風(fēng)電葉片復(fù)合材料選擇的基本方向與重要應(yīng)用

沈建琴 楊麗艷

摘要：第三次工業(yè)革命以來(lái)，全球經(jīng)濟(jì)得到大幅度提升，全世界人民的生活也變得更加富足。在此種環(huán)境下，我國(guó)也進(jìn)入了工業(yè)化時(shí)代，大批工廠的出現(xiàn)對(duì)電力的需求量也越來(lái)越大，為了滿足社會(huì)發(fā)展所需要的電力能源，我國(guó)各地都在加大力度擴(kuò)建火力發(fā)電廠，但隨著時(shí)間的推移，火力發(fā)電的弊端越來(lái)越明顯，環(huán)境污染、資源缺失便是其中最嚴(yán)重的問(wèn)題。如何有效的減少電力生產(chǎn)過(guò)程中所出現(xiàn)的污染情況已經(jīng)成為了我國(guó)迫在眉睫的事項(xiàng)。而風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電的出現(xiàn)極大的緩解了當(dāng)前我國(guó)所面臨資源缺失和環(huán)境污染的情況。在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)是其中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，而風(fēng)電葉片又是其中最關(guān)鍵的部件，因此加大對(duì)風(fēng)電葉片材料的研究能夠有效的提高風(fēng)力發(fā)電效率，對(duì)風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行安全性的提升也有著重要的作用?；诖?，本文圍繞著風(fēng)力發(fā)電展開(kāi)論述，對(duì)風(fēng)電葉片和復(fù)合材料、環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行研究，并深入分析風(fēng)電葉片復(fù)合材料用環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠選擇的基本方向，同時(shí)對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠在風(fēng)電葉片中的重要應(yīng)用進(jìn)行剖析，以供相關(guān)風(fēng)電設(shè)備制造行業(yè)人員參考，從而推動(dòng)我國(guó)新能源行業(yè)的飛速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;風(fēng)電葉片;復(fù)合材料;環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠;選擇;基本方向;重要應(yīng)用

引言

風(fēng)能屬于一種清潔可再生性能源，在我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，通過(guò)風(fēng)力發(fā)電模式可以最大限度發(fā)揮風(fēng)能所提供出的作用和優(yōu)勢(shì)，為社會(huì)供電提供必要的支撐和保證?，F(xiàn)階段，我國(guó)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)正在不斷朝智能化的方向發(fā)展，風(fēng)能屬于智能電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中非常重要的可再生性能源供應(yīng)，并且風(fēng)能具有一定的穩(wěn)定性與間歇性特點(diǎn)，在風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和使用過(guò)程中風(fēng)力發(fā)電機(jī)是其中最關(guān)鍵的設(shè)備之一，風(fēng)葉作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)當(dāng)中最重要的組成部分也受到人們廣泛關(guān)注和重視。近階段，隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日漸成熟，在風(fēng)能儲(chǔ)備量比較豐富的區(qū)域，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的有效應(yīng)用可以進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)社會(huì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)以及人們用電質(zhì)量的快速提升，同時(shí)通過(guò)風(fēng)力發(fā)電也是充分實(shí)現(xiàn)發(fā)電自動(dòng)化的重要方法，而這都是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)良好性能和穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)的。隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展復(fù)合材料以其足夠的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)重量較輕，已逐步替代金屬材料，成為風(fēng)力發(fā)電的新寵。目前越來(lái)越多種類的復(fù)合材料被研究出來(lái)應(yīng)用在風(fēng)電葉片當(dāng)中，以期獲得更好的風(fēng)力發(fā)電效果。

一、風(fēng)力發(fā)電

所謂風(fēng)力發(fā)電屬于一種對(duì)新能源的科學(xué)合理化應(yīng)用，是清潔性能源開(kāi)發(fā)使用背景下的一項(xiàng)重要技術(shù)。風(fēng)能主要是以自然界當(dāng)中的自然風(fēng)作為主要的動(dòng)力來(lái)源，作為一種新型可再生性綠色無(wú)污染能源，在我國(guó)發(fā)電領(lǐng)域當(dāng)中應(yīng)用非常普遍，并且在近幾年的發(fā)展過(guò)程中，基于風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的開(kāi)展，對(duì)于我國(guó)綠色經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要的意義。目前，我國(guó)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)正在處于快速的擴(kuò)張當(dāng)中，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備作為風(fēng)能應(yīng)用最關(guān)鍵的設(shè)備，盡管從技術(shù)水平層次上來(lái)看相對(duì)較高，但其中仍舊存在著一些問(wèn)題影響著風(fēng)電的生產(chǎn)效率。

