對于風(fēng)電葉片材料，首先其質(zhì)量要輕，從而能使葉片更容易旋轉(zhuǎn)，風(fēng)力轉(zhuǎn)換成電能的效率則大大增加；同時，要求風(fēng)電葉片材料能承受長期的日曬雨淋、風(fēng)沙、冰雪等侵蝕，還要具有高強(qiáng)度和抗疲勞等特性。
風(fēng)電葉片材料的基本種類
風(fēng)電葉片的選材直接影響其成本和綜合性能。從傳統(tǒng)型的木質(zhì)葉片發(fā)展到現(xiàn)在主流型的復(fù)合材料，人們經(jīng)歷了對高性能、低成本的風(fēng)電葉片材料的篩選和探索的漫長過程。
1、金屬材料
金屬材料的價格低廉、易加工成型，較早時期被認(rèn)為是風(fēng)電葉片最理想的材料。風(fēng)電葉片所用的金屬材料主要是合金鋼和鋁合金。不過，經(jīng)過長期試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，金屬材料的密度普遍較大，質(zhì)量大，而且抗疲勞特性差，容易被腐蝕，特別不適合扭曲成型，因而逐步被其他材料所替代。
2、玻璃鋼復(fù)合材料
玻璃鋼復(fù)合材料是基體樹脂和玻璃纖維通過加工方式結(jié)合在一起制成的材料。其中玻璃纖維主要起到補(bǔ)強(qiáng)作用，而基體樹脂主要提供粘結(jié)力，保護(hù)增強(qiáng)作用和傳遞應(yīng)力作用。
玻璃鋼復(fù)合材料的基體樹脂主要有不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基酯樹脂等。不飽和聚酯樹脂的原料來源廣，成本較環(huán)氧樹脂低，且在常溫常壓下可固化成型，加工方便；環(huán)氧樹脂同樣有良好的加工工藝性，其粘結(jié)力好，穩(wěn)定性好，防腐蝕性能優(yōu)異；乙烯基酯樹脂結(jié)構(gòu)上保留了環(huán)氧樹脂的基本鏈段，固化后材料具有優(yōu)良的性能，在工藝性能方面則具備不飽和聚酯樹脂的良好工藝性能。
相比較而言，不飽和聚酯樹脂具有優(yōu)異的工藝調(diào)控性，可以通過調(diào)整引發(fā)劑的用量來控制反應(yīng)時間；而環(huán)氧樹脂韌性較好；不飽和聚酯樹脂脆性較大；乙烯基酯樹脂成本和性能介于不飽和樹脂和環(huán)氧樹脂之間，不過其相關(guān)應(yīng)用研究較晚，技術(shù)相對不成熟，目前只被少數(shù)風(fēng)電葉片制造商采用。
3、碳纖維復(fù)合材料
隨著風(fēng)電葉片的尺寸逐漸加大，葉片的質(zhì)量也越來越重，但這不符合風(fēng)電葉片的設(shè)計要求。高性能碳纖維材料的引入可以解決這一難題，在很大程度上實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片的減重。碳纖維材料在滿足剛度和強(qiáng)度要求的條件下，比玻璃纖維材料輕30%。在基體樹脂方面，環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能相對其他樹脂好，故碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用多以環(huán)氧樹脂為基體樹脂。不過，碳纖維的應(yīng)用工藝要求較高，葉片的雷電防護(hù)系統(tǒng)情況復(fù)雜，其尚有技術(shù)性和成本性的問題需要解決。
風(fēng)電葉片材料的發(fā)展趨勢
目前風(fēng)電葉片材料的使用情況是：我國較小型葉片（如22 m長）一般選用量大、價廉的E-玻璃纖維增強(qiáng)塑料，基體樹脂以不飽和聚酯樹脂為主；而較大型葉片（長度42 m以上）的結(jié)構(gòu)設(shè)計則選用碳纖維復(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，而基體樹脂則以環(huán)氧樹脂為主。傳統(tǒng)的風(fēng)電葉片材料顯然不能滿足風(fēng)力發(fā)電葉片的要求，人們對于風(fēng)電葉片材料正向低成本、高性能、環(huán)保方向繼續(xù)探究。
1、碳纖維增強(qiáng)乙烯基樹脂
