【風電】風電葉片用拉擠板優勢及應用現狀
為進一步降低風電葉片重量及成本，提高競爭力，整個風電行業加速了對新材料或新技術的開發和應用。通過采用力學性能更優的增強纖維，如用高模玻璃纖維或碳纖維，可明顯提高復合材料的力學性能，但同時也帶來了更高的成本。
而通過采用更先進的復合材料制造工藝可充分發揮增強材料的力學性能，實現葉片減重和降本的目的。
風力發電
拉擠成型技術始于20世紀50年代，至80年代已發展成為纖維增強復合材料的主要成型方法之一。
近年來，拉擠成型技術更是受到各行業的重視，其產品向著形狀復雜化、截面尺寸極端化、生產高效化、種類多樣化、高性能化等方向發展，適用于各種工程領域。如從細到1mm的線材到70mm的棒材，再到800mm×280mm空腹型材，部分產品的拉擠速度高達6m/min。
EN161 碳拉擠梁葉片 圖源：中國江蘇網
拉擠板是由多束增強纖維浸漬樹脂后通過拉擠工藝制成的具有一定截面形狀、連續長度的復合材料板材。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性能，故其關鍵性能優于灌注織物和預浸料復合材料制品。
國際著名風電制造商Vestas公司率先采用拉擠板拼裝主梁技術，將原本為一個整體的主梁部分拆分為拉擠板標準件，經組裝成型。這一革命性創新設計極大地推動了拉擠板在風電葉片領域的應用。
本文介紹風電葉片主梁用拉擠板的發展歷程、技術優勢及應用現狀，提出了拉擠板在未來風電葉片應用的發展方向。
一、拉擠板技術發展
碳纖維拉擠板
20年前，歐洲采用手糊、真空灌注、預浸料方式生產風電葉片主梁，但一些關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、高質量的拉擠板標準件，實現組裝并灌注成型。
通過大量測試驗證及改進，Vestas率先全球在風機葉片上規?；褂锰祭w維拉擠板。之后開發的2.0MW以上葉片均使用該產品，極大地推動了碳纖維拉擠板在風電領域的應用。
近幾年，GE-LM、Siemens-Gemesea、Nordex等國外葉片廠商陸續突破Vestas專利限制，設計出各自的碳纖維拉擠板，并在大型葉片上應用。
以2021年為例，風電葉片中碳纖維用量為3.3萬噸，主要應用形式為拉擠主梁。因此，拉擠成型工藝已成為風電葉片碳梁生產的主流工藝。
國內則是在獲取玻纖拉擠板制造及應用的開發經驗后，一部分整機廠、葉片企業、材料供應商轉向開發碳纖維拉擠板，并逐漸應用到百米以上的海上大型風電葉片上，如上海電氣的102、運達風電的110、金風科技的123等葉型。
圖1 碳纖維拉擠板
碳纖維拉擠板開發初期使用國外碳纖維，隨著國產碳纖維技術的進步及價格優勢，逐漸成為國內碳纖維拉擠板的主要供應渠道。通過調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，進一步提升了葉片輕量化水平。
玻璃纖維拉擠板
歐美曾經研究過使用玻纖拉擠板制造葉片主梁，如風力發電機制造商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，歐洲有些葉片設計公司和制造公司陸續開發玻纖拉擠板，但目前仍未見應用案例的報道。
圖 2 玻璃纖維拉擠板
與國外開發拉擠板的順序不同，國內首先開發并應用的是性價比更高的玻纖拉擠板。2014年，中復連眾復合材料集團有限公司（簡稱中復連眾）率先申請了拉擠板在風電葉片上應用的專利。
中復連眾 LZ84-6.25葉片
2019年，中復連眾聯合中復碳芯電纜科技有限公司（簡稱中復碳芯），成功突破了高強玻纖拉擠板制造及其在大型風電葉片上的一體化灌注等技術體系，開發了應用拉擠主梁的兆瓦級葉片。
隨之，國內越來越多的整機廠、葉片企業、材料供應商投身于拉擠板及其應用技術研發，產生了大量專利技術，涉及到拉擠板截面、拉擠板制造工藝、拉擠板應用等方面。
國內拉擠板開發初期，行業先聚焦于低成本玻纖拉擠板及其應用技術研發，通過使用超高模玻纖（浸膠模量95GPa左右）和高樹脂含量開發高性能的拉擠板。
掌握一定經驗后，為實現葉片降本，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，進一步提升玻纖剛度和強度轉化效率，成功開發出性能相當的拉擠板。
整個國內市場快速積累并共享了制造及使用經驗，由此拉擠板在大型風電葉片上得到廣泛應用。
目前，一些企業利用超高模玻纖及低樹脂含量，正試圖開發更高性能的拉擠板，期望拉擠板設計模量達到65GPa-68GPa。
國內對多種體系的拉擠樹脂，如不飽和聚酯、聚氨酯、環氧樹脂等進行過研究，因環氧體系工藝成熟、性能高且穩定，成為目前行業內的主流體系。另外，國內企業突破了Vestas所定義的薄而寬片材截面概念設計，創新開發了窄而厚截面，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量。
碳?；炖瓟D板
目前碳纖維材料價格昂貴，其制造的拉擠板主梁成本高，只能用于百米級海上風電葉片。為了降低材料成本，同時又保留較高的性能。
國內葉片材料廠商將開發方向轉向了碳?；炀幚瓟D技術。該技術結合了碳纖維高強高模、低密度與玻璃纖維高延伸率、低成本的特點，突破了傳統玻璃纖維大葉片設計所面臨的低模量，重量大的技術壁壘。
通過改變碳紗和玻纖的比例，可以實現模量由60Gpa到120Gpa的線性變化。為葉片設計、優化、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。
圖 3 碳?；炖瓟D板
