復合材料在風機葉片中的應(yīng)用及能力認可現(xiàn)狀

摘要本文簡述了風機葉片用復合材料中不同纖維增強復合材料的優(yōu)缺點，以及未來增強體和基體應(yīng)用的發(fā)展趨勢，同時總結(jié)了CNAS認可的風機葉片以及葉片中材料性能檢測的認可現(xiàn)狀。認為碳纖維和玻璃纖維的混雜纖維、高性能纖維等增強體，以及聚氨酯樹脂、熱塑性樹脂或可回收樹脂等基體是未來風機葉片用復合材料的研究方向；同時通過總結(jié)分析風機葉片檢測實驗室在認可過程中的常見問題，為后續(xù)相關(guān)實驗室認可提供了關(guān)注點。風能是可再生的清潔能源，風力發(fā)電作為一種優(yōu)質(zhì)的發(fā)電方式，能夠有效改善電力行業(yè)對石油、煤炭等不可再生能源的依賴，對于生態(tài)環(huán)境保護和適應(yīng)時代發(fā)展具有重要的意義

。風力發(fā)電非常環(huán)保，且風能蘊量巨大，因此日益受到世界各國的重視。根據(jù)國家能源局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截止到2023年7月底我國風電裝機容量約3.9億kW，同比增長14.3%。隨著風機單機容量的不斷擴大，風機葉片的長度也要求不斷增加。風力機葉片作為風能發(fā)電機中的核心部件，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機組正常運行的重要因素。葉片在工作中要承受多種外部環(huán)境的影響，因此要求葉片材質(zhì)具有良好的強度、剛度和韌性以及抗風沙、抗沖擊、耐腐蝕等性能。目前，纖維增強復合材料在風力機葉片上得到了廣泛的應(yīng)用，其質(zhì)量輕、強度高、耐久性好，已成為大型風力發(fā)電機葉片的首選材料。

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玻璃鋼復合材料玻璃纖維增強熱固性樹脂復合材料，俗稱玻璃鋼，是一種以玻璃纖維或其制品為增強體，以熱固性樹脂為基體，并通過一定的成型工藝復合成的材料。玻璃鋼具有成本低、強度高、重量輕、耐腐蝕、易加工等特點，被廣泛應(yīng)用于風力發(fā)電機葉片的制造。常見的玻璃纖維分為E型和S型，E型玻璃纖維也稱無堿玻璃纖維，是一種硼硅酸鹽玻璃，因其良好的電氣絕緣性和機械性能，被大量用于生產(chǎn)玻璃鋼。S型玻璃纖維是一種特制的抗拉強度極高的硅酸鋁-鎂玻璃纖維，它的模量比E型玻璃纖維材料高出了18%；它的纖維拉伸強度為4600MPa，比E型玻璃纖維的3450MPa增加了33%。S型的力學性能要普遍優(yōu)于E型，但是S型玻璃纖維價格較高，考慮到經(jīng)濟性，E型玻璃纖維的應(yīng)用相對廣泛一些

。玻璃鋼復合材料所用基體一般是熱固性樹脂類，包括不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂等。目前，應(yīng)用比較成熟的基體主要是不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂，其中不飽和聚酯樹脂體系具有良好的成型工藝性能且價格比較低，其在小型葉片（比如長22m）的生產(chǎn)中具有絕對優(yōu)勢；但是存在固化時體積收縮率大、放熱劇烈，有一定的氣味和毒性，耐熱性差，綜合機械性能偏低等缺點。環(huán)氧樹脂體系具有優(yōu)良的力學性能和耐酸性、耐溶劑性以及突出的尺寸穩(wěn)定性，綜合性能較好，是目前大型風電葉片的首選。大部分風電葉片是采用環(huán)氧樹脂體系制造而成。乙烯基樹脂性能介于前兩者之間，其能滿足機械力學性能、抗疲勞性、剛性等各項性能指標的設(shè)計要求，目前乙烯基樹脂在大型葉片中應(yīng)用較少，但隨著制造廠家對成本的要求，乙烯基樹脂可能會進入兆瓦級葉片的選材

