我国风电产业笑傲全球却被小小“木头”卡脖子？轻木比碳纤维还难突破么

2022-02-24 14:40:07  信息编号：K212619  浏览次数：130

提起中国的风电产业，可以说傲娇全球，领先世界，风力发电需要的全部原材料咱们自己在国内几乎都能生产，但是有一种材料我们生产不了，只能靠进口，你知道是什么吗？

直接上答案：轻木。估计很多人都没听说过“轻木”这个词，玩航模的朋友可能会熟悉，难道风力发电机组也需要它吗？带着这个疑问我们来深度了解一下。

轻木是什么？

“轻木（Ochroma lagopus）”，是木棉科轻木属的唯一成员，原产热带美洲，目前亚洲、非洲很多热带国家都已引种栽培。它不仅是中国最“轻”的树，也是世界上最“轻”的树。说到“轻”，更准确的形容应该是“密度低”，因为“轻重”的概念涉及的是物质的质量（或重量），或轻或重和物质的多少有关，而密度这一属性和物质的多少无关。

我们常说的“轻”，是默认了物质在相同体积下有着更低重量。轻木的干重密度只有0.12克/立方厘米，大约是水密度（1克/立方厘米）的1/8，因其材质均匀、易加工，可用作多种轻型结构物的重要材料，如航空工业中的夹心板材料；由于木材结构变异小，收缩膨胀小，体积稳定性较好，轻木可以做各种展览的模型或塑料贴面板等材料；由于其导热系数较低，轻木还是一种很好的绝热材料；此外，轻木还可以做隔音设备、救生胸带、水上浮标等。因此轻木成为了世界上最轻的商品用材。

那它为什么会这么“轻”？影响木材密度的因素又有哪些呢？

通过对木材微观结构的研究，科学家发现，阔叶树种木材主要的组成细胞为导管分子、木纤维、轴向薄壁细胞和木射线细胞，而其中的木纤维的长短、壁厚等指标直接影响木材密度的大小。无论是通过光学显微镜还是电子显微镜来观察木材构造，都可发现，细胞的存在造就了木材特有的多孔隙特征。木材孔隙的数量用体积孔隙度来计算，有研究发现轻木的体积孔隙度为83.9％，也就是说在相同的放大倍数下，轻木木材的细胞直径大，细胞腔大，轻木的孔隙无论是数量还是大小都比其他木材大。而孔隙越多，木材的密度越低，木材就轻，反之，木材的密度高，木材就重。

除了孔隙之外，木材最重要的部分就是细胞壁物质。对于一种木材来说，如果细胞壁越厚，实体部分越多，相应的木材密度也就越大。轻木生长在热带地区，但生长速度和其他树种差别很大。轻木生长速度快，五年即可成材**伐利用，因此细胞壁物质堆积得少，细胞壁厚度小。再者，有些木材在生长过程中，细胞腔里会沉积如晶体、树脂及树胶等内含物，这些物质的存在也会增加木材的密度。但科学家在轻木木材细胞里并没有发现沉积物。

那么，这个轻木，和风电叶片又有什么关系呢？

风机扇叶的结构

我们常看到的风电机组就是一个高高的杆上带着一个大扇叶，扇叶在专业上叫叶片，靠它来接受风能，再转化成电能。风力发电机组大小不同，叶片的形式也不同。小型的风力发电机叶片通常采用整块的优质的木材加工而成，在表面涂上保护漆。有的叶片还会采用玻璃纤维或其它复合材料做蒙皮，效果会更好。但是大、中型的风机如果使用木质叶片时，整块的优质木料不好找，就用多块纵向木条用胶粘连在一起，这里的木条就是优质木材制作的层压木。

有些木质叶片的翼型前端还会采用层压木，但是后缘部分会采用质量很轻的材料，表面再包覆上玻璃纤维形成整体，这样做最大的好处是减轻叶片的整体质量，使翼型重心前移，这样可以减少叶片转动时产生的不良振动。那什么材料既轻又结实呢？优选的材料就是轻木。但是，轻木我们不生产。这里暂且按下不表，一会重点提到。

