丙烯腈（SAN）和聚氯乙烯（PVC） ，比轻木轻且一致性高，但是承 重较差也更贵。低密度泡沫必须达到轻木的两倍厚才能达到相同的强度和硬度。由于这些因 素，泡沫材料更适合用在叶片中点至尖部的低应力区域。
　　聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）泡沫是一种较新的泡沫芯材，比 PVC 泡沫的性价比更 高，但是在同等重量下强度和硬度比 PVC 泡沫低。由于它比多数结构泡沫更重，PET 无法 提供显著的减重效果。但是它因为价格因素受到欢迎，并且比轻木的一致性好，因此逐渐获得市场的认可。 由于看到制造商们对生产大型叶片不断增长的需求， WebCore 公司提供了四种标准型号 的 TYCOR W 产品，以供设计师和制造商们灵活自如的优化叶片设计，并对在叶片任何部分 使用该材料均有充分的选项。例如：TYCOR W 4 已被设计使用在叶片的高强度部位或靠近 根部区域，效果良好，而且比轻木这种厚重的天然木制品具有更轻的分量和更经济的成本。 TYCOR W 1 和 2 比 SAN 和 PVC 泡沫成本更低，却仍保持这些用于叶片中部和叶尖部分的 低强度芯材所具备的高一致性和减重特性。
　　进一步优化芯材的适当装配也能达到优化。通过与装配商的紧密合作，Webcore 能够改变其复合芯材的片材尺寸，提高装配速率大约 10%。而且，由于芯材的片材长达 2 米可用，TYCOR W 减少了负载大型叶片模具所必要的芯材段的数量， 使得芯材的连接点更少且相邻连接段间的 连接增强。连接点数量的减少和更好的芯材密接性，极大提高了灌注的均匀性和叶片与叶片 间重量的一致性。所有这些优点都提高了制造商的终产品。 芯材也影响着树脂的消耗： 树脂成本和完全灌注一片风力机叶片所需的重量。
　　轻木、 SAN 和 PVC 经常被开口或分段以有效的控制树脂流动和确保浸湿充分。TYCOR W 固有的可渗透的内部纤维结构和小型的泡沫蜂窝尺寸使得树脂容易渗透，并且可控， 不会提高寄生树脂 吸收。 这一特点减轻了灌注件的重量和成本。 英寸厚的 TYCOR W 与 1 英寸厚的轻木相比， 1 平均节约 0.5lb/ft2 的重量和减少 0.2 lb/ft2 树脂的使用。由于 TYCOR W 芯材的高度可成形和 柔韧性，无论弯曲和平面的部件都吸收更少的树脂。其不受污染、尺寸稳固的性能也有助于 免去对不一致的修复及相关质量问题。
　　对期望提高竞争地位的制造商而言，能够利用芯材优势，如 TYCOR 所具有的那些优 点，与利用传统芯材的设计师们区别开来，” Campbell 说。 芯材原料的供货准备也影响着制造商的竞争力。虽然风力机叶片市场目前保持平稳，但 预计在不久的 2011 年即将恢复加速增长。就轻木而言，因其价格优势和物理性能而倍受传 统青睐，预期的市场增长将极有可能导致该天然木料产品的供应有限。
　　“ 叶片制造商想要重量、成本和质量的改善，但对一个争取快速增长或维持其市场份额 的公司而言，供应和稳定性是至关重要的，” Campbell 说。 WebCore 的复合芯材是在“ 准时” 的基础上进行供货，以满足低库存的需求，帮助客户降 低成本。“ 我们从传统和易获取的复合材料原材料中制备我们的芯材——直接控制玻纤粗砂、一 些短切原丝薄毡和泡沫绝缘材料，因此供应永远不成问题，” Campbell 指出。 该复合芯材具有 100%的准时发货率。 除了发货及时，TYCOR W 从未因质量问题导致延误工厂时间。在 ISO 质量标准体系下 制造， 并即将获得 GL 认证， 该复合芯材的原材料在装配之前在 WebCore 公司的生产车间进 37行检查。
　　“ 我们也在制造中的每一个阶段检查我们的复合芯材，以确保其符合我们和那些正在优 化其风力机叶片产品的客户们一起制定的新标准，” Campbell 补充道。
　　面对建造更大更长叶片的挑战，制造商们必须不断寻找方法来提高产品的质量和一致性。与此同时，制造商们必需确保其芯材的库存能够跟得上风力机叶片市场的增长趋势。就 期望应对生产挑战，并活跃在不断发展的市场中的制造商们而言，把视线转向传统芯材 之外，考虑像 TYCOR W 这样的解决方案也许正是下一步自然而然的选择。 （ 《RP》7/8 2010：42-44）
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