风电叶片复合材料选择的基本方向与重要应用

沈建琴 杨丽艳

摘要：第三次工业革命以来，全球经济得到大幅度提升，全世界人民的生活也变得更加富足。在此种环境下，我国也进入了工业化时代，大批工厂的出现对电力的需求量也越来越大，为了满足社会发展所需要的电力能源，我国各地都在加大力度扩建火力發电厂，但随着时间的推移，火力发电的弊端越来越明显，环境污染、资源缺失便是其中最严重的问题。如何有效的减少电力生产过程中所出现的污染情况已经成为了我国迫在眉睫的事项。而风力发电、光伏发电的出现极大的缓解了当前我国所面临资源缺失和环境污染的情况。在风力发电的过程中，风力发电机是其中最关键的设备之一，而风电叶片又是其中最关键的部件，因此加大对风电叶片材料的研究能够有效的提高风力发电效率，对风电设备运行安全性的提升也有着重要的作用。基于此，本文围绕着风力发电展开论述，对风电叶片和复合材料、环氧结构胶进行研究，并深入分析风电叶片复合材料用环氧结构胶选择的基本方向，同时对环氧结构胶在风电叶片中的重要应用进行剖析，以供相关风电设备制造行业人员参考，从而推动我国新能源行业的飞速发展。

关键词：风力发电;风电叶片;复合材料;环氧结构胶;选择;基本方向;重要应用

引言

风能属于一种清洁可再生性能源，在我国电力事业的发展过程中，通过风力发电模式可以最大限度发挥风能所提供出的作用和优势，为社会供电提供必要的支撑和保证。现阶段，我国电网结构正在不断朝智能化的方向发展，风能属于智能电网系统当中非常重要的可再生性能源供应，并且风能具有一定的稳定性与间歇性特点，在风能的开发和使用过程中风力发电机是其中最关键的设备之一，风叶作为风力发电机当中最重要的组成部分也受到人们广泛关注和重视。近阶段，随着我国风力发电技术的日渐成熟，在风能储备量比较丰富的区域，针对风力发电技术的有效应用可以进一步推动我国社会市场经济以及人们用电质量的快速提升，同时通过风力发电也是充分实现发电自动化的重要方法，而这都是在风力发电机良好性能和稳定运行的基础上来实现的。随着材料科学的不断发展复合材料以其足够的强度和韧性，同时重量较轻，已逐步替代金属材料，成为风力发电的新宠。目前越来越多种类的复合材料被研究出来应用在风电叶片当中，以期获得更好的风力发电效果。

一、风力发电

所谓风力发电属于一种对新能源的科学合理化应用，是清洁性能源开发使用背景下的一项重要技术。风能主要是以自然界当中的自然风作为主要的动力来源，作为一种新型可再生性绿色无污染能源，在我国发电领域当中应用非常普遍，并且在近几年的发展过程中，基于风力发电事业的开展，对于我国绿色经济的发展有着重要的意义。目前，我国整个风力发电事业正在处于快速的扩张当中，风力发电设备作为风能应用最关键的设备，尽管从技术水平层次上来看相对较高，但其中仍旧存在着一些问题影响着风电的生产效率。

现阶段，在我国能源市场的竞争态势方面越来越激烈，尤其针对清洁性能源的使用问题，也受到了全社会的广泛关注。从整个风能的构成特性上进行分析，因为风能在陆地和近海区域范围内，整体的资源储备量相对比较丰富，同时可以供给开发的潜力相对较大，外加上风能属于一种可再生清洁能源，在自然环境当中取之不尽用之不竭。只要存在气压时，大气当中因为空气的流动便会产生风能，同时通过对风能的合理使用，对自然环境不会产生明显的污染问题，具有更高的环境保护工作效益。因此风力发电已经成为我国电力资源供应工作中比较常用的一种技术方法，随着社会经济的快速发展，人们在日常和生活当中对于风力资源的需求量不断上涨，风力发电系统对更加先进的自动化技术要求越来越高。相关工作人员通过对更加先进的风力发电信息系统的合理应用，可以全面提高风力发电工作的质量和效率，对传统风力发电工作过程中存在的各种缺陷和弊端进行全面优化和改进，尤其是针对风能发电可能存在的间歇性供电不足问题进行全面控制，以此来保证风力发电供电的稳定性。

