風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生能源，是區(qū)別于傳統(tǒng)能源的新能源。與太陽能發(fā)電等其他新能源相比，風(fēng)力發(fā)電更具有規(guī)模和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，特別是隨著煤炭資源的逐漸枯竭、環(huán)保呼聲的高漲及對(duì)氣候變化的關(guān)注，以及人們對(duì)傳統(tǒng)能源種種弊端的認(rèn)識(shí)不斷深化，世界上發(fā)達(dá)國家紛紛投入大量的人力、物力和財(cái)力去發(fā)展環(huán)保新能源，這使風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速擴(kuò)張。我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，但發(fā)展迅速，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入全球累計(jì)裝機(jī)容量前十位國家的行列，僅次于美國和德國。
隨著風(fēng)力發(fā)電的迅猛發(fā)展，對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的需求不斷增加，從而帶動(dòng)了風(fēng)力發(fā)電裝備用風(fēng)電葉片材料及其防護(hù)涂料的發(fā)展。
風(fēng)電葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件之一，其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證風(fēng)電機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。風(fēng)電葉片在運(yùn)行中要經(jīng)受紫外線、風(fēng)沙、雨蝕、鹽霧、濕熱和溫差等侵蝕，風(fēng)電機(jī)組承受的磨損應(yīng)力（磨蝕）主要有兩個(gè)因素：一是因?yàn)轱L(fēng)挾帶的顆粒（例如砂粒）摩擦鋼結(jié)構(gòu)、葉片表面而產(chǎn)生破壞；二是水滴、冰雹、沙塵暴甚至飛鳥等較大物的撞擊破壞。這在戈壁沙漠風(fēng)電場塔架的迎風(fēng)面及底部、風(fēng)電葉片表面、箱式落地變壓器迎風(fēng)側(cè)面比較常見和明顯，特別是在許多情況下，風(fēng)電葉片的葉尖速度超過80 m/s，磨損會(huì)造成結(jié)構(gòu)破壞、效率下降和損失。
因此，要求風(fēng)電葉片材料達(dá)到高強(qiáng)度和抗疲勞性，而風(fēng)電葉片涂料對(duì)保護(hù)葉片，防止其老化、磨損起到關(guān)鍵性的作用，因此，風(fēng)電葉片涂料除應(yīng)具有防腐蝕性外，還必須具有極佳的耐磨性。
風(fēng)電葉片材料的發(fā)展
1.1 風(fēng)電葉片材料的基本種類
風(fēng)電葉片的選材直接影響其成本和綜合性能。從傳統(tǒng)型的木質(zhì)葉片發(fā)展到現(xiàn)在主流型的復(fù)合材料，人們經(jīng)歷了對(duì)高性能、低成本的風(fēng)電葉片材料的篩選和探索的漫長過程
1.1.1 金屬材料
金屬材料的價(jià)格低廉、易加工成型，較早時(shí)期被認(rèn)為是風(fēng)電葉片最理想的材料。風(fēng)電葉片所用的金屬材料主要是合金鋼和鋁合金。不過，經(jīng)過長期試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，金屬材料的密度普遍較大，質(zhì)量大，而且抗疲勞特性差，容易被腐蝕，特別不適合扭曲成型，因而逐步被其他材料所替代。
1.1.2 玻璃鋼復(fù)合材料
玻璃鋼復(fù)合材料是基體樹脂和玻璃纖維通過加工方式結(jié)合在一起制成的材料。其中玻璃纖維主要起到補(bǔ)強(qiáng)作用，而基體樹脂主要提供粘結(jié)力，保護(hù)增強(qiáng)作用和傳遞應(yīng)力作用。
玻璃鋼復(fù)合材料的基體樹脂主要有不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂。不飽和聚酯樹脂的原料來源廣，成本較環(huán)氧樹脂低，且在常溫常壓下可固化成型，加工方便。環(huán)氧樹脂同樣有良好的加工工藝性，其粘結(jié)力好，穩(wěn)定性好，防腐蝕性能優(yōu)異；乙烯基酯樹脂結(jié)構(gòu)上保留了環(huán)氧樹脂的基本鏈段，固化后材料具有優(yōu)良的性能，在工藝性能方面則具備不飽和聚酯樹脂的良好工藝性能。相比較而言，不飽和聚酯樹脂具有優(yōu)異的工藝調(diào)控性，可以通過調(diào)整引發(fā)劑的用量來控制反應(yīng)時(shí)間；而環(huán)氧樹脂韌性較好；不飽和聚酯樹脂脆性較大［1］；乙烯基酯樹脂成本和性能介于不飽和樹脂和環(huán)氧樹脂之間，不過其相關(guān)應(yīng)用研究較晚，技術(shù)相對(duì)不成熟，目前只被少數(shù)風(fēng)電葉片制造商采用。
1.1.3 碳纖維復(fù)合材料
