隨著風(fēng)電行業(yè)進(jìn)入平價(jià)時(shí)代，度電成本降低的最有效手段就是不斷擴(kuò)大風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量，由此也帶來(lái)風(fēng)電葉片長(zhǎng)度的不斷增加。因此，平價(jià)時(shí)代機(jī)組大型化是風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì)，開(kāi)發(fā)“大型化、輕量化和低成本”葉片是推動(dòng)機(jī)組度電成本降低的最有效手段。
復(fù)合材料由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和可設(shè)計(jì)性被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)和風(fēng)電葉片，為實(shí)現(xiàn)功率更大、長(zhǎng)度更長(zhǎng)、重量更輕和成本更低，復(fù)合材料成為風(fēng)電葉片唯一可選材料。作為決定葉片結(jié)構(gòu)和成本的增強(qiáng)纖維、夾芯材料、基體樹(shù)脂和結(jié)構(gòu)膠，其應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)對(duì)葉片行業(yè)未來(lái)的發(fā)展至關(guān)重要，特別是高性?xún)r(jià)比材料的技術(shù)進(jìn)步?jīng)Q定了大葉片未來(lái)的發(fā)展方向。目前也有不少研究機(jī)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的性能及其回收再利用進(jìn)行了諸多研討，對(duì)其成型工藝做了許多研究，但仍缺少有關(guān)材料開(kāi)發(fā)與成型工藝創(chuàng)新結(jié)合應(yīng)用方面的研究。
本文詳細(xì)分析了增強(qiáng)纖維、夾芯材料和基體樹(shù)脂在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題，指出增強(qiáng)纖維與預(yù)浸料和拉擠工藝相結(jié)合、高性能環(huán)保芯材替代輕木和開(kāi)發(fā)可回收樹(shù)脂是未來(lái)輕量化大葉片發(fā)展的主要方向。
1. 風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢(shì)
近年來(lái)全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì) (GWEC) 統(tǒng)計(jì) (圖 1)，2020 年受中國(guó)風(fēng)電搶裝潮的影響，全球新增裝機(jī)取得歷史性突破，新增裝機(jī)量高達(dá) 95.3 GW；2021 年雖然受到全球疫情影響，但新增裝機(jī)量仍達(dá)到 93.6 GW，為歷史第二高。中國(guó)風(fēng)電憑借國(guó)內(nèi)巨大市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)和內(nèi)外“雙循環(huán)”保持全球領(lǐng)先地位，為中國(guó)乃至全球的新能源應(yīng)用做出了巨大貢獻(xiàn)。
根據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)發(fā)布的《2022 年全球風(fēng)電報(bào)告》[1]，預(yù)計(jì)未來(lái) 5 年全球風(fēng)電市場(chǎng)將保持年均6.6% 的增速 (圖 2)。中國(guó)能源局基于“雙碳”戰(zhàn)略制定的十四五規(guī)劃，風(fēng)能將成為未來(lái)能源的主要形式，并將是中國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的主力軍。如圖 3所示，根據(jù)伍德麥肯茲預(yù)測(cè)，未來(lái) 10 年內(nèi)全球風(fēng)電復(fù)合增長(zhǎng)率為 4.3%，中國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)量將占全球45%，中國(guó)風(fēng)電將繼續(xù)引領(lǐng)全球風(fēng)電的增長(zhǎng)。
隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展和風(fēng)電技術(shù)進(jìn)步，基于風(fēng)資源使用效率持續(xù)提升和度電成本不斷降低的要求，風(fēng)電機(jī)組大型化已成為行業(yè)發(fā)展必然趨勢(shì)，如圖 4 所示。目前，陸上風(fēng)電機(jī)組主流機(jī)型集中在 4.0~5.0 MW 的機(jī)組，6.0 MW 以上的機(jī)型是未來(lái)幾年陸上的主打產(chǎn)品，而海上當(dāng)前的成熟機(jī)型為6.0 MW 左右，10 MW 及以上的機(jī)組及其關(guān)鍵部件處于研發(fā)階段。
葉片作為風(fēng)電機(jī)組的核心部件，是風(fēng)能轉(zhuǎn)化的動(dòng)力源泉，其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素，是推動(dòng)機(jī)組大型化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前最新研發(fā)的更長(zhǎng)更輕的陸上主流葉片長(zhǎng)度都在 90 m 以上，海上主流葉片長(zhǎng)度都在 100 m 以上，超大型機(jī)組及其輕量大葉片的進(jìn)一步發(fā)展，使高性?xún)r(jià)比復(fù)合材料成為突破葉片“大型化、輕量化和高可靠性”的核心所在，增強(qiáng)纖維、夾芯材料和基體樹(shù)脂等在葉片上發(fā)揮的作用也越來(lái)越大。
2. 葉片材料的應(yīng)用與發(fā)展
復(fù)合材料可滿足葉片變截面、曲率大和結(jié)構(gòu)鋪層漸變等特征要求，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已成為大葉片的唯一可選材料，這也使風(fēng)電葉片成為世界上最大的復(fù)合材料單體部件。一般來(lái)說(shuō)，材料選擇在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定型時(shí)完成，但最新的葉片設(shè)計(jì)理念就是將材料前置，與氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)形成多目標(biāo)一體化迭代，不斷尋優(yōu)葉片和主機(jī)匹配的最佳發(fā)電量、載荷與成本，目前陸上 8.0 MW 以下葉片設(shè)計(jì)都是玻璃纖維為主的材料體系，而海上12 MW 以上葉片則須考慮應(yīng)用碳纖維主梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。
風(fēng)電葉片的典型結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，其應(yīng)用的原材料主要由增強(qiáng)纖維、樹(shù)脂、芯材和結(jié)構(gòu)膠等組成，葉片的主要成本構(gòu)成如圖 6 所示。從圖 6和圖 7 中可以看出，原材料費(fèi)用占葉片成本的75%，而在原材料成本中占比較大的主要是增強(qiáng)纖維、基體樹(shù)脂、夾芯材料和結(jié)構(gòu)膠，本文將對(duì)這 4 種主要材料的應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行評(píng)述。
2. 1 增強(qiáng)纖維
復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維類(lèi)別有很多，早期葉片上試用過(guò)天然的竹纖維，但由于性能偏低和供應(yīng)不足問(wèn)題不具備在大葉片批量應(yīng)用的條件；玄武巖纖維近幾年也是葉片應(yīng)用研討的熱點(diǎn)，但因其密度大、成本高和產(chǎn)能有限，也不具備規(guī)?；瘧?yīng)用的條件。因此，目前風(fēng)電葉片主要應(yīng)用的增強(qiáng)纖維還是玻璃纖維和碳纖維。
2.1.1 玻璃纖維
玻璃纖維是公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)風(fēng)電葉片原材料，根據(jù)中國(guó)玻璃纖維協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，風(fēng)電用玻璃纖維占玻璃纖維總產(chǎn)能的 20%~25% 左右。
