大型叶片用风力发电叶片材料树脂

风电的发展有逐渐朝低风速风场建设的趋势,为了让风力发电更有效率,降低风力发电成本,未来叶片朝大型化、轻量化发展已是必然。发电机叶片长度大于60米,对于树脂材料的操作时间、力学性能要求更高,因此针对大型叶片用的树脂、胶黏剂材料是研发的重点;此外,叶片的轻量化碳纤维材料具有质轻高强的特点,因此也开始应用于大型的叶片上,针对碳纤维複合材料在叶片上的应用,展开了预浸料、拉挤碳纤维板材的研发。

(1)长胶化树脂:在叶片裂作的过程中,探用真空灌注工艺,大型的叶片需要更长的可操作时间.以确保树脂与纤维能够有良好的浸润,因此需进一步 延长环氧树脂的可操作时间。

(2)大叶片专用胶黏剂:胶黏剂的功能为黏结上下二片的叶片, 是叶片材料中非常关键的材料,许多叶片的失效.都是由于胶黏剂的破坏。大型叶片对于胶黏剂的接著性能、韧性、疲劳性能都有更高的要求。

(3)碳纤维预浸料与拉挤板材:莱片大型化后,为了让莱片轻量化以增加发电效率, 会在大标的部分探用碳纤维複合材料,因此碳纤维预浸料以及拉挤板材,也是目前积极投入的项目。

风电叶片的回收危机

美国每年约有8,000片风电叶片要报废,欧洲到2022前每年也有约3,800片,且问题会愈来愈大,因为这些待废风机多数都在十多年前兴建,当时数量还不到现在的五分之一,未来需要处理的叶片会愈来愈多。因此就来稍微介绍一下他国如何处理。

先简介一下美国风机简史:美国第一座风机于1980年在新罕布什尔州兴建,随后加州在旧金山以东的阿尔塔蒙山口(Altamont Pass)建置了数千台风机,早期的风机效率不佳,但1992年国会通过风电减税后,製造商投资了更强大的设计,使钢骨上升260英尺,并以玻璃纤维做为叶片材质。十年后,GE推出业界标准的1.5MW模组,足以靠正常的风量供应1,200户住户的用电需求。

风机在生命週期结束后必须卸除,由于一支风电叶片的长度可以比一架波音747的机翼更长,因此在除役时无法直接搬走,须先以含鑽材质的工业用锯割断玻璃纤维,将之裁切成三块,再绑在大型牵引车上载走。这些卸下的风电叶片无法回收,除了堆放在垃圾掩埋场,几乎没有别的方式处理。在美国,它们最后会落脚在少数几个位在爱荷华州或南达科塔州的空旷掩埋场,埋于地表30英尺以下,但永远不会被分解,成了名符其实的风机坟场。

其实一台风电机中约85%的组件(钢骨、铜线、电子设备、齿轮装置)都可回收或再利用,唯独叶片的部分仍然无法处理,主因来自它的材质,由于风机的设计须可承受飓风威胁,而使用非常坚固的玻璃纤维做材料,极为不易被压碎和重製。另外一个原因来自成本:风机叶片的体积很大,有些甚至和一座足球场等长,大型载具一次只能拿走一支叶片,若要长途迁移至回收场,运输成本实在太高。

而根据美国的资料显示,掩埋的成本约为每公吨59美元元,一千根风电叶片根据目前看到的资料掩埋费用约为七十万美元,相较除役一架风机叫要六十万美元来说,仅占了其中一小部分。

而严格限制垃圾淹埋物种类的欧盟,会将部分风电叶片拿到水泥工厂的窑炉或发电厂中燃烧,但这些叶片的产能很弱,且能量分布不均匀,燃烧中的玻璃纤维还会排放污染,因此科学家试图寻找更好的方法,希望能从玻璃纤维中分离出较小的颗粒。一家新创公司Global Fiberglass Solutions开发了一种将叶片压解成颗粒与纤维板的技术,分解出来的材质,可以拿来做地板和牆壁的部分原料,且已在全美最大风场、德州的Roscoe风场附近设厂生产样品,接下来还计画在爱荷华州设厂。

在叶片的回收技术成熟之前,市府和民营垃圾掩埋场将处理大部分的风机废物,美国风能协会认为这是最安全、最便宜的做法,协会表示,不同于其他能源的废弃物,以掩埋法处理风机叶片是安全的,且仅佔垃圾总量的一小部分,根据电力研究所(Electric Power Research Institute, EPRI)的研究,到2050年,所有报废的叶片仅佔2015年垃圾场总废弃物的0.015%。

生生不息的永续风电叶片片回收计划

风力发电在未来能源结构中将占重要的角色。根据欧洲风力交易协会预测,在风力发电技术的持续创新下,风能发电成本将低于核能发电,成为民众可负担的洁淨能源。欧洲所有风场发电量总合将占各类能源发电总合的7%。然而,风电每瓩需要10 公斤风力叶片材料,预计2020 年将会有约50 万公吨的风机叶片因使用年限到期遭淘汰。在环境永续的概念下,如何处理废弃风机叶片对环境造成的污染,将是风力发电的重要关键。

风力发电机主要包含塔架、叶片传动系统、机舱以及叶片等4 个部分,叶片是风力发电机组中较难回收拆解利用的零组件,废弃风机叶片有三种回收模式:建材应用、重複使用以及裂解;由于建材应用与重複使用方式较为受限,裂解将是未来的回收主力方式。目前Iberdrola 已投入100 万欧元成立BRIO 专案,与西班牙的GAIKER-IK4 和Tecnalia 两所研究中心,对风电叶片片回收的研究进行开发,降低裂解成本,并发展出更高品质的複合材料。

风电叶片回收/循环经济 /风电

风电叶片(主要以玻璃纤维製成)使用年限届满后,须做妥善处理。在美国,今后四年每年将拆除约8,000片叶片;欧洲地区至少到2022年前,每年约有3,800片叶片退役。目前风力发电85%的机组零件可回收和再利用,包括钢铁、铜线、电机及齿轮组,唯独玻璃纤维叶片较难处理。

美国新创公司「全球玻璃纤维解决方案(Global Fiberglass Solutions, GFS)」已开发出一种方法,将叶片分解并压碎成颗粒状或板状物,以用于地板及牆面。该公司已在美洲最大的风力发电场附近、位于德州甜水镇(Sweetwater)的工厂开始生产样品,并规划于爱阿华州开设另一间工厂。

另丹麦新创公司Miljoskarm 也开发出另一种处理技术:将风电叶片磨成细碎粒,置入回收塑胶製成之盒框内并製作成隔音板,其效果媲美铝隔音板,但维护需求较低。依该公司初期产能,预计2020年可处理3-6支风机叶片(相当于50-100公吨),目前该公司正筹募资金1-2百万欧元,以扩增产能。