風(fēng)電葉片成本占整個風(fēng)力發(fā)電裝置成本的比重較大，可以通過降低葉片成本來降低整個風(fēng)力發(fā)電裝置的成本。選擇性價比高的材料——乙烯基樹脂來替代環(huán)氧樹脂，可降低風(fēng)電葉片成本，另外，乙烯基樹脂的工藝性好，能滿足力學(xué)性能、抗疲勞性、剛度等各項(xiàng)性能指標(biāo)的設(shè)計要求。碳纖維用來制作風(fēng)電葉片，具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢，故碳纖維增強(qiáng)乙烯基樹脂的復(fù)合材料是制作大型風(fēng)電葉片的趨勢。
2、熱塑性復(fù)合材料
風(fēng)電葉片多采用熱固性樹脂，如環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等制成，熱固性樹脂通過化學(xué)反應(yīng)交聯(lián)，致使樹脂相對分子質(zhì)量增大，分子結(jié)構(gòu)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得樹脂性能穩(wěn)定，不易分解。故熱固性樹脂制成的風(fēng)電葉片在其退役后材料很難被回收利用。與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料具有可回收再利用、密度小、強(qiáng)度高、抗沖擊性好等優(yōu)點(diǎn)。不過，熱塑性復(fù)合材料制成的葉片成本普遍較高，這也成為了制約其用于風(fēng)電葉片材料的關(guān)鍵性問題。
3、生物質(zhì)材料
玻璃鋼作為一種重要的工程材料，廣泛用于風(fēng)電葉片。由于玻璃鋼的廢舊產(chǎn)品處理困難，既難以燃燒，又不易分解。出于環(huán)?？紤]，市場上逐漸出現(xiàn)了以木質(zhì)/竹制品等生物質(zhì)材料制成的風(fēng)電葉片。此類風(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，適合于大型葉片。從工藝上看，相比環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，由于竹材的用量高達(dá)50%~70%，環(huán)氧樹脂用量少，避免了固化過程的過熱反應(yīng)，材料的收縮??；與玻璃纖維復(fù)合材料葉片相比，則減少了加工時間，更具有市場競爭能力。
風(fēng)電葉片涂層
風(fēng)電葉片材料的發(fā)展逐步趨向于高性能、輕量化，但風(fēng)電葉片長期處在惡劣環(huán)境下工作，需要經(jīng)受不同環(huán)境地域的考驗(yàn)，其自身材料不足以防御風(fēng)、雪、雨等惡劣天氣的侵蝕和磨蝕。因此，風(fēng)電葉片通常會涂覆保護(hù)涂料，顯然惡劣的環(huán)境條件對于風(fēng)電葉片涂料有更高的性能要求。
1、風(fēng)電葉片涂層的性能
風(fēng)電葉片正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中通?？赡苁艿揭韵聨追N外界侵蝕：第一種是來自紫外光的侵襲；第二種是風(fēng)沙、浮塵以及雨霧等對基材的侵蝕。就第一種而言，是屬于化學(xué)性的侵蝕；第二種侵蝕是屬于機(jī)械性的侵蝕，對于涂料行業(yè)來說防護(hù)難度較第一種要大得多。
風(fēng)電葉片正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中葉尖的線速度可達(dá)80 m/s，這個速度約相當(dāng)于F1賽車的最高時速，風(fēng)中含有的沙?；蛩螘θ~片表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊力。如果風(fēng)電葉片涂料的耐沙蝕或雨蝕性能不佳，防護(hù)涂層將在幾年內(nèi)發(fā)生明顯損耗，根本堅持不了20年的防護(hù)期限。因此，要求涂層必須經(jīng)受長時間的高速粒子撞擊，涂層必須具有一定的彈性；同時，由于沙子表面粗糙，硬度高，更容易劃傷涂層，涂層還要具有高機(jī)械強(qiáng)度。只要涂層能隨時保證這兩個特性，再具備足夠的厚度，就可以有效抵御風(fēng)沙、雨霧在葉片運(yùn)行過程中的侵蝕。
