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%。