葉片越長(zhǎng)整體柔性變形就越大，控制葉尖撓度變形可以確保葉片與塔架之間具有足夠的安全距離，否則很容易發(fā)生掃塔事故。玻璃纖維的拉伸模量是影響葉片變形的關(guān)鍵因素之一，因此其模量的增加對(duì)葉片剛度的提升意義重大。近 10 年玻璃纖維企業(yè)持續(xù)不斷的進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，圖 8 為主要型號(hào)玻璃纖維的拉伸模量?？梢钥闯?，每一代玻璃纖維的模量都提升了 10% 左右，有力地促進(jìn)了葉片大型化的發(fā)展，近年來(lái)葉片用玻璃纖維主要型號(hào)如表 1 所示。
玻璃纖維在葉片的蒙皮、腹板和主梁上都有廣泛的應(yīng)用，不同部件采用的纖維布類(lèi)型因承載需要而各有差異。雖然玻璃纖維經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展進(jìn)步斐然，但對(duì)于適應(yīng)更大更輕葉片需求，玻璃纖維性能提升的空間也越來(lái)越小，亟需新材料和新工藝等新技術(shù)來(lái)推動(dòng)風(fēng)電葉片的發(fā)展。
2.1.2 碳纖維
與玻璃纖維相比，碳纖維的比模量和比強(qiáng)度均大幅增加，其模量比玻璃纖維高 3~8 倍、比重約小 30％。隨著葉片尺寸的增加，其重量也越來(lái)越大，全玻璃纖維葉片無(wú)法滿足機(jī)組大型化和輕量化的要求，碳纖維將成為實(shí)現(xiàn)超大型葉片輕質(zhì)高強(qiáng)要求的理想選擇材料。碳纖維主要有 3 K、12 K、24 K、48 K 等規(guī)格，其中 1~24 K(含) 為小絲束產(chǎn)品，主要在航空航天和軍品上應(yīng)用，而 24 K以上為大絲束產(chǎn)品，主要應(yīng)用于風(fēng)電葉片和民用產(chǎn)品。
全球碳纖維產(chǎn)能集中于日本和歐美等地區(qū)，小絲束產(chǎn)能主要集中在日本，而大絲束產(chǎn)能主要集中于歐美國(guó)家。國(guó)際上碳纖維產(chǎn)能排名前 6 的公司分別是東麗、卓爾泰克、三菱、SGL、帝人與赫氏，日本東麗收購(gòu)卓泰克后總產(chǎn)能達(dá)到 4.95萬(wàn)噸，是名副其實(shí)的全球龍頭企業(yè)。當(dāng)前風(fēng)電葉片應(yīng)用的 24~50 K 碳纖維規(guī)格型號(hào)如表 2 所示。
隨著海上風(fēng)電市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，碳纖維的應(yīng)用勢(shì)在必行。對(duì)于海上大葉片來(lái)說(shuō)，通常會(huì)在其承載的關(guān)鍵部位主梁上應(yīng)用碳纖維以提高葉片剛度和強(qiáng)度，以減少傳遞到主機(jī)和塔底的載荷，進(jìn)而優(yōu)化整機(jī)系統(tǒng)造價(jià)來(lái)降低度電成本。應(yīng)用碳纖維主梁設(shè)計(jì)的葉片一般比全玻璃纖維葉片減重20%~30%，雖然碳纖維葉片成本上升，但其帶來(lái)的傳動(dòng)鏈上相關(guān)部件及塔筒的優(yōu)化減重，使風(fēng)電機(jī)組的整體成本降低 10% 以上。目前國(guó)內(nèi)主流葉片廠開(kāi)發(fā)長(zhǎng)度 100 m 以上的葉片均考慮了碳纖維主梁的應(yīng)用，林剛[16] 在《2020 全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》中對(duì)未來(lái) 5 年的風(fēng)電葉片碳纖維需求進(jìn)行了預(yù)測(cè)，如圖 9 所示。