現(xiàn)階段，在我國(guó)能源市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)方面越來(lái)越激烈，尤其針對(duì)清潔性能源的使用問(wèn)題，也受到了全社會(huì)的廣泛關(guān)注。從整個(gè)風(fēng)能的構(gòu)成特性上進(jìn)行分析，因?yàn)轱L(fēng)能在陸地和近海區(qū)域范圍內(nèi)，整體的資源儲(chǔ)備量相對(duì)比較豐富，同時(shí)可以供給開(kāi)發(fā)的潛力相對(duì)較大，外加上風(fēng)能屬于一種可再生清潔能源，在自然環(huán)境當(dāng)中取之不盡用之不竭。只要存在氣壓時(shí)，大氣當(dāng)中因?yàn)榭諝獾牧鲃?dòng)便會(huì)產(chǎn)生風(fēng)能，同時(shí)通過(guò)對(duì)風(fēng)能的合理使用，對(duì)自然環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生明顯的污染問(wèn)題，具有更高的環(huán)境保護(hù)工作效益。因此風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為我國(guó)電力資源供應(yīng)工作中比較常用的一種技術(shù)方法，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們?cè)谌粘：蜕町?dāng)中對(duì)于風(fēng)力資源的需求量不斷上漲，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)更加先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)要求越來(lái)越高。相關(guān)工作人員通過(guò)對(duì)更加先進(jìn)的風(fēng)力發(fā)電信息系統(tǒng)的合理應(yīng)用，可以全面提高風(fēng)力發(fā)電工作的質(zhì)量和效率，對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電工作過(guò)程中存在的各種缺陷和弊端進(jìn)行全面優(yōu)化和改進(jìn)，尤其是針對(duì)風(fēng)能發(fā)電可能存在的間歇性供電不足問(wèn)題進(jìn)行全面控制，以此來(lái)保證風(fēng)力發(fā)電供電的穩(wěn)定性。

二、風(fēng)電葉片和復(fù)合材料

如今，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展過(guò)程中，人們的生活水平也得到了有效的提升，在這樣的情況下人們?cè)陔娏Y源方面的需求也越來(lái)越高。風(fēng)力發(fā)電作為一種新型的清潔發(fā)電形式也得到了更多的關(guān)注與應(yīng)用。在風(fēng)力發(fā)電的過(guò)程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是其中最關(guān)鍵的設(shè)備，該設(shè)備主要是由傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、葉片、塔架、儲(chǔ)能設(shè)備以及電器元件等部分組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備的風(fēng)力發(fā)電效率是由葉片的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的功率共同決定的。因此，風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)也是風(fēng)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的技術(shù)，在風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了葉片的外形設(shè)計(jì)對(duì)葉片的轉(zhuǎn)速有影響，材料也是決定葉片運(yùn)行能力最重要的因素之一，良好的材料性能能夠有效的提升葉片的強(qiáng)度和抗疲勞度，并且同樣體積大小的葉片自重也更輕，與空氣的摩檫力更低，更加容易旋轉(zhuǎn)。因此，在葉片制造過(guò)程中材料的選擇也是決定風(fēng)力發(fā)電效率的關(guān)鍵所在，目前就風(fēng)電葉片材料而言，復(fù)合材料相比較金屬材料更具有優(yōu)勢(shì)，復(fù)合材料不僅具有更高的強(qiáng)度，還具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗腐蝕能力和耐高溫性能。因此，復(fù)合材料也成為了當(dāng)前風(fēng)電葉片所選用的首要材料。

與金屬材料相比較，復(fù)合材料葉片具有如下優(yōu)點(diǎn)：①重力更低、強(qiáng)度更高。風(fēng)電設(shè)備葉片在空氣驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)受到的力為縱向，而這力主要是由氣動(dòng)彎曲載荷和離心力所構(gòu)成的，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中葉片所受到的剪應(yīng)力較小，利用復(fù)合材料制造葉片能夠根據(jù)葉片的受力特點(diǎn)來(lái)調(diào)整不同部分的強(qiáng)度和剛度。例如利用纖維復(fù)合材料需要將纖維設(shè)置在葉片的縱向面上，相比較金屬這不僅質(zhì)量較輕，而且具有足夠的剛度和強(qiáng)度。低重力的葉片能夠降低葉片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中所參數(shù)的離心力，如此便能夠降低由離心力所引起的交變載荷;②容易成型，氣動(dòng)效率能夠達(dá)到最高。為了提高風(fēng)電機(jī)的發(fā)電效率，葉片的外形設(shè)計(jì)需要結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而這也使葉片具有更加復(fù)雜的外形。因此在風(fēng)電葉片的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，葉片不同半徑處的弦長(zhǎng)、翼型、厚度和扭角均不相同，如果利用金屬進(jìn)行制造，難度較大，特別是大型葉片，如果打磨、焊接不足便會(huì)影響風(fēng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。而復(fù)合材料的成型較為容易，在具有復(fù)雜外形葉片的制作過(guò)程中，只需要準(zhǔn)確的摸具便可以完成，并且所制造的葉片外表光潔度較高，葉型也較為精準(zhǔn);③具有良好的抗震性。相比較金屬材料，復(fù)合材料的內(nèi)阻尼較大，這也使該種材料具有良好的抗震性能;④耐腐蝕性強(qiáng)。風(fēng)電機(jī)是在戶外工作的，近幾年隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展海上風(fēng)電機(jī)的安裝也成為了風(fēng)力發(fā)電的主流趨勢(shì)。因此，風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電葉片需要具有良好的耐腐蝕性，相比較金屬材料，復(fù)合材料具有更好的耐酸、耐堿、耐海水和耐氣候性能。

