美國歐文斯科寧公司采用H3玻璃纖維制成的ULTRASPAR? 3型拉擠板材為設(shè)計更長、更輕、更強、更具成本效益的風(fēng)電葉片開創(chuàng)了新的可能性。該公司的風(fēng)電平臺主管Tom Wassenberg在其《迎接新挑戰(zhàn)的新玻璃》一文中對此作了介紹。茲翻譯如下：

無論是推動帆船穿越海洋，還是使大氣達到平衡，人類發(fā)現(xiàn)風(fēng)對地球上的生命至關(guān)重要。各種變化和進步似乎總是與風(fēng)的力量聯(lián)系在一起。不僅如此，現(xiàn)有一件事也是風(fēng)可以幫助我們解決的：全球變暖——而這十年的行動至關(guān)重要。

更輕、更長的葉片：超越挑戰(zhàn)，超越使命

風(fēng)輪葉片（來源：Owens Corning）

雖然有一個龐大的科學(xué)家群體正在設(shè)想和設(shè)計解決方案，以實現(xiàn)全球變暖僅限于工業(yè)化前1.5℃的水平，但我們知道答案的很大一部分在于我們?nèi)绾萎a(chǎn)生和使用能源。

由于潛力巨大，風(fēng)電正在快速增長。然而，有人說，為了在未來幾十年內(nèi)達到碳中和，我們需要每年安裝390 GW的新風(fēng)電容量，比目前預(yù)測的多3到4倍。是的，我們必須解決這個問題，這就是為什么我們要通過材料科學(xué)來共同創(chuàng)造新的解決方案的原因。

對一個大挑戰(zhàn)的簡短答案：A=πr2

當?shù)谝粋€大型商業(yè)風(fēng)電場開始運行時，渦輪機的額定功率為1 MW或更低，葉片長度從10 m到15 m。從那時起，原始設(shè)備制造商多年來一直在做的一件事就是增加風(fēng)力渦輪機的直徑。

簡單地說，（A=πr2）：半徑（r）越大，產(chǎn)生的能量越多（跟隨轉(zhuǎn)子的平方面積）。聽起來很簡單，但更大的渦輪機意味著更長的風(fēng)輪葉片，這是葉片設(shè)計師周期性面臨的最大挑戰(zhàn)之一：如果他們僅僅使用同樣的材料來制成更長的葉片，那么更長的長度將意味著更重的重量，這是不可接受的，因為輕重量是渦輪機效率的關(guān)鍵。

在過去幾年中，這一挑戰(zhàn)導(dǎo)致了對不同更高性能材料的探索，如碳纖維。雖然碳纖維具有性能+輕質(zhì)的優(yōu)點，但它也有本身的挑戰(zhàn)，因為它更昂貴，供應(yīng)鏈更有限，而且碳足跡高得多：1 kg產(chǎn)品約19～43 kg二氧化碳當量，而與之相比，玻璃纖維僅約2～5 kg二氧化碳當量。因此，如果現(xiàn)有的高性能材料不能完全解決這一挑戰(zhàn)，什么能解決？

智能工程

在本世紀初，當渦輪機轉(zhuǎn)子的直徑約為80 m而葉片長度超過60 m是一個遙遠的夢想時，歐文斯科寧公司就與葉片設(shè)計師合作，重新構(gòu)思了其高模量玻璃（H-glass）配方和織物設(shè)計。這使得玻璃模量實現(xiàn)了大步增長（82 GPa至87-89 GPa），此后，我們開始看到直徑超過200m的轉(zhuǎn)子，以及更長、更輕且具有成本競爭力的葉片。

如果在世紀之交，人們了解玻璃纖維可以在實現(xiàn)更具成本效益的高性能風(fēng)輪葉片方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，那么這一點在今天仍然適用，它將保持長度、重量和成本效益之間的平衡。

三步增加葉片長度和成本效益

（1）玻璃纖維行業(yè)的創(chuàng)新生氣勃勃，這意味著為風(fēng)輪葉片專門研發(fā)的下一代高模量玻纖材料還有空間。2021年，歐文斯科寧風(fēng)電團隊完成了H2玻璃的設(shè)計（目前在中國量產(chǎn)），其模量為91 GPa。現(xiàn)在，同一團隊又完成了H3玻璃的設(shè)計，模量達到95 GPa，這是另一個躍進。這兩種材料都經(jīng)過了最可靠、最精確的聲頻法模量測試協(xié)議的驗證，并且具有行業(yè)領(lǐng)先的穩(wěn)定比模量，能夠?qū)崿F(xiàn)葉片根部、殼體，尤其是主梁帽的可靠設(shè)計。

主梁帽（來源：Owens Corning）

雖然這種材料很重要，但它仍不能滿足風(fēng)電行業(yè)本身的所有需求，這就是我們下一步的目標。

（2）雖然玻璃纖維織物在提供不同葉片部件的性能方面發(fā)揮了作用，但在設(shè)計主梁帽（葉片的一種受力構(gòu)件）時，需要新的產(chǎn)品形狀因數(shù)來提供所需的性能。這就為拉擠生產(chǎn)線提供了空間：這是復(fù)合材料最穩(wěn)定、可重復(fù)、具有成本競爭力的生產(chǎn)工藝之一。在主梁帽生產(chǎn)中使用拉擠板材不僅有助于形成更長的葉片（因為與織物相比，纖維體積分數(shù)更高），而且支持更高效和更可靠的構(gòu)造，因為組成主梁帽時無需處理玻纖或碳纖織物鋪層及褶皺。這將提高葉片生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)率，因為與以前使用的工藝相比，可以把更加標準化的板材置入葉片模具中，使過程更加簡化和流暢。中國的原始設(shè)備制造商和葉片制造商已經(jīng)領(lǐng)會了更高性能玻璃纖維能夠為主梁帽帶來的好處。通過在主梁帽設(shè)計中主要采用玻璃纖維拉擠板材（就像歐文斯科寧設(shè)計和制造的并在JEC World 2022上亮相的ULTRASPAR?拉擠板材），風(fēng)電行業(yè)就已能夠經(jīng)濟高效地擴大規(guī)模，以滿足中國風(fēng)電市場的更高需求。

ULTRASPAR?拉擠板材（來源：Owens Corning）

（3）最后也是最重要的部分是真正使這一切成為可能的因素：伙伴關(guān)系。數(shù)字本身可以講述一個驚人的故事，但如果我們齊心協(xié)力將其變成現(xiàn)實，那么我們就創(chuàng)造了歷史。葉片設(shè)計有了實質(zhì)性的進展，但用來組成葉片的材料也有了飛躍，同時我們認為我們的需求還沒有得到完全滿足——成本高、供應(yīng)鏈有限、排放差?，F(xiàn)在，我們已有機會為世界制造葉片，以應(yīng)對我們面臨的挑戰(zhàn)。

除了挑戰(zhàn)之外，這還是一個必須回應(yīng)的呼吁，因為隨著世界氣候持續(xù)變化，我們也必須這樣做。