張文毓

中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所　河南洛陽　471023

風(fēng)電葉片復(fù)合材料及其應(yīng)用

張文毓

中國船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所河南洛陽471023

介紹了風(fēng)電葉片復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用進(jìn)展，展望了風(fēng)電葉片采用復(fù)合材料的市場前景。

風(fēng)力發(fā)電；葉片；復(fù)合材料；應(yīng)用

1　風(fēng)電葉片材料研究現(xiàn)狀

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的關(guān)鍵部件之一，風(fēng)機(jī)在工作過程中，葉片要承受強(qiáng)大的風(fēng)載荷、砂石粒子沖擊、紫外線照射等作用，因此必須對葉片體系進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和改進(jìn)，使其能滿足在惡劣環(huán)境下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)要求。復(fù)合材料由于具有密度低、比強(qiáng)度高，以及良好的抗疲勞、抗蠕變、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)今風(fēng)機(jī)葉片的首選[1]。

我國風(fēng)機(jī)葉片的主要原材料是樹脂和增強(qiáng)體材料，樹脂有不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂，增強(qiáng)體材料有玻璃纖維、碳纖維，以及碳纖維和玻璃纖維混雜材料[3]。

復(fù)合材料葉片的主要優(yōu)點(diǎn)如下： ① 質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，剛度好，具有可設(shè)計(jì)性，可根據(jù)葉片受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度與剛度，從而減輕葉片的質(zhì)量；② 沖擊缺口敏感性低，內(nèi)阻尼大，抗振性好, 抗疲勞強(qiáng)度高；③ 耐候性好，可滿足在酸、堿、水汽等各種氣候環(huán)境下的使用要求；④ 維護(hù)方便，除了每隔若干年對葉片表面進(jìn)行涂漆外, 一般不需要大的維修[4]。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是一個(gè)由復(fù)合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu), 一般由根部、外殼和加強(qiáng)筋組成，復(fù)合材料在整個(gè)風(fēng)電葉片中的質(zhì)量一般占到90%以上。

1.1　熱固性復(fù)合材料

早期的風(fēng)電葉片一般采用木材制備，隨后出現(xiàn)了金屬蒙皮葉片、布蒙皮葉片、鋁合金葉片等。隨著聯(lián)網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，大型化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)越來越多。由傳統(tǒng)材料制造的葉片在使用時(shí)某些性能已達(dá)不到要求，于是具有高比強(qiáng)度的復(fù)合材料葉片發(fā)展起來，目前幾乎所有的葉片均采用以復(fù)合材料為主體進(jìn)行制造。

在樹脂基體方面，葉片材料使用的大多是熱固性樹脂基體，熱固性樹脂的優(yōu)點(diǎn)是固化溫度低、黏度低。早期在葉片材料上使用的熱固性樹脂是聚酯樹脂，聚酯樹脂價(jià)格低廉，成形工藝好，但固化時(shí)收縮率大，放熱劇烈，成形時(shí)會(huì)有一定的氣味和毒性，且性能一般。隨著葉片向大型化發(fā)展，環(huán)氧樹脂替代了聚酯樹脂，并逐漸成為葉片材料中最常用的樹脂基體。

1.2　熱塑性復(fù)合材料

目前，葉片使用的熱固性復(fù)合材料很難自然降解，其廢棄物一般采用填埋、燃燒等方法處理，對環(huán)境造成了很大的危害。為此，一些風(fēng)電葉片制造商開始研制熱塑性復(fù)合材料的葉片，即綠色葉片。

一般情況下，與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料有很多優(yōu)點(diǎn)，如可重新回收利用、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)效率高、耐腐蝕性強(qiáng)、比強(qiáng)度和比剛度高、耐沖擊性好、環(huán)保性好等，在尺寸相同的情況下，因熱塑性復(fù)合材料的密度較低，故葉片更輕，使運(yùn)輸和安裝成本也相應(yīng)降低，有些熱塑性樹脂的成本甚至比傳統(tǒng)熱固性樹脂的成本更低。根據(jù)有關(guān)資料介紹，如果采用熱塑性復(fù)合材料制造葉片，每臺(tái)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用的葉片質(zhì)量可以減輕10%，抗沖擊性則大幅提高，制造周期至少縮短1/3，而且可以完全回收和再利用。