為了進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)產(chǎn)碳纖維在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)主流的碳纖維供應(yīng)商在十四五期間開(kāi)始提高碳纖維產(chǎn)能和批量化生產(chǎn)供應(yīng)，并通過(guò)提升技術(shù)、改進(jìn)設(shè)備和減少能耗來(lái)降低成本。預(yù)計(jì)到 2030 年中國(guó)碳纖維產(chǎn)能為 30 萬(wàn)噸，而風(fēng)電市場(chǎng)的需求預(yù)計(jì)在 19~20 萬(wàn)噸。當(dāng)前葉片上應(yīng)用的碳纖維多選擇 48~50 K 的大絲束，但隨著葉片更長(zhǎng)更輕的要求不斷提升，未來(lái)將會(huì)考慮性能更好的 24 K 及以下碳纖維應(yīng)用于 150 m 長(zhǎng)的葉片上。因此，推動(dòng)葉片大型化和國(guó)產(chǎn)化碳纖維的應(yīng)用需要風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈上下游共同努力，從選材、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證等方面提前布局，為碳纖維和風(fēng)電葉片行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
2. 2 夾芯材料
夾芯材料 (簡(jiǎn)稱(chēng)芯材) 是葉片的關(guān)鍵增強(qiáng)材料，通常應(yīng)用在葉片的蒙皮與腹板上，作為夾層結(jié)構(gòu)來(lái)提升結(jié)構(gòu)剛度，防止局部失穩(wěn)、提高整個(gè)葉片的抗載能力，葉片用芯材主要是 Balsawood(俗稱(chēng)輕木或巴沙木) 和硬質(zhì)泡沫，硬質(zhì)泡沫主要有聚氯乙烯 (PVC)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 和高性能聚氨酯 (HPE) 等發(fā)泡材料。
2.2.1 輕木
輕木屬木棉科熱帶速生樹(shù)種，全球 90% 以上的輕木都是來(lái)自于厄瓜多爾。輕木密度小且生長(zhǎng)迅速，常規(guī)密度是 135~176 kg/m3，4~7 年即可采伐，是提高風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)剛度的理想夾芯材料，輕木加工應(yīng)用過(guò)程如圖 10 所示。
由于輕木主要靠進(jìn)口，樹(shù)木的生產(chǎn)周期也限制了供應(yīng)，對(duì)成本造成了較大的波動(dòng)，特別是輕木的密度不均勻且吸膠量高于其他芯材，也促使在新葉片設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量減少輕木應(yīng)用，但輕木較高的壓縮性能是硬質(zhì)泡沫無(wú)法完全替代的，特別是在百米級(jí)的海上大葉片中輕木的用量還會(huì)增加。為了更好地控制重量和減少缺陷，對(duì)輕木未來(lái)的需求應(yīng)是分級(jí)應(yīng)用，選擇密度波動(dòng)更小原木拼成套材，以確保葉片夾層結(jié)構(gòu)的性能更加穩(wěn)定。
2.2.2 泡沫芯材
PVC 因國(guó)外葉片技術(shù)轉(zhuǎn)讓從而進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，一直是風(fēng)電葉片芯材的主流產(chǎn)品 (圖 11(a))，主要的國(guó)外供應(yīng)商分別是瑞典戴鉑 (DIAB)、瑞士思瑞安 (3 A) 和意大 利 Maricell 等公司 。十二五期 間PVC 受進(jìn)口影響供應(yīng)緊張，國(guó)產(chǎn)化 PVC 需求迅速增長(zhǎng)。近幾年維賽成為國(guó)產(chǎn)化 PVC 的主要供應(yīng)商，思瑞安和戴鉑也在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)進(jìn)口技術(shù)本地化生產(chǎn)。由于 PVC 技術(shù)創(chuàng)新性不足，難以滿足更大葉片對(duì)夾芯材料性能提升的需求，因此在設(shè)計(jì)葉片時(shí)開(kāi)始使用 PET 和 HPE 替代 PVC。
PET 泡沫是近幾年來(lái)替代 PVC 的主要芯材(圖 11(b))，其吸膠量高，力學(xué)性能優(yōu)于 PVC，因此除了在葉片局部可以替代 PVC 外，還能替代一部分輕木。隨著新型發(fā)泡技術(shù)的發(fā)展，部分企業(yè)研發(fā)出了控制發(fā)泡孔尺寸及泡孔破損比例的新型發(fā)泡技術(shù)，大幅降低了 PET 芯材的樹(shù)脂吸收率，降低了葉片的原材料成本和質(zhì)量。