。近年來，隨著海上風電及低風速風電的快速發(fā)展，葉片大型化成為風電行業(yè)的共識，同等風速情況下，葉片越長，掃風面積越大，發(fā)電量也相應(yīng)增大。對于葉片尺寸大型化的要求，純玻璃纖維增強復合材料存在剛度不足、葉片質(zhì)量重的問題。而碳纖維增強復合材料作為一種高剛輕質(zhì)的材料，其在風機葉片上的廣泛應(yīng)用不僅能夠提高葉片的結(jié)構(gòu)剛度和強度，同時還可以降低重量。

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碳纖維增強復合材料碳纖維增強復合材料在滿足剛度和強度要求的條件下，比玻璃纖維增強復合材料輕30%左右。在基體樹脂方面，環(huán)氧樹脂的力學性能相對較好，故碳纖維復合材料多以環(huán)氧樹脂為基體樹脂

。與玻璃纖維相比，碳纖維密度小，強度高，模量高出3～8倍，其在風力發(fā)電機葉片中的應(yīng)用，能夠提高葉片剛度、降低重量；提高抗疲勞性能；使風機的輸出功率更平滑更均衡，風能利用效率提高；可制造低風速葉片和自適應(yīng)葉片等等。綜上，碳纖維將成為超大型葉片輕質(zhì)高強要求的理想選擇材料

。碳纖維增強復合材料的性能大大優(yōu)于玻璃纖維增強復合材料，但是其價格昂貴，是玻璃纖維的10倍；其不太高的性價比影響了它在風力發(fā)電上的大范圍應(yīng)用。

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未來研究趨勢超大型機組及其輕量大葉片是未來發(fā)展的要求，而復合材料的性能是葉片“大型化、輕量化和高可靠性”的關(guān)鍵所在，增強材料和基體材料在葉片上發(fā)揮的作用也越來越大

。3.1增強材料1）碳纖維和玻璃纖維的混雜纖維增強復合材料：綜合了玻璃纖維易加工和碳纖維優(yōu)越的力學性能的雙重優(yōu)點，開始出現(xiàn)并逐漸應(yīng)用在風力發(fā)電設(shè)備中。2）高性能纖維：玄武巖纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等高性能纖維具有輕質(zhì)高強高模、耐疲勞、耐腐蝕以及耐環(huán)境老化等性能，所設(shè)計的芳綸纖維復合材料風葉風力發(fā)電機具有重量輕、噪聲低、無振動、共振發(fā)生概率低的特點。其更適合智慧城市等城市環(huán)境。因此，將上述高性能纖維作為風力機葉片的增強纖維具有重要的研究意義

。3.2基體材料1）聚氨酯樹脂：隨著風電平價時代的來臨，聚氨酯樹脂成為市場重點關(guān)注的另一種可選基體材料。2018年成功安裝了首支聚氨酯風力機葉片。與常見的環(huán)氧樹脂相比，新型聚氨酯樹脂的機械性能和抗疲勞性能更加優(yōu)異，固化速度快，加工性能好，并且其與玻璃纖維和碳纖維的結(jié)合力更好，對于提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本具有重要意義。付國良等通過研究發(fā)現(xiàn)，其所選的聚氨酯樹脂澆注體的強度指標均優(yōu)于環(huán)氧樹脂澆注體；同時通過對其制作的玻璃纖維增強復合材料（FRP）進行靜態(tài)力學測試發(fā)現(xiàn)，聚氨酯FRP的拉伸強度和壓縮強度均達到1000MPa以上，具有優(yōu)異的機械性能；其制作的聚氨酯FRP，通過計算能夠滿足風電葉片使用要求。隨著未來對風力機葉片大型化、輕量化的要求，聚氨酯樹脂有望成為市場基體材料新選。2）熱塑性樹脂或可回收樹脂：目前，風力機葉片多采用熱固性樹脂，熱固性樹脂是指加熱后產(chǎn)生化學反應(yīng)，逐漸固化成型，再受熱也不能軟化和溶解的樹脂，其性能穩(wěn)定，不易分解，故用其制作的風電葉片在退役后很難回收再利用；而熱塑性樹脂，受熱軟化、冷卻硬化，無論加熱和冷卻多少次，均能保持這種性能。與熱固性復合材料相比，其具有可回收再利用、強度高、抗沖擊性好的優(yōu)點。常見的熱塑性樹脂有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚酰胺（PA）等。翟海峰等將碳纖維增強聚醚醚酮復合材料（熱塑性復合材料）與玻璃纖維增強復合材料的性能進行了分析，結(jié)果表明，在綜合性能上，熱塑性復合材料風力機葉片比熱固性復合材料葉片有較大的優(yōu)勢，為熱塑性復合材料風力機葉片的性能分析提供了新的思路。

