风电复合材料叶片新进展

甘尚坤

摘要：随着时代的发展，世界上对新能源的应用在逐步加深，风力发电便是当下应用范围非常广泛的一种清洁能源。风力发电过程中，主要通过风力发电机组来完成，在这其中有众多的组成部分，风电叶片是其中的重要组成部分，我国当前对风力发电的推广在持续实施，而且也在继续加强对风电叶片材料的研究，据悉现如今风电叶片的制造中正在加强对复合材料的应用，不仅有利于减轻重量，使其可以在大风力条件下保持稳定的运转，更能够在叶片有比较简单的退役后处理措施，进而有利于环境保护。基于此本文中对风电复合材料叶片的研究进展进行了分析。

关键词：风电葉片;复合材料;实际应用

目前我国经常会有能源短缺情况出现，而且国家倡导保护生态环境，据实际情况来看，火力发电的占比依然比较大，亟需调整能源结构。风力发电是当前应用范围比较大的一种新能源，而且能够有效保护生态环境。风力发电机组运行过程中，需要通过风力催动风电叶片旋转，进而来带动发电机组运行，因此在这其中风电叶片起到了至关重要的作用。随着当前时代的发展，该领域对风电叶片材料的研究也取得了新进展，如可以使用热固性复合材料、热塑性复合材料、生物质复合材料等，如此一来能够给风力发电的发展提供有效帮助。

一、热固性风电叶片复合材料

风电叶片是风力发电机组的重要组成部分，在风力发电初期，用于制造风电叶片的材料主要以木材、铝合金、布蒙皮等为主，材料的韧性、拉伸强度等均不佳，随着当前材料科学的发展以及我国风力发电领域的进步，风电叶片的材料也随之从单一材料向复合材料的方向前进，而且与传统单一材料相比，复合材料更具有良好的气动效率、强度、刚度、耐腐蚀性、耐疲劳性等多种优点，更重要的是随着相关领域技术的发展，其制造难度、成本均不高[1]。

其实，复合材料之所以能够被应用于风电叶片中，与其较强的强度有关，而复合材料之所以有较高的强度，与其中的增强纤维强度高密切相关。当前，风电叶片复合材料中的增强纤维类型比较多，如常见GF（E-玻璃纤维）、CF（碳纤维）等，虽然过去对GF比较依赖，而随着当前风力发电机组叶片不断增大的原因，原有GF已经不能够继续适应应用需求，因此转而需要使用CF，但是CF虽然有良好材料性能，但应用成本相对更高于GF。

GF、CF的生产制造中，需要树脂基体发挥作用，目前世界范围内热固性树脂基体的应用非常广泛，而且其有着黏度低、固化温度低的优势，因此在风电叶片复合材料的制造中起到了重要推动作用。

二、绿色环保风电叶片复合材料

（一）热塑性复合材料

现如今复合材料在风电叶片中的应用十分广泛，传统热固性复合材料已经逐步被时代所抛弃，转而需要使用更有优势的热塑性复合材料，其不仅有更高的耐冲击性能、强度和刚度，更有良好的环保性，与同等尺寸的热固性复合材料相比，有更轻的重量，因此热塑性复合材料的整体成本比较低。其次，虽然当前对热塑性复合材料的应用比较多，但在一些方面确实不如热固性复合材料，如为保障热塑性材料的性能，应当在加工时应用更高的固化压力和加工温度，以此来帮助树脂渗透到长纤维中;同时，其粘接方式为机械性粘接，因此疲劳性能不佳。

（二）生物质复合材料

除热塑性复合材料外，生物质复合材料的应用范围也比较广泛，据调查，生物质复合材料已经被广泛应用到了航空、建筑、汽车等多个领域，风电领域中也有涉及。据有关专家对生物质复合材料用于风电叶片的研究来看，具有较低的成本，且材料的刚度、稳定性、低温阻尼性均较高，同时生产生物质复合材料所需要的各种纤维也可以通过废弃物回收获取，因此当前生物质复合材料在大型风电叶片的制造中被应用的较多。在我国，用于生物质复合材料生产的纤维多为木质纤维，如可以使用杉木，该类型材料有良好的加工性能，而且成本比较低，有研究表明，通过杉木的加入，可以使得EP的弹性模量、拉伸强度、剪切强度得到明显提升，并且明显优于多种生物质复合材料。

三、新型风电叶片复合材料

随着风力发电技术的不断发展，其风电叶片的复合材料也有明显变化，除以上几种比较常见的复合材料外，当下也在进行新型复合材料的有关研究，而且在这其中，CNTs比较有代表性，即碳纳米管。据有关CNTs的研究表明，其有着更高于常规复合材料的刚度和轻度，而且根据相关测试CNTs的拉伸强度能够达到200GPa，各方面的材料性能均能够满足风电机组的应用，同时其材料性能更强于常规复合材料[2]。

因CNTs具有较强的刚度、强度，而且也能够兼顾拉伸强度，因此将其作为风力叶片的材料，可以使其具备较强的断裂韧性、疲劳性能和拉伸性能。经过相关专家的研究分析来看，CNTs的应用也使得其力学性能更优，而且在应用到复合材料中后，其弯曲弹性模量最大能够达到69.8MPa。现如今，部分专家也在继续加强对CNTs在风电叶片复合材料的研究，如在CNTs中继续加入亚乙二氧基-二乙胺改性剂，可以使得材料的氨基功能得到优化，并使得材料的整体拉伸强度、弹性模量均能够得到提升。目前材料领域对石墨烯的研究依然在继续，并且多个领域对石墨烯的应用投去了关注，风电叶片的研究中也是如此，而且有关于石墨烯在风电叶片复合材料应用中的研究表明，可以大幅度提高叶片的整体性能。

四、结束语

风力发电将是我国未来能源结构的重要组成部分，风电叶片作为风力发电机组的重要组成部分，其叶片的材料性能必须要能够达到一个极高的标准。在风力发电和材料力学领域的发展中，许多的专家探究了多种可用于风电叶片的复合材料，通过本文实际分析来看，未来的大型风电叶片中会加强对CF的应用，同时，生物质复合材料、热塑性复合材料在未来必然会“担当大任”，此外，相信CNTs的有关研究和应用也能够更进一步，并继续被深入应用到风电叶片的生产制造中去。

参考文献：

[1]龚亮，薛利利.热氧老化对三向正交碳/玻璃纤维/双马复合材料力学性能的影响[J].材料工程，2021，49（10）：144-155.

[2]邹宜金，连应华，黄新宇，刘培，王颖蕊.基于声纹的高泛化性风机叶片异常检测方法研究[J].电子科技大学学报，2021，50（05）：795-800.