HPE 具有優(yōu)越的耐高溫性、耐候性，是聯(lián)洋新材開(kāi)發(fā)出來(lái)新興的替代 PVC 和輕木的芯材 (圖 11(c))，特別是其泡孔尺寸僅為 PVC 和 PET 的 20%(圖 12)，使 HPE 的吸膠量更低，可有效降低葉片的整體質(zhì)量，降低葉片綜合成本。
隨著風(fēng)電進(jìn)入平價(jià)時(shí)代和葉片大型化，夾芯材料的應(yīng)用對(duì)葉片的性能提升和成本降低有著重要的作用。輕木受產(chǎn)地影響供應(yīng)不均衡且價(jià)格忽高忽低，PVC 雖然已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化但成本仍比 PET高 20%~30%，因此使用低密度的 PET 與 HPE 替代PVC 和部分輕木已是大勢(shì)所趨，而高密度的 PET和 HPE 則有機(jī)會(huì)替代全部輕木，特別是聚氨酯在葉片上的應(yīng)用更是要考慮去掉輕木。以某 73 m 葉片生產(chǎn)為例，采用不同芯材進(jìn)行蒙皮和腹板的灌注對(duì)比，HPE 替代 PET 后綜合重量下降 167 kg/支(下降 9%)，就對(duì)芯材與樹(shù)脂兩種材料的成本影響而言，綜合成本可節(jié)省 31%；HPE 替代 PVC 后綜合重量上升 77 kg/支 (上升 5%)，綜合成本可節(jié)省34%，如圖 14 所示。
雖然夾芯材料的應(yīng)用發(fā)展出現(xiàn)了重大變化趨勢(shì)，但目前葉片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)仍是以輕木和 PVC 為主，采用 PET 和 HPE 替代 PVC 和輕木，需要一系列的材料實(shí)驗(yàn)和葉片全尺寸測(cè)試驗(yàn)證，同時(shí)也要考慮葉片剛度和重量變化帶來(lái)的機(jī)組載荷變化風(fēng)險(xiǎn)。特別要注意的是，高密度的 PET 和 HPE 應(yīng)用技術(shù)成熟度不足，且價(jià)格比輕木略高，替代輕木時(shí)除了要完成原材料驗(yàn)證和認(rèn)證外，還要考慮成本變化帶來(lái)的影響。
2. 3 基體樹(shù)脂
樹(shù)脂基體材料在復(fù)合材料中起著粘結(jié)、支持、保護(hù)增強(qiáng)材料和傳遞載荷的作用。風(fēng)電用樹(shù)脂主要是不飽和聚酯與環(huán)氧類(lèi)的熱固性樹(shù)脂，目前只有艾爾姆 (LM) 公司和三菱公司采用不飽和聚酯樹(shù)脂批量生產(chǎn)兆瓦級(jí)以上的葉片，更大型號(hào)的葉片則多采用環(huán)氧樹(shù)脂，而國(guó)內(nèi)葉片公司基本上都是批量使用環(huán)氧樹(shù)脂。熱塑性樹(shù)脂作為風(fēng)電葉片可回收的基體材料，多年來(lái)一直是行業(yè)研究的熱點(diǎn)。
2.3.1 熱固性樹(shù)脂
風(fēng)電葉片主要使用環(huán)氧灌注和手糊樹(shù)脂。灌注樹(shù)脂應(yīng)用于葉片主要部件如腹板、主梁及殼體的真空灌注成型；手糊樹(shù)脂在葉片制造中主要應(yīng)用于葉片前后緣、腹板粘接區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)及輔助件的粘接補(bǔ)強(qiáng)，主要成型工藝是手糊成型和手糊袋壓工藝。基于行業(yè)對(duì)葉片提質(zhì)增效的需求，不僅樹(shù)脂對(duì)纖維織物要有更好的浸潤(rùn)性以提高灌注速度，也要根據(jù)升溫曲線來(lái)減少固化時(shí)間。2021 年，受上游原材料雙酚 A 和環(huán)氧氯丙烷漲價(jià)的影響，葉片降本面臨著巨大的壓力，聚氨酯和雙環(huán)戊二烯樹(shù)脂 (DCPD) 逐漸成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)。
聚氨酯具有黏度低、灌注和固化速度快等特點(diǎn)，灌注時(shí)間比環(huán)氧樹(shù)脂縮短一半，在 80℃ 的環(huán)境條件下固化時(shí)間小于 4 h，成本方面比環(huán)氧樹(shù)脂低 15%~20%，是近幾年葉片應(yīng)用關(guān)注度最高樹(shù)脂材料。由于聚氨酯對(duì)水分非常敏感，因此葉片設(shè)計(jì)時(shí)不能使用輕木，葉片生產(chǎn)過(guò)程中增強(qiáng)纖維和夾芯材料的烘干及灌注時(shí)對(duì)水的控制是聚氨酯批量應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵所在。
