風力發(fā)電機為何離不開木頭？什么材料適合做風電葉片的芯材呢？

伴隨著風電產業(yè)的崛起，風力發(fā)電機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，它也要經受更強風力的考驗。（點擊此處了解有關風力發(fā)電機的有趣知識 ）

在絕大多數人的印象里，龐大機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，風力發(fā)電機可能有些特殊——它的身軀并非完全由堅固的金屬構成。要想知道其中緣由，還得先從復合材料說起。

1+1》2的復合材料

由不同類型材料組成的復合材料可以實現1+1大于2的目標。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?，遠古時期的人類也逐漸認識到材料的互補效應。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，我國便已經出現了使用混合草莖的粘土建造的土坯房。

科學技術的發(fā)展拉開了利用現代復合材料的序幕。上世紀40年代，玻璃纖維和合成樹脂實現了大量商品化生產，憑借其顯著的性能優(yōu)勢，玻璃纖維增強材料（俗稱玻璃鋼）廣泛應用于運載火箭外殼、汽車車身、飛機機翼等產品上。復合材料具有質量輕、強度高、韌度高、耐疲勞等優(yōu)良的力學性能，這也使其成為了風電葉片材料的不二之選。

風力發(fā)電機的葉片是前端核心部件。風電機組大型化的發(fā)展趨勢促使著葉片尺寸不斷攀升，為保證葉片的結構可靠性和安全性，研發(fā)輕量化葉片是最直接有效的方案。雖然遠遠看過去，葉片似乎就是一根細長的棍子。但事實上，它外表的曲面造型極其復雜，為了捕獲更多的風能，它利用了與飛機機翼相似的空氣動力學原理。

在旋轉過程中，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，在受到反復變化的外力作用時，其機械強度會急劇下降。例如，當我們直接拉一根鐵絲時，往往難以將其拉斷，但反復彎折幾次之后，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計使用壽命的要求。雖然歷史上也曾出現過鋁合金材質的葉片，但很快便完全被纖維復合材料所替代。

纖維復合材料一般以“三明治”層合板結構為主，在實現輕量化目標的同時，可以將結構性能發(fā)揮到極致。當前的大型風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材料、夾層中間的芯材以及粘接膠構成。雖然芯材的厚度大且位于層合板的中間位置，但與兩側的蒙皮纖維相比，它對結構力學性能提升的貢獻卻微乎其微，所涉及結構設計也相對簡單。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，什么材料適合做風電葉片的芯材呢？

目前風電葉片最主要的芯材類型是輕木（Ochroma lagopus），又叫巴沙木（Balsa）。輕木的細胞直徑大，細胞壁外堆積的物質相對較少。因此，木材的孔隙數量多且尺寸大。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。

輕木原產于南美洲的熱帶雨林，生長速度極快，在破土后的10-15年內迅速生長，最終可以長到近30米高。但輕木的強度欠佳，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。實際生產過程中，人們通常會發(fā)揮輕木“輕”的優(yōu)勢。由于其材質均勻、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、樂器等產品。

在上世紀的中國，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，而輕木的導熱系數較低，因此被制作成了熱水瓶瓶塞，走進了千家萬戶。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），這是因為當地的濕熱氣候和土質為輕木提供了得天獨厚的生長空間。

當然，單一的產地來源也必定存在巨大的風險，也為此后的輕木危機埋下了伏筆。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)的產量不足，并且質量參差不齊，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，當地人見證著全球風電產業(yè)“扶搖直上”的騰飛軌跡?！昂蔑L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致供不應求，一時間甚至出現了“洛陽紙貴”的現象。為了采購到充足的高品質輕木，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，進一步導致部分葉片制造企業(yè)舉步維艱，處于無“芯”可用的困境。這對全球范圍內的風電新增裝機容量產生了極為不利的影響，嚴重制約了風電的產能。

難當重任的替代品

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大于輕木。迫于無奈，制造商只能將目光轉向人造材料。

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在航空航天領域得到了廣泛應用。但風電葉片體積龐大，蜂窩芯材的價格并不親民，因此，制造商們只能另辟蹊徑。

經過多方面的探索和嘗試，材料學家發(fā)現，PVC（聚氯乙烯）、PET（滌綸樹脂）等輕質材料具有一定的應用潛力，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等產品制造商的青睞。

但這類輕質發(fā)泡也存在明顯的缺點，即泡沫中的細小空隙很容易被樹脂填充，使得其性能低于同等質量的輕木。一番權衡利弊之后，葉片設計人員也只得選擇妥協(xié)——在葉片結構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融為一體呢？一家研發(fā)復合材料的德國公司SAERTEX似乎意識到了這一點。于是，他們迅速轉變思路，在2016年推出了一款新型的芯材結構SAERfoam。

這種芯材結構主體是PU（polyurethane，聚氨酯）泡沫，而中間采用的是3D打印技術的玻璃［］纖維。據稱，這種芯材的結構性能要優(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，讓風力發(fā)電機不再依賴輕木，為清潔能源的持續(xù)穩(wěn)定供給做出貢獻。

來源：“科學大院”公眾號（ID：kexuedayuan）

作者：城明辰

編輯：jq