由于涂層耐磨性不佳，導(dǎo)致風(fēng)電葉片維修成本居高不下，這是大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的絆腳石。風(fēng)電葉片防護(hù)涂層材料不局限于單一的某種材料，幾種樹脂的配套使用或通過改性可使涂料性能更趨優(yōu)異，合理配用聚氨酯、丙烯酸類等聚合物，以獲得性能全面的風(fēng)電葉片涂料。風(fēng)電葉片涂料主要應(yīng)考慮到以下幾點(diǎn)基本性能：
(1) 風(fēng)電葉片涂層要與風(fēng)電葉片材料有優(yōu)異的附著力，不同的風(fēng)電葉片材料因基體樹脂不同，可能會造成風(fēng)電葉片涂料在底材上的附著力不盡相同。
(2) 風(fēng)電葉片涂層的耐磨性要優(yōu)異。風(fēng)電葉片長期經(jīng)受風(fēng)力摩擦，另外，在空氣流動過程中，空氣中的沙粒、雨水、鹽霧，都會不斷地沖擊風(fēng)電葉片而造成侵蝕。因此，對風(fēng)電葉片涂層的耐磨性要求極高。
(3) 風(fēng)電葉片涂層需具有優(yōu)異的化學(xué)性能。風(fēng)電葉片長期暴露在自然環(huán)境下，受到紫外線、雨淋、霜凍等，更有晝夜溫差、四季氣候變化的自然條件，造成冷熱交替等各種不穩(wěn)定的因素對風(fēng)電葉片的侵蝕。而風(fēng)電葉片涂層作為保護(hù)層，需要在不穩(wěn)定的因素條件下保持涂層的性能穩(wěn)定，耐性（如耐鹽霧性、耐紫外老化性、耐濕熱性等）優(yōu)異，以適應(yīng)不同的極端氣候條件。
2、風(fēng)電葉片涂料的配套體系
現(xiàn)階段，風(fēng)電葉片涂料產(chǎn)品已經(jīng)相對成熟，國內(nèi)外風(fēng)電葉片涂料廠商諸多，而不同風(fēng)電葉片涂料廠商的涂料配套體系各異，常見的配套涂料體系見表1。
由于風(fēng)電葉片加工工藝因素造成葉片表面不平整有空隙，通常在涂布底漆之前需要用膩?zhàn)犹钇娇障?。根?jù)表1大體可以總結(jié)出：風(fēng)電葉片涂料配套體系主要是水性涂料配套體系和溶劑型涂料配套體系。水性涂料配套體系氣味小、環(huán)保、施工方便，且施工工具易清洗。而溶劑型涂料配套體系氣味大，但是已經(jīng)逐漸向高固體分涂料轉(zhuǎn)型，且漆膜性能穩(wěn)定，防腐蝕性能相對水性體系出色，因此現(xiàn)階段的風(fēng)電葉片實(shí)際應(yīng)用溶劑型涂料的相對較多。
3、風(fēng)電葉片涂料的發(fā)展趨勢
從2015年2月1日起，國家對涂料在生產(chǎn)、委托加工和進(jìn)口環(huán)節(jié)征收4%的適用稅率。征收涂料稅也加速推進(jìn)了風(fēng)電葉片涂料向環(huán)保型涂料方向發(fā)展。
近年來，水性風(fēng)電葉片涂料已經(jīng)陸續(xù)研發(fā)成功。水性風(fēng)電葉片涂料以水為溶劑，VOC低，但是對施工環(huán)境的要求相對較高，這是因?yàn)橥苛现械娜軇樗?，水的汽化溫度相對溶劑較高，會導(dǎo)致涂料施工后水不易蒸發(fā)，水的蒸發(fā)受濕度影響大，只能通過環(huán)境濕度調(diào)整。
顯然，現(xiàn)階段水性風(fēng)電葉片涂料無法完全取代溶劑型風(fēng)電葉片涂料。而溶劑型風(fēng)電葉片涂料的性能方面，特別是耐磨性、防腐蝕性比水性風(fēng)電葉片涂料更優(yōu)。針對環(huán)保問題，溶劑型風(fēng)電葉片涂料可在具有優(yōu)異性能的前提下，進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為高固體分涂料和無溶劑涂料，以便降低VOC而達(dá)到環(huán)保的要求。當(dāng)然，針對水性風(fēng)電葉片涂料的性能，人們已經(jīng)開始研發(fā)新的材料，盡管突破技術(shù)瓶頸的道路艱辛，但是，通過涂料技術(shù)人員的不斷努力，相信在不久的將來，一定會有收獲。
結(jié)語
風(fēng)力發(fā)電是一種清潔能源，勢必會大力發(fā)展，隨之對于風(fēng)電葉片材料及其防護(hù)涂料的要求也會更高。當(dāng)前在考慮高性能材料發(fā)展的同時，風(fēng)電葉片材料及其涂料也必將向可持續(xù)、環(huán)保的研究方向邁進(jìn)。
來源：復(fù)材社、海洋清潔能源資訊
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