2021年7月，國內首款碳?；熘髁喝~片-明陽智能MySE11-99A1葉片成功下線，該葉片長99米。目前，華美、風渡、中復碳芯等多家拉擠復合材料供應商為明陽提供碳?；齑罅寒a品，并已應用于多款葉型。
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、生產設備及質量控制成本的增加。
為此，自2022年以來，國內多家拉擠板廠商陸續研制免脫模布拉擠板，以提高其產品的競爭優勢。
圖 4 免脫模布拉擠板
目前，三一已在多個葉型上批量使用免脫模布片材，并計劃進一步擴大應用范圍；中材、時代、重通和雙瑞等均已進入試用或小批量階段。
聚氨酯拉擠板
近兩年來，環氧樹脂價格上浮超過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氧樹脂。
聚氨酯樹脂由于其低成本、高韌性及抗疲勞的優點，為葉片的降本及性能提升提供了新的思路。
另一方面，拉擠板的生產成本因素中，拉擠速度影響最大。而聚氨酯較環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成本，與環氧體系相比，可以節約高達20%的生產成本。
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，時代新材TMT95葉型的首支測試葉片采用了玻纖增強聚氨酯拉擠板大梁。
不過，由于該葉片尚未完成全尺寸測試驗證，后續批產葉片仍采用環氧樹脂體系的拉擠板。因此，目前行業內尚無聚氨酯拉擠大梁批量應用案例。
時代新材TMT95聚氨酯拉擠大梁葉片 圖源：時代新材
二、拉擠板技術優勢及應用現狀
技術優勢
（1）機械性能優異
拉擠工藝纖維體積含量高達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。兩者結合大幅提升了纖維模量、強度轉化到復合材料中的比例。
表1 各類單向復合材料的性能
注：Ex-復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62GPa，而傳統的灌注玻纖布的模量僅能達到50GPa，前者模量較后者提高24%。比較單位質量復材的模量，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到135GPa，而碳纖維預浸料的模量僅能達到125GPa左右，碳纖維拉擠板的模量較預浸料提高8%-16%。比較單位質量復材的模量，碳纖維拉擠板的模量較預浸料高出約7%。
以國內某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15%-30%。
（2）質量穩定
穩定的拉擠工藝參數、生產環境、含膠量和纖維張力，使得復合材料內的纖維直線度始終保持在高水平，有效提升了產品質量和性能的穩定性。解決了真空灌注、預浸料成型工藝所帶來的葉片主梁皺褶問題，減少了生產質量成本。
（3）模塊化生產降低葉片生產投資
拉擠主梁模塊化生產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，與殼體一體化灌注成型。此過程節省了不同型號葉片所需的主梁模具及其空間投資。統一的裁切組裝工裝可以柔性應對不同葉片型號需求，大量節省固定資產投資。
應用現狀及挑戰
（1）應用現狀
2019年，中國風電葉片自用拉擠板業務起步，經過3年的迅猛發展，目前國內主流葉型中，拉擠板主梁已基本取代了傳統的玻纖真空灌注梁、碳纖預浸料梁。據最新統計，國內風電葉片主梁用拉擠板生產線總量高達1420余條，總產能預估36萬噸，其中碳板產能預估1.8萬噸。
目前，拉擠板已經形成了成熟穩定且規模化的供應鏈，國內風電葉片用拉擠板完全由國內市場提供，國外葉片廠商（如Vestas、GE-LM）也從國內大量采購拉擠板。
（2）挑戰
拉擠板在葉片主梁上已獲得批量使用，但是在應用端仍面臨諸多挑戰。
- 脫模布引入的缺陷問題。
例如：脫模布烘干不徹底影響環氧樹脂的固化、搭接導致的質量缺陷及損耗、脫模布褶皺、撕除導致的脫模布殘留以及撕傷板材本體。
- 直線度/平面度。
隨著追求高模量和高生產效率，纖維含量和拉擠速率的提高，會進一步增加拉擠板內應力，進而影響拉擠板的直線度及平面度，在大梁拼裝使用中出現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堆疊形成富樹脂；灌注過程存留氣泡或出現缺樹脂情況等。
另外，拉擠主梁與殼體灌注成型，當出現灌注缺陷后，如何進行有效維修，以確保不影響葉片結構安全，也是行業內目前關注的一個重點問題。
綜上：
（1）國外風電葉片用拉擠板目前仍只有碳纖維拉擠板；而國內拉擠板技術近兩年內發展迅速且多樣化，開發出了更具性價比的玻纖拉擠板、碳?；炖瓟D板、免脫模布拉擠板和聚氨酯拉擠板，助力了國內風電葉片的大型化發展。
（2）拉擠板與傳統的UD織物真空灌注、預浸料復合材料相比優勢明顯，具有更高的機械性能、更優的質量穩定性以及更低的生產投入成本。
（3）碳纖維拉擠板技術漸趨成熟并逐漸得到批量應用，隨著海上風電的發展及碳絲國產化進程加速，碳纖維拉擠板將會有更廣闊的的發展應用前景，同時也對其質量穩定性提出了更高的要求。
（4）玻纖拉擠板已在風電葉片行業內得到批量應用，因其低成本的巨大優勢，在未來的陸上風電葉片中仍會占據主流，并將往更高模量、低成本的方向繼續發展。
（5）在風電行業減重、降本、環保的大環境下，碳玻混拉擠板、免脫模布拉擠板及聚氨酯拉擠板應運而生，并在部分葉型上得到了批量應用或試用。
參考資料：風電葉片用拉擠板應用現狀及發展趨勢，徐強等，中復連眾，中復碳芯。
