復合材料風機葉片發展現狀及成型工藝進展

2  材料體系
　　復合材料在風力發電中的應用主要是轉子葉片、機艙罩和整流罩。相對而言，機艙罩和整流罩的技術門檻較低，開發生產的難度不大。而風力發電機葉片則是風力發電機組的關鍵部件之一，其設計、材料和工藝決定風力發電裝置的性能和功率。在風力發電機興起100多年的歷史里，葉片材料經歷了木制葉片、布蒙皮葉片、鋁合金葉片等。伴隨著聯網型風力發電機的出現，風力發電進入高速發展時期。傳統材料的葉片已不能滿足日益大型化的風力發電機上某些使用性能的要求，于是具高比強度、高比剛度的復合材料葉片隨之發展起來。風電葉片已成為復合材料的重要應用領域之一。
　　目前正在服役的風力發電葉片多為復合材料葉片。風力發電機葉片是一個復合材料制成的薄殼結構，一般由根部、外殼和加強筋或梁三部分組成，復合材料在整個風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、碳纖維等增強材料，通過手工鋪放或樹脂注入等成型工藝復合而成，以滿足不同風場的使用要求。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材料仍以玻璃纖維為主。例如，在54m長的大型復合材料葉片制造中依然以玻璃纖維為增強材料，最輕的葉片重量僅為13.4t。隨著超大型葉片的出現，葉片轉子直徑不斷增加，葉片對增強材料的強度和剛度等性能也提出了更高的要求，玻璃纖維在大型復合材料葉片制造中逐漸顯現出某些性能方面的不足。LM公司開發的應用于5MW風力發電機上的61.5m長的大型風機葉片，其質量為17.7t，在橫梁和端部就使用了碳纖維增強材料。德國NordexRotor公司開發的56m長的風機葉片也采用了碳纖維。而且他們認為，當葉片尺寸大到一定程度時，由于使用碳纖維增強，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，由于碳纖維具有導電性，也可以有效地避免雷擊對葉片造成損傷。 
　　為滿足風機葉片的使用要求，目前玻璃纖維也在發生技術革新。例如，歐文斯科寧開發的WindStrand新一代增強型玻璃纖維，可以在不增加葉片成本的情況下提高葉片的性能。據報道，WindStrand可以提高葉片的剛度和強度，使葉片具有良好的抗疲勞性能，從而可以提高葉片的抗風性能，增長葉片的壽命，提高葉片的能量轉換率。與傳統的E-玻纖相比，增強型Windstrand可以使葉片的重量降低10％，從而最終可以降低風電的成本。
　　風力發電機組在工作過程中，風機葉片要承受強風載荷、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進行精心設計和改進。例如，采用性能優異的專用風能環氧樹脂代替不飽和聚酯樹脂，可以改善玻璃纖維/樹脂界面的粘結性能，從而提高葉片的承載能力，擴大玻璃纖維在大型葉片中的應用范圍。同時，為了提高復合材料葉片在惡劣工作環境中長期使用性能，還開發了耐紫外線輻射的新型環氧樹脂系統。
　　采用熱固性樹脂生產的復合材料葉片，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，隨著風電葉片的尺寸越來越大，數量激增，這些葉片退役后給環境造成的影響不可忽視，這違背與目前倡導的可持續發展的宗旨。愛爾蘭Gaoth Tec Teo公司、日本三菱重工、美國Cyclics公司簽署了合作協議開發熱塑性復合材料葉片，并已采用玻璃纖維增強Cyclics公司的低粘度熱塑性CBT樹脂制造出世界上首個12.6m可循環利用風電葉片。據稱，這種葉片退役后，每套葉片回收的材料平均可達到19t，這是一個史無前例的數據。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。據稱，目前上述幾家公司正在研制30m以上的葉片。