三、風(fēng)電葉片復(fù)合材料選擇的基本方向

無(wú)論何種設(shè)備的材料旋轉(zhuǎn)，均是從以下兩種情況產(chǎn)生，一種是在設(shè)計(jì)前來(lái)旋轉(zhuǎn)材料，之后根據(jù)材料的性能來(lái)進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì);另一種是利用新型材料來(lái)替代當(dāng)前已有的材料。而在風(fēng)電葉片復(fù)合材料的選擇過(guò)程中，基本方向如下：①相關(guān)設(shè)計(jì)人員根據(jù)風(fēng)電葉片的使用環(huán)境來(lái)選擇復(fù)合材料，保證材料的強(qiáng)度、剛度、韌性、耐腐蝕性能夠滿足環(huán)境條件;②所選用的復(fù)合材料需要具有良好的加工性;③滿足客戶所需求的性能;④優(yōu)先選用已有廣泛應(yīng)用的材料。目前常用的增強(qiáng)材料主要有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）和玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）。

風(fēng)電葉片傳統(tǒng)以玻璃鋼（玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）為主材制造，但玻璃纖維材料密度大于碳纖維，同時(shí)力學(xué)性能尤其是模量遠(yuǎn)低于碳纖維復(fù)合材料。

為了避免大尺寸風(fēng)電葉片在受力變形后與支撐柱產(chǎn)生碰撞，需要采用輕質(zhì)高強(qiáng)高模的材料制造葉片。碳纖維復(fù)合材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)的特征成為大尺寸風(fēng)電葉片制造的理想材料。

據(jù)全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告測(cè)算，2020年全球風(fēng)電領(lǐng)域碳纖維需求將達(dá)到3.13萬(wàn)噸，隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨笤鲩L(zhǎng)，到2025年風(fēng)電碳纖維需求量將達(dá)到9.73萬(wàn)噸，增長(zhǎng)率達(dá)到210.8%。

雖然在性能上玻纖復(fù)合材料沒(méi)有碳纖維復(fù)合材料更優(yōu)異，模量差別大概在3倍左右，但是其成本卻是數(shù)量級(jí)的不同，所以玻纖的性價(jià)比使其成為了風(fēng)電機(jī)組想要技術(shù)提升，高速發(fā)展的必備原料。且目前中國(guó)巨石和泰山玻纖開(kāi)發(fā)的E9與HMG超高模量玻纖，在強(qiáng)度和剛度等部分物理性能指標(biāo)已經(jīng)逼近碳纖維。

未來(lái)隨著技術(shù)發(fā)展，高性能玻纖提質(zhì)降本，葉片的生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低，將助力風(fēng)電行業(yè)更多參與到平價(jià)時(shí)代。

四、環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠在風(fēng)電葉片復(fù)合材料中的重要應(yīng)用

現(xiàn)階段制備風(fēng)電葉片大多采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂或玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹(shù)脂制備，隨著葉片長(zhǎng)度不斷增加，大多數(shù)葉片設(shè)計(jì)公司將基體樹(shù)脂從最初的不飽和聚酯慢慢轉(zhuǎn)向環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。這主要因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂具有良好的力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性，是大型風(fēng)電葉片的制備材料首選。目前，市場(chǎng)上主流的風(fēng)電葉片用膠粘劑有環(huán)氧膠粘劑、聚氨酯膠粘劑、改性丙烯酸酯膠粘劑等。環(huán)氧膠粘劑因具有性能和成本優(yōu)勢(shì)而成為大多風(fēng)電葉片制造廠商的首選。

