風電葉片復合材料及其應用

張文毓

中國船舶重工集團公司 第七二五研究所　河南洛陽　471023

風電葉片復合材料及其應用

張文毓

中國船舶重工集團公司 第七二五研究所河南洛陽471023

介紹了風電葉片復合材料的研究現狀與應用進展，展望了風電葉片采用復合材料的市場前景。

風力發電；葉片；復合材料；應用

1　風電葉片材料研究現狀

葉片是風力發電機中的關鍵部件之一，風機在工作過程中，葉片要承受強大的風載荷、砂石粒子沖擊、紫外線照射等作用，因此必須對葉片體系進行精心設計和改進，使其能滿足在惡劣環境下的正常運轉要求。復合材料由于具有密度低、比強度高，以及良好的抗疲勞、抗蠕變、抗沖擊等優點，成為當今風機葉片的首選[1]。

我國風機葉片的主要原材料是樹脂和增強體材料，樹脂有不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、乙烯基樹脂，增強體材料有玻璃纖維、碳纖維，以及碳纖維和玻璃纖維混雜材料[3]。

復合材料葉片的主要優點如下： ① 質量輕，強度高，剛度好，具有可設計性，可根據葉片受力特點設計強度與剛度，從而減輕葉片的質量；② 沖擊缺口敏感性低，內阻尼大，抗振性好, 抗疲勞強度高；③ 耐候性好，可滿足在酸、堿、水汽等各種氣候環境下的使用要求；④ 維護方便，除了每隔若干年對葉片表面進行涂漆外, 一般不需要大的維修[4]。

風力發電機葉片是一個由復合材料制成的薄殼結構, 一般由根部、外殼和加強筋組成，復合材料在整個風電葉片中的質量一般占到90%以上。

1.1　熱固性復合材料

早期的風電葉片一般采用木材制備，隨后出現了金屬蒙皮葉片、布蒙皮葉片、鋁合金葉片等。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，大型化的風力發電機越來越多。由傳統材料制造的葉片在使用時某些性能已達不到要求，于是具有高比強度的復合材料葉片發展起來，目前幾乎所有的葉片均采用以復合材料為主體進行制造。

在樹脂基體方面，葉片材料使用的大多是熱固性樹脂基體，熱固性樹脂的優點是固化溫度低、黏度低。早期在葉片材料上使用的熱固性樹脂是聚酯樹脂，聚酯樹脂價格低廉，成形工藝好，但固化時收縮率大，放熱劇烈，成形時會有一定的氣味和毒性，且性能一般。隨著葉片向大型化發展，環氧樹脂替代了聚酯樹脂，并逐漸成為葉片材料中最常用的樹脂基體。

1.2　熱塑性復合材料

目前，葉片使用的熱固性復合材料很難自然降解，其廢棄物一般采用填埋、燃燒等方法處理，對環境造成了很大的危害。為此，一些風電葉片制造商開始研制熱塑性復合材料的葉片，即綠色葉片。

一般情況下，與熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料有很多優點，如可重新回收利用、生產周期短、生產效率高、耐腐蝕性強、比強度和比剛度高、耐沖擊性好、環保性好等，在尺寸相同的情況下，因熱塑性復合材料的密度較低，故葉片更輕，使運輸和安裝成本也相應降低，有些熱塑性樹脂的成本甚至比傳統熱固性樹脂的成本更低。根據有關資料介紹，如果采用熱塑性復合材料制造葉片，每臺大型風力發電機所用的葉片質量可以減輕10%，抗沖擊性則大幅提高，制造周期至少縮短1/3，而且可以完全回收和再利用。

當人類文明從傳說時代進入信史時代，石頭開始成為了人們的審美對象，被人們賦予了特定的審美內涵，石頭就從一般的自然資源上升成為觀賞石資源，進而成為了觀賞石文化。從這一刻起，人類就在情感和理性上形成了對石頭的全新的感恩與崇拜意識，人類的石文化情結延續數千年，根深蒂固，源遠流長。

熱塑性復合材料葉片的優點如下： ① 綠色環保, 加熱呈塑性，成形工藝不是化學反應，不產生易揮發有機化合物，報廢后可回收；② 線性熱塑性樹脂的分子鏈不交聯，沒有固化周期，預型品從模具中取出后仍處于高溫狀態，成形功能持續進行；③ 成形工藝較簡易，可加熱或焊接，小型葉片可采用注塑成形；④ 比強度高，在質量相同的條件下，強度高于熱固性復合材料的葉片；⑤ 葉片輕巧，為提高剛度，可將葉片設計為具有機肋和機梁的機翼： ⑥ 機械性能較好，比剛度、延伸率、破壞容許極限均較高；⑦ 延展性好，裂紋延伸速度較慢，耐沖擊性能好： ⑧ 耐腐蝕性好，具有阻燃、阻煙、低毒性等特點[5]。

