風(fēng)力發(fā)電機(jī)為何離不開木頭？什么材料適合做風(fēng)電葉片的芯材呢？

伴隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的崛起，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高度由最初的二十多米迅速上升到了近兩百米。距離地面越高，風(fēng)速越大，這樣一只“人造巨獸”自然就可以發(fā)出更多的電，但與此同時，它也要經(jīng)受更強(qiáng)風(fēng)力的考驗。（點擊此處了解有關(guān)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有趣知識 ）

在絕大多數(shù)人的印象里，龐大機(jī)械體的外層往往被鋼鐵所包裹，例如坦克、戰(zhàn)艦、飛船以及合金戰(zhàn)甲等。不過，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可能有些特殊——它的身軀并非完全由堅固的金屬構(gòu)成。要想知道其中緣由，還得先從復(fù)合材料說起。

1+1》2的復(fù)合材料

由不同類型材料組成的復(fù)合材料可以實現(xiàn)1+1大于2的目標(biāo)。昆蟲和鳥類早就明白了這個道理，例如燕子巢穴的組成材料除了泥土，往往還夾雜有甘草、碎木片等。在日?；顒又?，遠(yuǎn)古時期的人類也逐漸認(rèn)識到材料的互補(bǔ)效應(yīng)。例如，古埃及人的金字塔就是由石灰、火山灰等作為粘合劑，混和砂石等作為砌料修建而成的。早在公元前2000年，我國便已經(jīng)出現(xiàn)了使用混合草莖的粘土建造的土坯房。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展拉開了利用現(xiàn)代復(fù)合材料的序幕。上世紀(jì)40年代，玻璃纖維和合成樹脂實現(xiàn)了大量商品化生產(chǎn)，憑借其顯著的性能優(yōu)勢，玻璃纖維增強(qiáng)材料（俗稱玻璃鋼）廣泛應(yīng)用于運載火箭外殼、汽車車身、飛機(jī)機(jī)翼等產(chǎn)品上。復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、韌度高、耐疲勞等優(yōu)良的力學(xué)性能，這也使其成為了風(fēng)電葉片材料的不二之選。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片是前端核心部件。風(fēng)電機(jī)組大型化的發(fā)展趨勢促使著葉片尺寸不斷攀升，為保證葉片的結(jié)構(gòu)可靠性和安全性，研發(fā)輕量化葉片是最直接有效的方案。雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)看過去，葉片似乎就是一根細(xì)長的棍子。但事實上，它外表的曲面造型極其復(fù)雜，為了捕獲更多的風(fēng)能，它利用了與飛機(jī)機(jī)翼相似的空氣動力學(xué)原理。

在旋轉(zhuǎn)過程中，葉片會持續(xù)受到氣動力和自身重力的作用。在持續(xù)波動的載荷面前，金屬材料往往容易因疲勞而“累壞”。這是因為，在受到反復(fù)變化的外力作用時，其機(jī)械強(qiáng)度會急劇下降。例如，當(dāng)我們直接拉一根鐵絲時，往往難以將其拉斷，但反復(fù)彎折幾次之后，就可以很容易地將其折斷。這一特性也使金屬難以滿足葉片設(shè)計使用壽命的要求。雖然歷史上也曾出現(xiàn)過鋁合金材質(zhì)的葉片，但很快便完全被纖維復(fù)合材料所替代。

纖維復(fù)合材料一般以“三明治”層合板結(jié)構(gòu)為主，在實現(xiàn)輕量化目標(biāo)的同時，可以將結(jié)構(gòu)性能發(fā)揮到極致。當(dāng)前的大型風(fēng)電葉片主要是以玻璃纖維（碳纖維）和環(huán)氧樹脂為代表的增強(qiáng)材料、夾層中間的芯材以及粘接膠構(gòu)成。雖然芯材的厚度大且位于層合板的中間位置，但與兩側(cè)的蒙皮纖維相比，它對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能提升的貢獻(xiàn)卻微乎其微，所涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計也相對簡單。但芯材卻可以極大程度上保證層合板的穩(wěn)定性，在這個角度上，它又是不可或缺的。

輕木：瘋狂的木頭

問題來了，什么材料適合做風(fēng)電葉片的芯材呢？

目前風(fēng)電葉片最主要的芯材類型是輕木（Ochroma lagopus），又叫巴沙木（Balsa）。輕木的細(xì)胞直徑大，細(xì)胞壁外堆積的物質(zhì)相對較少。因此，木材的孔隙數(shù)量多且尺寸大。輕木烘干后只有水密度的十分之一，一個成年人可以輕松抬走10米長的樹干。它是世界上密度最小的木材。絕大多數(shù)的樹木每過一年，樹干就會生長一個圓圈狀的年輪，然而輕木卻沒有這個特征，將其鋸斷也無法得知它的年齡。

輕木原產(chǎn)于南美洲的熱帶雨林，生長速度極快，在破土后的10-15年內(nèi)迅速生長，最終可以長到近30米高。但輕木的強(qiáng)度欠佳，無法成為建筑的“棟梁之材”，也不是制造家具的理想材料。

不過，“天生我材必有用”，輕木也是如此。實際生產(chǎn)過程中，人們通常會發(fā)揮輕木“輕”的優(yōu)勢。由于其材質(zhì)均勻、不易變形且易于加工，常適合制作小型船舶、航模、沖浪板、浮標(biāo)、樂器等產(chǎn)品。

