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轻量化聚氨酯风机叶片——顾永明/ 亚太区聚氨酯事业部复合材料总监
2017-04-22
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尊敬的各位领导、各位嘉宾，风电行业的各位朋友们大家上午好。非常荣幸今天有这个机会代表我们科思创来介绍聚氨酯
尊敬的各位领导、各位嘉宾，风电行业的各位朋友们大家上午好。非常荣幸今天有这个机会代表我们科思创来介绍聚氨酯这种新材料在风电行业的应用。
首先科思创这个名字对大家来说有点陌生，我想简单介绍一下。科思创隶的前身是拜耳材料科技属于拜耳集团，在2015年9月1号，它从拜耳集团再把它剥离出来，在法兰克福独立上市，更名为科思创。科思创旗下有三个主要的业务单元，聚氨酯业务单元、聚碳酸酯业务单元和涂料粘合剂，除此之外还有基础化学原材料。
聚氨酯整个在全球有超过15000名员工，在全球的3个研发基地分别坐落于美国的匹兹堡，德国的德格库森和中国的上海。在上海研发中心我们已经过两次扩建，目前总共研发人数超过200人，这个研发中心涵盖了3种业务单元在各个领域的研发工作。
所以今天我们介绍聚氨酯这个新材料紧扣今天大会的议题——高效风电。聚氨酯作为一种新材料，它针对于传统的环氧树脂、不饱和树脂有哪些优势？我们今天主要集中在三个主要的优势方面：一是它的优异的机械性能，为叶片减重提供了前提条件。除此之外它还有很高的玻纤含量，这样就可以减少树脂在叶片的用量。基于树脂本身的特性，粘稠低，灌注速度很快，树脂固话也很快，这样就为大幅度缩减工艺时间提供了一个前提。
我们看看树脂和玻纤的接面结合情况，从前面的两个图可以明显看到有一丝一丝干的玻纤，这个就是说树脂和玻纤并没有很好的结合。最后一排可以看到这个树脂和玻纤有一个完全的结合面看不到干的玻纤，而且树脂的破坏成扇形，表示树脂和玻纤它们有一个非常好的结合力。
这种带来了什么？首先看一下树脂的性能，本体的浇铸体的树脂性能，从拉伸到弯曲都有20%以上的提高。然后下面这个图表它是一个玻璃钢MAP的性能，拉伸长度和拉伸模量零度主要取决于玻纤所以它和环氧基本相当。在90度的拉伸方向它有明显的提高，这就是前面我们谈到的它和玻纤有个很好的结合，所以它的这个方面有一个明显的优势。除此之外压缩强度也有明显的提高，不论是在0度还是90度，这个对叶片设计是个非常重要的参数，它的叶片设计减重就可以依据这个参数做一些优化，来总体减少叶片的重量。
除了力学性能还有一个重要的性能就是疲劳性，我们可以看到聚氨酯和环氧的疲劳性，从斜率来说M值，聚氨酯12.9，环氧树脂12.1，相当有一个提高。初次之外我们们可以看到它经过百万次乃至千万次一个应力的衰减，在这个方面聚氨酯有明显的优势，我们这个数据表明基本上是在聚氨酯200次的疲劳之后应力，相当于环氧树脂1000万次的疲劳，聚氨酯在这方面的优势体现的非常明显。
所以依据前面提到的力学性能以及疲劳性能，我们就可以考虑一下为叶片来重新设计，优化这个设计。叶片设计通常来说我们会有3种方式，第一种方式就是说我们单纯的原材料替换，1：1的把环氧换成聚氨酯，第二种方式就是根据聚氨酯的优势来进行铺层的优化。第三种根据聚氨酯的优化不仅铺层优化，同时叶片设计、外形进行优化。目前我们集中了第一部分和第二部分，第一部分我们就看到这个曲线中蓝色曲线是原始的一个设计，可以看到它的所有安全系数都是低于1的，然后红色曲线就是一个1：1的替代，我们不做任何修改，只是从聚氨酯替代环氧。这个安全系数与原有设计降低了，这个代表它有设计优化的空间，通过设计优化得到绿色曲线，这个绿色曲线虽然经过设计优化但它的的安全系数还是低于原有设计的。它整个设计是非常安全的。
这样设计之后为我们带来了什么？这是一个设计的结果，可以看到最开始我们进行一个简单的计算，1：1的替换在一个叶片的力剧和叶片的形变上都有提高。这样我们通过叶片设计把保持原有的力距的情况下叶片可以减重，减重多少那？如果1：1替代叶片可以减重3.2%。如果我们去1：1替代之后对叶片铺层进行优化，叶片整体减重达到5%。
除了轻量化之外我们还有一个比较大的优势就是树脂含量，我们基于55m的叶片进行计算，整个叶片减重15%，也就是接近400公斤的一个量。它在主梁、腹板、壳体玻纤含量不一样。主梁为例，传统的主梁含量在74%左右，我们聚氨酯可以达到77%左右，主梁可以减少200公斤树脂。同样对腹板和壳体也做了测算，得出每只叶片减少400公斤的计算。对于一只叶片是400公斤，对于年生产量达到1000套的2兆瓦，也就是节省1200吨的节约。这些都是对整个叶片从成本降低来说是一个很大的优势。
除此之外还有一些优势我们现在目前来说很难以数字量化，但是我们可以看到它在生产上的优势，主要体现在快速灌注和固化。还是以主梁为例来看，它在灌注时间上节约了一半时间，固化时间又从环氧的6小时到2小时，这样整个生产主梁时间可以节约4个小时，在生产周期缩短30%。大家都是叶片的专家，所以30 %的生产周期意味着什么？意味着能源成本、模式消耗、占模时间以及模具投入，这些都是通过生产效率带来成本上的节约。
聚氨酯虽然作为一个新材料来说，这几年通过不停地推广以及和产业链的合作有一些成功的案例给大家分享一下，首先这是一个3WM风机叶片主梁和腹板，这个主梁是一个碳玻混铺的一个结构。灌注这个主梁聚氨酯用了不到一个半小时，然后环氧灌注同样主梁需要两个半小时左右，叶片腹板的灌注仅仅用了13分钟，这个叶片生产出来之后通过叶片测试满足设计要求。
刚才是一个叶片的部件，现在看看整只的叶片，我们和上海玻璃钢研究所以及重庆国际合作共同试制了这支37.5米的1.5WM的风机叶片，这个叶片整个灌注速度提高了1倍，固化速度只有环氧的1/3，所以我们验证了整个叶片的生产工艺，达到了快速灌注，快速固化。
所以我们把前面所有的优异的机械性能，疲劳性，以及生产效率提高做一个概括，这个聚氨酯新的材料可以使叶片更强，可以提高10%-40%的机械性能，可以更轻，减少5%的叶片重量，降低安全系数，可以做得更长，通过同样的叶片设计来说可以为叶片增长带来了可能性，同时带来了5%左右的发电效率提高。可以更经济，整体计算来说可以减少7%左右的叶片成本，提高生产效率，降低10%的生产成本。所以它对叶片整个轻量化、减重、增效都带来了非常好的优势。
后面我希望借此机会同产业链上下游加强合作，然后整机长、叶片长、玻纤厂、胶凝剂，所有这些兄弟、合作伙伴一起，我们共同推进聚氨酯轻量化叶片在行业内的推广。让这种不可能变成可能，谢谢大家！（根据速记发出，如有错误请谅解！）
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