能是一種無(wú)污染的可再生能源，它取之不盡，用之不竭，分布廣泛。隨著人類(lèi)對(duì)生態(tài)環(huán)境的要求和能源的需要，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)日益受到重視，風(fēng)力發(fā)電將成為21世紀(jì)大規(guī)模開(kāi)發(fā)的一種可再生清潔能源。風(fēng)力機(jī)是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為另一種形式能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。而風(fēng)機(jī)葉片是決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化效率的部件。因此，風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)效率等直接影響風(fēng)機(jī)的輸出功率。

1　風(fēng)機(jī)葉片主體材料

制造葉片的理想材料要綜合必需的結(jié)構(gòu)特性，在低成本及形成期望的翼型形狀的能力下具有很高的強(qiáng)度同重量比率、疲勞壽命和剛度 。因此，風(fēng)機(jī)的葉片主要用玻璃纖維GRP制造，新近也用碳纖維強(qiáng)化的復(fù)合材料CFRP粘壓成型，兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的葉片都是用復(fù)合材料制造的。在本文中將主要介紹兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)葉片中的四種主體材料，分別為復(fù)合材料中的玻璃纖維、環(huán)氧樹(shù)脂、PVC芯材和膠粘劑。

      1.1　玻璃纖維

　　玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)非金屬材料，種類(lèi)繁多，優(yōu)點(diǎn)是絕緣性好、耐熱性強(qiáng)、抗腐蝕性好，機(jī)械強(qiáng)度高，但缺點(diǎn)是性脆，耐磨性較差。它是以玻璃球或廢舊玻璃為原料經(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)紗、織布等工藝制造成的，其單絲的直徑為幾個(gè)微米到二十幾米個(gè)微米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的1／20～1／5，每束纖維原絲都由數(shù)百根甚至上千根單絲組成。在風(fēng)機(jī)葉片中主要采用單絲直徑在17 m左右的玻璃纖維絲。

　　按玻璃成分，可分為無(wú)堿、耐化學(xué)、高堿、中堿、高強(qiáng)度、高彈性模量和抗堿玻璃纖維等。無(wú)堿玻璃也叫E玻璃，目前風(fēng)機(jī)葉片中常用的玻璃纖維主要就是E玻璃紗線(xiàn)，模量在76 GPa以上。符合要求的紗線(xiàn)主要有OCV的SE1500、PPG的2026、巨石的E6以及重慶國(guó)際的ECT。隨著葉片長(zhǎng)度的增加，玻璃纖維模量的要求越來(lái)越高，新型的高模量紗線(xiàn)隨即問(wèn)世，主要體現(xiàn)在OCV的H—glass、重慶國(guó)際的TM和浙江巨石的E7。目前在大功率葉片上成功使用的主要是H—glass和TM，葉片均通過(guò)德國(guó)DEWI—OCC靜態(tài)和模態(tài)測(cè)試。除疲勞測(cè)試以外，此紗線(xiàn)符合葉片設(shè)計(jì)要求。

       1.2　環(huán)氧樹(shù)脂

　　環(huán)氧樹(shù)脂是指含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)，以脂肪族、脂環(huán)族或芳香族等有機(jī)化合物為骨架，并能通過(guò)環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)形成有用的熱固性產(chǎn)物的高分子低聚體，它的固化交聯(lián)反應(yīng)是通過(guò)固化劑來(lái)完成的，變?yōu)榻宦?lián)的體型結(jié)構(gòu)以后，才能顯示其固有的優(yōu)良性能 。環(huán)氧樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)是以分子鏈中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)為其特征，環(huán)氧基團(tuán)可以位于分子鏈的末端、中間或成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由于分子結(jié)構(gòu)中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)，使它們可與多種類(lèi)型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶、不熔的具有三向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物。

　　而兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)葉片目前采用的工藝主要是真空灌注工藝，因此，對(duì)樹(shù)脂的混合粘度有很高的要求，一般室溫下在200～300 mPa·S為佳，同時(shí)凝膠時(shí)間需要符合工藝要求：如果時(shí)間太長(zhǎng)，不能滿(mǎn)足生產(chǎn)效率要求；如果時(shí)間太短，則不能完成整個(gè)真空灌注工藝。目前比較具有代表性的環(huán)氧灌注樹(shù)脂主要有：瀚森(Hexion)、亨斯邁(Huntsman)。
　　風(fēng)機(jī)葉片中必須提到一種手糊樹(shù)脂，因?yàn)槿~片需要修型、粘接部分區(qū)域，需要用到手糊樹(shù)脂。而手糊樹(shù)脂受員工操作水平、環(huán)境溫度等影響比較大。特別對(duì)可操作時(shí)間的要求很高，沒(méi)有一個(gè)固定的時(shí)間，此產(chǎn)品需要具有系列化的固化劑來(lái)調(diào)整操作時(shí)間。除進(jìn)口以外，國(guó)產(chǎn)惠利樹(shù)脂比較理想，無(wú)論是性能參數(shù)還是工藝條件均能滿(mǎn)足手糊工藝要求。
     
