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輕量化聚氨酯風機葉片——顧永明/ 亞太區聚氨酯事業部復合材料總監
2017-04-22
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尊敬的各位領導、各位嘉賓，風電行業的各位朋友們大家上午好。非常榮幸今天有這個機會代表我們科思創來介紹聚氨酯
尊敬的各位領導、各位嘉賓，風電行業的各位朋友們大家上午好。非常榮幸今天有這個機會代表我們科思創來介紹聚氨酯這種新材料在風電行業的應用。
首先科思創這個名字對大家來說有點陌生，我想簡單介紹一下。科思創隸的前身是拜耳材料科技屬于拜耳集團，在2015年9月1號，它從拜耳集團再把它剝離出來，在法蘭克福獨立上市，更名為科思創。科思創旗下有三個主要的業務單元，聚氨酯業務單元、聚碳酸酯業務單元和涂料粘合劑，除此之外還有基礎化學原材料。
聚氨酯整個在全球有超過15000名員工，在全球的3個研發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。在上海研發中心我們已經過兩次擴建，目前總共研發人數超過200人，這個研發中心涵蓋了3種業務單元在各個領域的研發工作。
所以今天我們介紹聚氨酯這個新材料緊扣今天大會的議題——高效風電。聚氨酯作為一種新材料，它針對于傳統的環氧樹脂、不飽和樹脂有哪些優勢？我們今天主要集中在三個主要的優勢方面：一是它的優異的機械性能，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間提供了一個前提。
我們看看樹脂和玻纖的接面結合情況，從前面的兩個圖可以明顯看到有一絲一絲干的玻纖，這個就是說樹脂和玻纖并沒有很好的結合。最后一排可以看到這個樹脂和玻纖有一個完全的結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非常好的結合力。
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。然后下面這個圖表它是一個玻璃鋼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氧基本相當。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很好的結合，所以它的這個方面有一個明顯的優勢。除此之外壓縮強度也有明顯的提高，不論是在0度還是90度，這個對葉片設計是個非常重要的參數，它的葉片設計減重就可以依據這個參數做一些優化，來總體減少葉片的重量。
除了力學性能還有一個重要的性能就是疲勞性，我們可以看到聚氨酯和環氧的疲勞性，從斜率來說M值，聚氨酯12.9，環氧樹脂12.1，相當有一個提高。初次之外我們們可以看到它經過百萬次乃至千萬次一個應力的衰減，在這個方面聚氨酯有明顯的優勢，我們這個數據表明基本上是在聚氨酯200次的疲勞之后應力，相當于環氧樹脂1000萬次的疲勞，聚氨酯在這方面的優勢體現的非常明顯。
所以依據前面提到的力學性能以及疲勞性能，我們就可以考慮一下為葉片來重新設計，優化這個設計。葉片設計通常來說我們會有3種方式，第一種方式就是說我們單純的原材料替換，1：1的把環氧換成聚氨酯，第二種方式就是根據聚氨酯的優勢來進行鋪層的優化。第三種根據聚氨酯的優化不僅鋪層優化，同時葉片設計、外形進行優化。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曲線中藍色曲線是原始的一個設計，可以看到它的所有安全系數都是低于1的，然后紅色曲線就是一個1：1的替代，我們不做任何修改，只是從聚氨酯替代環氧。這個安全系數與原有設計降低了，這個代表它有設計優化的空間，通過設計優化得到綠色曲線，這個綠色曲線雖然經過設計優化但它的的安全系數還是低于原有設計的。它整個設計是非常安全的。
這樣設計之后為我們帶來了什么？這是一個設計的結果，可以看到最開始我們進行一個簡單的計算，1：1的替換在一個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計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%。如果我們去1：1替代之后對葉片鋪層進行優化，葉片整體減重達到5%。
除了輕量化之外我們還有一個比較大的優勢就是樹脂含量，我們基于55m的葉片進行計算，整個葉片減重15%，也就是接近400公斤的一個量。它在主梁、腹板、殼體玻纖含量不一樣。主梁為例，傳統的主梁含量在74%左右，我們聚氨酯可以達到77%左右，主梁可以減少200公斤樹脂。同樣對腹板和殼體也做了測算，得出每只葉片減少400公斤的計算。對于一只葉片是400公斤，對于年生產量達到1000套的2兆瓦，也就是節省1200噸的節約。這些都是對整個葉片從成本降低來說是一個很大的優勢。
除此之外還有一些優勢我們現在目前來說很難以數字量化，但是我們可以看到它在生產上的優勢，主要體現在快速灌注和固化。還是以主梁為例來看，它在灌注時間上節約了一半時間，固化時間又從環氧的6小時到2小時，這樣整個生產主梁時間可以節約4個小時，在生產周期縮短30%。大家都是葉片的專家，所以30 %的生產周期意味著什么？意味著能源成本、模式消耗、占模時間以及模具投入，這些都是通過生產效率帶來成本上的節約。
聚氨酯雖然作為一個新材料來說，這幾年通過不停地推廣以及和產業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3WM風機葉片主梁和腹板，這個主梁是一個碳玻混鋪的一個結構。灌注這個主梁聚氨酯用了不到一個半小時，然后環氧灌注同樣主梁需要兩個半小時左右，葉片腹板的灌注僅僅用了13分鐘，這個葉片生產出來之后通過葉片測試滿足設計要求。
剛才是一個葉片的部件，現在看看整只的葉片，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的風機葉片，這個葉片整個灌注速度提高了1倍，固化速度只有環氧的1/3，所以我們驗證了整個葉片的生產工藝，達到了快速灌注，快速固化。
所以我們把前面所有的優異的機械性能，疲勞性，以及生產效率提高做一個概括，這個聚氨酯新的材料可以使葉片更強，可以提高10%-40%的機械性能，可以更輕，減少5%的葉片重量，降低安全系數，可以做得更長，通過同樣的葉片設計來說可以為葉片增長帶來了可能性，同時帶來了5%左右的發電效率提高。可以更經濟，整體計算來說可以減少7%左右的葉片成本，提高生產效率，降低10%的生產成本。所以它對葉片整個輕量化、減重、增效都帶來了非常好的優勢。
后面我希望借此機會同產業鏈上下游加強合作，然后整機長、葉片長、玻纖廠、膠凝劑，所有這些兄弟、合作伙伴一起，我們共同推進聚氨酯輕量化葉片在行業內的推廣。讓這種不可能變成可能，謝謝大家！（根據速記發出，如有錯誤請諒解！）
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