在上世紀(jì)的中國，輕木受到了全民的熱烈追捧。例如，包治百病的“熱水”離不開一個保溫瓶，而輕木的導(dǎo)熱系數(shù)較低，因此被制作成了熱水瓶瓶塞，走進(jìn)了千家萬戶。此外，有著“國球”之稱的乒乓球運動也給輕木提供了一個“用武之地”——輕木是一些高性能乒乓球拍的原材料。

那么，生產(chǎn)制造所需的輕木都從哪里來呢？目前，全球近95%的輕木都來源于南美的厄瓜多爾（在西班牙語中，厄瓜多爾含義為赤道），這是因為當(dāng)?shù)氐臐駸釟夂蚝屯临|(zhì)為輕木提供了得天獨厚的生長空間。

當(dāng)然，單一的產(chǎn)地來源也必定存在巨大的風(fēng)險，也為此后的輕木危機(jī)埋下了伏筆。其實，早在一百多年前，菲律賓、印度尼西亞和南非等國就嘗試引種輕木，形成了一定的規(guī)模。自1960年起，我國的廣東、海南、云南的西雙版納等地也紛紛加入了栽培輕木的大軍。但這些國家和地區(qū)的產(chǎn)量不足，并且質(zhì)量參差不齊，難以撼動厄瓜多爾的絕對地位。

早年間，輕木供大于求，利潤有限，大批厄瓜多爾的民眾改種其它作物。十多年前，當(dāng)?shù)厝艘娮C著全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)“扶搖直上”的騰飛軌跡?！昂蔑L(fēng)憑借力，送我上青云”，之前被冷落的輕木迅速成為了“香餑餑”，但不斷增長的種植面積仍舊導(dǎo)致供不應(yīng)求，一時間甚至出現(xiàn)了“洛陽紙貴”的現(xiàn)象。為了采購到充足的高品質(zhì)輕木，材料代理商常年駐扎在厄瓜多爾。

即便如此，全球多個大型葉片廠商仍舊處于缺乏原料供給的狀態(tài)。產(chǎn)量的短缺與水漲船高的價格使得輕木市場變得畸形，在其運送過程中，還會出現(xiàn)坐地起價、“黃?！钡官u、高價攔截等亂象，整個輕木市場的形勢也愈加嚴(yán)峻。

雪上加霜的是，全球蔓延的新冠疫情使南美輕木的交易更為混亂，進(jìn)一步導(dǎo)致部分葉片制造企業(yè)舉步維艱，處于無“芯”可用的困境。這對全球范圍內(nèi)的風(fēng)電新增裝機(jī)容量產(chǎn)生了極為不利的影響，嚴(yán)重制約了風(fēng)電的產(chǎn)能。

難當(dāng)重任的替代品

實際上，葉片制造商早已覺察到輕木供給的不穩(wěn)定性，并積極尋求可替代的材料，但其它木材的密度均遠(yuǎn)大于輕木。迫于無奈，制造商只能將目光轉(zhuǎn)向人造材料。

在人為操作下，制造具有一定抗壓能力的低密度材料并非難事。比如，由鋁合金或纖維制造成的蜂窩芯材已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但風(fēng)電葉片體積龐大，蜂窩芯材的價格并不親民，因此，制造商們只能另辟蹊徑。

經(jīng)過多方面的探索和嘗試，材料學(xué)家發(fā)現(xiàn)，PVC（聚氯乙烯）、PET（滌綸樹脂）等輕質(zhì)材料具有一定的應(yīng)用潛力，日常生活中常見的門窗、管道、礦泉水等塑料制品的主要成分就是PVC或PET，它們經(jīng)過發(fā)泡處理后重量大幅減小，因此這類新型泡沫材料迅速贏得了小型無人機(jī)等產(chǎn)品制造商的青睞。

但這類輕質(zhì)發(fā)泡也存在明顯的缺點，即泡沫中的細(xì)小空隙很容易被樹脂填充，使得其性能低于同等質(zhì)量的輕木。一番權(quán)衡利弊之后，葉片設(shè)計人員也只得選擇妥協(xié)——在葉片結(jié)構(gòu)承載力較小的葉尖至葉中區(qū)域，他們嘗試采用這些泡沫材料替換輕木，在一定程度上降低了對輕木的依賴。

既然蜂窩芯材與泡沫芯材各有千秋，為什么不考慮將它們?nèi)跒橐惑w呢？一家研發(fā)復(fù)合材料的德國公司SAERTEX似乎意識到了這一點。于是，他們迅速轉(zhuǎn)變思路，在2016年推出了一款新型的芯材結(jié)構(gòu)SAERfoam。

這種芯材結(jié)構(gòu)主體是PU（polyurethane，聚氨酯）泡沫，而中間采用的是3D打印技術(shù)的玻璃［］纖維。據(jù)稱，這種芯材的結(jié)構(gòu)性能要優(yōu)于輕木，重量只有輕木的四分之一左右，并且成本低廉，是輕木最為理想的替代產(chǎn)品。相信在不久的將來，科研人員能夠找到更好的材料替代方案，讓風(fēng)力發(fā)電機(jī)不再依賴輕木，為清潔能源的持續(xù)穩(wěn)定供給做出貢獻(xiàn)。

來源：“科學(xué)大院”公眾號（ID：kexuedayuan）

作者：城明辰

編輯：jq