風電葉片的表面防護系統

　　UV測試可以采用不同的波長來進行。UV輻射占據了地表輻射的絕大部分，因此UV測試被廣泛使用。
　　采用疝氣燈，可以得到一個類似太陽光的波長分布。疝氣燈光線波長可以覆蓋UV、可見光和紅外光的范圍。由于可見光和紅外光不會對聚合物分子的共價鍵造成較大的傷害，因此疝氣光源所導致的退化強度比UVA低。
　　1.4.2臭氧
　　采用臭氧柜可以測試臭氧、濕氣和高溫對聚合物的影響。尤其是雙鍵和橡膠對臭氧所引起的退化較為敏感。通常采用50ppm(重量比單位)濃度的臭氧進行72h的退化測試。同時，該測試也會對聚合物產生力學性能的影響；對于葉片表面防護體系采用臭氧測試的不多見，但常采用這種方法進行粘接膠的加速測試。
　　1.4.3 混合測試
　　為了考察多個環境因素的綜合影響，通常采用UVA測試與氧化測試、濕度測試、升溫測試、鹽霧測試或冰霜等測試進行混合進行的方式。可以采用試件固定不動而被測因素循環通過的方式，也可以用被測因素不動，試件通過一個預設軌道在各環境因素中往復運動的方式。被測因素的順序和影響強度可以根據即將應用的自然環境進行模擬設置。混合測試通常可以獲得一個較好的結果。
　　2 實際葉片表面防護層的加速測試
　　考慮到時間和可實施性，人們總是希望找到一種加速測試的方法，既可以與實際表面涂層的變化對照，又可以盡可能準確的預測表面防護體系的壽命。
　　2.1 標準
　　目前還沒有現成可用于風電葉片表面涂層測試的系統化標準，只能參考直升機葉片表面涂層測試的標準。但是有一點區別需要注意，直升機表面涂層所需要的壽命比風電葉片涂層的要短很多。
　　在設定測試參數的時候，可以參考海上結構及涂層所用的測試標準。
　　其他的一些標準也可以參考，如挪威石油工業協會制定的Norsok 標準M501中的“表面處理和涂層保護”；歐洲標準ISO20340中的海上和相關結構的防護體系對涂層和面漆性能的要求；ISO4628中“對涂層和面漆退化的評估”和”有關缺陷尺寸和數量的規定和表面變化程度的界定”，尤其是第4628-2，-4，-5對風機葉片有較好的適用性。
　　在制定葉片防護系統標準時，海上鋼結構涂層防護的相關標準比直升機葉片的相關標準具有更強的參考性。這是因為風機安裝與海上石油平臺具有較多的相似性。石油平臺的海上建筑結構根據暴露于環境中的程度不同，分為4個類別（ISO 20340）。其中一個類別是暴露于大氣中的部分（C5-M），其他三個類別根據Im2進行劃分，分別是水下區、潮汐區和濺浪區。
　　所有4個類別都與風機塔架相似，但只有C5-M與風機葉片類似。盡管標準是鋼結構的，但是很多參數也同樣可以應用在復合材料的表面防護系統上。C5-M和Im2都采用標準試件所損失的材料厚度或質量來定義腐蝕，同時也給出了典型的大氣環境的描述。
　　2.2 測試選擇方法
　　Norsok測試是將試件置于不同大氣環境因素的循環體中。測試環境是對不同大氣環境的模擬，從鹽霧柜開始，然后是UVA柜或疝氣柜。UVA柜或疝氣柜的溫度可以提升，以加快退化的速度。
　　該項測試通常在升溫的情況下測試32周，然后根據標準ISO4628,2,4,5對試件的氣泡、開裂、脫落進行測試，然后根據ISO12944-2對保護層與玻璃鋼結構層的粘接性能進行測試。這個測試很耗時，但是結果與海上環境下的葉片防護層退化具有較好的可比性。
　　2.2.1 耐磨性測試
　　Norsok測試不要求對防護系統的耐磨蝕性能進行測試，也沒有一個ISO標準有這方面的要求可以參考。
　　風機葉片表面的耐磨蝕性測試非常重要，尤其是葉尖和靠近葉尖的1/3長度部分，其表面被磨蝕的風險很高，在極端天氣情況下，空氣中的顆粒物會以300km/h的速度沖向葉片表面。
　　冰雹和雨蝕也沒有包含在Norsol測試中，但都需要測試。將水流測試和磨蝕測試混合進行，就可以預測防護體系由于雨蝕導致的退化。冰雹對防護系統導致侵蝕，可以用冰塊代替沙子或金剛砂的方式進行測試，因為冰塊的尖角會磨蝕防護系統表面。通常，柔性防護體系對磨蝕的抵抗性較好。
　　2.2.2 濕氣環境測試