DCPD 樹(shù)脂密度是環(huán)氧樹(shù)脂的 90% 左右，成本比環(huán)氧樹(shù)脂低了約 30%，是葉片減重、降低成本和提高灌注效率的理想材料。由于 DCPD 存在黏度低灌注流速過(guò)快的問(wèn)題，且缺乏成熟配套材料體系 (如纖維、油漆等)，因此需要進(jìn)行配套材料體系開(kāi)發(fā)、工藝實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)測(cè)試驗(yàn)證，才能保證在風(fēng)電葉片上更好地推廣應(yīng)用。
2.3.2 熱塑性樹(shù)脂
隨著葉片裝機(jī)量的增大，越來(lái)越多的人開(kāi)始研究廢舊葉片的回收問(wèn)題，比如葉片經(jīng)粉碎后進(jìn)入水泥窯里高溫灼燒后做骨料的技術(shù)，但是當(dāng)前的政策還不能支持規(guī)模化應(yīng)用，因此退役后的復(fù)合材料葉片回收再利用是行業(yè)內(nèi)面臨的一個(gè)重大難題。與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料具有可循環(huán)使用、廢料可回收、產(chǎn)品可熔融再加工、可焊接等優(yōu)點(diǎn)，也順應(yīng)綠色環(huán)保的發(fā)展要求，是未來(lái)風(fēng)電葉片應(yīng)用的重要方向。
法國(guó)阿科瑪 (Arkema) 公司一直致力于開(kāi)發(fā) Elium系列熱塑性樹(shù)脂，Murray 等的研究表明，與環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料葉片相比，采用 Elium 熱塑性復(fù)合材料制作大葉片 (61.5 m)，其整體成本能夠降低 4.7%，具有一定的成本優(yōu)勢(shì) 。因此風(fēng)電行業(yè)對(duì)熱塑性樹(shù)脂在葉片上的成型工藝研究與批量化應(yīng)用也充滿了期待，希望能借此解決風(fēng)電葉片材料的回收利用問(wèn)題。
2. 4 結(jié)構(gòu)膠
結(jié)構(gòu)膠作為葉片主材之一，作用是將葉片蒙皮與腹板粘接在一起形成主承力結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)膠在粘接固化時(shí)與樹(shù)脂一樣屬于不可逆反應(yīng)，如果出現(xiàn)缺膠或膠層厚度偏差大等缺陷，其粘接可靠性會(huì)直接影響到葉片的運(yùn)行穩(wěn)定性，因此結(jié)構(gòu)膠也成為整個(gè)材料體系中風(fēng)險(xiǎn)最高的原材料之一。
結(jié)構(gòu)膠類(lèi)型主要有環(huán)氧型、聚氨酯型、乙烯基型及丙烯酸酯型等，目前在葉片合模用的結(jié)構(gòu)膠主要是環(huán)氧型結(jié)構(gòu)膠，由國(guó)內(nèi)外有限的幾家供應(yīng)商提供。國(guó)外供應(yīng)商主要有瀚森 (Hexion) 和歐林 (OLIN)，其結(jié)構(gòu)膠具有韌性好和固化收縮率低等優(yōu)良性能，一度成為風(fēng)電行業(yè)早期快速發(fā)展的主力軍，但是過(guò)高的價(jià)格也與葉片的低成本化相矛盾。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)康達(dá)、道生等供應(yīng)商不斷進(jìn)行技術(shù)革新和生產(chǎn)優(yōu)化，憑借相對(duì)均衡的性能和低成本的優(yōu)勢(shì)而不斷擴(kuò)大其市場(chǎng)份額。
風(fēng)電葉片上應(yīng)用結(jié)構(gòu)膠重點(diǎn)是考慮其粘接性能和粘接工藝，粘接性能主要體現(xiàn)在剪切強(qiáng)度與剝離強(qiáng)度上，粘接工藝主要考慮涂膠和固化的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)康達(dá)化工 WD3135/WD3137 結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行性能分析可知，結(jié)構(gòu)膠的拉剪強(qiáng)度隨著膠層厚度的增加而降低，剝離強(qiáng)度則隨著膠層厚度的增加先增后降，如圖 15 所示。