二、风电叶片和复合材料

如今，在社会经济的持续发展过程中，人们的生活水平也得到了有效的提升，在这样的情况下人们在电力资源方面的需求也越来越高。风力发电作为一种新型的清洁发电形式也得到了更多的关注与应用。在风力发电的过程中，风力发电机组是其中最关键的设备，该设备主要是由传动系统、发电机、叶片、塔架、储能设备以及电器元件等部分组成。风力发电机组设备的风力发电效率是由叶片的转速和发电机的功率共同决定的。因此，风电叶片的设计也是风电系统中最关键的技术，在风电叶片的设计过程中，除了叶片的外形设计对叶片的转速有影响，材料也是决定叶片运行能力最重要的因素之一，良好的材料性能能够有效的提升叶片的强度和抗疲劳度，并且同样体积大小的叶片自重也更轻，与空气的摩檫力更低，更加容易旋转。因此，在叶片制造过程中材料的选择也是决定风力发电效率的关键所在，目前就风电叶片材料而言，复合材料相比较金属材料更具有优势，复合材料不仅具有更高的强度，还具有良好的结构稳定性、抗腐蚀能力和耐高温性能。因此，复合材料也成为了当前风电叶片所选用的首要材料。

与金属材料相比较，复合材料叶片具有如下优点：①重力更低、强度更高。风电设备叶片在空气驱动旋转时受到的力为纵向，而这力主要是由气动弯曲载荷和离心力所构成的，旋转过程中叶片所受到的剪应力较小，利用复合材料制造叶片能够根据叶片的受力特点来调整不同部分的强度和刚度。例如利用纤维复合材料需要将纤维设置在叶片的纵向面上，相比较金属这不仅质量较轻，而且具有足够的刚度和强度。低重力的叶片能够降低叶片旋转过程中所参数的离心力，如此便能够降低由离心力所引起的交变载荷;②容易成型，气动效率能够达到最高。为了提高风电机的发电效率，叶片的外形设计需要结合空气动力学来实现，而这也使叶片具有更加复杂的外形。因此在风电叶片的实际设计过程中，叶片不同半径处的弦长、翼型、厚度和扭角均不相同，如果利用金属进行制造，难度较大，特别是大型叶片，如果打磨、焊接不足便会影响风电机的运转性能。而复合材料的成型较为容易，在具有复杂外形叶片的制作过程中，只需要准确的摸具便可以完成，并且所制造的叶片外表光洁度较高，叶型也较为精准;③具有良好的抗震性。相比较金属材料，复合材料的内阻尼较大，这也使该种材料具有良好的抗震性能;④耐腐蚀性强。风电机是在户外工作的，近几年随着风电行业的发展海上风电机的安装也成为了风力发电的主流趋势。因此，风电机组和风电叶片需要具有良好的耐腐蚀性，相比较金属材料，复合材料具有更好的耐酸、耐碱、耐海水和耐气候性能。

三、风电叶片复合材料选择的基本方向

无论何种设备的材料旋转，均是从以下两种情况产生，一种是在设计前来旋转材料，之后根据材料的性能来进行设备的设计;另一种是利用新型材料来替代当前已有的材料。而在风电叶片复合材料的选择过程中，基本方向如下：①相关设计人员根据风电叶片的使用环境来选择复合材料，保证材料的强度、刚度、韧性、耐腐蚀性能够满足环境条件;②所选用的复合材料需要具有良好的加工性;③满足客户所需求的性能;④优先选用已有广泛应用的材料。目前常用的增强材料主要有碳纤维增强复合材料（CFRP）和玻纤增强复合材料（GFRP）。

风电叶片传统以玻璃钢（玻璃纤维增强复合材料）为主材制造，但玻璃纤维材料密度大于碳纤维，同时力学性能尤其是模量远低于碳纤维复合材料。

为了避免大尺寸风电叶片在受力变形后与支撑柱产生碰撞，需要采用轻质高强高模的材料制造叶片。碳纤维复合材料以其轻质高强的特征成为大尺寸风电叶片制造的理想材料。

据全球碳纤维复合材料市场报告测算，2020年全球风电领域碳纤维需求将达到3.13万吨，随着全球对清洁能源的需求增长，到2025年风电碳纤维需求量将达到9.73万吨，增长率达到210.8%。

虽然在性能上玻纤复合材料没有碳纤维复合材料更优异，模量差别大概在3倍左右，但是其成本却是数量级的不同，所以玻纤的性价比使其成为了风电机组想要技术提升，高速发展的必备原料。且目前中国巨石和泰山玻纤开发的E9与HMG超高模量玻纤，在强度和刚度等部分物理性能指标已经逼近碳纤维。

未来随着技术发展，高性能玻纤提质降本，叶片的生产成本进一步降低，将助力风电行业更多参与到平价时代。

四、环氧结构胶在风电叶片复合材料中的重要应用

现阶段制备风电叶片大多采用玻璃纤维增强环氧树脂或玻璃纤维增强聚酯树脂制备，随着叶片长度不断增加，大多数叶片设计公司将基体树脂从最初的不饱和聚酯慢慢转向环氧树脂进行设计和生产。这主要因为环氧树脂具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性和尺寸稳定性，是大型风电叶片的制备材料首选。目前，市场上主流的风电叶片用胶粘剂有环氧胶粘剂、聚氨酯胶粘剂、改性丙烯酸酯胶粘剂等。环氧胶粘剂因具有性能和成本优势而成为大多风电叶片制造厂商的首选。

