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風電葉片材料的演變史及未來發(fā)展方向

2018-02-25 16:19:56 大云網(wǎng)　點擊量：評論 (0)

一百多年以來，葉片除了越變越長以外，還有哪些改變?1887年，美國人Charles F.Brush建造了第一臺風力發(fā)電機組。葉片材料：雪松木，葉片長...

一百多年以來，葉片除了越變越長以外，還有哪些改變?

1887年，美國人Charles F.Brush建造了第一臺風力發(fā)電機組。

葉片材料：雪松木，葉片長度：8.5米。‍

2018年，中國吉林重通成飛開發(fā)的國內(nèi)最長海上風電葉片在江蘇如東基地成功下線。‍

葉片材料：碳纖維增強復(fù)合材料，葉片長度：83.6米。

葉片材料的演變經(jīng)歷三個時期：木質(zhì)材料→金屬材料→復(fù)合材料。

在葉片的成本中，葉片選材占大頭，對葉片綜合性能的影響也是最顯著。最開始的葉片材料為木質(zhì)葉片，布蒙皮葉片，然后是金屬葉片，最后到現(xiàn)在比較主流的復(fù)合材料葉片。

首先，風電葉片要足夠輕。在相同的風速下，更輕的葉片更容易旋轉(zhuǎn)，那么其風力轉(zhuǎn)換效率就會大大提高。另外，還需要高強度和高韌性，以滿足幾十年的服役壽命要求。最后，成本要低，因此，葉片材料的發(fā)展是一個逐步輕量化，高性能化，低成本化的漫長的篩選和開發(fā)過程。

木質(zhì)葉片

早期的風力發(fā)電機組功率容量很小，因此大多采用木質(zhì)葉片，但木制葉片不易扭曲成型，且強度不高，在潮濕環(huán)境下也容易腐蝕;而且隨著大、中型風力發(fā)電機的發(fā)展，木質(zhì)葉片越來越無法滿足葉片尺寸的增加要求，因此，木質(zhì)葉片逐步退出了歷史舞臺。

金屬葉片

金屬葉片克服了木質(zhì)葉片不易扭曲加工成型的缺點，而且金屬材料的價格低廉，在木質(zhì)葉片之后的很長一段時間被認為是風電葉片最理想的材料。

鋁合金葉片

這里面用到的金屬材料主要是鋁合金。但是，也存在諸多弊端，雖然鋁合金葉片重量輕、易于加工，但對于葉跟到葉尖漸縮的葉片，鋁合金的加工特別困難，此外，金屬材料在空氣中的腐蝕問題，也對葉片的保養(yǎng)和后期維護提出了挑戰(zhàn)。

纖維增強復(fù)合材料葉片

1950年，纖維增強復(fù)合材料原材料體系被逐步開發(fā)，其潛在性能優(yōu)勢不斷被發(fā)掘，隨著應(yīng)用技術(shù)的積累，長纖維增強聚合物基復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能、工藝性能和耐環(huán)境侵蝕性能，成為當今大型風力發(fā)電機葉片材料的首選。

這里的纖維主要有玻璃纖維和碳纖維兩種，由高分子聚合物(環(huán)氧樹脂，不飽和樹脂等)通過特定的成型工藝加工而成。

玻璃纖維(左)和碳纖維(右)

重通成飛國內(nèi)最長葉片的碳纖維主梁生產(chǎn)線(實現(xiàn)減重30%)

纖維增強復(fù)合材料是大型葉片的不二選擇。加工工藝一般采用真空吸注成型工藝，如下圖所示。

真空吸注成型工藝

該工藝利用纖維和泡沫結(jié)構(gòu)層的真空，吸入常壓下的液態(tài)環(huán)氧樹脂，然后加熱使樹脂固化，被樹脂浸潤的纖維結(jié)構(gòu)隨即成為一個整體結(jié)構(gòu)，這是真空吸注成型的原理。不同的葉片型號，會對應(yīng)一個特定的整體結(jié)構(gòu)，即復(fù)合材料葉片。