當(dāng)人類文明從傳說時(shí)代進(jìn)入信史時(shí)代，石頭開始成為了人們的審美對象，被人們賦予了特定的審美內(nèi)涵，石頭就從一般的自然資源上升成為觀賞石資源，進(jìn)而成為了觀賞石文化。從這一刻起，人類就在情感和理性上形成了對石頭的全新的感恩與崇拜意識(shí)，人類的石文化情結(jié)延續(xù)數(shù)千年，根深蒂固，源遠(yuǎn)流長。

熱塑性復(fù)合材料葉片的優(yōu)點(diǎn)如下： ① 綠色環(huán)保, 加熱呈塑性，成形工藝不是化學(xué)反應(yīng)，不產(chǎn)生易揮發(fā)有機(jī)化合物，報(bào)廢后可回收；② 線性熱塑性樹脂的分子鏈不交聯(lián)，沒有固化周期，預(yù)型品從模具中取出后仍處于高溫狀態(tài)，成形功能持續(xù)進(jìn)行；③ 成形工藝較簡易，可加熱或焊接，小型葉片可采用注塑成形；④ 比強(qiáng)度高，在質(zhì)量相同的條件下，強(qiáng)度高于熱固性復(fù)合材料的葉片；⑤ 葉片輕巧，為提高剛度，可將葉片設(shè)計(jì)為具有機(jī)肋和機(jī)梁的機(jī)翼： ⑥ 機(jī)械性能較好，比剛度、延伸率、破壞容許極限均較高；⑦ 延展性好，裂紋延伸速度較慢，耐沖擊性能好： ⑧ 耐腐蝕性好，具有阻燃、阻煙、低毒性等特點(diǎn)[5]。

然而，使用熱塑性復(fù)合材料制造葉片的工藝成本較高，成為阻礙熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用于葉片的關(guān)鍵因素。最近，愛爾蘭Gaoth風(fēng)能公司、日本三菱重工公司和美國Cyclics公司正在聯(lián)合開發(fā)低成本的熱塑性復(fù)合材料葉片制造技術(shù)。預(yù)計(jì)隨著熱塑性復(fù)合材料制造工藝技術(shù)研究工作的不斷深入，以及相應(yīng)的新型熱塑性樹脂的開發(fā)，安全快捷地制造熱塑性復(fù)合材料葉片將逐步成為現(xiàn)實(shí)[6]。

隨著全球風(fēng)電市場的加速發(fā)展，風(fēng)機(jī)葉片的產(chǎn)量逐年增加，退役葉片的回收處理將是一大難題，目前解決的方法是發(fā)展可回收利用的熱塑性復(fù)合材料葉片。除此之外，熱塑性復(fù)合材料葉片的潛在優(yōu)勢可以幫助葉片制造商加快葉片生產(chǎn)過程，提高生產(chǎn)效率。因此，越來越多的葉片制造商投入到對熱塑性復(fù)合材料葉片的研究和開發(fā)中[7]。

1.3　生物質(zhì)復(fù)合材料

目前，生物質(zhì)復(fù)合材料已成功應(yīng)用于汽車、航空、建筑、包裝和風(fēng)電等領(lǐng)域。天然纖維根據(jù)來源可以分為三類： 植物纖維、動(dòng)物纖維和礦物纖維。在天然纖維中，研究較多的是植物纖維，植物纖維的力學(xué)性能不如碳纖維，但一些天然植物纖維的力學(xué)性能可以和玻璃纖維相媲美。天然植物纖維與合成纖維相比，具有成本低、密度低、比強(qiáng)度高、韌性足、能耗低、可降解、來源豐富等優(yōu)點(diǎn)[8]。

風(fēng)電葉片使用生物質(zhì)復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)包括剛度高、穩(wěn)定性好、低溫阻尼佳、成本低、可再生性好，且廢舊產(chǎn)品易處理，適用于大型葉片。

木質(zhì)纖維復(fù)合材料用于風(fēng)電葉片在國內(nèi)外的實(shí)例很多，在我國，木質(zhì)纖維復(fù)合材料的木材是來源廣泛的杉木和竹子，國內(nèi)一些公司已經(jīng)制造出了竹質(zhì)生物質(zhì)復(fù)合材料葉片。2010 年，山東世紀(jì)威能生產(chǎn)出國內(nèi)第一支40.3m、1.5MW竹質(zhì)復(fù)合材料風(fēng)電葉片，這一葉片通過了動(dòng)載荷及靜載荷試驗(yàn)，且已通過我國新能源領(lǐng)域的權(quán)威認(rèn)證，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)。