然而，使用熱塑性復合材料制造葉片的工藝成本較高，成為阻礙熱塑性復合材料應用于葉片的關鍵因素。最近，愛爾蘭Gaoth風能公司、日本三菱重工公司和美國Cyclics公司正在聯合開發低成本的熱塑性復合材料葉片制造技術。預計隨著熱塑性復合材料制造工藝技術研究工作的不斷深入，以及相應的新型熱塑性樹脂的開發，安全快捷地制造熱塑性復合材料葉片將逐步成為現實[6]。

隨著全球風電市場的加速發展，風機葉片的產量逐年增加，退役葉片的回收處理將是一大難題，目前解決的方法是發展可回收利用的熱塑性復合材料葉片。除此之外，熱塑性復合材料葉片的潛在優勢可以幫助葉片制造商加快葉片生產過程，提高生產效率。因此，越來越多的葉片制造商投入到對熱塑性復合材料葉片的研究和開發中[7]。

1.3　生物質復合材料

目前，生物質復合材料已成功應用于汽車、航空、建筑、包裝和風電等領域。天然纖維根據來源可以分為三類： 植物纖維、動物纖維和礦物纖維。在天然纖維中，研究較多的是植物纖維，植物纖維的力學性能不如碳纖維，但一些天然植物纖維的力學性能可以和玻璃纖維相媲美。天然植物纖維與合成纖維相比，具有成本低、密度低、比強度高、韌性足、能耗低、可降解、來源豐富等優點[8]。

風電葉片使用生物質復合材料的優點包括剛度高、穩定性好、低溫阻尼佳、成本低、可再生性好，且廢舊產品易處理，適用于大型葉片。

木質纖維復合材料用于風電葉片在國內外的實例很多，在我國，木質纖維復合材料的木材是來源廣泛的杉木和竹子，國內一些公司已經制造出了竹質生物質復合材料葉片。2010 年，山東世紀威能生產出國內第一支40.3m、1.5MW竹質復合材料風電葉片，這一葉片通過了動載荷及靜載荷試驗，且已通過我國新能源領域的權威認證，各項指標達到國際標準。

1.4　新型風電葉片復合材料

碳納米管具有強度和剛度特別高的性能，彈性模量超過1TPa，拉伸強度達到200GPa，這些性能可使其作為理想風電葉片復合材料的增強相。美國科學家已成功制造了碳納米管增強聚氨酯風電葉片，這一葉片與傳統增強環氧樹脂葉片相比，具有質量輕、強度高、耐久性好的特點。

另外一種有價值的增強材料是石墨烯，與以碳納米管作為增強相的復合材料相比，石墨烯性能更優越，有望用于制備風電葉片。

2　風電葉片復合材料應用進展

發展風能產業是世界各國的共識，風能具有清潔、安全、無限的特點，有著廣泛的工業開發前景。我國的風能資源十分豐富，風力發電尚處在起步階段，風電發展水平明顯滯后于歐美發達國家。根據國家發改委的規劃，未來15年我國風電設備市場規模將超過2000億元，而葉片占風力發電整個裝置成本的15%～20%，可見葉片的市場可達400 億元[9]。

2.1　碳纖維

碳纖維復合材料葉片的技術開發與研究順應葉片大型化和輕量化的方向發展。碳纖維增強材料的拉伸彈性模量是玻璃纖維增強材料的2～3倍，大型葉片采用碳纖維增強材料可充分發揮其彈性高和質量輕的優點。碳纖維葉片的幾何輪廓可以設計得更薄更細長，同時，葉片質量的減輕和剛度的增大可以有效改善葉片的空氣動力學性能，減少對塔和輪軸的負載，使風機的輸出功率更平滑、更均衡，提高能量效率。充分利用碳纖維增強材料的特性，還能制造自適應葉片，發電成本有望進一步降低。利用碳纖維的導電性能避免雷擊，可以有效避免雷擊對葉片造成的損傷。目前，研制者已開始根據需要將碳纖維復合材料應用于風機葉片的局部區域[10]。

2014年8月底，由南車時代新材與國防科技大學聯合自主研發的2MW風電機組超低風速碳纖維葉片試制成功，南車時代新材成為全國率先研制成功該類產品的企業。在風電領域，隨著風電葉片尺寸不斷延長，發電機功率不斷增大，傳統玻璃纖維復合材料的性能已顯不足。為保證在極端風載下葉片尖不碰撞塔架，葉片必須有足夠的強度。為平衡葉片的質量和強度，最有效的方法是采用碳纖維增強。碳纖維是一種含碳量在95 %以上的高強度、高彈性模量的纖維材料，已成為下一代風電葉片材料的重要選擇。

