一百多年以來(lái)，葉片除了越變?cè)介L(zhǎng)以外，還有哪些改變?
來(lái)源：微信公眾號(hào)“DT新材料一DT高分子在線(xiàn)” ID：DT-Polymer
1887年，美國(guó)人Charles F.Brush建造了第一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。
葉片材料：雪松木，葉片長(zhǎng)度：8.5米。
2018年，中國(guó)吉林重通成飛開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)海上風(fēng)電葉片在江蘇如東基地成功下線(xiàn)。
葉片材料：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，葉片長(zhǎng)度：83.6米。
葉片材料的演變經(jīng)歷三個(gè)時(shí)期：木質(zhì)材料→金屬材料→復(fù)合材料。
在葉片的成本中，葉片選材占大頭，對(duì)葉片綜合性能的影響也是最顯著。最開(kāi)始的葉片材料為木質(zhì)葉片，布蒙皮葉片，然后是金屬葉片，最后到現(xiàn)在比較主流的復(fù)合材料葉片。
首先，風(fēng)電葉片要足夠輕。在相同的風(fēng)速下，更輕的葉片更容易旋轉(zhuǎn)，那么其風(fēng)力轉(zhuǎn)換效率就會(huì)大大提高。另外，還需要高強(qiáng)度和高韌性，以滿(mǎn)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(fā)展是一個(gè)逐步輕量化，高性能化，低成本化的漫長(zhǎng)的篩選和開(kāi)發(fā)過(guò)程。
木質(zhì)葉片
早期的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率容量很小，因此大多采用木質(zhì)葉片，但木制葉片不易扭曲成型，且強(qiáng)度不高，在潮濕環(huán)境下也容易腐蝕;而且隨著大、中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展，木質(zhì)葉片越來(lái)越無(wú)法滿(mǎn)足葉片尺寸的增加要求，因此，木質(zhì)葉片逐步退出了歷史舞臺(tái)。
金屬葉片
金屬葉片克服了木質(zhì)葉片不易扭曲加工成型的缺點(diǎn)，而且金屬材料的價(jià)格低廉，在木質(zhì)葉片之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間被認(rèn)為是風(fēng)電葉片最理想的材料。
鋁合金葉片
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(duì)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(wèn)題，也對(duì)葉片的保養(yǎng)和后期維護(hù)提出了挑戰(zhàn)。
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉片
1950年，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料原材料體系被逐步開(kāi)發(fā)，其潛在性能優(yōu)勢(shì)不斷被發(fā)掘，隨著應(yīng)用技術(shù)的積累，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能、工藝性能和耐環(huán)境侵蝕性能，成為當(dāng)今大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(huán)氧樹(shù)脂，不飽和樹(shù)脂等)通過(guò)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(guó)內(nèi)最長(zhǎng)葉片的碳纖維主梁生產(chǎn)線(xiàn)(實(shí)現(xiàn)減重30%)
纖維增強(qiáng)復(fù)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?yán)美w維和泡沫結(jié)構(gòu)層的真空，吸入常壓下的液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂，然后加熱使樹(shù)脂固化，被樹(shù)脂浸潤(rùn)的纖維結(jié)構(gòu)隨即成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，這是真空吸注成型的原理。不同的葉片型號(hào)，會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的整體結(jié)構(gòu)，即復(fù)合材料葉片。
