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头铁的风力发电机,为什么离不开木头?_政务_澎湃新闻-The Paper




预示着风电产业的兴起,风力发电机的高度由最初的二十多米迅速上升到了近两百米。距离地面越高,风速越大,这样一只“人造巨兽”自然就可以发出更多的电,但与此同时,它也要遭受更强劲风力的考验。

在绝大多数人的印象里,可观机械体的外层往往被钢铁所包裹,例如坦克、战舰、飞船以及合金战甲等。不过,风力发电机有可能有些特殊——它的身躯并非几乎由坚固的金属包含。要想告诉其中缘由,还得先从复合材料说起。

电影《环太平洋》中的机甲猎人

(图片来源:电影《的环太平洋》)

1+1>2的复合材料

由有所不同类型材料组成的复合材料可以构建1+1大于2的目标。昆虫和鸟类早就明白了这个道理,例如燕子巢穴的组成材料除了泥土,往往还夹杂有甘草、打碎木片等。在日常活动中,远古时期的人类也逐渐认识到材料的互补效应。例如,古埃及人的金字塔就是由石灰、火山灰等作为粘合剂,混合砂石等作为砌料修建而成的。早在公元前2000年,我国便已经出现了用于混合草茎的粘土建造的土坯房。

科学技术的发展拉开了利用现代复合材料的序幕。上世纪40年代,玻璃纤维和合成树脂构建了大量商品化生产,凭借其明显的性能优势,玻璃纤维强化材料(俗称玻璃钢)普遍应用于运载火箭外壳、汽车车身、飞机机翼等产品上。复合材料具有质量重、强度高、韧度低、耐疲劳等优良的力学性能,这也使其沦为了风电叶片材料的不二之选。

由复合材料生产的航空飞机 (图片来源:Vetrotextextiles)

风力发电机的叶片是前端核心部件。风电机组大型化的发展趋势促成着叶片尺寸不断攀升,为保证叶片的结构可靠性和安全性,研发轻量化叶片是最必要有效的方案。虽然远远看过去,叶片似乎就是一根细长的棍子。但事实上,它外表的曲面造型极其简单,为了捕获更多的风能,它利用了与飞机机翼相似的空气动力学原理。

风电叶片的材料组成结构

(图片来源:sinopro-group,汉化:作者)

在转动过程中,叶片会持续受到气动力和自身重力的起到。在持续波动的载荷面前,金属材料往往容易因疲惫而“累坏”。这是因为,在受到反复变化的外力作用时,其机械强度不会急剧下降。例如,当我们直接拉一根铁丝时,往往难以将其拉断,但重复刀柄几次之后,就可以很更容易地将其折断。这一特性也使金属难以满足叶片设计使用寿命的要求。虽然历史上也曾出现过铝合金材质的叶片,但很快便完全被纤维复合材料所替代。

纤维复合材料一般以“三明治”层合板结构居多,在实现轻量化目标的同时,可以将结构性能充分发挥到极致。当前的大型风电叶片主要是以玻璃纤维(碳纤维)和环氧树脂为代表的增强材料、夹层中间的芯材以及粘接胶包含。虽然芯材的厚度大且位于层合板的中间位置,但与两侧的蒙皮纤维相比,它对结构力学性能提高的贡献却微乎其微,所涉及结构设计也相对简单。但芯材却可以很大程度上确保层合板的稳定性,在这个角度上,它又是不可或缺的。

三明治 (图片来源:Everyday Health)

复合材料“三明治”夹层结构 (图片来源:ResearchGate)

运输过程中的风电叶片(图片来源:gizmodo.com)

轻木:疯狂的木头

问题来了,什么材料合适做风电叶片的芯材呢?