环氧树脂是风电叶片广泛使用的一种基体材料，它具有优良的力学性能、耐热性能、粘结性强、收缩率小、工艺性能良好等特点。按化学结构分为：①缩水甘油醚类;②缩水甘油脂类;③缩水甘油胺类;④脂肪族环氧化合物;⑤脂环族环氧化合物。而作为风电叶片的基体材料，环氧树脂除需具备以上优点以外，还需要具备低粘度、适用期长、浸透性好、固化物力学强度高，韧性好且具有与纤维界面良好黏结性能及成型工艺性能等特点。

为实现上述优势除了提升环氧树脂性能外还可以从环氧树脂固化剂着手，制备高性能树脂基体。浙江正大新材料科技股份有限公司生产的酸酐固化剂具有下述性能特点：1. 纯度高、色泽浅：能直接制得或調制成所需的各种色彩的环氧树脂制品。2. 粘度低：浇铸、灌封、浸渍的工艺性好，浇铸时可加入大量填充剂，使固化物性能优良。3. 性能稳定、凝固点低、适用期长：在室温下可以长期存放，便于管道运输，有利生产自动化，适应于严寒地区。4. 挥发性小：毒性低，加热损失小，毒性仅为胺类固化剂的二十分之一至四十分之一，对人体眼睛及皮肤的刺激性小。5. 互溶性好：本产品能同所有环氧树脂互溶，混合粘度低，同时加热固化时体系收缩和放热效应比较低。广泛应用于环氧树脂固化剂、无溶剂油漆、层压板、环氧粘合剂等。

酸酐-环氧型结构胶作为风电叶片的明显优势有：1.环氧结构胶中的环氧树脂基团具有极性大、活性优等特点，对材料表面粘接强度大;2.酸酐-环氧固化体系在固化时，体积收缩率较小，抗压强度高;3.在制备结构胶时，可通过灵活的配方设计，与不同类型的有机、无机物经共聚或交联改性，达到增韧、增强的效果;4. 在固化剂中可以引入含有柔性链段的聚合物，进一步达到增韧改性环氧树脂结构胶的目的;5.酸酐固化剂具有耐腐蚀、耐候性、阻燃性，在室温下能长期存放、凝固点低、挥发性小、毒性低、粘度小浸透性好。此外，酸酐-环氧结构胶还具备一定的成本优势，可以成为优异的风电叶片用环氧型结构胶。

五、结语

随着能源匮乏问题的日益严重，风力发电也成为了发电行业未来的主流方向。相比较传统的火力发电，风力发电不仅不会对环境产生影响，还具有良好的经济效率。风电叶片作为风力发电机组中最重要的组成部分对风力发电的效率有着巨大的影响。为了有效的提高风力发电机组的运转效率，相关设计制造人员需要加强对风电叶片用复合材料的研究力度，加大对环氧结构胶的研发，如了解各种增韧手段和增韧剂性能的优缺点，进行合理协同复合增韧，在保持高粘接强度的前提下，有效增强韧性;通过引入触变剂，特别是化学触变剂来改善工艺特性;通过优化固化剂来延长可操作时间，提高结构胶固化效率，增强耐候性等。此外，耐疲劳、耐盐雾腐蚀的高性能结构胶也是未来的研究目标。争取早日实现以高性能环氧结构胶制备高性能的复合材料，以此来实现风力发电效率的提升，进而推动我国绿色经济的稳步发展。

参考文献：

[1] 李启冬，李新梅，舒冠华. 风力发电机叶片复合材料性能研究[J]. 工程塑料应用，2016，44（1）：92-95.

[2] 李天凯. 风力发电机叶片复合材料性能分析[J]. 科学与财富，2019（27）：358.

[3] 杨鑫超，曹寅虎，杨伟超. 风电叶片复合材料专利发展态势分析[J]. 科学技术创新，2019（26）：60-61.

[4] 张文毓. 风电叶片复合材料及其应用[J]. 上海电气技术，2017，10（4）：55-57，63.

[5] 黄晓东，江泽慧，任海青，等. 分级杉木风电叶片复合材料的制备与研究[J]. 福州大学学报（自然科学版），2008，36（5）：714-717.

[6] 徐立军，王维庆. 复合材料风电叶片结构强度非线性分析[J]. 重庆大学学报，2021，44（2）：13-24.