風電葉片復合材料選擇的基本方向與重要應用

沈建琴 楊麗艷

摘要：第三次工業革命以來，全球經濟得到大幅度提升，全世界人民的生活也變得更加富足。在此種環境下，我國也進入了工業化時代，大批工廠的出現對電力的需求量也越來越大，為了滿足社會發展所需要的電力能源，我國各地都在加大力度擴建火力發電廠，但隨著時間的推移，火力發電的弊端越來越明顯，環境污染、資源缺失便是其中最嚴重的問題。如何有效的減少電力生產過程中所出現的污染情況已經成為了我國迫在眉睫的事項。而風力發電、光伏發電的出現極大的緩解了當前我國所面臨資源缺失和環境污染的情況。在風力發電的過程中，風力發電機是其中最關鍵的設備之一，而風電葉片又是其中最關鍵的部件，因此加大對風電葉片材料的研究能夠有效的提高風力發電效率，對風電設備運行安全性的提升也有著重要的作用。基于此，本文圍繞著風力發電展開論述，對風電葉片和復合材料、環氧結構膠進行研究，并深入分析風電葉片復合材料用環氧結構膠選擇的基本方向，同時對環氧結構膠在風電葉片中的重要應用進行剖析，以供相關風電設備制造行業人員參考，從而推動我國新能源行業的飛速發展。

關鍵詞：風力發電;風電葉片;復合材料;環氧結構膠;選擇;基本方向;重要應用

引言

風能屬于一種清潔可再生性能源，在我國電力事業的發展過程中，通過風力發電模式可以最大限度發揮風能所提供出的作用和優勢，為社會供電提供必要的支撐和保證。現階段，我國電網結構正在不斷朝智能化的方向發展，風能屬于智能電網系統當中非常重要的可再生性能源供應，并且風能具有一定的穩定性與間歇性特點，在風能的開發和使用過程中風力發電機是其中最關鍵的設備之一，風葉作為風力發電機當中最重要的組成部分也受到人們廣泛關注和重視。近階段，隨著我國風力發電技術的日漸成熟，在風能儲備量比較豐富的區域，針對風力發電技術的有效應用可以進一步推動我國社會市場經濟以及人們用電質量的快速提升，同時通過風力發電也是充分實現發電自動化的重要方法，而這都是在風力發電機良好性能和穩定運行的基礎上來實現的。隨著材料科學的不斷發展復合材料以其足夠的強度和韌性，同時重量較輕，已逐步替代金屬材料，成為風力發電的新寵。目前越來越多種類的復合材料被研究出來應用在風電葉片當中，以期獲得更好的風力發電效果。

一、風力發電

所謂風力發電屬于一種對新能源的科學合理化應用，是清潔性能源開發使用背景下的一項重要技術。風能主要是以自然界當中的自然風作為主要的動力來源，作為一種新型可再生性綠色無污染能源，在我國發電領域當中應用非常普遍，并且在近幾年的發展過程中，基于風力發電事業的開展，對于我國綠色經濟的發展有著重要的意義。目前，我國整個風力發電事業正在處于快速的擴張當中，風力發電設備作為風能應用最關鍵的設備，盡管從技術水平層次上來看相對較高，但其中仍舊存在著一些問題影響著風電的生產效率。

現階段，在我國能源市場的競爭態勢方面越來越激烈，尤其針對清潔性能源的使用問題，也受到了全社會的廣泛關注。從整個風能的構成特性上進行分析，因為風能在陸地和近海區域范圍內，整體的資源儲備量相對比較豐富，同時可以供給開發的潛力相對較大，外加上風能屬于一種可再生清潔能源，在自然環境當中取之不盡用之不竭。只要存在氣壓時，大氣當中因為空氣的流動便會產生風能，同時通過對風能的合理使用，對自然環境不會產生明顯的污染問題，具有更高的環境保護工作效益。因此風力發電已經成為我國電力資源供應工作中比較常用的一種技術方法，隨著社會經濟的快速發展，人們在日常和生活當中對于風力資源的需求量不斷上漲，風力發電系統對更加先進的自動化技術要求越來越高。相關工作人員通過對更加先進的風力發電信息系統的合理應用，可以全面提高風力發電工作的質量和效率，對傳統風力發電工作過程中存在的各種缺陷和弊端進行全面優化和改進，尤其是針對風能發電可能存在的間歇性供電不足問題進行全面控制，以此來保證風力發電供電的穩定性。

