伴隨著(zhù)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的崛起，風(fēng)力發(fā)電機的高度由最初的二十多米迅速上升到了近兩百米。距離地面越高，風(fēng)速越大，這樣一只“人造巨獸”自然就可以發(fā)出更多的電，但與此同時(shí)，它也要經(jīng)受更強風(fēng)力的考驗。

在絕大多數人的印象里，龐大機械體的外層往往被鋼鐵所包裹，例如坦克、戰艦、飛船以及合金戰甲等。不過(guò)，風(fēng)力發(fā)電機可能有些特殊——它的身軀并非完全由堅固的金屬構成。要想知道其中緣由，還得先從復合材料說(shuō)起。

電影《環(huán)太平洋》中的機甲獵人

（圖片來(lái)源：電影《環(huán)太平洋》）

1+1>2的復合材料

由不同類(lèi)型材料組成的復合材料可以實(shí)現1+1大于2的目標。昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類(lèi)早就明白了這個(gè)道理，例如燕子巢穴的組成材料除了泥土，往往還夾雜有甘草、碎木片等。在日?；顒?dòng)中，遠古時(shí)期的人類(lèi)也逐漸認識到材料的互補效應。例如，古埃及人的金字塔就是由石灰、火山灰等作為粘合劑，混和砂石等作為砌料修建而成的。早在公元前2000年，我國便已經(jīng)出現了使用混合草莖的粘土建造的土坯房。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展拉開(kāi)了利用現代復合材料的序幕。上世紀40年代，玻璃纖維和合成樹(shù)脂實(shí)現了大量商品化生產(chǎn)，憑借其顯著(zhù)的性能優(yōu)勢，玻璃纖維增強材料（俗稱(chēng)玻璃鋼）廣泛應用于運載火箭外殼、汽車(chē)車(chē)身、飛機機翼等產(chǎn)品上。復合材料具有質(zhì)量輕、強度高、韌度高、耐疲勞等優(yōu)良的力學(xué)性能，這也使其成為了風(fēng)電葉片材料的不二之選。

由復合材料制造的航空飛機 （圖片來(lái)源：Vetrotextextiles）

風(fēng)力發(fā)電機的葉片是前端核心部件。風(fēng)電機組大型化的發(fā)展趨勢促使著(zhù)葉片尺寸不斷攀升，為保證葉片的結構可靠性和安全性，研發(fā)輕量化葉片是最直接有效的方案。雖然遠遠看過(guò)去，葉片似乎就是一根細長(cháng)的棍子。但事實(shí)上，它外表的曲面造型極其復雜，為了捕獲更多的風(fēng)能，它利用了與飛機機翼相似的空氣動(dòng)力學(xué)原理。

風(fēng)電葉片的材料組成結構

（圖片來(lái)源：sinopro-group，漢化：作者）

在旋轉過(guò)程中，葉片會(huì )持續受到氣動(dòng)力和自身重力的作用。在持續波動(dòng)的載荷面前，金屬材料往往容易因疲勞而“累壞”。這是因為，在受到反復變化的外力作用時(shí)，其機械強度會(huì )急劇下降。例如，當我們直接拉一根鐵絲時(shí)，往往難以將其拉斷，但反復彎折幾次之后，就可以很容易地將其折斷。這一特性也使金屬難以滿(mǎn)足葉片設計使用壽命的要求。雖然歷史上也曾出現過(guò)鋁合金材質(zhì)的葉片，但很快便完全被纖維復合材料所替代。

纖維復合材料一般以“三明治”層合板結構為主，在實(shí)現輕量化目標的同時(shí)，可以將結構性能發(fā)揮到極致。當前的大型風(fēng)電葉片主要是以玻璃纖維（碳纖維）和環(huán)氧樹(shù)脂為代表的增強材料、夾層中間的芯材以及粘接膠構成。雖然芯材的厚度大且位于層合板的中間位置，但與兩側的蒙皮纖維相比，它對結構力學(xué)性能提升的貢獻卻微乎其微，所涉及結構設計也相對簡(jiǎn)單。但芯材卻可以極大程度上保證層合板的穩定性，在這個(gè)角度上，它又是不可或缺的。