與傳統(tǒng)金屬材料葉片相比，纖維增強復(fù)合材料葉片的優(yōu)勢更為明顯：與真空吸注工藝結(jié)合使得生產(chǎn)效率大大提高;通過調(diào)控纖維方向可設(shè)計不同性能的葉片;一體化成型，產(chǎn)品尺度限制小;高強高韌，特別適合制造大型風電葉片。因為，基于以上優(yōu)勢，纖維增強復(fù)合材料葉片成為現(xiàn)今風電葉片的主導(dǎo)。

重通成飛車間正在鋪設(shè)的碳纖維布

國內(nèi)目前風電葉片材料是這么個情況：我國較小型葉片(如22 m長)一般選用量大、價廉的玻璃纖維增強塑料，基體樹脂以不飽和聚酯樹脂為主;而較大型葉片(長度42 m以上)的結(jié)構(gòu)設(shè)計則選用碳纖維復(fù)合材料或碳纖維與玻璃纖維的混雜復(fù)合材料，采用真空導(dǎo)入生產(chǎn)工藝，而基體樹脂則以環(huán)氧樹脂為主。未來的發(fā)展方向是低成本、高性能、環(huán)保。

但是，海上風電正在對葉片材料提出更高的要求。由于海上風電葉片的嚴苛要求，陸上大規(guī)模使用的玻璃纖維增強復(fù)合材料已難以獨立勝任。相較之下，碳纖維復(fù)合材料葉片的剛度為玻璃纖維復(fù)合葉片的兩至三倍，極限和疲勞性能都優(yōu)于玻璃纖維復(fù)合材料，是名副其實的高性能材料。

但是有一點，碳纖維復(fù)合材料的價格要遠高于玻璃纖維，這是致命傷，昂貴的價格大大限制了它在風電葉片上的大范圍應(yīng)用。然而，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用已成為趨勢，隨著葉片越來越長，碳纖維復(fù)合材料將成為超長葉片材料的不二選擇。

未來以下三種材料或會有較大發(fā)展?jié)摿?/div>

1.碳纖維增強乙烯基樹脂‍

碳纖維增強乙烯基樹脂順應(yīng)低成本的葉片發(fā)展趨勢。葉片的成本在整個風電機組占比較大，碳纖維價格昂貴，碳纖維加環(huán)氧樹脂的葉片方案，會大大增加成本。如果選擇性價比高的乙烯基樹脂來替代環(huán)氧樹脂，可降低風電葉片成本。

另外，乙烯基樹脂的工藝性好，能滿足機械力學(xué)性能、抗疲勞性、剛度等各項性能指標的設(shè)計要求。碳纖維增強乙烯基樹脂有望降低成本，對于推廣碳纖維增強復(fù)合材料葉片有利。

2.熱塑性復(fù)合材料‍

熱塑性復(fù)合材料葉片順應(yīng)環(huán)保的發(fā)展要求。前面提到的加注成型工藝，多采用熱固性樹脂，如環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等，熱固性樹脂制成的風電葉片在其退役后材料很難被回收利用，有環(huán)保的壓力。與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料在滿足密度小、強度高、抗沖擊性好的前提下，兼具可回收再利用的優(yōu)點。

但是，目前熱塑性復(fù)合材料葉片成本還較高，主要原因在于未大規(guī)模推廣應(yīng)用。

3.生物質(zhì)材料‍

生物質(zhì)材料也是出于環(huán)保的考慮。風電葉片發(fā)展一百多年之后，最初的木質(zhì)葉片又重新登上了歷史舞臺。目前，市場上以木質(zhì)/竹制品等生物質(zhì)材料制成的風電葉片為主，此類風電葉片具有如下優(yōu)點：剛度高、穩(wěn)定性好、低溫阻尼好、材料可再生、成本低。

從工藝上看，相比碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，竹材的用量高達50%~70%，環(huán)氧樹脂用量少，避免了固化過程的過熱反應(yīng)，材料的收縮小;與玻璃纖維復(fù)合材料葉片相比，則減少了加工時間，更具有市場競爭能力。