【文字实录】叶片前缘侵蚀与风机年发电量的损失

　　3M中国有限公司风电事业部经理陶理——“叶片前缘侵蚀与风机年发电量的损失”。

　　【陶理】：大家好，今天很高兴来到这个论坛跟大家交流。在风电项目中大家比较多的，知道的是我们的叶片保护膜和贴胶，日常生活中还有防护口罩，汽车贴膜，3M是一家以创新和产品多元化为著称的世界五百强企业，我在这家企业服务了将近12年。

　　我们公司最早成立于1902年，我们进入中国是30年，是一家具有百年历史的老店。公司全球销售是318亿美金，在研发方面投入很多资源和力量。我们在可再生能源方面为我们的风电客户着力提供高效可靠的解决方案，因为我们要保证在整个风机20年的寿命中，在风场的运转是可靠和安全。3M有46个技术平台，每个技术平台由一个字母来代表，比如说AB就是粘膜，我们希望核心技术膜、粘接剂等这些技术平台的交叉研究不同的产品满足风电客户的需求。

　　我们的产品主要是叶片表面防护，叶片结构材料和叶片制造工艺中都有提供。在叶片表面有叶片前缘防护解决方案，在叶片制造过程中，很多叶片厂都用我们的无色透明贴膜。我们在叶片的修补上有修补的腻子，目前整个市场业主也有很大的需求，是希望提高风机的发电效率，增加风场的回收，我们有涡轮发生器的解决方案。现在叶片的工艺制造促使叶片的设计有不同的提升，尤其是在气动或者减噪方面，TPI有一款叶片是为国外的主机厂制造，这个叶片上就加了涡轮发生器建噪的配件，这就是用我们的胶带，保证了强劲的粘接和抗疲劳性，保证在20年的运行过程中不会脱落。

　　有一个值得关注的问题是去年西门子在2014年度第四季度财宝披露风能部门遭受巨大的财务损失，主要是来自陆上风机主轴和陆上和海上叶片所产生的费用。这些损伤，大量的支出主要是来自于叶片前缘侵蚀以及撕裂，主要发生的部位是叶片的尖端往的部位。

　　这些是叶片前缘腐蚀的照片，随着越来越长的叶片要求，以及风场面临的极端环境，目前市场上现有的涂料不能完全满足抵抗侵蚀的要求，3M风电叶片保护膜还是市面上最佳抗侵蚀的解决方案。我们的客户他们也在寻求有没有液态的保护膜可以取代3M的产品。这是风场不同的年限产生的不同侵蚀程度，叶片的前缘侵蚀是所有的叶片都会碰到的，无论在什么风场，什么油漆，叶片的长度，都会出现叶片前缘侵蚀的问题，侵蚀主要是取决于风场周围的环境，叶片的结构质量和表面处理。高速的风中夹带的颗粒物和雨水是导致侵蚀的主要原因。从叶片侵蚀的程度可以分为三个层次：一个是油漆磨穿，最严重的是出现分层的现象。

　　这是德国GKA风电公司提供给我们，一般叶片前缘腐蚀产生的问题，在叶尖三米的位置出现腐蚀的前面，距离叶尖10米的位置是非常微小的侵蚀，这也是我们给客户的推荐，基本上叶片前缘侵蚀发生最严重的或者你希望能够达到最经济的防护是从叶尖到整个叶片长度的三分之一，如果你想比较完好的防护你的叶片，你可以防护的措施是从叶尖到整个叶片的二分之一处。

　　叶片的前缘其实是不是只对叶片的外观造成影响，还是对它的气动造成影响，我们公司做了风动的研究测试，我们做这个研究是在两年半前，我们已经跟业内同行介绍过我们这个研究，如果是搞气动的话，应该对我们这个研究组的教授有一定的认识。我们这个测试是在小尺寸的异型模型上用计算机模拟人为制造前缘侵蚀，分为九种等级，我今天展示的是其中三种比较典型的等级。通过在三层不同的侵蚀状态，在风动里面的测试和计算机的模拟来估算年发电量的损失。

　　其实麦加昨天的展示也展示了我们的研究成果，我当时看到的时候是非常惊讶的，也有一些生气，因为毕竟这是我们3M跟迈克教授一起搞的长达一定时间的理论研究。我们同行非常推崇3M在前缘防护这个领域的研究，我们的理论研究原封不动的复制到他们的PPT，显示了对我们公司在前缘侵蚀领域的尊重。

