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輕量化聚氨酯風(fēng)機(jī)葉片——顧永明/ 亞太區(qū)聚氨酯事業(yè)部復(fù)合材料總監(jiān)
2017-04-22
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尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)、各位嘉賓，風(fēng)電行業(yè)的各位朋友們大家上午好。非常榮幸今天有這個(gè)機(jī)會(huì)代表我們科思創(chuàng)來介紹聚氨酯
尊敬的各位領(lǐng)導(dǎo)、各位嘉賓，風(fēng)電行業(yè)的各位朋友們大家上午好。非常榮幸今天有這個(gè)機(jī)會(huì)代表我們科思創(chuàng)來介紹聚氨酯這種新材料在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用。
首先科思創(chuàng)這個(gè)名字對(duì)大家來說有點(diǎn)陌生，我想簡(jiǎn)單介紹一下。科思創(chuàng)隸的前身是拜耳材料科技屬于拜耳集團(tuán)，在2015年9月1號(hào)，它從拜耳集團(tuán)再把它剝離出來，在法蘭克福獨(dú)立上市，更名為科思創(chuàng)。科思創(chuàng)旗下有三個(gè)主要的業(yè)務(wù)單元，聚氨酯業(yè)務(wù)單元、聚碳酸酯業(yè)務(wù)單元和涂料粘合劑，除此之外還有基礎(chǔ)化學(xué)原材料。
聚氨酯整個(gè)在全球有超過15000名員工，在全球的3個(gè)研發(fā)基地分別坐落于美國的匹茲堡，德國的德格庫森和中國的上海。在上海研發(fā)中心我們已經(jīng)過兩次擴(kuò)建，目前總共研發(fā)人數(shù)超過200人，這個(gè)研發(fā)中心涵蓋了3種業(yè)務(wù)單元在各個(gè)領(lǐng)域的研發(fā)工作。
所以今天我們介紹聚氨酯這個(gè)新材料緊扣今天大會(huì)的議題——高效風(fēng)電。聚氨酯作為一種新材料，它針對(duì)于傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂有哪些優(yōu)勢(shì)？我們今天主要集中在三個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)方面：一是它的優(yōu)異的機(jī)械性能，為葉片減重提供了前提條件。除此之外它還有很高的玻纖含量，這樣就可以減少樹脂在葉片的用量。基于樹脂本身的特性，粘稠低，灌注速度很快，樹脂固話也很快，這樣就為大幅度縮減工藝時(shí)間提供了一個(gè)前提。
我們看看樹脂和玻纖的接面結(jié)合情況，從前面的兩個(gè)圖可以明顯看到有一絲一絲干的玻纖，這個(gè)就是說樹脂和玻纖并沒有很好的結(jié)合。最后一排可以看到這個(gè)樹脂和玻纖有一個(gè)完全的結(jié)合面看不到干的玻纖，而且樹脂的破壞成扇形，表示樹脂和玻纖它們有一個(gè)非常好的結(jié)合力。
這種帶來了什么？首先看一下樹脂的性能，本體的澆鑄體的樹脂性能，從拉伸到彎曲都有20%以上的提高。然后下面這個(gè)圖表它是一個(gè)玻璃鋼MAP的性能，拉伸長度和拉伸模量零度主要取決于玻纖所以它和環(huán)氧基本相當(dāng)。在90度的拉伸方向它有明顯的提高，這就是前面我們談到的它和玻纖有個(gè)很好的結(jié)合，所以它的這個(gè)方面有一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)。除此之外壓縮強(qiáng)度也有明顯的提高，不論是在0度還是90度，這個(gè)對(duì)葉片設(shè)計(jì)是個(gè)非常重要的參數(shù)，它的葉片設(shè)計(jì)減重就可以依據(jù)這個(gè)參數(shù)做一些優(yōu)化，來總體減少葉片的重量。
除了力學(xué)性能還有一個(gè)重要的性能就是疲勞性，我們可以看到聚氨酯和環(huán)氧的疲勞性，從斜率來說M值，聚氨酯12.9，環(huán)氧樹脂12.1，相當(dāng)有一個(gè)提高。初次之外我們們可以看到它經(jīng)過百萬次乃至千萬次一個(gè)應(yīng)力的衰減，在這個(gè)方面聚氨酯有明顯的優(yōu)勢(shì)，我們這個(gè)數(shù)據(jù)表明基本上是在聚氨酯200次的疲勞之后應(yīng)力，相當(dāng)于環(huán)氧樹脂1000萬次的疲勞，聚氨酯在這方面的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)的非常明顯。