三明治 （圖片來(lái)源：Everyday Health）

復合材料“三明治”夾層結構 （圖片來(lái)源：ResearchGate）

運輸過(guò)程中的風(fēng)電葉片（圖片來(lái)源：gizmodo.com）

輕木：瘋狂的木頭

問(wèn)題來(lái)了，什么材料適合做風(fēng)電葉片的芯材呢？

目前風(fēng)電葉片最主要的芯材類(lèi)型是輕木（Ochroma lagopus），又叫巴沙木（Balsa）。輕木的細胞直徑大，細胞壁外堆積的物質(zhì)相對較少。因此，木材的孔隙數量多且尺寸大。輕木烘干后只有水密度的十分之一，一個(gè)成年人可以輕松抬走10米長(cháng)的樹(shù)干。它是世界上密度最小的木材。絕大多數的樹(shù)木每過(guò)一年，樹(shù)干就會(huì )生長(cháng)一個(gè)圓圈狀的年輪，然而輕木卻沒(méi)有這個(gè)特征，將其鋸斷也無(wú)法得知它的年齡。

正在切割輕木的工人（圖片來(lái)源：vseodereve.ru）

輕木原產(chǎn)于南美洲的熱帶雨林，生長(cháng)速度極快，在破土后的10-15年內迅速生長(cháng)，最終可以長(cháng)到近30米高。但輕木的強度欠佳，無(wú)法成為建筑的“棟梁之材”，也不是制造家具的理想材料。

不過(guò)，“天生我材必有用”，輕木也是如此。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，人們通常會(huì )發(fā)揮輕木“輕”的優(yōu)勢。由于其材質(zhì)均勻、不易變形且易于加工，常適合制作小型船舶、航模、沖浪板、浮標、樂(lè )器等產(chǎn)品。

在上世紀的中國，輕木受到了全民的熱烈追捧。例如，包治百病的“熱水”離不開(kāi)一個(gè)保溫瓶，而輕木的導熱系數較低，因此被制作成了熱水瓶瓶塞，走進(jìn)了千家萬(wàn)戶(hù)。此外，有著(zhù)“國球”之稱(chēng)的乒乓球運動(dòng)也給輕木提供了一個(gè)“用武之地”——輕木是一些高性能乒乓球拍的原材料。

乒乓球拍（圖片來(lái)源：drleeds.com）

那么，生產(chǎn)制造所需的輕木都從哪里來(lái)呢？目前，全球近95%的輕木都來(lái)源于南美的厄瓜多爾（在西班牙語(yǔ)中，厄瓜多爾含義為赤道），這是因為當地的濕熱氣候和土質(zhì)為輕木提供了得天獨厚的生長(cháng)空間。

當然，單一的產(chǎn)地來(lái)源也必定存在巨大的風(fēng)險，也為此后的輕木危機埋下了伏筆。其實(shí)，早在一百多年前，菲律賓、印度尼西亞和南非等國就嘗試引種輕木，形成了一定的規模。自1960年起，我國的廣東、海南、云南的西雙版納等地也紛紛加入了栽培輕木的大軍。但這些國家和地區的產(chǎn)量不足，并且質(zhì)量參差不齊，難以撼動(dòng)厄瓜多爾的絕對地位。

厄瓜多爾的位置（圖片來(lái)源：beautifulworld）

早年間，輕木供大于求，利潤有限，大批厄瓜多爾的民眾改種其它作物。十多年前，當地人見(jiàn)證著(zhù)全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)“扶搖直上”的騰飛軌跡?！昂蔑L(fēng)憑借力，送我上青云”，之前被冷落的輕木迅速成為了“香餑餑”，但不斷增長(cháng)的種植面積仍舊導致供不應求，一時(shí)間甚至出現了“洛陽(yáng)紙貴”的現象。為了采購到充足的高品質(zhì)輕木，材料代理商常年駐扎在厄瓜多爾。