1.4　新型風(fēng)電葉片復(fù)合材料

碳納米管具有強(qiáng)度和剛度特別高的性能，彈性模量超過1TPa，拉伸強(qiáng)度達(dá)到200GPa，這些性能可使其作為理想風(fēng)電葉片復(fù)合材料的增強(qiáng)相。美國科學(xué)家已成功制造了碳納米管增強(qiáng)聚氨酯風(fēng)電葉片，這一葉片與傳統(tǒng)增強(qiáng)環(huán)氧樹脂葉片相比，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐久性好的特點(diǎn)。

另外一種有價(jià)值的增強(qiáng)材料是石墨烯，與以碳納米管作為增強(qiáng)相的復(fù)合材料相比，石墨烯性能更優(yōu)越，有望用于制備風(fēng)電葉片。

2　風(fēng)電葉片復(fù)合材料應(yīng)用進(jìn)展

發(fā)展風(fēng)能產(chǎn)業(yè)是世界各國的共識(shí)，風(fēng)能具有清潔、安全、無限的特點(diǎn)，有著廣泛的工業(yè)開發(fā)前景。我國的風(fēng)能資源十分豐富，風(fēng)力發(fā)電尚處在起步階段，風(fēng)電發(fā)展水平明顯滯后于歐美發(fā)達(dá)國家。根據(jù)國家發(fā)改委的規(guī)劃，未來15年我國風(fēng)電設(shè)備市場規(guī)模將超過2000億元，而葉片占風(fēng)力發(fā)電整個(gè)裝置成本的15%～20%，可見葉片的市場可達(dá)400 億元[9]。

2.1　碳纖維

碳纖維復(fù)合材料葉片的技術(shù)開發(fā)與研究順應(yīng)葉片大型化和輕量化的方向發(fā)展。碳纖維增強(qiáng)材料的拉伸彈性模量是玻璃纖維增強(qiáng)材料的2～3倍，大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)材料可充分發(fā)揮其彈性高和質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。碳纖維葉片的幾何輪廓可以設(shè)計(jì)得更薄更細(xì)長，同時(shí)，葉片質(zhì)量的減輕和剛度的增大可以有效改善葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，減少對塔和輪軸的負(fù)載，使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑、更均衡，提高能量效率。充分利用碳纖維增強(qiáng)材料的特性，還能制造自適應(yīng)葉片，發(fā)電成本有望進(jìn)一步降低。利用碳纖維的導(dǎo)電性能避免雷擊，可以有效避免雷擊對葉片造成的損傷。目前，研制者已開始根據(jù)需要將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于風(fēng)機(jī)葉片的局部區(qū)域[10]。

2014年8月底，由南車時(shí)代新材與國防科技大學(xué)聯(lián)合自主研發(fā)的2MW風(fēng)電機(jī)組超低風(fēng)速碳纖維葉片試制成功，南車時(shí)代新材成為全國率先研制成功該類產(chǎn)品的企業(yè)。在風(fēng)電領(lǐng)域，隨著風(fēng)電葉片尺寸不斷延長，發(fā)電機(jī)功率不斷增大，傳統(tǒng)玻璃纖維復(fù)合材料的性能已顯不足。為保證在極端風(fēng)載下葉片尖不碰撞塔架，葉片必須有足夠的強(qiáng)度。為平衡葉片的質(zhì)量和強(qiáng)度，最有效的方法是采用碳纖維增強(qiáng)。碳纖維是一種含碳量在95 %以上的高強(qiáng)度、高彈性模量的纖維材料，已成為下一代風(fēng)電葉片材料的重要選擇。

由碳纖維制造的葉片在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用的情況見表1。

表1　發(fā)達(dá)國家碳纖維風(fēng)電葉片應(yīng)用情況

碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中應(yīng)用的優(yōu)勢如下： ① 提高葉片剛度，減輕葉片質(zhì)量；② 提高葉片抗疲勞性能；③ 使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑、更均衡，提高風(fēng)能利用效率；④ 可制造低風(fēng)速葉片；⑤ 提高葉片對惡劣環(huán)境的適應(yīng)性；⑥ 利用導(dǎo)電性能避免雷擊： ⑦ 降低風(fēng)電葉片的制造和運(yùn)輸成本；⑧ 具有振動(dòng)阻尼特性[11]。