目前风电叶片最主要的芯材类型是轻木(Ochroma lagopus),又叫巴沙木(Balsa)。轻木的细胞直径大,细胞壁外冲刷的物质相对较少。因此,木材的孔隙数量多且尺寸大。轻木烘干后只有水密度的十分之一,一个成年人可以轻松坠楼10米长的树干。它是世界上密度大于的木材。绝大多数的树木每过一年,树干就不会生长一个圆圈状的年轮,然而轻木却没有这个特征,将其锯断也无法获知它的年龄。

正在切割轻木的工人(图片来源:vseodereve.ru)

轻木原产于南美洲的热带雨林,生长速度极快,在破土后的10-15年内很快生长,最终可以长到将近30米低。但轻木的强度佳,无法沦为建筑的“栋梁之材”,也不是制造家具的理想材料。

不过,“天生我材必有用”,轻木也是如此。实际生产过程中,人们通常不会发挥轻木“重”的优势。由于其材质均匀、容易变形且易于加工,常合适制作小型船舶、航模、冲浪板、浮标、乐器等产品。

在上世纪的中国,轻木受到了全民的热烈欢迎。例如,包治百病的“热水”必不可少一个保温瓶,而轻木的导热系数较低,因此被制作成了热水瓶瓶塞,走进了千家万户。此外,有着“国球”之称的乒乓球运动也给轻木获取了一个“用武之地”——轻木是一些高性能乒乓球拍的原材料。

乒乓球拍(图片来源:drleeds.com)

那么,生产生产所需的轻木都从哪里来呢?目前,全球近95%的轻木都来源于南美的厄瓜多尔(在西班牙语中,厄瓜多尔含义为赤道),这是因为当地的湿热气候和土质为轻木提供了得天独厚的生长空间。

当然,单一的产地来源也必定存在巨大的风险,也为此后的轻木危机祸根了伏笔。其实,早在一百多年前,菲律宾、印度尼西亚和南非等国就尝试引种轻木,构成了一定的规模。自1960年起,我国的广东、海南、云南的西双版纳等地也纷纷重新加入了栽培轻木的大军。但这些国家和地区的产量不足,并且质量参差不齐,难以撼动厄瓜多尔的绝对地位。

厄瓜多尔的位置(图片来源:beautifulworld)

早年间,轻木供大于求,利润受限,大批厄瓜多尔的民众栽种其它作物。十多年前,当地人见证着全球风电产业“扶摇直上”的腾飞轨迹。“好风凭借力,送我上青云”,之前被冷遇的轻木很快沦为了“香饽饽”,但不断快速增长的栽种面积仍旧导致供不应求,一时间甚至经常出现了“洛阳纸贵”的现象。为了订购到充裕的高品质轻木,材料代理商常年驻扎在厄瓜多尔。

即便如此,全球多个大型叶片厂商仍旧正处于缺乏原料供给的状态。产量的短缺与水涨船高的价格使得轻木市场变得畸形,在其载运过程中,还会经常出现坐地起价、“黄牛”倒卖、高价截击等乱象,整个轻木市场的形势也愈加严峻。

雪上加霜的是,全球蔓延的新冠疫情使南美轻木的交易更为混乱,进一步导致部分叶片制造企业举步维艰,处于无“芯”能用的困境。这对全球范围内的风电新增装机容量产生了极为有利的影响,相当严重制约了风电的生产能力。

难当重任的替代品

实际上,叶片制造商早已觉察到轻木供给的不稳定性,并大力寻求可替代的材料,但其它木材的密度均远大于轻木。迫使无奈,制造商只能将目光改向人造材料。

在人为操作者下,生产具备一定抗压能力的低密度材料并非难事。比如,由铝合金或纤维制造成的蜂窝芯材已经在航空航天领域得到了广泛应用。但风电叶片体积庞大,蜂窝芯材的价格并不亲民,因此,制造商们只能另辟蹊径。

铝合金材质的蜂窝芯材(图片来源:argosy international)