隨著風(fēng)電葉片的尺寸逐漸加大，葉片質(zhì)量也越來越重，但這不符合風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)要求。高性能碳纖維材料的引入可以解決這一難題，在很大程度上實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片的減重。碳纖維材料在滿足剛度和強(qiáng)度要求的條件下，比玻璃纖維材料輕30%。在基體樹脂方面，環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能相對(duì)其他樹脂好，故碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用多以環(huán)氧樹脂為基體樹脂。不過，碳纖維的應(yīng)用工藝要求較高，葉片的雷電防護(hù)系統(tǒng)情況復(fù)雜，其尚有技術(shù)性和成本性的問題需要解決。
2.1 風(fēng)電葉片涂層的性能
風(fēng)電葉片正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中通常可能受到以下幾種外界侵蝕：第一種是來自紫外光的侵襲；第二種是風(fēng)沙、浮塵以及雨霧等對(duì)基材的侵蝕。就第一種而言，是屬于化學(xué)性的侵蝕；第二種侵蝕是屬于機(jī)械性的侵蝕，對(duì)于涂料行業(yè)來說防護(hù)難度較第一種要大得多。風(fēng)電葉片正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中葉尖的線速度可達(dá)80 m/s，這個(gè)速度約相當(dāng)于F1 賽車的最高時(shí)速。風(fēng)中含有的沙粒或水滴會(huì)對(duì)葉片表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊力。如果風(fēng)電葉片涂料的耐沙蝕或雨蝕性能不佳，防護(hù)涂層將在幾年內(nèi)發(fā)生明顯損耗，根本堅(jiān)持不了20 a 的防護(hù)期限。因此，要求涂層必須經(jīng)受長時(shí)間的高速粒子撞擊，涂層必須具有一定的彈性；同時(shí)，由于沙子表面粗糙，硬度高，更容易劃傷涂層，涂層還要具有高機(jī)械強(qiáng)度。只要涂層能隨時(shí)保證這兩個(gè)特性，再具備足夠的厚度，就可以有效抵御風(fēng)沙、雨霧在葉片運(yùn)行過程中的侵蝕。
由于涂層耐磨性不佳，導(dǎo)致風(fēng)電葉片維修成本居高不下，這是大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的絆腳石。風(fēng)電葉片防護(hù)涂層材料不局限于單一的某種材料，幾種樹脂的配套使用或通過改性可使涂料性能更趨優(yōu)異，合理配用聚氨酯、丙烯酸類等聚合物，以獲得性能全面的風(fēng)電葉片涂料。風(fēng)電葉片涂料主要應(yīng)考慮到以下幾點(diǎn)基本性能：
（1） 風(fēng)電葉片涂層要與風(fēng)電葉片材料有優(yōu)異的附著力，不同的風(fēng)電葉片材料因基體樹脂不同，可能會(huì)造成風(fēng)電葉片涂料在底材上的附著力不盡相同。
（2） 風(fēng)電葉片涂層的耐磨性要優(yōu)異。風(fēng)電葉片長期經(jīng)受風(fēng)力摩擦，另外，在空氣流動(dòng)過程中，空氣中的沙粒、雨水、鹽霧，都會(huì)不斷地沖擊風(fēng)電葉片而造成侵蝕。因此，對(duì)風(fēng)電葉片涂層的耐磨性要求極高。
（3） 風(fēng)電葉片涂層需具有優(yōu)異的化學(xué)性能。風(fēng)電葉片長期暴露在自然環(huán)境下，受到紫外線、雨淋、霜凍等，更有晝夜溫差、四季氣候變化的自然條件，造成冷熱交替等各種不穩(wěn)定的因素對(duì)風(fēng)電葉片的侵蝕。而風(fēng)電葉片涂層作為保護(hù)層，需要在不穩(wěn)定的因素條件下保持涂層的性能穩(wěn)定，耐性（如耐鹽霧性、耐紫外老化性、耐濕熱性等）優(yōu)異，以適應(yīng)不同的極端氣候條件。
2.2 風(fēng)電葉片涂料的配套體系
現(xiàn)階段，風(fēng)電葉片涂料產(chǎn)品已經(jīng)相對(duì)成熟，國內(nèi)外風(fēng)電葉片涂料廠商諸多，而不同風(fēng)電葉片涂料廠商的涂料配套體系各異，常見的配套涂料體系見表1。
由于風(fēng)電葉片加工工藝因素造成葉片表面不平整有空隙，通常在涂布底漆之前需要用膩?zhàn)犹钇娇障叮?］。根據(jù)表1 大體可以總結(jié)出：風(fēng)電葉片涂料配套體系主要是水性涂料配套體系和溶劑型涂料配套體系。水性涂料配套體系氣味小，環(huán)保，施工方便，且施工工具易清洗。而溶劑型涂料配套體系氣味大，但是已經(jīng)逐漸向高固體分涂料轉(zhuǎn)型，且漆膜性能穩(wěn)定，防腐蝕性能相對(duì)水性體系出色，因此現(xiàn)階段的風(fēng)電葉片實(shí)際應(yīng)用溶劑型涂料的相對(duì)較多。
圖片
結(jié)語
風(fēng)力發(fā)電是一種清潔能源，勢必會(huì)大力發(fā)展。這隨之對(duì)于風(fēng)電葉片材料及其防護(hù)涂料的要求也會(huì)更高。當(dāng)前在考慮高性能材料發(fā)展的同時(shí)，風(fēng)電葉片材料及其涂料也必將向可持續(xù)、環(huán)保的研究方向邁進(jìn)。
來源：上海市涂料研究所有限公司