所以依據(jù)前面提到的力學(xué)性能以及疲勞性能，我們就可以考慮一下為葉片來重新設(shè)計(jì)，優(yōu)化這個(gè)設(shè)計(jì)。葉片設(shè)計(jì)通常來說我們會(huì)有3種方式，第一種方式就是說我們單純的原材料替換，1：1的把環(huán)氧換成聚氨酯，第二種方式就是根據(jù)聚氨酯的優(yōu)勢(shì)來進(jìn)行鋪層的優(yōu)化。第三種根據(jù)聚氨酯的優(yōu)化不僅鋪層優(yōu)化，同時(shí)葉片設(shè)計(jì)、外形進(jìn)行優(yōu)化。目前我們集中了第一部分和第二部分，第一部分我們就看到這個(gè)曲線中藍(lán)色曲線是原始的一個(gè)設(shè)計(jì)，可以看到它的所有安全系數(shù)都是低于1的，然后紅色曲線就是一個(gè)1：1的替代，我們不做任何修改，只是從聚氨酯替代環(huán)氧。這個(gè)安全系數(shù)與原有設(shè)計(jì)降低了，這個(gè)代表它有設(shè)計(jì)優(yōu)化的空間，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化得到綠色曲線，這個(gè)綠色曲線雖然經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化但它的的安全系數(shù)還是低于原有設(shè)計(jì)的。它整個(gè)設(shè)計(jì)是非常安全的。
這樣設(shè)計(jì)之后為我們帶來了什么？這是一個(gè)設(shè)計(jì)的結(jié)果，可以看到最開始我們進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算，1：1的替換在一個(gè)葉片的力劇和葉片的形變上都有提高。這樣我們通過葉片設(shè)計(jì)把保持原有的力距的情況下葉片可以減重，減重多少那？如果1：1替代葉片可以減重3.2%。如果我們?nèi)?：1替代之后對(duì)葉片鋪層進(jìn)行優(yōu)化，葉片整體減重達(dá)到5%。
除了輕量化之外我們還有一個(gè)比較大的優(yōu)勢(shì)就是樹脂含量，我們基于55m的葉片進(jìn)行計(jì)算，整個(gè)葉片減重15%，也就是接近400公斤的一個(gè)量。它在主梁、腹板、殼體玻纖含量不一樣。主梁為例，傳統(tǒng)的主梁含量在74%左右，我們聚氨酯可以達(dá)到77%左右，主梁可以減少200公斤樹脂。同樣對(duì)腹板和殼體也做了測(cè)算，得出每只葉片減少400公斤的計(jì)算。對(duì)于一只葉片是400公斤，對(duì)于年生產(chǎn)量達(dá)到1000套的2兆瓦，也就是節(jié)省1200噸的節(jié)約。這些都是對(duì)整個(gè)葉片從成本降低來說是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。
除此之外還有一些優(yōu)勢(shì)我們現(xiàn)在目前來說很難以數(shù)字量化，但是我們可以看到它在生產(chǎn)上的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在快速灌注和固化。還是以主梁為例來看，它在灌注時(shí)間上節(jié)約了一半時(shí)間，固化時(shí)間又從環(huán)氧的6小時(shí)到2小時(shí)，這樣整個(gè)生產(chǎn)主梁時(shí)間可以節(jié)約4個(gè)小時(shí)，在生產(chǎn)周期縮短30%。大家都是葉片的專家，所以30 %的生產(chǎn)周期意味著什么？意味著能源成本、模式消耗、占模時(shí)間以及模具投入，這些都是通過生產(chǎn)效率帶來成本上的節(jié)約。
聚氨酯雖然作為一個(gè)新材料來說，這幾年通過不停地推廣以及和產(chǎn)業(yè)鏈的合作有一些成功的案例給大家分享一下，首先這是一個(gè)3WM風(fēng)機(jī)葉片主梁和腹板，這個(gè)主梁是一個(gè)碳玻混鋪的一個(gè)結(jié)構(gòu)。灌注這個(gè)主梁聚氨酯用了不到一個(gè)半小時(shí)，然后環(huán)氧灌注同樣主梁需要兩個(gè)半小時(shí)左右，葉片腹板的灌注僅僅用了13分鐘，這個(gè)葉片生產(chǎn)出來之后通過葉片測(cè)試滿足設(shè)計(jì)要求。
剛才是一個(gè)葉片的部件，現(xiàn)在看看整只的葉片，我們和上海玻璃鋼研究所以及重慶國際合作共同試制了這支37.5米的1.5WM的風(fēng)機(jī)葉片，這個(gè)葉片整個(gè)灌注速度提高了1倍，固化速度只有環(huán)氧的1/3，所以我們驗(yàn)證了整個(gè)葉片的生產(chǎn)工藝，達(dá)到了快速灌注，快速固化。
所以我們把前面所有的優(yōu)異的機(jī)械性能，疲勞性，以及生產(chǎn)效率提高做一個(gè)概括，這個(gè)聚氨酯新的材料可以使葉片更強(qiáng)，可以提高10%-40%的機(jī)械性能，可以更輕，減少5%的葉片重量，降低安全系數(shù)，可以做得更長，通過同樣的葉片設(shè)計(jì)來說可以為葉片增長帶來了可能性，同時(shí)帶來了5%左右的發(fā)電效率提高。可以更經(jīng)濟(jì)，整體計(jì)算來說可以減少7%左右的葉片成本，提高生產(chǎn)效率，降低10%的生產(chǎn)成本。所以它對(duì)葉片整個(gè)輕量化、減重、增效都帶來了非常好的優(yōu)勢(shì)。
后面我希望借此機(jī)會(huì)同產(chǎn)業(yè)鏈上下游加強(qiáng)合作，然后整機(jī)長、葉片長、玻纖廠、膠凝劑，所有這些兄弟、合作伙伴一起，我們共同推進(jìn)聚氨酯輕量化葉片在行業(yè)內(nèi)的推廣。讓這種不可能變成可能，謝謝大家！（根據(jù)速記發(fā)出，如有錯(cuò)誤請(qǐng)諒解！）
