大型風機葉片材料的應用和發展

　　風能是清潔無污染的可再生能源，但退役后的風機葉片卻是環境的一大殺手。目前葉片使用的復合材料主要是熱固性復合材料，不易降解，而且葉片的使用壽命一般為20~30年，其廢棄物處理的成本比較高，一般采用填埋或者燃燒等方法處理，基本上不再重新利用。面對日益突出的復合材料廢棄物對環境造成的危害，一些制造商也開始探討葉片的回收和再利用技術。隨著人類環保意識的與日俱增，研究開發“綠色葉片”成為擺在人們面前的一大課題。所謂的“綠色葉片”，就是在葉片退役后，其廢棄材料可以回收再利用，因此熱塑性復合材料成為首選材料。與熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料具有密度小、質量輕、抗沖擊性能好、生產周期短等一系列優點,但該類復合材料的制造工藝技術與傳統的熱固性復合材料成型工藝差異較大,制造成本較高，成為限制熱塑性復合材料用于風力機葉片的關鍵問題。隨著熱塑性復合材料制造工藝技術研究工作的不斷深入和相應的新型熱塑性樹脂的開發，制造熱塑性復合材料葉片正在一步步地走向現實。
　　在“綠色葉片”研究的最初階段，愛爾蘭Gaoth公司負責12.6m長的熱塑性復合材料葉片的制造，日本Mitsubishi公司負責在風力發電機上進行“綠色葉片的實驗”，這項實驗成功后，他們繼續研究開發30m以上的熱塑性復合材料標準葉片[6]。為降低熱塑性復合材料的成本，愛爾蘭Limerick大學和國立Galway大學開展了熱塑性復合材料的先進成型工藝技術的基礎研究。為了解決熱塑性復合材料葉片的纖維浸潤和大型熱塑性復合材料結構件制造過程的樹脂流動性問題，美國Cyclics公司為此開發出一種低粘度的熱塑性工程塑料基體材料-CBT樹脂，這種樹脂粘度低、流動性好、易于浸潤增強材料，可以更充分地發揮增強材料的性能和復合材料良好的韌性。與玻璃纖維／環氧樹脂復合材料大型葉片相比較，如果采用熱塑性復合材料葉片，每臺大型風力發電機所用的葉片重量可降低10%左右，抗沖擊性能大幅度提高，制造成本至少降低1/4，制造周期至少降低1/3，而且可以完全回收和再利用[6]。美國Cyclics公司利用CBT樹脂體系制作了全球首個12.6m可循環風力機葉片，該葉片退役后,平均每臺風力發電機組可回收的葉片材料達19t,此項開發更有利于環境保護,其前景也將非常樂觀。
　　3 展望
　　葉片尺寸的不斷增大，使得材料也在不斷改進，未來葉片材料的發展，應該從以下幾個方面著手：
　　(1)玻璃纖維中S-玻纖的彈性模量比E-玻纖高18%，強度高33%，在葉片應用上有很大空間，但由于其高昂的價格未能推廣其在葉片上的應用，如果S-玻纖的生產成本能降下來，那么其在風能市場上份額將不容忽視。目前美國AGY公司已決定加強S-2玻纖的生產規劃和研發投資；
　　(2)對碳纖維來說，價格同樣是制約其大規模應用的關鍵因素。目前世界上宇航級小絲束碳纖維的生產主要被日本的東麗、東邦和三菱公司所壟斷，但為了爭奪碳纖維市場份額，很多單位以低于成本價傾銷碳纖維，大絲束碳纖維和小絲束碳纖維互相爭奪市場，這在一定程度上加快了制備碳纖維新技術的研究。為了降低碳纖維價格，研制低成本碳纖維，美國已建成了采用微波碳化的試驗線，使制備碳纖維的成本降低約20%；
　　(3)加快發展熱塑性葉片，降低熱塑性復合材料的生產工藝成本，是當前葉片材料應用研究的一個熱點。由于某些性能方面的不足，如耐熱性和剛性較差，易于發生蠕變，且用膠粘劑膠接熱塑性樹脂基復合材料殼體較困難，GEC公司認為它不適用于大型風機葉片的開發，但其可回收利用、利于環保的優點足以讓更多的開發商熱衷于對熱塑性復合材料葉片進行開發研究；