與傳統(tǒng)金屬材料葉片相比，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉片的優(yōu)勢(shì)更為明顯：與真空吸注工藝結(jié)合使得生產(chǎn)效率大大提高;通過(guò)調(diào)控纖維方向可設(shè)計(jì)不同性能的葉片;一體化成型，產(chǎn)品尺度限制小;高強(qiáng)高韌，特別適合制造大型風(fēng)電葉片。因?yàn)椋谝陨蟽?yōu)勢(shì)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉片成為現(xiàn)今風(fēng)電葉片的主導(dǎo)。
重通成飛車(chē)間正在鋪設(shè)的碳纖維布
國(guó)內(nèi)目前風(fēng)電葉片材料是這么個(gè)情況：我國(guó)較小型葉片(如22 m長(zhǎng))一般選用量大、價(jià)廉的玻璃纖維增強(qiáng)塑料，基體樹(shù)脂以不飽和聚酯樹(shù)脂為主;而較大型葉片(長(zhǎng)度42 m以上)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則選用碳纖維復(fù)合材料或碳纖維與玻璃纖維的混雜復(fù)合材料，采用真空導(dǎo)入生產(chǎn)工藝，而基體樹(shù)脂則以環(huán)氧樹(shù)脂為主。未來(lái)的發(fā)展方向是低成本、高性能、環(huán)保。
但是，海上風(fēng)電正在對(duì)葉片材料提出更高的要求。由于海上風(fēng)電葉片的嚴(yán)苛要求，陸上大規(guī)模使用的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已難以獨(dú)立勝任。相較之下，碳纖維復(fù)合材料葉片的剛度為玻璃纖維復(fù)合葉片的兩至三倍，極限和疲勞性能都優(yōu)于玻璃纖維復(fù)合材料，是名副其實(shí)的高性能材料。
但是有一點(diǎn)，碳纖維復(fù)合材料的價(jià)格要遠(yuǎn)高于玻璃纖維，這是致命傷，昂貴的價(jià)格大大限制了它在風(fēng)電葉片上的大范圍應(yīng)用。然而，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用已成為趨勢(shì)，隨著葉片越來(lái)越長(zhǎng)，碳纖維復(fù)合材料將成為超長(zhǎng)葉片材料的不二選擇。
未來(lái)以下三種材料或會(huì)有較大發(fā)展?jié)摿?/strong>
1.碳纖維增強(qiáng)乙烯基樹(shù)脂
碳纖維增強(qiáng)乙烯基樹(shù)脂順應(yīng)低成本的葉片發(fā)展趨勢(shì)。葉片的成本在整個(gè)風(fēng)電機(jī)組占比較大，碳纖維價(jià)格昂貴，碳纖維加環(huán)氧樹(shù)脂的葉片方案，會(huì)大大增加成本。如果選擇性?xún)r(jià)比高的乙烯基樹(shù)脂來(lái)替代環(huán)氧樹(shù)脂，可降低風(fēng)電葉片成本。
另外，乙烯基樹(shù)脂的工藝性好，能滿(mǎn)足機(jī)械力學(xué)性能、抗疲勞性、剛度等各項(xiàng)性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。碳纖維增強(qiáng)乙烯基樹(shù)脂有望降低成本，對(duì)于推廣碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料葉片有利。
2.熱塑性復(fù)合材料
熱塑性復(fù)合材料葉片順應(yīng)環(huán)保的發(fā)展要求。前面提到的加注成型工藝，多采用熱固性樹(shù)脂，如環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯樹(shù)脂等，熱固性樹(shù)脂制成的風(fēng)電葉片在其退役后材料很難被回收利用，有環(huán)保的壓力。與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料在滿(mǎn)足密度小、強(qiáng)度高、抗沖擊性好的前提下，兼具可回收再利用的優(yōu)點(diǎn)。
但是，目前熱塑性復(fù)合材料葉片成本還較高，主要原因在于未大規(guī)模推廣應(yīng)用。
3.生物質(zhì)材料
生物質(zhì)材料也是出于環(huán)保的考慮。風(fēng)電葉片發(fā)展一百多年之后，最初的木質(zhì)葉片又重新登上了歷史舞臺(tái)。目前，市場(chǎng)上以木質(zhì)/竹制品等生物質(zhì)材料制成的風(fēng)電葉片為主，此類(lèi)風(fēng)電葉片具有如下優(yōu)點(diǎn)：剛度高、穩(wěn)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(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，竹材的用量高達(dá)50%——70%，環(huán)氧樹(shù)脂用量少，避免了固化過(guò)程的過(guò)熱反應(yīng)，材料的收縮小;與玻璃纖維復(fù)合材料葉片相比，則減少了加工時(shí)間，更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