環(huán)氧樹(shù)脂是風(fēng)電葉片廣泛使用的一種基體材料，它具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐熱性能、粘結(jié)性強(qiáng)、收縮率小、工藝性能良好等特點(diǎn)。按化學(xué)結(jié)構(gòu)分為：①縮水甘油醚類;②縮水甘油脂類;③縮水甘油胺類;④脂肪族環(huán)氧化合物;⑤脂環(huán)族環(huán)氧化合物。而作為風(fēng)電葉片的基體材料，環(huán)氧樹(shù)脂除需具備以上優(yōu)點(diǎn)以外，還需要具備低粘度、適用期長(zhǎng)、浸透性好、固化物力學(xué)強(qiáng)度高，韌性好且具有與纖維界面良好黏結(jié)性能及成型工藝性能等特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)勢(shì)除了提升環(huán)氧樹(shù)脂性能外還可以從環(huán)氧樹(shù)脂固化劑著手，制備高性能樹(shù)脂基體。浙江正大新材料科技股份有限公司生產(chǎn)的酸酐固化劑具有下述性能特點(diǎn)：1. 純度高、色澤淺：能直接制得或調(diào)制成所需的各種色彩的環(huán)氧樹(shù)脂制品。2. 粘度低：澆鑄、灌封、浸漬的工藝性好，澆鑄時(shí)可加入大量填充劑，使固化物性能優(yōu)良。3. 性能穩(wěn)定、凝固點(diǎn)低、適用期長(zhǎng)：在室溫下可以長(zhǎng)期存放，便于管道運(yùn)輸，有利生產(chǎn)自動(dòng)化，適應(yīng)于嚴(yán)寒地區(qū)。4. 揮發(fā)性?。憾拘缘停訜釗p失小，毒性僅為胺類固化劑的二十分之一至四十分之一，對(duì)人體眼睛及皮膚的刺激性小。5. 互溶性好：本產(chǎn)品能同所有環(huán)氧樹(shù)脂互溶，混合粘度低，同時(shí)加熱固化時(shí)體系收縮和放熱效應(yīng)比較低。廣泛應(yīng)用于環(huán)氧樹(shù)脂固化劑、無(wú)溶劑油漆、層壓板、環(huán)氧粘合劑等。

酸酐-環(huán)氧型結(jié)構(gòu)膠作為風(fēng)電葉片的明顯優(yōu)勢(shì)有：1.環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠中的環(huán)氧樹(shù)脂基團(tuán)具有極性大、活性優(yōu)等特點(diǎn)，對(duì)材料表面粘接強(qiáng)度大;2.酸酐-環(huán)氧固化體系在固化時(shí)，體積收縮率較小，抗壓強(qiáng)度高;3.在制備結(jié)構(gòu)膠時(shí)，可通過(guò)靈活的配方設(shè)計(jì)，與不同類型的有機(jī)、無(wú)機(jī)物經(jīng)共聚或交聯(lián)改性，達(dá)到增韌、增強(qiáng)的效果;4. 在固化劑中可以引入含有柔性鏈段的聚合物，進(jìn)一步達(dá)到增韌改性環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)膠的目的;5.酸酐固化劑具有耐腐蝕、耐候性、阻燃性，在室溫下能長(zhǎng)期存放、凝固點(diǎn)低、揮發(fā)性小、毒性低、粘度小浸透性好。此外，酸酐-環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠還具備一定的成本優(yōu)勢(shì)，可以成為優(yōu)異的風(fēng)電葉片用環(huán)氧型結(jié)構(gòu)膠。

五、結(jié)語(yǔ)

隨著能源匱乏問(wèn)題的日益嚴(yán)重，風(fēng)力發(fā)電也成為了發(fā)電行業(yè)未來(lái)的主流方向。相比較傳統(tǒng)的火力發(fā)電，風(fēng)力發(fā)電不僅不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，還具有良好的經(jīng)濟(jì)效率。風(fēng)電葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最重要的組成部分對(duì)風(fēng)力發(fā)電的效率有著巨大的影響。為了有效的提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，相關(guān)設(shè)計(jì)制造人員需要加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電葉片用復(fù)合材料的研究力度，加大對(duì)環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠的研發(fā)，如了解各種增韌手段和增韌劑性能的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行合理協(xié)同復(fù)合增韌，在保持高粘接強(qiáng)度的前提下，有效增強(qiáng)韌性;通過(guò)引入觸變劑，特別是化學(xué)觸變劑來(lái)改善工藝特性;通過(guò)優(yōu)化固化劑來(lái)延長(zhǎng)可操作時(shí)間，提高結(jié)構(gòu)膠固化效率，增強(qiáng)耐候性等。此外，耐疲勞、耐鹽霧腐蝕的高性能結(jié)構(gòu)膠也是未來(lái)的研究目標(biāo)。爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)以高性能環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠制備高性能的復(fù)合材料，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電效率的提升，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)綠色經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展。

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