風電復合材料葉片新進展

甘尚坤

摘要：隨著時代的發展，世界上對新能源的應用在逐步加深，風力發電便是當下應用范圍非常廣泛的一種清潔能源。風力發電過程中，主要通過風力發電機組來完成，在這其中有眾多的組成部分，風電葉片是其中的重要組成部分，我國當前對風力發電的推廣在持續實施，而且也在繼續加強對風電葉片材料的研究，據悉現如今風電葉片的制造中正在加強對復合材料的應用，不僅有利于減輕重量，使其可以在大風力條件下保持穩定的運轉，更能夠在葉片有比較簡單的退役后處理措施，進而有利于環境保護。基于此本文中對風電復合材料葉片的研究進展進行了分析。

關鍵詞：風電葉片;復合材料;實際應用

目前我國經常會有能源短缺情況出現，而且國家倡導保護生態環境，據實際情況來看，火力發電的占比依然比較大，亟需調整能源結構。風力發電是當前應用范圍比較大的一種新能源，而且能夠有效保護生態環境。風力發電機組運行過程中，需要通過風力催動風電葉片旋轉，進而來帶動發電機組運行，因此在這其中風電葉片起到了至關重要的作用。隨著當前時代的發展，該領域對風電葉片材料的研究也取得了新進展，如可以使用熱固性復合材料、熱塑性復合材料、生物質復合材料等，如此一來能夠給風力發電的發展提供有效幫助。

一、熱固性風電葉片復合材料

風電葉片是風力發電機組的重要組成部分，在風力發電初期，用于制造風電葉片的材料主要以木材、鋁合金、布蒙皮等為主，材料的韌性、拉伸強度等均不佳，隨著當前材料科學的發展以及我國風力發電領域的進步，風電葉片的材料也隨之從單一材料向復合材料的方向前進，而且與傳統單一材料相比，復合材料更具有良好的氣動效率、強度、剛度、耐腐蝕性、耐疲勞性等多種優點，更重要的是隨著相關領域技術的發展，其制造難度、成本均不高[1]。

其實，復合材料之所以能夠被應用于風電葉片中，與其較強的強度有關，而復合材料之所以有較高的強度，與其中的增強纖維強度高密切相關。當前，風電葉片復合材料中的增強纖維類型比較多，如常見GF（E-玻璃纖維）、CF（碳纖維）等，雖然過去對GF比較依賴，而隨著當前風力發電機組葉片不斷增大的原因，原有GF已經不能夠繼續適應應用需求，因此轉而需要使用CF，但是CF雖然有良好材料性能，但應用成本相對更高于GF。

GF、CF的生產制造中，需要樹脂基體發揮作用，目前世界范圍內熱固性樹脂基體的應用非常廣泛，而且其有著黏度低、固化溫度低的優勢，因此在風電葉片復合材料的制造中起到了重要推動作用。

二、綠色環保風電葉片復合材料

（一）熱塑性復合材料

現如今復合材料在風電葉片中的應用十分廣泛，傳統熱固性復合材料已經逐步被時代所拋棄，轉而需要使用更有優勢的熱塑性復合材料，其不僅有更高的耐沖擊性能、強度和剛度，更有良好的環保性，與同等尺寸的熱固性復合材料相比，有更輕的重量，因此熱塑性復合材料的整體成本比較低。其次，雖然當前對熱塑性復合材料的應用比較多，但在一些方面確實不如熱固性復合材料，如為保障熱塑性材料的性能，應當在加工時應用更高的固化壓力和加工溫度，以此來幫助樹脂滲透到長纖維中;同時，其粘接方式為機械性粘接，因此疲勞性能不佳。

（二）生物質復合材料

除熱塑性復合材料外，生物質復合材料的應用范圍也比較廣泛，據調查，生物質復合材料已經被廣泛應用到了航空、建筑、汽車等多個領域，風電領域中也有涉及。據有關專家對生物質復合材料用于風電葉片的研究來看，具有較低的成本，且材料的剛度、穩定性、低溫阻尼性均較高，同時生產生物質復合材料所需要的各種纖維也可以通過廢棄物回收獲取，因此當前生物質復合材料在大型風電葉片的制造中被應用的較多。在我國，用于生物質復合材料生產的纖維多為木質纖維，如可以使用杉木，該類型材料有良好的加工性能，而且成本比較低，有研究表明，通過杉木的加入，可以使得EP的彈性模量、拉伸強度、剪切強度得到明顯提升，并且明顯優于多種生物質復合材料。

三、新型風電葉片復合材料

隨著風力發電技術的不斷發展，其風電葉片的復合材料也有明顯變化，除以上幾種比較常見的復合材料外，當下也在進行新型復合材料的有關研究，而且在這其中，CNTs比較有代表性，即碳納米管。據有關CNTs的研究表明，其有著更高于常規復合材料的剛度和輕度，而且根據相關測試CNTs的拉伸強度能夠達到200GPa，各方面的材料性能均能夠滿足風電機組的應用，同時其材料性能更強于常規復合材料[2]。

因CNTs具有較強的剛度、強度，而且也能夠兼顧拉伸強度，因此將其作為風力葉片的材料，可以使其具備較強的斷裂韌性、疲勞性能和拉伸性能。經過相關專家的研究分析來看，CNTs的應用也使得其力學性能更優，而且在應用到復合材料中后，其彎曲彈性模量最大能夠達到69.8MPa。現如今，部分專家也在繼續加強對CNTs在風電葉片復合材料的研究，如在CNTs中繼續加入亞乙二氧基-二乙胺改性劑，可以使得材料的氨基功能得到優化，并使得材料的整體拉伸強度、彈性模量均能夠得到提升。目前材料領域對石墨烯的研究依然在繼續，并且多個領域對石墨烯的應用投去了關注，風電葉片的研究中也是如此，而且有關于石墨烯在風電葉片復合材料應用中的研究表明，可以大幅度提高葉片的整體性能。

四、結束語

風力發電將是我國未來能源結構的重要組成部分，風電葉片作為風力發電機組的重要組成部分，其葉片的材料性能必須要能夠達到一個極高的標準。在風力發電和材料力學領域的發展中，許多的專家探究了多種可用于風電葉片的復合材料，通過本文實際分析來看，未來的大型風電葉片中會加強對CF的應用，同時，生物質復合材料、熱塑性復合材料在未來必然會“擔當大任”，此外，相信CNTs的有關研究和應用也能夠更進一步，并繼續被深入應用到風電葉片的生產制造中去。

參考文獻：

[1]龔亮，薛利利.熱氧老化對三向正交碳/玻璃纖維/雙馬復合材料力學性能的影響[J].材料工程，2021，49（10）：144-155.

[2]鄒宜金，連應華，黃新宇，劉培，王穎蕊.基于聲紋的高泛化性風機葉片異常檢測方法研究[J].電子科技大學學報，2021，50（05）：795-800.