风电叶片材料的演变史及未来发展方向

1887年，美国人Charles F.Brush建造了第一台风力发电机组。

 

叶片材料：雪松木，叶片长度：8.5米。‍

 

2018年，中国吉林重通成飞开发的国内最长海上风电叶片在江苏如东基地成功下线。‍

 

 

叶片材料：碳纤维增强复合材料，叶片长度：83.6米。

 

叶片材料的演变经历三个时期：木质材料→金属材料→复合材料。

 

        在叶片的成本中，叶片选材占大头，对叶片综合性能的影响也是最显著。最开始的叶片材料为木质叶片，布蒙皮叶片，然后是金属叶片，最后到现在比较主流的复合材料叶片。

 

首先，风电叶片要足够轻。在相同的风速下，更轻的叶片更容易旋转，那么其风力转换效率就会大大提高。另外，还需要高强度和高韧性，以满足几十年的服役寿命要求。最后，成本要低，因此，叶片材料的发展是一个逐步轻量化，高性能化，低成本化的漫长的筛选和开发过程。

 

木质叶片

 

        早期的风力发电机组功率容量很小，因此大多采用木质叶片，但木制叶片不易扭曲成型，且强度不高，在潮湿环境下也容易腐蚀;而且随着大、中型风力发电机的发展，木质叶片越来越无法满足叶片尺寸的增加要求，因此，木质叶片逐步退出了历史舞台。

 

 

金属叶片

 

       金属叶片克服了木质叶片不易扭曲加工成型的缺点，而且金属材料的价格低廉，在木质叶片之后的很长一段时间被认为是风电叶片最理想的材料。

 

 

铝合金叶片

 

       这里面用到的金属材料主要是铝合金。但是，也存在诸多弊端，虽然铝合金叶片重量轻、易于加工，但对于叶跟到叶尖渐缩的叶片，铝合金的加工特别困难，此外，金属材料在空气中的腐蚀问题，也对叶片的保养和后期维护提出了挑战。

纤维增强复合材料叶片

 

       1950年，纤维增强复合材料原材料体系被逐步开发，其潜在性能优势不断被发掘，随着应用技术的积累，长纤维增强聚合物基复合材料以其优异的力学性能、工艺性能和耐环境侵蚀性能，成为当今大型风力发电机叶片材料的首选。

 

       这里的纤维主要有玻璃纤维和碳纤维两种，由高分子聚合物(环氧树脂，不饱和树脂等)通过特定的成型工艺加工而成。

 

玻璃纤维(左)和碳纤维(右)

 

 

重通成飞国内最长叶片的碳纤维主梁生产线(实现减重30%)

 

纤维增强复合材料是大型叶片的不二选择。加工工艺一般采用真空吸注成型工艺，如下图所示。

 

 

 

       该工艺利用纤维和泡沫结构层的真空，吸入常压下的液态环氧树脂，然后加热使树脂固化，被树脂浸润的纤维结构随即成为一个整体结构，这是真空吸注成型的原理。不同的叶片型号，会对应一个特定的整体结构，即复合材料叶片。

 

        与传统金属材料叶片相比，纤维增强复合材料叶片的优势更为明显：与真空吸注工艺结合使得生产效率大大提高;通过调控纤维方向可设计不同性能的叶片;一体化成型，产品尺度限制小;高强高韧，特别适合制造大型风电叶片。因为，基于以上优势，纤维增强复合材料叶片成为现今风电叶片的主导。

 

 

 

       国内目前风电叶片材料是这么个情况：我国较小型叶片(如22 m长)一般选用量大、价廉的玻璃纤维增强塑料，基体树脂以不饱和聚酯树脂为主;而较大型叶片(长度42 m以上)的结构设计则选用碳纤维复合材料或碳纤维与玻璃纤维的混杂复合材料，采用真空导入生产工艺，而基体树脂则以环氧树脂为主。未来的发展方向是低成本、高性能、环保。

 

        但是，海上风电正在对叶片材料提出更高的要求。由于海上风电叶片的严苛要求，陆上大规模使用的玻璃纤维增强复合材料已难以独立胜任。相较之下，碳纤维复合材料叶片的刚度为玻璃纤维复合叶片的两至三倍，极限和疲劳性能都优于玻璃纤维复合材料，是名副其实的高性能材料。

 

       但是有一点，碳纤维复合材料的价格要远高于玻璃纤维，这是致命伤，昂贵的价格大大限制了它在风电叶片上的大范围应用。然而，碳纤维复合材料的应用已成为趋势，随着叶片越来越长，碳纤维复合材料将成为超长叶片材料的不二选择。

 

 

 

        碳纤维增强乙烯基树脂顺应低成本的叶片发展趋势。叶片的成本在整个风电机组占比较大，碳纤维价格昂贵，碳纤维加环氧树脂的叶片方案，会大大增加成本。如果选择性价比高的乙烯基树脂来替代环氧树脂，可降低风电叶片成本。

 

        另外，乙烯基树脂的工艺性好，能满足机械力学性能、抗疲劳性、刚度等各项性能指标的设计要求。碳纤维增强乙烯基树脂有望降低成本，对于推广碳纤维增强复合材料叶片有利。

 

 

        热塑性复合材料叶片顺应环保的发展要求。前面提到的加注成型工艺，多采用热固性树脂，如环氧树脂、不饱和聚酯树脂等，热固性树脂制成的风电叶片在其退役后材料很难被回收利用，有环保的压力。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料在满足密度小、强度高、抗冲击性好的前提下，兼具可回收再利用的优点。

 

       但是，目前热塑性复合材料叶片成本还较高，主要原因在于未大规模推广应用。

 

 

        生物质材料也是出于环保的考虑。风电叶片发展一百多年之后，最初的木质叶片又重新登上了历史舞台。目前，市场上以木质/竹制品等生物质材料制成的风电叶片为主，此类风电叶片具有如下优点：刚度高、稳定性好、低温阻尼好、材料可再生、成本低。

 

       从工艺上看，相比碳纤维环氧树脂复合材料，竹材的用量高达50%~70%，环氧树脂用量少，避免了固化过程的过热反应，材料的收缩小;与玻璃纤维复合材料叶片相比，则减少了加工时间，更具有市场竞争能力。