　　这个是ROM的研究资料，ROM也是发表如果你的叶片是粗糙的，这个粗糙很有可能是你的前缘侵蚀造成的，你维修的话，对你发电量的增长会有3%到8%。有趣的是现在业主也希望在风机上进一步提高发电效率，增加风场的营收。我们涡流发生器，在一千多台风机上安装的效果平均年发电量提升是2.3%到2.6%。叶片前缘侵蚀三种不同的状态对年发电量的下降，最低的是4.2%的下降，最高的达到20.5%。对于业主来说，与其花钱装涡流发生器，还不如考虑更好的防护你的前缘，甚至出现问题尽快维修也是对你提高发电量的损失，早日把投资回报收回，我们也做了投资回报率跟净献值的测算，一般点状侵蚀一般会出现整个叶片服役年限在半年到4年，这样的情况如果做维修的话，你收回投资是3.7个月，如果已经达到封层的现象，这一般是叶片出现5到6年，如果做维修，2.4个月就可以收回投资回报。

　　海上风机5兆瓦也是一样的，我们风电叶片保护膜的特点是，我们产品具有非常悠久的应用经验，我们最早是保护直升机的护翼，过去20年里面已经有超过15万的风机叶片安装了我们的保护膜，我们的保护膜还有白色和黑色的供客户选择，因为这个产品是从产线上出来的，它已经是固化的成品，所以膜的厚度是均一，这跟涂层不一样，怎么样保证你刷的油漆是控制好厚度的是非常关键的。

　　说到施工，有些人说我们的保护膜不好施工，我觉得是熟能生巧，最早在国内叶片厂贴，一开始比较生，但是现在两个工人30分钟就能贴一个叶片。在售后方面我们非常强调好的产品要有好的施工，TPI维修部门经过3M的培训，他们提供的是非常好的快速，便捷，以及完好的贴膜施工质量。

　　说到环境，我们知道涂料在高湿度的情况下比较难施工，因为聚氨酯的涂料会吸收湿气，这样会造成涂料里面会有一些空隙，这会影响它的防护效果，而我们贴膜本身是湿贴法，甚至在下小雨的时候还可以施工。无论是性能也好，还是施工，都是非常方便的。

　　这是我们的保护膜的产品体系，我们的保护膜有三种不同的宽度，100毫米，152毫米，254毫米，长度是33米，贴这个膜还有一些配件，要在膜的周围打封边剂保证膜不会脱落，在叶尖我们推荐客户涂一下底涂剂。我在2010年向国内市场推荐这款膜的时候，这款膜至少给客户防护7到8年，所以我觉得介绍除膜剂没有意义，其实我们有除膜剂的产品，在膜上面涂上涂膜剂可以方便去除残胶。

　　有人说3M的膜只能防护5年，这是福建的一个风场，它的环境是高温，高湿，05年建设，06年发电，12年风场因为发现叶片出现了破损的现象，这个风场是龙岩收益非常好的风场，所以他们非常重视维修，叶片的长度是25米，风机是来自西班牙一家风机主机厂，进口到中国的时候就带着3M的膜。维修队伍上去查看，贴了3M膜的区域都是完好的，这也是非常清晰的说明在高温、高湿，国内的风场，6年保护膜完好。

　　这个技改项目，因为业主看到膜卓越的防护性能，做了维修之后，当时用了三家不同的面漆，但是在三家不同面漆的上面重新再贴了3M的膜。这个是保护膜在东北风场使用4年后的效果，也是非常清晰的，贴膜的区域都是完好的，白的部位是维修过的。这是海南的维修项目，当时主机的叶片，海南的环境和福建比较相似，甚至更恶劣，对于叶片的前缘侵蚀非常厉害，当时业主发现叶片前缘侵蚀非常厉害，所以加贴了3M的保护膜，这是丹麦哥本哈根的风场，这个风场离岸3.5公里的海上风场，2000年开始6台风机都装了我们的保护膜，5年之后检查没有叶片需要维修的10年进行维修，四分之一的膜破了，四分之三的膜还是好的。另外我们的保护膜就像给叶片穿上了防弹衣，即使膜破了叶下的涂层还可以像保护层。