2.2　先進(jìn)生物質(zhì)復(fù)合材料

生物質(zhì)材料的來源主要是農(nóng)業(yè)的秸稈，林業(yè)的竹、藤、木等。竹材是性能最好也是生長最快的生物質(zhì)材料之一，根據(jù)《世界竹藤》介紹，全世界共有竹類植物70余屬、1200多種。以竹、木和秸稈等生物質(zhì)材料為增強(qiáng)材料，可制作各種生物質(zhì)復(fù)合材料。

由于天然材料力學(xué)性能較低，變異顯著，均勻性和穩(wěn)定性較差，因此多數(shù)生物質(zhì)材料達(dá)不到重要工程材料的要求。

先進(jìn)生物質(zhì)復(fù)合材料與普通生物質(zhì)材料的區(qū)別在于前者使用了不同的物理和化學(xué)方法進(jìn)行改性，主要的改性方法包括加工分級、碳化、陶瓷化、密實(shí)化等。

最初的風(fēng)電葉片使用木材為原料，木材可稱為第一代葉片材料。20世紀(jì)80 年代后發(fā)展的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和樺木層積材為第二代葉片材料。以改性方法制作的先進(jìn)生物質(zhì)復(fù)合材料為第三代葉片材料，具有性能好、廢舊產(chǎn)品易于處理等優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)新一代的生物質(zhì)復(fù)合材料風(fēng)電葉片將成為一個(gè)重要的研究方向[12]。

3　結(jié)束語

目前國外風(fēng)電葉片廣泛采用復(fù)合材料，并向大型化、低成本、高性能、輕量化、柔性化的方向發(fā)展。我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展也非常迅速，生產(chǎn)技術(shù)日趨成熟，逐步形成多個(gè)國產(chǎn)自主品牌。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展、風(fēng)機(jī)容量不斷增大及新材料廣泛應(yīng)用，風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)生產(chǎn)迎來了更大的空間，風(fēng)電葉片用復(fù)合材料市場前景廣闊。

[1] 張保豐，楊漢嵩，劉建秀. 風(fēng)電葉片材料的研制[J].鑄造技術(shù),2011,32(12)： 1721-1723.

[2] 李倩.淺談風(fēng)電葉片碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用[J].黑龍江科技信息,2015(9)： 91.

[3] 高克強(qiáng),薛忠民,陳淳，等.復(fù)合材料風(fēng)電葉片技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2010(12)： 4-7.

[4] 戴春暉, 劉鈞, 曾竟成，等.復(fù)合材料風(fēng)電葉片的發(fā)展現(xiàn)狀及若干問題的對策[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2008(1)： 53-56.

[5] 董永祺.國外風(fēng)電熱塑性復(fù)合材料葉片研發(fā)動(dòng)態(tài)[J].玻璃鋼，2013(1)： 32-36.

[6] 佚名.風(fēng)電葉片發(fā)展趨勢： 熱塑性復(fù)合材料“綠色葉片”[J].電氣制造，2010(7)： 36.

[7] 牟書香,賈智源,邱桂杰，等.熱塑性復(fù)合材料風(fēng)電葉片的研究進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2011(11)： 2-5.

[8] 常燕，王兆增，崔元?jiǎng)伲?風(fēng)電葉片復(fù)合材料的研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用，2014，42(4)： 135-139.

[9] 潘雄.我國大型風(fēng)機(jī)葉片用復(fù)合材料即將實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)[J].功能材料信息，2010(1)： 37.

[10] 周紅麗，王紅，羅振，等.風(fēng)力發(fā)電復(fù)合材料葉片的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2012，26(2)： 65-68.

[11] 楊文宏，高克強(qiáng)，薛忠民，等.復(fù)合材料風(fēng)電葉片用增強(qiáng)材料[C].第十八屆玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會(huì)，北京，2010.

[12] 江澤慧,孫正軍,任海青.先進(jìn)生物質(zhì)復(fù)合材料在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2006，23(3)： 127-129.

(編輯： 安啟)

Introduced the research status and application development of the composite material used in wind turbine blades and looked ahead of the market prospect of composite materials.

WindPowerGeneration；Blade；CompositeMaterial；Application

TM614

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1674-540X(2017)04-055-04

2017年3月

張文毓(1968—)，女，本科，高級工程師，主要從事情報(bào)研究工作,E-mail： ZWY68218@163.com