　　Norsok測試和其他的一些測試都考慮了濕氣的影響。一旦試件吸入足夠多的水氣，結冰和融化交替進行，通過這種方式模擬實際的低溫環境。測試完成后，需要確認試件產生氣泡的情況。當水結冰或融化交替進行時，其體積隨之改變，體積變化就會導致氣泡現象的產生。
　　2.2.3 化學腐蝕
　　風機葉片可能會暴露于不同的化學物質中，其表面可能被灰塵污染、被鳥糞、昆蟲尸體、油污、鹽霧沉淀物或酸雨等污染。沒有一種混合測試能夠模擬這些條件。實際進行的測試是這樣的：測試化學物包括炭黑（模擬鹽霧沉淀）、稀釋的硫酸（模擬酸雨），油（模擬灰塵或其他動物油脂），人造海水。任何其中一種化學物質都不能對葉片的表面防護系統帶來致命的損傷，但混合在一起卻可以產生致命的影響。
　　2.2.4 測試結果
　　由于測試不像力學性能測試，就無法給出直接的數據結果，但是還是需要根據ISO4628進行判定。氣泡、開裂和剝落在測試之后均有可能出現，這些現象就可以用于對涂層或膠衣性能的判定。此外，與結構層的粘合力也需要進行測試，為了進行此測試，需對測試試件做特殊的準備，如設計考慮剝離和拉伸測試所需的夾具，或需要在試件的涂層或膠衣上引入一個缺口（為剝離測試做準備）。
　　3 總結，未來的挑戰與發展趨勢
　　3.1 不同防護策略的優勢與局限
　　各種不同的防護材料都有其特有的優勢，但是他們又都受到一定的限制，在優勢與限制中，我們需要尋找一個平衡，包括選擇柔性防護還是剛性防護，選擇膠衣還是涂層。
　　剛性涂層可以通過采用由硬度較高的環氧或不飽和聚酯來獲取，對于熱固性材料，其硬度較高，這種防護體系需要具有高水平的橫向鏈接，因為橫向鏈接會導致低柔性，和更大的收縮性。而對于柔性體系，可以通過采用較柔的聚氨酯膠衣或涂層來實現，或者在前緣或1/3長度的葉尖區域貼聚氨酯帶（保護膜）來實現更好的保護。
　　不同材料可以使葉片減少某個方面因素導致的損傷。為了減少表面防護層吸水量，涂層就應該采用環氧而非聚酯。為了獲得較低的水解率，需要選用乙烯基酯而非不飽和聚酯。
　　如果采用異丁烯酸甲酯的橫向鏈接聚合物，其UV防護性能會提高。
　　此外，如果防護體系表面張力低，就有利于除冰，但是這樣的體系抵御磨蝕和雨蝕的能力就很差。
　　在權衡不同材料體系的優勢和局限時，也需要考慮這種材料體系與結構鋪層之間的粘合力，因為粘合力不足會導致材料剝落，從而無法保護結構鋪層。
　　3.2 未來挑戰和發展趨勢
　　葉片長度會越來越長，在極端惡劣環境裝機也成為趨勢，如海上、沙漠、低溫環境或山頂。這些區域風資源條件好，風機性能較高，受噪聲限制少。然而，磨蝕和化學腐蝕的問題更為嚴重。同時，由于難以抵達，人們對運維性的要求也越來越高。表面防護體系的耐久性和強度就變得十分重要。
　　3.2.1 新材料
　　為了迎接這些挑戰，需要開發一些新的材料。新的涂層材料可以提供更好的表面防護性能，從而可以抵御更惡劣的環境條件。比如，一種基于酰亞胺的產品和包含氟碳化合物的表面防護材料可以更好防冰。
　　3.2.2 環境保護
　　未來，海上和陸上環境保護的法律條款或將更為嚴格。風電場對環境影響所面臨的問題正越來越多，不少居民在反對自己住所附近有風電場。這就導致了葉片表面防護的新需求，如對折光率、航空防護及避雷系統等方面都將出現新的需求。其中一些問題已經得到了解決。目前人們已經引入航空標識、表面折光率低的油漆等解決措施。由于很多因素與葉片氣動噪聲問題相關，因此對該問題的解決將會在較長一段時間內成為難題。人們目前正在探索鯊魚鰭等降噪措施，但有效的商業化應用還尚需時日。
　　3.2.3 葉片表面防護的制造環境
　　在給葉片表面進行表面防護的過程中，盡管人們已經采用防護服、手套、口罩等防護用品，但這些措施只能降低來自表面防護材料有害物質對制造工人的傷害，并不能杜絕；同時對空氣污染也是難以杜絕的。
　　3.2.4 測試方法
　　目前人們已經建立了一些測試方法和模型，如避雷系統或氣動噪聲；但葉片表面防護體系或結冰問題還未見相關模型的建立。值得一提的是，隨著塔架高度的提升，葉片運行環境深入云層，云層導致的葉尖結冰問題正使得葉片結冰問題超越了低溫環境的范圍而逐漸被廣泛關注。