即便如此，全球多個(gè)大型葉片廠(chǎng)商仍舊處于缺乏原料供給的狀態(tài)。產(chǎn)量的短缺與水漲船高的價(jià)格使得輕木市場(chǎng)變得畸形，在其運送過(guò)程中，還會(huì )出現坐地起價(jià)、“黃?！钡官u(mài)、高價(jià)攔截等亂象，整個(gè)輕木市場(chǎng)的形勢也愈加嚴峻。

雪上加霜的是，全球蔓延的新冠疫情使南美輕木的交易更為混亂，進(jìn)一步導致部分葉片制造企業(yè)舉步維艱，處于無(wú)“芯”可用的困境。這對全球范圍內的風(fēng)電新增裝機容量產(chǎn)生了極為不利的影響，嚴重制約了風(fēng)電的產(chǎn)能。

難當重任的替代品

實(shí)際上，葉片制造商早已覺(jué)察到輕木供給的不穩定性，并積極尋求可替代的材料，但其它木材的密度均遠大于輕木。迫于無(wú)奈，制造商只能將目光轉向人造材料。

在人為操作下，制造具有一定抗壓能力的低密度材料并非難事。比如，由鋁合金或纖維制造成的蜂窩芯材已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛應用。但風(fēng)電葉片體積龐大，蜂窩芯材的價(jià)格并不親民，因此，制造商們只能另辟蹊徑。

鋁合金材質(zhì)的蜂窩芯材（圖片來(lái)源：argosy international）

經(jīng)過(guò)多方面的探索和嘗試，材料學(xué)家發(fā)現，PVC（聚氯乙烯）、PET（滌綸樹(shù)脂）等輕質(zhì)材料具有一定的應用潛力，日常生活中常見(jiàn)的門(mén)窗、管道、礦泉水等塑料制品的主要成分就是PVC或PET，它們經(jīng)過(guò)發(fā)泡處理后重量大幅減小，因此這類(lèi)新型泡沫材料迅速贏(yíng)得了小型無(wú)人機等產(chǎn)品制造商的青睞。

但這類(lèi)輕質(zhì)發(fā)泡也存在明顯的缺點(diǎn)，即泡沫中的細小空隙很容易被樹(shù)脂填充，使得其性能低于同等質(zhì)量的輕木。一番權衡利弊之后，葉片設計人員也只得選擇妥協(xié)——在葉片結構承載力較小的葉尖至葉中區域，他們嘗試采用這些泡沫材料替換輕木，在一定程度上降低了對輕木的依賴(lài)。

泡沫芯材板 （圖片來(lái)源：General Plastics）

既然蜂窩芯材與泡沫芯材各有千秋，為什么不考慮將它們融為一體呢？一家研發(fā)復合材料的德國公司SAERTEX似乎意識到了這一點(diǎn)。于是，他們迅速轉變思路，在2016年推出了一款新型的芯材結構SAERfoam。

這種芯材結構主體是PU（polyurethane，聚氨酯）泡沫，而中間采用的是3D打印技術(shù)的玻璃[]纖維。據稱(chēng)，這種芯材的結構性能要優(yōu)于輕木，重量只有輕木的四分之一左右，并且成本低廉，是輕木最為理想的替代產(chǎn)品。相信在不久的將來(lái)，科研人員能夠找到更好的材料替代方案，讓風(fēng)力發(fā)電機不再依賴(lài)輕木，為清潔能源的持續穩定供給做出貢獻。

參考文獻：

[1] https://www.woodworkingnetwork.com/wood/lumber-data-trends/Balsa-Wood-Subsitute-Developed-for-WInd-Turbine-Blades-286518311.html

[2] https://www.saertex.com/en/support/specialist-articles/alternatives-to-balsa-wood-in-wind-turbine-blades

[3]http://microfabricator.com/articles/view/id/53b58d77313944d10f8b456a/new-3d-printing-material-mimics-light-weight-balsa-wood-for-use-in-wind-turbine-construction

[4]https://www.ozy.com/around-the-world/this-wood-is-key-to-wind-power-too-bad-theres-a-shortage/244454/


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