二、風電葉片和復合材料

如今，在社會經濟的持續發展過程中，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在電力資源方面的需求也越來越高。風力發電作為一種新型的清潔發電形式也得到了更多的關注與應用。在風力發電的過程中，風力發電機組是其中最關鍵的設備，該設備主要是由傳動系統、發電機、葉片、塔架、儲能設備以及電器元件等部分組成。風力發電機組設備的風力發電效率是由葉片的轉速和發電機的功率共同決定的。因此，風電葉片的設計也是風電系統中最關鍵的技術，在風電葉片的設計過程中，除了葉片的外形設計對葉片的轉速有影響，材料也是決定葉片運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。因此，在葉片制造過程中材料的選擇也是決定風力發電效率的關鍵所在，目前就風電葉片材料而言，復合材料相比較金屬材料更具有優勢，復合材料不僅具有更高的強度，還具有良好的結構穩定性、抗腐蝕能力和耐高溫性能。因此，復合材料也成為了當前風電葉片所選用的首要材料。

與金屬材料相比較，復合材料葉片具有如下優點：①重力更低、強度更高。風電設備葉片在空氣驅動旋轉時受到的力為縱向，而這力主要是由氣動彎曲載荷和離心力所構成的，旋轉過程中葉片所受到的剪應力較小，利用復合材料制造葉片能夠根據葉片的受力特點來調整不同部分的強度和剛度。例如利用纖維復合材料需要將纖維設置在葉片的縱向面上，相比較金屬這不僅質量較輕，而且具有足夠的剛度和強度。低重力的葉片能夠降低葉片旋轉過程中所參數的離心力，如此便能夠降低由離心力所引起的交變載荷;②容易成型，氣動效率能夠達到最高。為了提高風電機的發電效率，葉片的外形設計需要結合空氣動力學來實現，而這也使葉片具有更加復雜的外形。因此在風電葉片的實際設計過程中，葉片不同半徑處的弦長、翼型、厚度和扭角均不相同，如果利用金屬進行制造，難度較大，特別是大型葉片，如果打磨、焊接不足便會影響風電機的運轉性能。而復合材料的成型較為容易，在具有復雜外形葉片的制作過程中，只需要準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;③具有良好的抗震性。相比較金屬材料，復合材料的內阻尼較大，這也使該種材料具有良好的抗震性能;④耐腐蝕性強。風電機是在戶外工作的，近幾年隨著風電行業的發展海上風電機的安裝也成為了風力發電的主流趨勢。因此，風電機組和風電葉片需要具有良好的耐腐蝕性，相比較金屬材料，復合材料具有更好的耐酸、耐堿、耐海水和耐氣候性能。

三、風電葉片復合材料選擇的基本方向

無論何種設備的材料旋轉，均是從以下兩種情況產生，一種是在設計前來旋轉材料，之后根據材料的性能來進行設備的設計;另一種是利用新型材料來替代當前已有的材料。而在風電葉片復合材料的選擇過程中，基本方向如下：①相關設計人員根據風電葉片的使用環境來選擇復合材料，保證材料的強度、剛度、韌性、耐腐蝕性能夠滿足環境條件;②所選用的復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優先選用已有廣泛應用的材料。目前常用的增強材料主要有碳纖維增強復合材料（CFRP）和玻纖增強復合材料（GFRP）。

風電葉片傳統以玻璃鋼（玻璃纖維增強復合材料）為主材制造，但玻璃纖維材料密度大于碳纖維，同時力學性能尤其是模量遠低于碳纖維復合材料。

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

據全球碳纖維復合材料市場報告測算，2020年全球風電領域碳纖維需求將達到3.13萬噸，隨著全球對清潔能源的需求增長，到2025年風電碳纖維需求量將達到9.73萬噸，增長率達到210.8%。

雖然在性能上玻纖復合材料沒有碳纖維復合材料更優異，模量差別大概在3倍左右，但是其成本卻是數量級的不同，所以玻纖的性價比使其成為了風電機組想要技術提升，高速發展的必備原料。且目前中國巨石和泰山玻纖開發的E9與HMG超高模量玻纖，在強度和剛度等部分物理性能指標已經逼近碳纖維。