经过多方面的探索和尝试,材料学家发现,PVC(聚氯乙烯)、PET(涤纶树脂)等轻质材料具备一定的应用于潜力,日常生活中常见的门窗、管道、矿泉水等塑料制品的主要成分就是PVC或PET,它们经过发泡处置后重量大幅增大,因此这类新型泡沫材料迅速夺得了小型无人机等产品制造商的注目。

但这类轻质塑胶也存在明显的缺点,即泡沫中的细小空隙很更容易被树脂填满,使得其性能低于同等质量的轻木。一番权衡利弊之后,叶片设计人员也只得选择妥协——在叶片结构承载力较小的叶尖至叶中区域,他们尝试采用这些泡沫材料更换轻木,在一定程度上减少了对轻木的倚赖。

泡沫芯材板 (图片来源:General Plastics)

既然蜂窝芯材与泡沫芯材各有千秋,为什么不考虑到将它们融为一体呢?一家研发复合材料的德国公司SAERTEX似乎意识到了这一点。于是,他们迅速改变思路,在2016年发售了一款新型的芯材结构SAERfoam。

这种芯材结构主体是PU(polyurethane,聚氨酯)泡沫,而中间采用的是3D打印技术的玻璃[]纤维。据称,这种芯材的结构性能要高于轻木,重量只有轻木的四分之一左右,并且成本低廉,是轻木最为理想的替代产品。坚信在旋即的将来,科研人员需要寻找更好的材料替代方案,让风力发电机不再倚赖轻木,为清洁能源的持续平稳供给作出贡献。

参考文献:

[1] https://www.woodworkingnetwork.com/wood/lumber-data-trends/Balsa-Wood-Subsitute-Developed-for-WInd-Turbine-Blades-286518311.html

[2] https://www.saertex.com/en/support/specialist-articles/alternatives-to-balsa-wood-in-wind-turbine-blades

[3]http://microfabricator.com/articles/view/id/53b58d77313944d10f8b456a/new-3d-printing-material-mimics-light-weight-balsa-wood-for-use-in-wind-turbine-construction

[4]https://www.ozy.com/around-the-world/this-wood-is-key-to-wind-power-too-bad-theres-a-shortage/244454/

