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離岸風力機的雙臂,葉片技術初探

更新日期:2019年8月6日

撰文者:綠能科技產業推動中心技術發展組 林曉琪副研究員 2019年8月


  繼前篇〈離岸風力機的雙腳,水下基礎技術初探〉後,接續來談談離岸風力機的雙臂,按經濟部工業局「離岸風力發電產業關聯執行方案審查作業要點」規定,除了上緯,其餘開發商均須達成在地採購承諾,包含應說明開發專案預計採購的產品、規格、廠商名稱等等;前篇談的水下基礎,是早至2021年或晚至2025年併網的開發商,都必須承諾在地採購的項目,而本篇所談的葉片及其樹脂,為排序較後的在地化項目,在2024至2025年併網的開發商才須滿足此項要求。


  相較於其他風力機的組件,對於風力機葉片的測試或認證的規範,可稱得上最嚴格,不同風場環境,挑戰不同,歐洲風場在冬日極為寒冷時,葉片可能結凍而無法轉動,台灣風場則是在夏日颱風肆虐時,葉片可能轉動過快而造成熱損傷,無論那一種因素,一旦葉片停止運轉,風力機便無法擷取風能,如同人的頭腦,下了動作或指定,還須仰賴雙手進行。


風力機的雙臂,成形作業繁複而細膩

  葉片視同風力機的手臂,其形狀與組成對於風能截取影響甚大,風力機的葉片若以外觀區分,有扁平葉片(Flat blade)與彎曲葉片(Curved blade)兩種,扁平葉片最常見的形式即是荷蘭風車,風力機則使用彎曲葉片。


圖:MHI Vestas風力機葉片/資料來源:作者於丹麥Esbjerg港口拍攝


  葉片若依結構區分,有工字型結構(Beam Spar)或箱型結構(Box Spar),在材料厚度一樣的前題下,箱型結構較能平均承受風壓,近年來系統商Siemens與Vestas的風力機葉片均以工字型結構為主。


圖、風力機葉片結構示意圖,左為工字型結構,右為箱型結構

資料來源:http://asntpnws.com/Composits/Lamarre.pdf

  就製造過程而言,生產出一片完整的葉片,工字或箱型結構的程序差不多,並無哪一種比較困難或比較容易的問題,而是系統商基於製造成本或出貨時間的考量,決定採用何種葉片結構後,再向葉片製造商下訂單。


  葉片若按材料區分,主要材料為玻璃纖維(Fiberglass)﹝註1﹞或碳纖維(Carbon Fiber)﹝註2﹞,內部芯材材料則以巴爾沙木(Balsa)﹝註3﹞與聚合泡棉(Polyvinyl Chloride)﹝註4﹞構成,由於處於整座風力機的最高處,大部份葉片均有不鏽鋼或鎢合金的接閃器以防止雷擊。


圖、風力機葉片結構與材料示意圖

資料來源:Wind Power Engineering & Development;作者製圖。

  葉片的製造並非一體成形,而是先將各半的玻璃纖維或碳纖維及樹脂混合的材料,灌入葉片模型,待冷卻取出後,再覆蓋上千片的玻璃纖維或碳纖維,最後以結構膠將兩半黏合,自模具製作、材料鋪層、真空灌注、黏合、塗料以及噴漆等等,工藝繁複,仰賴大量的技術人力,任何微小的瑕疵都有可能影響葉片的效率,每一隻葉片的製造都考驗著技術人員的專注度。


輕薄卻強韌,複合材料的隱形力量

  相同形狀的葉片,葉片偏厚,受到的空氣阻力會愈大,葉片偏重,旋轉過程中所要克服的機械摩擦阻力愈大,均不利帶動風力機的轉動;葉片位於風力機的至高點,伴隨風力機技術與製造愈加成熟,對於葉片輕量化亦愈加要求。


  為達到葉片輕量化,在材料選擇上,製造商逐漸捨棄偏重的鋼材、鋁合金,而改使用複合材料(Composite Materials);所謂「複合材料」,是由金屬、陶瓷或高分子材料等兩種,或兩種以上的材料,經過複合加工截長補短,發揮材料綜合效果,例如碳纖維原本就屬於質量輕的材料,與樹脂結合後,不但不影響重量,還可展現非常高的強度與硬度。


  原本的就已緊密結合的分子鏈,經由一片片堆疊的工藝手法,逐漸形成輕薄卻不失強韌的力量,不旦能防腐蝕、防磨耗,還能對抗紫外線、對抗濕氣,壽命遠遠超過任何大型複合結構物的使用年限。


  產品品質可不是葉片製造商說了算,除了檢附材料的身分證以外,葉片製造商得通過IEC 61400-23的測試,例如為了確保葉片不會因為長時間運轉或因為承受過大的風壓而產生裂縫,單單是葉片的彎曲幅度,就需要測試至少百萬次,有些葉片製造商甚至測試達千萬次,以證明自家產品,就是禁得起時間的考驗。

響應綠能,建構上中下游產業鏈

  複合材料產業在台灣已發展三十多年,初期由業者自行研發配方,以玻璃纖維強化塑膠的工業為主,且以出口居多,在不斷引進新設備與國內學研機構投入改良研究的推波助瀾下,複合材料產業愈加成熟,除了一般民生用品以外,也走向高規格或客製化的產品,早在發展離岸風電之前,複合材料已佈及交通建設、運動產業。


  複合材料的開發與應用,已成為世界各國關注課題,其中有關碳纖維的研究,頗受注目,例如機身輕量化,可使客機飛行時更加省油,而葉片輕量化,則是有助風力機的轉動,然而,不僅僅只是複合材料的使用,葉片尚涉及包括脫模劑、結構膠、塗料、扣件、避雷線路等等類別,有鑑於此,國內相關業者成立離岸風電葉片產業鏈聯盟,透過建構完整葉片的供應鏈體系,為相關業者開拓更多市場機會。


  葉片正呈現著全球複合材料產業的發展趨勢-以高技術與高品質的產品為目標,相較於水下基礎或鑄件、扣件,葉片及其樹脂的在地化雖然排序較後,但以台灣發展豐富複合材料產業經驗為基底,形成產業群聚優勢,呼應在地化政策的同時,進而培養更多優秀的設計或材料人才。


本文所提及之材料說明

註1:

  在碳纖維出現之前,最常被廣泛應用的為玻璃纖維,玻璃纖維的主要原料是二氧化矽、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等化學材料,經過加溫、加壓的工法形成,具有耐高溫、韌性亦強,但因易脆化、不耐磨,因此需要與其他材料結合來強化材料特性,常見用品如球拍、高爾夫球竿、汽車保險桿。

註2:

  碳纖維是由碳元素組成的纖維,不只是輕,其分子鏈排序緊密,使其具有相當的韌性,製程費時是目前價格偏高的主要因素,因此多用以生產特殊規格產品,如腳踏車、汽機車的車身,亦或是航空客機的機身,近年來已有廠商利用碳纖維開發出新產品,如行李箱或是醫療用的頭部固定器,期望藉由產品端的應用來降低製造成本。

註3:

  巴爾沙木又稱輕木,是世界上最輕的木材,卻生長最快,適合生長於高溫多雨區域,台灣南部已有人工引種,其重量比火柴還輕,常用做模型木材。

註4:

  聚酯原料加上發泡劑後,膨脹而凝固的個體即是泡棉,常見於床墊、沙發與座椅,也可用於隔音或清潔用品,差異在於泡棉成分或密度的不同,而聚合泡棉即是將泡棉再加工與黏著,以增加硬度與支撐性。  

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