复合材料风机叶片性能的现状与未来

复合材料风机叶片性能的现状与未来


到2004年底，全世界新增的风力发电能力接近8GW，风力发电装机的总容量已达47.4GW，正在服役的风力发电叶片已达数千片。在未来十年间，仍以10％以上的增长速度快速发展。复合材料风力发电叶片的使用寿命一般为20～30年。虽然最初的叶片为木质结构，但绝大多数的服役叶片仍为复合材料结构。在未来的十几年间，这些叶片将陆续退役，退役后叶片如何处理也将成为材料科学家和环保工作者必须面对的现实问题。

以利用风能发电最好的德国为例，目前德国的风力发电量约占全年总发电量的6％。如果德国实现由风力发电来提供25％的电力需求的发展目标，则该国需要安装7500个超大型风力发电装置，至少需要22500个大型复合材料叶片与之配套。这些叶片在生产过程中将产生大量的苯乙烯有害气体，也会产生一些固体废弃物，而退役叶片造成的废弃物则更是数量惊人。

目前使用的复合材料叶片属于热固性复合材料，很难自然降解。废弃物处理一般采用填埋或者燃烧等方法处理，基本上不再重新利用。面对日益突出的复合材料废弃物对环境造成的危害，一些制造商开始探讨复合材料的回收和再利用技术。

目前复合材料的回收和再利用多集中在废弃物粉碎后作为填料使用，或者燃烧废弃物利用其热能。复合材料叶片的制造商正在探讨热固性复合材料（如预浸料）分离处理技术的可行性，试图将未固化的复合材料进行热固性树脂与增强纤维分离，然后分别再利用。废弃物的回收和再利用是退役复合材料叶片最理想的处理方法，这就是为什么人们积极研究开发热塑性复合材料叶片――“绿色叶片”的重要原因。

与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能。在相同的尺寸条件下，热塑性复合材料由于密度低，叶片的重量更轻，随之带来安装塔座和发电机重量的减少，同时运输和安装费用也相应降低。但是，该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大，制造成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风力发电叶片的关键问题。随着热塑性复合材料制造工艺技术研究工作的不断深入和相应的新型热塑性树脂的开发，制造热塑性复合材料叶片已经不仅仅是一个新的概念，正在一步步地走向现实。

最近，爱尔兰Gaoth 风能公司与日本三菱重工和美国Cyclics 公司正在探讨如何共同研制低成本热塑性复合材料叶片。Gaoth 公司认为热塑性复合材料叶片制造成本较高的主要原因是目前热塑性复合材料的制造工艺

成本较高，如果能够开发出一种新的低成本制造技术，就有可能使得热塑性复合材料的制造成本低于热固性复合材料。在爱尔兰有关企业的资助下，Limerick大学和Galway国力大学开展了热塑性复合材料的先进成型工艺技术的基础研究。为了解决热塑性复合材料叶片的纤维浸渍和大型热塑性复合材料结构件制造过程的树脂流动性问题，美国的Cyclics公司为此开发出一种低粘度的热塑性工程塑料基体材料――CBT树脂。这种像水一样的低粘度的热塑性工程塑料CBT树脂流动性好，易于浸渍增强材料，可以充分发挥增强材料的性能，赋予复合材料良好的韧性。该项技术的实施，不仅可以提高叶片的抗冲击能力，还可以大幅度提高成型速度，具有经济和技术上的优势。Cyclics公司声称当叶片退役后，平均每台风力发电机组可再利用的叶片材料可达19吨，这是前所未有的。

在“绿色叶片”研究的最初阶段，爱尔兰Gaoth公司将负责12..6米长的热塑性复合材料叶片的制造，Mitsubishi（三菱）公司将负责在风力发电机上进行“绿色叶片的实验”。此项实验成功后，他们将继续研究开发30米以上的热塑性复合材料标准叶片。

根据有关资料介绍，与环氧树脂/玻璃纤维复合材料大型叶片相比较，如果采用热塑性复合材料叶片，每台大型风力发电机所用的叶片重量可以降低10％，抗冲击性能大幅度提高，制造成本至少降低1/4，制造周期至少降低1/3，而且可以完全回收和再利用。安全快捷的制造“绿色”的复合材料叶片正期待着复合材料叶片制造商去实现，Gaoth公司及其合作伙伴就是实现这一目标的先驱。

作为可再生的清洁能源之一，我国已经开始注重风能的开发和利用。在国家科技攻关项目和863项目的共同支持下，我国已基本掌握了风力发电机组及复合材料叶片的设计和制造技术；“十五”期间，将完成MW级风力发电机组的研制，为我国风电产业参与常规能源市场竞争奠定基础。“十五”期间，风力发电事业在我国得到快速发展。根据最近的资料报道，到2020年，我国将投资2000亿人民币用于风力发电建设，新增风力发电能力将达3000MW，并要求风力发电装备本土化。这项举措将对我国生态环境保护、能源结构调整、实现国民经济可持续发展起到积极的促进作用。为此，国内的一些企业和研究机构正在加紧研究开发1.5MW风力发电装备和与之配套的大型复合材料叶片。国际上风力发电技术先进的国家也看好了潜力巨大的中国风力发电市场，丹麦、美国等国家为了降低生产成本，增强竞争力，纷纷在中国建厂。国家对可再生清洁能源的支持，加快了风力发电的发展速度，

也为我国的大型复合材料叶片开发提供了一个不可多得的发展机遇。面临着巨大的市场需求和强劲的国际竞争，我国大型复合材料叶片的发展机遇与挑战并存。