在葉片蒙皮粘接時(shí)，結(jié)構(gòu)膠從混膠到涂膠與合模還需要一定的時(shí)間，因此結(jié)構(gòu)膠的開(kāi)放、施工和固化時(shí)間等工藝參數(shù)都會(huì)對(duì)合模粘接性能產(chǎn)生影響。如圖 16 和圖 17 所示，加熱固化 3 h 后玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg 達(dá)到 74℃，隨著固化時(shí)間的增加 Tg 穩(wěn)定在 75~79℃，而拉剪強(qiáng)度也隨著 Tg 的增加而趨于穩(wěn)定。由于葉片合模時(shí)大多采用自動(dòng)上膠機(jī)進(jìn)行涂膠，而結(jié)構(gòu)膠中含有用于提高強(qiáng)度及韌性的纖維填料，不僅增加結(jié)構(gòu)膠的密度且在涂膠中經(jīng)常會(huì)堵塞管路，同時(shí)葉片越大需要涂膠的面積越大，涂膠的時(shí)間也就越長(zhǎng)，因此開(kāi)發(fā)低密度、低成本、寬施工時(shí)間和高韌性快固化的結(jié)構(gòu)膠是推動(dòng)風(fēng)電葉片提質(zhì)增效降本的新趨勢(shì)。
3 葉片新工藝發(fā)展
目前風(fēng)電葉片的蒙皮成型主要采用真空灌注工藝，在前后緣及葉根補(bǔ)強(qiáng)區(qū)則多采用手糊工藝。隨著葉片輕量化對(duì)材料性能提升的要求和綠色環(huán)保理念的不斷深入，預(yù)浸料和拉擠成型工藝在葉片上的新應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注。
3. 1 預(yù)浸料工藝
預(yù)浸料 (Prepreg) 是將纖維束或纖維布經(jīng)過(guò)樹(shù)脂浸潤(rùn)后形成的均勻預(yù)固化材料，可減輕對(duì)環(huán)境的污染，如圖 18 所示。
在葉片上使用預(yù)浸料主要是考慮實(shí)現(xiàn)蒙皮鋪層自動(dòng)化或碳纖維主梁預(yù)制成型，蒙皮自動(dòng)鋪帶鋪絲與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，可以借鑒飛機(jī)機(jī)翼的自動(dòng)成型工藝來(lái)實(shí)施，但考慮其高昂的成本推廣意義不大；目前葉片成熟應(yīng)用預(yù)浸料工藝的是碳纖維主梁成型，相比碳纖維灌注成型，預(yù)浸料可以大幅度提升材料利用率和結(jié)構(gòu)性能，特別是影響主梁設(shè)計(jì)的碳纖維復(fù)合材料關(guān)鍵性能，其拉伸模量和壓縮強(qiáng)度可提升 15%~20%，這就顯著減少了碳纖維的用量，降低了碳纖維葉片的成本。
隨著綠色環(huán)保和高質(zhì)量發(fā)展要求越來(lái)越高，葉片手糊工藝的缺點(diǎn)也越來(lái)越明顯，材料利用率低且污染環(huán)境，因此采用玻璃纖維預(yù)浸料在前后緣和葉根補(bǔ)強(qiáng)被提上日程。中材葉片在行業(yè)內(nèi)率先試用了中溫固化玻璃纖維預(yù)浸料在前后緣區(qū)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，開(kāi)發(fā)的玻璃纖維預(yù)浸料體系的力學(xué)性能和固化工藝均能滿足葉片的設(shè)計(jì)需求，部件級(jí)測(cè)試結(jié)果與手糊工藝相當(dāng)。但現(xiàn)有的中溫固化體系預(yù)浸料常溫存儲(chǔ)期較短，低溫冷藏運(yùn)輸成本較高；因此需要開(kāi)發(fā)一種適應(yīng)于長(zhǎng)存儲(chǔ)期的低溫固化玻璃纖維預(yù)浸料，減少葉片生產(chǎn)環(huán)境污染并提高成型效率。
3. 2 拉擠成型工藝