来源: 科学大院

版权归原作者所有,如有侵权行为,请求联系我们预示着风电产业的兴起,风力发电机的高度由最初的二十多米迅速下降到了近两百米。距离地面越高,风速越大,这样一只“人造巨兽”自然就可以收到更多的电,但与此同时,它也要遭受更强风力的考验。在绝大多数人的印象里,可观机械体的外层往往被钢铁所包裹,例如坦克、战舰、飞船以及合金战甲等。不过,风力发电机有可能有些类似——它的身躯并非几乎由坚固的金属构成。要想要知道其中缘由,还得先从复合材料说起。电影《的环太平洋》中的机甲猎人(图片来源:电影《环太平洋》)1+1>2的复合材料由不同类型材料构成的复合材料可以实现1+1大于2的目标。昆虫和鸟类早就明白了这个道理,例如燕子巢穴的构成材料除了泥土,往往还夹杂有甘草、打碎木片等。在日常活动中,远古时期的人类也逐渐认识到材料的互补效应。例如,古埃及人的金字塔就是由石灰、火山灰等作为粘合剂,混合砂石等作为砌料修筑而成的。早于在公元前2000年,我国便已经出现了用于混合草茎的粘土修建的土坯房。科学技术的发展冲破了利用现代复合材料的序幕。上世纪40年代,玻璃纤维和合成树脂实现了大量商品化生产,凭借其显著的性能优势,玻璃纤维强化材料(又称玻璃钢)普遍应用于运载火箭外壳、汽车车身、飞机机翼等产品上。复合材料具有质量重、强度低、韧度高、耐疲劳等优良的力学性能,这也使其沦为了风电叶片材料的不二之中选。由复合材料制造的航空飞机 (图片来源:Vetrotextextiles)风力发电机的叶片是前端核心部件。风电机组大型化的发展趋势促成着叶片尺寸不断上升,为保证叶片的结构可靠性和安全性,研发轻量化叶片是最直接有效的方案。虽然远远看过去,叶片似乎就是一根细长的棍子。但事实上,它外表的曲面造型极其复杂,为了捕获更多的风能,它利用了与飞机机翼相近的空气动力学原理。风电叶片的材料组成结构(图片来源:sinopro-group,汉化:作者)在旋转过程中,叶片不会持续受到气动力和自身重力的作用。在持续波动的载荷面前,金属材料往往容易因疲劳而“累坏”。这是因为,在受到反复变化的外力作用时,其机械强度会急剧下降。例如,当我们必要纳一根铁丝时,往往难以将其拉断,但重复刀柄几次之后,就可以很更容易地将其倒下。这一特性也使金属难以符合叶片设计使用寿命的要求。虽然历史上也曾经常出现过铝合金材质的叶片,但很快便几乎被纤维复合材料所替代。纤维复合材料一般以“三明治”层合板结构居多,在实现轻量化目标的同时,可以将结构性能充分发挥到极致。当前的大型风电叶片主要是以玻璃纤维(碳纤维)和环氧树脂为代表的增强材料、夹层中间的芯材以及粘接胶包含。虽然芯材的厚度大且坐落于层合板的中间方位,但与两侧的蒙皮纤维比起,它对结构力学性能提升的贡献却微乎其微,所牵涉到结构设计也相对非常简单。但芯材却可以很大程度上保证层合板的稳定性,在这个角度上,它又是不可或缺的。三明治 (图片来源:Everyday Health)复合材料“三明治”夹层结构 (图片来源:ResearchGate)运输过程中的风电叶片(图片来源:gizmodo.com)轻木:可怕的木头问题来了,什么材料适合做到风电叶片的芯材呢?目前风电叶片最主要的芯材类型是轻木(Ochroma lagopus),又叫巴沙木(Balsa)。轻木的细胞直径大,细胞壁外堆积的物质相对较较少。因此,木材的孔隙数量多且尺寸大。轻木浸泡后只有水密度的十分之一,一个成年人可以精彩坠楼10米宽的树干。它是世界上密度最小的木材。绝大多数的树木每过一年,树干就会生长一个圆圈状的年轮,然而轻木却没有这个特征,将其锯断也无法得知它的年龄。正在切割成轻木的工人(图片来源:vseodereve.ru)轻木原产于南美洲的热带雨林,生长速度极快,在破土后的10-15年内迅速生长,最终可以长到将近30米低。但轻木的强度欠佳,无法沦为建筑的“栋梁之材”,也不是制造家具的理想材料。不过,“天生我材必有用”,轻木也是如此。实际生产过程中,人们通常不会发挥轻木“轻”的优势。由于其材质均匀分布、不易变形且更容易加工,常适合制作小型船舶、航模、冲浪板、浮标、乐器等产品。在上世纪的中国,轻木受到了全民的冷淡追捧。例如,包治百病的“热水”离不开一个保温瓶,而轻木的导电系数较低,因此被制作出了热水瓶瓶塞,走出了千家万户。此外,有着“国球”之称之为的乒乓球运动也给轻木获取了一个“用武之地”——轻木是一些高性能乒乓球拍的原材料。乒乓球拍(图片来源:drleeds.com)那么,生产制造所需的轻木都从哪里来呢?