復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片發(fā)展現(xiàn)狀及成型工藝進(jìn)展

2  材料體系
　　復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用主要是轉(zhuǎn)子葉片、機(jī)艙罩和整流罩。相對而言，機(jī)艙罩和整流罩的技術(shù)門檻較低，開發(fā)生產(chǎn)的難度不大。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片則是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計、材料和工藝決定風(fēng)力發(fā)電裝置的性能和功率。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)興起100多年的歷史里，葉片材料經(jīng)歷了木制葉片、布蒙皮葉片、鋁合金葉片等。伴隨著聯(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)展時期。傳統(tǒng)材料的葉片已不能滿足日益大型化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)上某些使用性能的要求，于是具高比強(qiáng)度、高比剛度的復(fù)合材料葉片隨之發(fā)展起來。風(fēng)電葉片已成為復(fù)合材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。
　　目前正在服役的風(fēng)力發(fā)電葉片多為復(fù)合材料葉片。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是一個復(fù)合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)，一般由根部、外殼和加強(qiáng)筋或梁三部分組成，復(fù)合材料在整個風(fēng)電葉片中的重量一般占到90%以上。這些葉片基本上由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等熱固性基體樹脂與E-玻璃纖維、s－玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過手工鋪放或樹脂注入等成型工藝復(fù)合而成，以滿足不同風(fēng)場的使用要求。由于玻璃纖維的價格僅為碳纖維價格的1／10左右，目前的葉片制造采用的增強(qiáng)材料仍以玻璃纖維為主。例如，在54m長的大型復(fù)合材料葉片制造中依然以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，最輕的葉片重量僅為13.4t。隨著超大型葉片的出現(xiàn)，葉片轉(zhuǎn)子直徑不斷增加，葉片對增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度等性能也提出了更高的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出某些性能方面的不足。LM公司開發(fā)的應(yīng)用于5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的61.5m長的大型風(fēng)機(jī)葉片，其質(zhì)量為17.7t，在橫梁和端部就使用了碳纖維增強(qiáng)材料。德國NordexRotor公司開發(fā)的56m長的風(fēng)機(jī)葉片也采用了碳纖維。而且他們認(rèn)為，當(dāng)葉片尺寸大到一定程度時，由于使用碳纖維增強(qiáng)，玻纖和樹脂的用量可以減少，其綜合成本可以做到不高于玻纖復(fù)合材料。使用碳纖維不僅可以提高葉片的承載能力，由于碳纖維具有導(dǎo)電性，也可以有效地避免雷擊對葉片造成損傷。 
　　為滿足風(fēng)機(jī)葉片的使用要求，目前玻璃纖維也在發(fā)生技術(shù)革新。例如，歐文斯科寧開發(fā)的WindStrand新一代增強(qiáng)型玻璃纖維，可以在不增加葉片成本的情況下提高葉片的性能。據(jù)報道，WindStrand可以提高葉片的剛度和強(qiáng)度，使葉片具有良好的抗疲勞性能，從而可以提高葉片的抗風(fēng)性能，增長葉片的壽命，提高葉片的能量轉(zhuǎn)換率。與傳統(tǒng)的E-玻纖相比，增強(qiáng)型Windstrand可以使葉片的重量降低10％，從而最終可以降低風(fēng)電的成本。
　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在工作過程中，風(fēng)機(jī)葉片要承受強(qiáng)風(fēng)載荷、砂粒沖刷、紫外線照射、大氣氧化與腐蝕等外界因素的作用。為了提高復(fù)合材料葉片的承載能力、耐腐蝕和耐沖刷等性能，必須對樹脂基體系統(tǒng)進(jìn)行精心設(shè)計和改進(jìn)。例如，采用性能優(yōu)異的專用風(fēng)能環(huán)氧樹脂代替不飽和聚酯樹脂，可以改善玻璃纖維/樹脂界面的粘結(jié)性能，從而提高葉片的承載能力，擴(kuò)大玻璃纖維在大型葉片中的應(yīng)用范圍。同時，為了提高復(fù)合材料葉片在惡劣工作環(huán)境中長期使用性能，還開發(fā)了耐紫外線輻射的新型環(huán)氧樹脂系統(tǒng)。
　　采用熱固性樹脂生產(chǎn)的復(fù)合材料葉片，目前的工藝水平難以對其回收再利用，一般的處理僅僅是在露天堆放，隨著風(fēng)電葉片的尺寸越來越大，數(shù)量激增，這些葉片退役后給環(huán)境造成的影響不可忽視，這違背與目前倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展的宗旨。愛爾蘭Gaoth Tec Teo公司、日本三菱重工、美國Cyclics公司簽署了合作協(xié)議開發(fā)熱塑性復(fù)合材料葉片，并已采用玻璃纖維增強(qiáng)Cyclics公司的低粘度熱塑性CBT樹脂制造出世界上首個12.6m可循環(huán)利用風(fēng)電葉片。據(jù)稱，這種葉片退役后，每套葉片回收的材料平均可達(dá)到19t，這是一個史無前例的數(shù)據(jù)。但在更大尺寸葉片的制造上，這種熱塑性樹脂目前的性能可能還不是很理想。據(jù)稱，目前上述幾家公司正在研制30m以上的葉片。