拉擠成型工藝能充分發(fā)揮連續(xù)纖維的力學(xué)性能，具有更高的纖維含量，原材料利用率在 95%以上，產(chǎn)品性能高且穩(wěn)定可靠。從纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)展來(lái)看，拉擠成型技術(shù)的應(yīng)用已成為未來(lái)風(fēng)電葉片發(fā)展的重要趨勢(shì)。如圖 19 所示，通過(guò)對(duì)實(shí)施拉擠工藝的同一規(guī)格玻璃纖維 (S-1 HM) 和碳纖維 (TC35) 的力學(xué)性能與灌注工藝對(duì)比，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維拉擠板材的拉伸模量比灌注玻璃纖維提升了 15%，壓縮強(qiáng)度提升超過(guò) 47%；碳纖維拉擠板材的拉伸模量比灌注碳纖維提升了 25%，壓縮強(qiáng)度提升了 42%。因此，拉擠主梁作為提升材料利用率最有效的結(jié)構(gòu)型式，是提高葉片結(jié)構(gòu)性能、降低成本和提高生產(chǎn)效率的最重要手段。以 81 m級(jí) 20 噸的葉片為例，在保持主機(jī)性能前提下，采用玻璃纖維拉擠主梁替代灌注主梁后，單支葉片可減重 0.6 噸。
維斯塔斯 (Vestas) 在 2014 年開(kāi)始推出拉擠碳梁葉片 (如圖 20 所示)，2020 年碳纖維量占風(fēng)電總量的 80% 以上。西門(mén)子歌美颯 (SGRE) 在其新開(kāi)發(fā)的 SG-155 和 SG-170 葉型開(kāi)始應(yīng)用碳纖維拉擠主梁設(shè)計(jì)；GE 使用拉擠工藝進(jìn)行了玻璃纖維拉擠板材主梁葉片的研究，新開(kāi)發(fā)葉型 GE75 上應(yīng)用了碳纖維拉擠主梁設(shè)計(jì)。
國(guó)內(nèi)在這方面雖然起步晚，但推廣應(yīng)用很快，中材葉片于 2019 年開(kāi)展玻璃纖維拉擠主梁技術(shù)開(kāi)發(fā)，2021 年該技術(shù)在 Si76.5、Si85.8 和 Si90 等多個(gè)系列葉片上批量應(yīng)用；國(guó)內(nèi)大部分主機(jī)廠和葉片廠也都開(kāi)啟了拉擠主梁葉片開(kāi)發(fā)應(yīng)用?？紤]到葉片擺振方向結(jié)構(gòu)性能的提升，后緣梁拉擠技術(shù)正在研究與驗(yàn)證中。在碳纖維拉擠方面，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始了嘗試應(yīng)用，如遠(yuǎn)景能源在 EN161 葉片上進(jìn)行小批量應(yīng)用，金風(fēng)科技在 GW184 葉片上已經(jīng)完成兩套葉片的試用。隨著國(guó)產(chǎn)化碳纖維的規(guī)?；瘧?yīng)用，碳纖維原材料供應(yīng)商也在積極開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)化拉擠板材技術(shù)，在玻璃纖維拉擠技術(shù)和低成本碳纖維的推動(dòng)下，碳纖維拉擠必將成為未來(lái)大型葉片主梁的首選成型工藝。
4 結(jié)論
復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)步是推動(dòng)風(fēng)電葉片大型化、低成本和輕量化的重要手段，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)復(fù)合材料在大型風(fēng)電葉片上的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析，得出了以下結(jié)論：
(1) 拉擠技術(shù)在葉片上的集成創(chuàng)新應(yīng)用，可以大幅提升材料利用率和結(jié)構(gòu)效率，玻璃纖維拉擠在主梁和后緣梁上的應(yīng)用將是未來(lái)高模和超高模玻璃纖維在葉片上的主要體現(xiàn)形式；
(2) 隨著低成本國(guó)產(chǎn)化碳纖維規(guī)?；a(chǎn)，結(jié)合玻璃纖維拉擠技術(shù)的開(kāi)發(fā)與成熟應(yīng)用，碳纖維拉擠主梁將成為未來(lái)超大葉片特別是海上風(fēng)電葉片的首選結(jié)構(gòu)型式；
(3) 隨著生態(tài)文明發(fā)展和綠色環(huán)保要求的不斷升級(jí)，環(huán)保型的 HPE 和 PET 逐漸替代輕木和 PVC，可回收循環(huán)利用的熱塑性樹(shù)脂的應(yīng)用研究越來(lái)越受到關(guān)注，葉片補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的手糊工藝逐漸向預(yù)浸料工藝方向發(fā)展。
來(lái)源：《復(fù)合材料學(xué)報(bào)》