既然轻木我们不生产，那只剩下两条路可以走，要么进口轻木，要么改变翼型选材，于是产生了以下几种中空的翼型。比如有的叶片用一根金属管做受力梁，用蜂窝结构做中间的填充物，外面再包上一层玻璃纤维，有些中型机组叶片用金属挤压成型件，或用玻璃纤维、环氧树脂抽压成型，不过这种缺点也很明显，就是整个叶片难以实现宽度、厚度的渐缩形状，也就是叶片横断面不能改变，效率降低。

为了更经济，有些小型风电机组甚至内部只用管梁，再在外部配合具有气动外形的厚玻璃纤维蒙皮制成。

大中型机组叶片多选用轻木

通过对风电机组叶片的翼型介绍，大家可以看到在大中型风电机组的叶片中，选择轻木做填充物的占到很大比例，也有一部分采用高强度的复合材料。

为什么风电产业对轻木那么情有独钟呢？轻木的主要特点就是质轻，是世界上已知最轻的商品用材，比重仅为0.10～0.20 克/立方厘米，而且具有较好的强度，隔音和隔热性能特别好，是制造风力发电机叶片的最好原料。到了现代，轻木的用途进一步拓展，人们发现用它制作风电机组的叶片效果特别好。因为这种材料既轻又坚固，人们把轻木和尼龙丝结合起来，做成轻木夹芯板，还能够弯曲成型，在外面涂覆上玻璃纤维布及高强度环氧树脂，固结以后叶片的强度比轻木本身提高30倍。如果制作成长度40～60米的风电叶片，可以达到15年内免维修。

600亿美元大产业，我们当然不会轻言放弃

中国科学院西双版纳热带植物园退休教授邹寿青说：“考虑到碳达峰和碳中和的目标，清洁能源成为一个非常重要的问题。所以国家需要轻木。”

邹寿青从上世纪60年代以来一直在中国从事轻木研究。他曾带领一个团队在云南省的西双版纳***种植热带树木，目前是**个商业性轻木种植园的顾问。

与老挝和缅甸接壤、少口以少数民族傣族为主的西双版纳2020年和2021年种植了大约4平方公里的轻木。邹寿青表示，计划种植更多轻木，从而可能满足全国需求的大约10%。

尽管欣欣向荣的风电产业已经促使许多农民从种植橡胶树转向种植轻木，但国内的轻木种植业尚处于起步阶段。一棵轻木树至少需要生长4年时间才能成材，因此中国的首批商业性轻木要等到2024年才可以收获。

邹寿青认为，需要持续发展种植，否则仍然会不够用。

中国国内的种植努力将不能完全取代进口。中国每年进口总计大约100万立方米的轻木——这些木材足以供填满整座帝国大厦。但是国内种植将提供一定的缓解。据伍德麦肯兹咨询公司称，在截至2020年中期的15个月里，来自中国和美国不断飙升的需求导致轻木价格上涨近两倍。

风力涡轮机行业对这种木材的需求巨大。这种坚硬的轻质木材可以作为叶片核心的主干，夹在两层玻璃纤维之间以增加强度。根据美国能源部的一项报道，一条100米长的涡轮机叶片可能需要1229公斤的轻木。

轻木还面临着来自更为廉价的替代材料——聚对苯二甲酸乙二酯（PET）——的竞争。在2019年和2020年的轻木供应短缺期间，这种轻质、坚固的树脂材料被更多主要风电公司的涡轮机设计所采用。据伍德麦肯兹咨询公司称，PET树脂可望超越轻木成为涡轮机叶片使用的主要核心材料，到2025年在全球份额中占到大约60%。

不过伍德麦肯兹咨询公司的咨询师沙希·巴拉说，轻木将会维持相当大的比例，主要是在海上风力涡轮机中。由于维修成本比陆上风力涡轮机更为昂贵，海上风力涡轮机原材料的可靠性受到高度重视。他说：“轻木始终存在固有的优势。将会有稳定的需求。”