由碳纖維制造的葉片在發達國家應用的情況見表1。

表1　發達國家碳纖維風電葉片應用情況

碳纖維復合材料在風電葉片中應用的優勢如下： ① 提高葉片剛度，減輕葉片質量；② 提高葉片抗疲勞性能；③ 使風機的輸出功率更平滑、更均衡，提高風能利用效率；④ 可制造低風速葉片；⑤ 提高葉片對惡劣環境的適應性；⑥ 利用導電性能避免雷擊： ⑦ 降低風電葉片的制造和運輸成本；⑧ 具有振動阻尼特性[11]。

2.2　先進生物質復合材料

生物質材料的來源主要是農業的秸稈，林業的竹、藤、木等。竹材是性能最好也是生長最快的生物質材料之一，根據《世界竹藤》介紹，全世界共有竹類植物70余屬、1200多種。以竹、木和秸稈等生物質材料為增強材料，可制作各種生物質復合材料。

由于天然材料力學性能較低，變異顯著，均勻性和穩定性較差，因此多數生物質材料達不到重要工程材料的要求。

先進生物質復合材料與普通生物質材料的區別在于前者使用了不同的物理和化學方法進行改性，主要的改性方法包括加工分級、碳化、陶瓷化、密實化等。

最初的風電葉片使用木材為原料，木材可稱為第一代葉片材料。20世紀80 年代后發展的玻璃纖維增強復合材料和樺木層積材為第二代葉片材料。以改性方法制作的先進生物質復合材料為第三代葉片材料，具有性能好、廢舊產品易于處理等優點，開發新一代的生物質復合材料風電葉片將成為一個重要的研究方向[12]。

3　結束語

目前國外風電葉片廣泛采用復合材料，并向大型化、低成本、高性能、輕量化、柔性化的方向發展。我國風電產業發展也非常迅速，生產技術日趨成熟，逐步形成多個國產自主品牌。隨著風電技術的不斷發展、風機容量不斷增大及新材料廣泛應用，風機葉片設計生產迎來了更大的空間，風電葉片用復合材料市場前景廣闊。

[1] 張保豐，楊漢嵩，劉建秀. 風電葉片材料的研制[J].鑄造技術,2011,32(12)： 1721-1723.

[2] 李倩.淺談風電葉片碳纖維復合材料應用[J].黑龍江科技信息,2015(9)： 91.

[3] 高克強,薛忠民,陳淳，等.復合材料風電葉片技術的現狀與發展[J].新材料產業，2010(12)： 4-7.

[4] 戴春暉, 劉鈞, 曾竟成，等.復合材料風電葉片的發展現狀及若干問題的對策[J].玻璃鋼/復合材料，2008(1)： 53-56.

[5] 董永祺.國外風電熱塑性復合材料葉片研發動態[J].玻璃鋼，2013(1)： 32-36.

[6] 佚名.風電葉片發展趨勢： 熱塑性復合材料“綠色葉片”[J].電氣制造，2010(7)： 36.

[7] 牟書香,賈智源,邱桂杰，等.熱塑性復合材料風電葉片的研究進展[J].新材料產業，2011(11)： 2-5.

[8] 常燕，王兆增，崔元勝，等.風電葉片復合材料的研究進展及其應用[J].工程塑料應用，2014，42(4)： 135-139.

[9] 潘雄.我國大型風機葉片用復合材料即將實現規模生產[J].功能材料信息，2010(1)： 37.

[10] 周紅麗，王紅，羅振，等.風力發電復合材料葉片的研究進展[J].材料導報，2012，26(2)： 65-68.

[11] 楊文宏，高克強，薛忠民，等.復合材料風電葉片用增強材料[C].第十八屆玻璃鋼/復合材料學術年會，北京，2010.

[12] 江澤慧,孫正軍,任海青.先進生物質復合材料在風電葉片中的應用[J].復合材料學報，2006，23(3)： 127-129.

(編輯： 安啟)

Introduced the research status and application development of the composite material used in wind turbine blades and looked ahead of the market prospect of composite materials.

WindPowerGeneration；Blade；CompositeMaterial；Application

TM614

B

1674-540X(2017)04-055-04

2017年3月

張文毓(1968—)，女，本科，高級工程師，主要從事情報研究工作,E-mail： ZWY68218@163.com