干貨丨風電葉片材料的演變史及未來發展方向

 

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

 

 

　　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的國內最長海上風電葉片在江蘇如東基地成功下線。‍

 

 

　　葉片材料：碳纖維增強復合材料，葉片長度：83.6米。

 

　　葉片材料的演變經歷三個時期：木質材料→金屬材料→復合材料。

 

　　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葉片，布蒙皮葉片，然后是金屬葉片，最后到現在比較主流的復合材料葉片。

 

　　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，那么其風力轉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過程。

 

　　木質葉片

 

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

 

　　金屬葉片

 

　　金屬葉片克服了木質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。

 

　　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，也對葉片的保養和后期維護提出了挑戰。

 

　　1950年，纖維增強復合材料原材料體系被逐步開發，其潛在性能優勢不斷被發掘，隨著應用技術的積累，長纖維增強聚合物基復合材料以其優異的力學性能、工藝性能和耐環境侵蝕性能，成為當今大型風力發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）

 

 

　　重通成飛國內最長葉片的碳纖維主梁生產線（實現減重30%）

 

　　纖維增強復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構層的真空，吸入常壓下的液態環氧樹脂，然后加熱使樹脂固化，被樹脂浸潤的纖維結構隨即成為一個整體結構，這是真空吸注成型的原理。不同的葉片型號，會對應一個特定的整體結構，即復合材料葉片。

 

　　與傳統金屬材料葉片相比，纖維增強復合材料葉片的優勢更為明顯：與真空吸注工藝結合使得生產效率大大提高;通過調控纖維方向可設計不同性能的葉片;一體化成型，產品尺度限制小;高強高韌，特別適合制造大型風電葉片。因為，基于以上優勢，纖維增強復合材料葉片成為現今風電葉片的主導。

 

重通成飛車間正在鋪設的碳纖維布

 

　　國內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）的結構設計則選用碳纖維復合材料或碳纖維與玻璃纖維的混雜復合材料，采用真空導入生產工藝，而基體樹脂則以環氧樹脂為主。未來的發展方向是低成本、高性能、環保。

 

　　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，陸上大規模使用的玻璃纖維增強復合材料已難以獨立勝任。相較之下，碳纖維復合材料葉片的剛度為玻璃纖維復合葉片的兩至三倍，極限和疲勞性能都優于玻璃纖維復合材料，是名副其實的高性能材料。

 

　　但是有一點，碳纖維復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用。然而，碳纖維復合材料的應用已成為趨勢，隨著葉片越來越長，碳纖維復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展潛力

 

　　碳纖維增強乙烯基樹脂順應低成本的葉片發展趨勢。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，能滿足機械力學性能、抗疲勞性、剛度等各項性能指標的設計要求。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合材料葉片有利。

 

　　2.熱塑性復合材料‍

 

　　熱塑性復合材料葉片順應環保的發展要求。前面提到的加注成型工藝，多采用熱固性樹脂，如環氧樹脂、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，有環保的壓力。與熱固性復合材料相比，熱塑性復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點。

 

　　但是，目前熱塑性復合材料葉片成本還較高，主要原因在于未大規模推廣應用。

 

　　3.生物質材料‍

 

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

 

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