超大型玻璃纤维风电叶片。（受访单位供图） |
崇山峻岭上，一排排“大风车”矗立。一片片百米长的风电叶片，宛如“钢铁巨人”的长臂随风舞动，成为一道独特的风景线，更是源源不断地将风能高效转化为绿色电能。
“大风车”上的风电叶片之所以“筋骨”强健，刚度、强度都很高，得益于一种关键材料——超高模量玻璃纤维的应用。别看这种纤维的单丝直径仅为头发丝的十分之一，它却是推动风机大型化和提高发电效率的最大“功臣”。
8月28日，2024年度重庆市科学技术奖正式揭晓，重庆国际复合材料股份有限公司（以下简称国际复材）等单位完成的“超大型高模量玻璃纤维风电叶片关键技术开发及产业化”项目，获得重庆市科技进步奖一等奖。
必须啃下“硬骨头”
风电叶片是风电所需关键部件，风机的功率与风轮扫风面积成正比。简单说就是，要捕获更多风能、提高发电效率、降低每度电的成本，最有效途径就是制造更长的叶片。
从10多年前起，全球风电产业逐渐向风机大型化发展。然而，叶片长度的增加，会让重量和所承受风载急剧增加，进而导致叶片在工作中出现巨大弯曲变形。
要发展超长叶片，必须解决“刚度不足”和“重量失控”的技术难题。
“高模量玻璃纤维是一种刚度极高的增强材料，主要应用于风电叶片的主梁上。”国际复材董事长江凌介绍，高模量玻璃纤维的使用能大幅提升叶片的抗弯曲能力，保障超长叶片的安全性，同时有效减轻叶片重量和提升抗疲劳性能。
实际上，早在2010年，国际复材就成功研发出模量为90GPa（吉帕）的高模量玻璃纤维生产线，能生产长度90米的风电叶片，填补了国内高模量玻璃纤维产品空白。这一长度，已经是当时业内最高水平。
要往模量更高方向发展，让叶片达到百米级，很长时间内国际复材做不到，全球范围内也没有相关技术。
是否对百米级风电叶片发起攻关？这一道难题摆在了国际复材面前。
“这项研发投入大，风险大，但不搞这个研发的话，就可能面临被市场淘汰的命运，风险更大。”江凌坦言。
经过公司内部反复研判，国际复材最终决定：自主研发超高模量玻璃纤维，啃下这块“硬骨头”！
达到国际先进水平
投入5000多万元，建立全新实验生产线，引进更多专业人才，组成新的攻坚团队……一场关键核心技术攻坚战在国际复材打响。
“通过产学研合作，我们陆续攻克了一系列技术难题，尤其是在超高模量玻璃纤维配方设计开发、玻璃纤维表面处理技术、高玻纤含量拉挤板成型、超大型叶片设计及制造等方面，达到了国际先进水平。”项目负责人黄伟九说。
这并不容易。以超高模量玻璃纤维配方设计开发为例，团队耗时两年多，对百余组玻璃纤维配方进行了实验，才最终实现突破。
中试车间，项目团队在炎炎夏日，顶着50多摄氏度的高温，长时间蹲守在熔炉边上，寻找玻璃纤维“拉丝不成型”的原因……
功夫不负有心人。2018年底，项目团队研发生产出95GPa的超高模量玻璃纤维。2024年初，国际复材推出迭代升级产品，模量达到100GPa，以其制作的风电叶片长度可超过110米，即使在遭遇千吨拉力后，仍能瞬间复原；哪怕是在极端暴风雪天气中，也能抵御形变。
目前，该项目团队研发的主要产品已经获得英国劳氏（LR）、挪威船级社（DNV）、美国FDA、中国船级社等产品认证，形成国家标准20项和行业标准1项。
推广到航空航天等领域
目前，项目成果在国际复材、重庆风渡新材料有限公司、重庆重通成飞新材料有限公司等企业和单位形成了高模量玻纤材料、风电叶片设计及制造等风电叶片全产业链。
“2024年底，我国风电能源占比达9.1%，已成为国家新型能源体系的重要组成部分。未来，随着风电规模的不断扩大，我们将迎来更大发展机遇。”江凌介绍。
江凌表示，国际复材将持续联合产业链上下游，协同推进产学研合作，不断深入研究大尺寸风电叶片在不同工况条件下的材料疲劳、老化等长期性能模型，进一步开发超高模量玻璃纤维与碳纤维、芳纶纤维等高性能材料复合协同技术，推动我国风电行业的技术发展，助力重庆打造万亿级先进材料产业集群。
据了解，项目团队研发的超高模量玻璃纤维还逐步推广应用到其他行业领域，比如轨道交通、新能源汽车、光伏与基建、航空航天等。