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相關(guān)實驗室認可能力概述為了驗證上述復合材料的性能，檢測葉片中材料性能的實驗室是必不可少的。目前國內(nèi)企業(yè)內(nèi)部實驗室和第三方獨立檢測實驗室在該領(lǐng)域也開展了相應(yīng)的工作，并獲得了CNAS的認可，經(jīng)過分析將主要認可能力和標準進行了匯總，見表1。表1主要總結(jié)了葉片中材料種類、使用范圍、檢測項目以及對應(yīng)的標準，為保證風力機葉片的性能提供基礎(chǔ)支撐。目前通過認可的風力機葉片的檢測實驗室共16家；其認可的主要方法標準有GB/T25384—2018/IEC61400-23:2014《風力發(fā)電機組風輪葉片全尺寸結(jié)構(gòu)試驗》、GB/T25383—2010《風力發(fā)電機組風輪葉片》、JB/T10399—2004《離網(wǎng)型風力發(fā)電機組風輪葉片》、GB/T33629—2017/IEC61400-24:2010《風力發(fā)電機組雷電防護》等，主要涉及的參數(shù)有靜力試驗、疲勞試驗、模態(tài)測試、固有頻率試驗、初步引線連接測試、掃掠通道雷擊試驗、電弧擊入試驗、非導電性表面試驗、傳導電流試驗、高電壓試驗、大電流試驗等等。與其他領(lǐng)域相比，針對風力機葉片性能檢測的認可實驗室數(shù)量相對較少，可能與檢測風機葉片所需的硬件設(shè)施要求較高、投入成本較大以及對人才要求高等原因有關(guān)。同時，通過總結(jié)分析風力機葉片檢測實驗室評審過程中的問題，發(fā)現(xiàn)不符合項主要體現(xiàn)在以下方面：1）人員方面：主要表現(xiàn)在人員資質(zhì)不符合CNAS-CL01-G001：2018《CNAS-CL01〈檢測和校準實驗室能力認可準則〉應(yīng)用要求》中6.2.2b）的要求，例如，某檢測人員，大專、非相關(guān)專業(yè)，相關(guān)檢測經(jīng)歷不足10年，而被授權(quán)為風力發(fā)電組檢測崗位；另外還有對檢測人員的監(jiān)督和授權(quán)等不全面等問題。2）設(shè)備方面：主要表現(xiàn)在設(shè)備使用之前未進行驗證，設(shè)備校準方案要求不全，修正因子在測試軟件中未進行及時更新和應(yīng)用等。3）外部提供的產(chǎn)品與服務(wù)：未對組織實驗室間比對的實驗室進行評價等。4）管理體系文件的控制：未對相關(guān)標準、文件等進行受控、記錄、發(fā)放等。以上問題均會對實驗室管理體系運行以及出具數(shù)據(jù)的準確性產(chǎn)生影響，是實驗室需重點關(guān)注的方面。

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結(jié)論綜上所述，在風力發(fā)電葉片大型化需求下，目前風力發(fā)電葉片所用復合材料，其性能、價格、綠色化以及性能檢測方法、相關(guān)檢測實驗室數(shù)量以及能力等方面均存在一定的不足。未來風力發(fā)電行業(yè)需進一步探索玻璃纖維、碳纖維材料與葉片制造的深度結(jié)合；對于如何在降低葉片重量、保持其剛度的同時保持較好的