目前,全球近95%的轻木都源于南美的厄瓜多尔(在西班牙语中,厄瓜多尔含义为赤道),这是因为当地的湿热气候和土质为轻木提供了得天独厚的生长空间。当然,单一的产地来源也必定存在极大的风险,也为此后的轻木危机祸根了伏笔。其实,早于在一百多年前,菲律宾、印度尼西亚和南非等国就尝试山坡轻木,形成了一定的规模。自1960年起,我国的广东、海南、云南的西双版纳等地也纷纷加入了栽培轻木的大军。但这些国家和地区的产量不足,并且质量参差不齐,难以撼动厄瓜多尔的绝对地位。厄瓜多尔的位置(图片来源:beautifulworld)早年间,轻木供大于求,利润受限,大批厄瓜多尔的民众改种其它作物。十多年前,当地人见证着全球风电产业“扶摇直上”的腾飞轨迹。“好风凭借力,送来我上青云”,之前被冷遇的轻木很快成为了“香饽饽”,但不断增长的栽种面积仍旧导致供不应求,一时间甚至出现了“洛阳纸贵”的现象。为了订购到充足的高品质轻木,材料代理商常年驻扎在厄瓜多尔。即便如此,全球多个大型叶片厂商仍旧处于缺少原料供给的状态。产量的短缺与水涨船高的价格使得轻木市场变得畸形,在其载运过程中,还不会出现坐地起价、“黄牛”挪用、高价截击等乱象,整个轻木市场的形势也愈加不利。雪上加霜的是,全球蔓延到的新冠疫情使南美轻木的交易更为混乱,进一步造成部分叶片制造企业举步维艰,处于无“芯”可用的困境。这对全球范围内的风电新增装机容量产生了极为有利的影响,严重制约了风电的产能。难当重任的替代品实际上,叶片制造商早已觉察到轻木供给的不稳定性,并积极谋求可替代的材料,但其它木材的密度均远大于轻木。迫于无奈,制造商不能将目光改向人造材料。在人为操作下,生产具有一定抗压能力的低密度材料并非难事。比如,由铝合金或纤维制造出的蜂窝芯材已经在航空航天领域得到了广泛应用。但风电叶片体积庞大,蜂窝芯材的价格并不亲民,因此,制造商们不能另辟蹊径。铝合金材质的蜂窝芯材(图片来源:argosy international)经过多方面的探寻和尝试,材料学家找到,PVC(聚氯乙烯)、PET(涤纶树脂)等轻质材料具有一定的应用于潜力,日常生活中常见的门窗、管道、矿泉水等塑料制品的主要成分就是PVC或PET,它们经过发泡处理后重量大幅减小,因此这类新型泡沫材料迅速夺得了小型无人机等产品制造商的注目。但这类轻质发泡也存在明显的缺点,即泡沫中的细小空隙很更容易被树脂填充,使得其性能低于同等质量的轻木。一番权衡利弊之后,叶片设计人员也只得自由选择妥协——在叶片结构承载力较小的叶尖至叶中区域,他们尝试采用这些泡沫材料替换轻木,在一定程度上减少了对轻木的倚赖。泡沫芯材板 (图片来源:General Plastics)既然蜂窝芯材与泡沫芯材各有千秋,为什么不考虑将它们融为一体呢?一家研发复合材料的德国公司SAERTEX似乎意识到了这一点。于是,他们很快改变思路,在2016年推出了一款新型的芯材结构SAERfoam。这种芯材结构主体是PU(polyurethane,聚氨酯)泡沫,而中间使用的是3D打印技术的玻璃[]纤维。据信,这种芯材的结构性能要优于轻木,重量只有轻木的四分之一左右,并且成本低廉,是轻木最为理想的替代产品。相信在旋即的将来,科研人员需要寻找更好的材料替代方案,让风力发电机不再依赖轻木,为清洁能源的持续稳定供给作出贡献。参考文献:[1] https://www.woodworkingnetwork.com/wood/lumber-data-trends/Balsa-Wood-Subsitute-Developed-for-WInd-Turbine-Blades-286518311.html[2] https://www.saertex.com/en/support/specialist-articles/alternatives-to-balsa-wood-in-wind-turbine-blades[3]http://microfabricator.com/articles/view/id/53b58d77313944d10f8b456a/new-3d-printing-material-mimics-light-weight-balsa-wood-for-use-in-wind-turbine-construction[4]https://www.ozy.com/around-the-world/this-wood-is-key-to-wind-power-too-bad-theres-a-shortage/244454/来源: 科学大院