       1.3　PVC芯材

　　葉片蒙皮主要采用三明治結(jié)構(gòu)在不增加重量的前提下增加葉片的剛度。因此，在整個(gè)葉片中，使用到的PVC芯材量很大，PVC芯材的使用方式和質(zhì)量好壞，直接決定葉片的疲勞性能。PVC芯材有不同的密度，一般在40～250 kg／m3之間任意選擇。而風(fēng)機(jī)葉片選擇的密度范圍為55～65 kg／m3之間。
　　目前市場(chǎng)上提供的PVC泡沫比較雜亂，性能層次不齊，甚至有直接導(dǎo)致葉片產(chǎn)品報(bào)廢的事例。因此，選擇性能參數(shù)高，工藝穩(wěn)定性強(qiáng)的PVC芯材是葉片廠(chǎng)家必須認(rèn)真對(duì)待的事情，特別是海上風(fēng)機(jī)葉片，無(wú)論是長(zhǎng)度、性能要求還是售后維護(hù)方面，都是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。目前比較可靠的芯材主要是戴鉑(Diab)生產(chǎn)的系列化PVC泡沫，質(zhì)量穩(wěn)定、性能參數(shù)均高于葉片設(shè)計(jì)值。

       1.4　膠粘劑

　　風(fēng)機(jī)葉片的膠粘劑主要是用來(lái)粘接葉片兩部分殼體的一種環(huán)氧類(lèi)粘接劑。它在葉片中具有非常重要的作用，葉片的使用壽命和膠粘劑的性能、粘接強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度息息相關(guān)。

　　膠粘劑和環(huán)氧樹(shù)脂在性能上有很多的相似性，它們的反應(yīng)機(jī)理相同。但環(huán)氧樹(shù)脂主要和玻璃纖維增強(qiáng)材料結(jié)合成玻璃鋼，而膠粘劑主要是在環(huán)氧樹(shù)脂中增加短玻纖、硅微粉或Al2O3等填充、改性材料而成。

　　膠粘劑目前都靠進(jìn)口，但國(guó)產(chǎn)材料也在陸續(xù)的投入到葉片生產(chǎn)中，目前經(jīng)測(cè)試符合要求的國(guó)產(chǎn)膠粘劑主要是北京天山研發(fā)的TS821／831。

2　主要材料的比重及成本比例

風(fēng)機(jī)葉片中使用的材料除上述三種主體材料以外，還有金屬螺栓、涂料、金屬法蘭、電纜、金屬接閃器等。由于其它材料的比重很小，將不再一一闡述，我們將以某一種2.0 MW葉片為例，列出各種材料的所占比例，如表1所示。

從表1可以看出，玻璃纖維、環(huán)氧樹(shù)脂、PVC泡沫和膠粘劑占主體材料重量的94.38％，成本的89.1％。因此，四大主體材料的質(zhì)量、價(jià)格都是決定風(fēng)機(jī)葉片未來(lái)的走向。

3　結(jié)論

我國(guó)風(fēng)能資源豐富，根據(jù)國(guó)家氣象局的資料，我國(guó)離地10米高的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約為32.26億kW，可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約10億kW。其中，陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量約2.53億kW(按陸地上離地10 m高度資料計(jì)算)，海上可開(kāi)發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約7.5億kW。因此，風(fēng)電開(kāi)發(fā)才剛剛起步，未來(lái)的風(fēng)電前景更廣闊。但是，作為風(fēng)機(jī)配套產(chǎn)品的葉片，未來(lái)的發(fā)展道路任重而道遠(yuǎn)，新型葉片的開(kāi)發(fā)、材料的優(yōu)化和國(guó)產(chǎn)化工作、性?xún)r(jià)比高的新型材料等，都將是制約和影響未來(lái)風(fēng)機(jī)葉片發(fā)展的瓶頸。