未來隨著技術發展，高性能玻纖提質降本，葉片的生產成本進一步降低，將助力風電行業更多參與到平價時代。

四、環氧結構膠在風電葉片復合材料中的重要應用

現階段制備風電葉片大多采用玻璃纖維增強環氧樹脂或玻璃纖維增強聚酯樹脂制備，隨著葉片長度不斷增加，大多數葉片設計公司將基體樹脂從最初的不飽和聚酯慢慢轉向環氧樹脂進行設計和生產。這主要因為環氧樹脂具有良好的力學性能、耐化學腐蝕性和尺寸穩定性，是大型風電葉片的制備材料首選。目前，市場上主流的風電葉片用膠粘劑有環氧膠粘劑、聚氨酯膠粘劑、改性丙烯酸酯膠粘劑等。環氧膠粘劑因具有性能和成本優勢而成為大多風電葉片制造廠商的首選。

環氧樹脂是風電葉片廣泛使用的一種基體材料，它具有優良的力學性能、耐熱性能、粘結性強、收縮率小、工藝性能良好等特點。按化學結構分為：①縮水甘油醚類;②縮水甘油脂類;③縮水甘油胺類;④脂肪族環氧化合物;⑤脂環族環氧化合物。而作為風電葉片的基體材料，環氧樹脂除需具備以上優點以外，還需要具備低粘度、適用期長、浸透性好、固化物力學強度高，韌性好且具有與纖維界面良好黏結性能及成型工藝性能等特點。

為實現上述優勢除了提升環氧樹脂性能外還可以從環氧樹脂固化劑著手，制備高性能樹脂基體。浙江正大新材料科技股份有限公司生產的酸酐固化劑具有下述性能特點：1. 純度高、色澤淺：能直接制得或調制成所需的各種色彩的環氧樹脂制品。2. 粘度低：澆鑄、灌封、浸漬的工藝性好，澆鑄時可加入大量填充劑，使固化物性能優良。3. 性能穩定、凝固點低、適用期長：在室溫下可以長期存放，便于管道運輸，有利生產自動化，適應于嚴寒地區。4. 揮發性小：毒性低，加熱損失小，毒性僅為胺類固化劑的二十分之一至四十分之一，對人體眼睛及皮膚的刺激性小。5. 互溶性好：本產品能同所有環氧樹脂互溶，混合粘度低，同時加熱固化時體系收縮和放熱效應比較低。廣泛應用于環氧樹脂固化劑、無溶劑油漆、層壓板、環氧粘合劑等。

酸酐-環氧型結構膠作為風電葉片的明顯優勢有：1.環氧結構膠中的環氧樹脂基團具有極性大、活性優等特點，對材料表面粘接強度大;2.酸酐-環氧固化體系在固化時，體積收縮率較小，抗壓強度高;3.在制備結構膠時，可通過靈活的配方設計，與不同類型的有機、無機物經共聚或交聯改性，達到增韌、增強的效果;4. 在固化劑中可以引入含有柔性鏈段的聚合物，進一步達到增韌改性環氧樹脂結構膠的目的;5.酸酐固化劑具有耐腐蝕、耐候性、阻燃性，在室溫下能長期存放、凝固點低、揮發性小、毒性低、粘度小浸透性好。此外，酸酐-環氧結構膠還具備一定的成本優勢，可以成為優異的風電葉片用環氧型結構膠。

五、結語

隨著能源匱乏問題的日益嚴重，風力發電也成為了發電行業未來的主流方向。相比較傳統的火力發電，風力發電不僅不會對環境產生影響，還具有良好的經濟效率。風電葉片作為風力發電機組中最重要的組成部分對風力發電的效率有著巨大的影響。為了有效的提高風力發電機組的運轉效率，相關設計制造人員需要加強對風電葉片用復合材料的研究力度，加大對環氧結構膠的研發，如了解各種增韌手段和增韌劑性能的優缺點，進行合理協同復合增韌，在保持高粘接強度的前提下，有效增強韌性;通過引入觸變劑，特別是化學觸變劑來改善工藝特性;通過優化固化劑來延長可操作時間，提高結構膠固化效率，增強耐候性等。此外，耐疲勞、耐鹽霧腐蝕的高性能結構膠也是未來的研究目標。爭取早日實現以高性能環氧結構膠制備高性能的復合材料，以此來實現風力發電效率的提升，進而推動我國綠色經濟的穩步發展。

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