　　国内外的案例，过去20年在高原，沿海，高海拔，海上风场超过15万支叶片都贴着3M的防护膜，最新的项目是海上风电是6兆瓦的海上风机。2001年，很多客户跟我说我们没有叶片有前缘侵蚀的问题，因为整个中国风电行业风机蓬勃发展安装也是在2007年开始的，现在越来越多客户意识到前缘侵蚀确实是严重的问题。前缘侵蚀对所有的叶片来说都是严重的挑战，它会导致严重的年发电量的下降，而我们贴膜单从膜的材料是1500到2000元一支，视叶片长度的大小，提供的防护是可以5到10年不等，关键看风场的环境，无论是预先维护，还是出现问题及早维修，整个投资收益都是少于5月。

　　大家还是比较热可雨蚀测试是可以模式叶片风场中真实环境的情况。上面是涂层，右边是涂层的雨蚀试验。下面是贴了膜的，因为膜并不是不会坏，到了一定的时间它还是会坏的，这也是风场贴了膜的，在一定的年限之后膜坏了，它跟雨蚀实际膜的坏的情况差不多。为什么雨蚀试验是检验叶片侵蚀防护材料是不是好，主要是因为雨蚀对叶片的侵蚀并不是纵向直接的冲击，最主要的还有一个是横向的冲击，硬质的材料受到双向的冲击，经过冲击之后的表面被破坏的微小结构就是前缘侵蚀的开始，所以我们觉得弹性材料能够吸收能量，而我们的保护膜延展性达到500%，不管是纵向冲击，还是横向的冲击都可以很好的吸收冲击的能量，达到极强的防护效果。

　　这是丹麦的雨蚀试验标准测试参数，为什么用这些红颜色把测试参数标出来，有时候你拿到的客户给你雨蚀测试试验报告很漂亮，但是很有可能在风场实际运作中并不能体现相同的效果。举一个真实的案例，西班牙这家主机厂商在叶片制造开始就用3M的膜，两年前不买我们的膜，选用了前缘涂料，因为测试的实验室数据非常漂亮，今年又找我们，重新用我们的膜，因为他用这个涂料两年也抗不住。

　　你测试的环境，雨蚀测试下面是转盘，下面是雨低，旋转的速度是非常重要的，旋转的速度就是模拟叶片在正常高速运转中的加速，旋转速度一般是在125米每秒到150米每秒，参数不一样，同一种材质出来的测试结果也不一样。还有就是样品基材，是直接贴膜，还是还原叶片的初始状态，就是基材加腻子，底漆，再加前缘防护资料做测试，即使同一个前缘防护材料效果也不一样的。另外样板的膜厚，如果这个膜厚是1千微米，或者500微米，测试出来的结果也不一样的，1千微米的防护效果肯定比500微米的漆层防护效果好，当你拿到给你的测试报告，你就应该要问他的测试参数是怎样的。还有一个非常关键的是制样时候的湿度，因为湿度对涂料的敏感性非常到，当你在50%制样实验室出来的效果很好，但是在风场不可能湿度达到50%，尤其在华南这些雨水比较多的气侯，你的湿度不可能维持50%，你的防护效果是会下降的。

　　这是我们公司竞争品，我每次给客户送样，我们都非常清晰的按照我们的要求，这些测试参数都要列在下面，在下面这些测试参数情况下，5小时前缘就出现了这样的严重的侵蚀，这张不是3M去送样，是我们竞争对手自己公布的材料，它的尖端速度是140米每秒，同一种材料不同的参数出来的雨蚀效果不一样的。从竞争对手的雨蚀试验你会发现左边是最早出现侵蚀的，往后属于下降，这也是为什么叶片越长，速度越快，叶尖越容易受到侵蚀。

　　这个是同一款材料试验两时出现点状的侵蚀，到18个小时出现非常严重的侵蚀，大家看到的这个黑色是已经成洞了，说明损伤非常严重。这个是我们的保护膜，这下面是我们测试的环境，9小时可以看到细小的前缘侵蚀的现象。这个是我们研发的第一款前缘涂料，为什么我们还研发涂料？两年多前我们掉了客户，因为客户都有自己的偏好，可能有的还是比较喜欢油漆，3M是以不断创新为著称的公司，所以我们研发了我们的前缘漆，第一代前缘漆相同的测试环境，雨蚀试验18个小时没有任何变化。

　　第一代涂料我们做了4千小时UV的老化，再做雨蚀试验，经过老化以后的涂料，我们做了9个小时没有任何变化。我们4千小时的老化试验，用的是UVA，黑色的是UVA，绿色的是UVB，黑色的是跟自然光谱非常接近，我们也是尽可能模拟正常的自然光对产品紫外线的冲击，所以我们用UVA做加速老化的试验。

　　我们又研发了第二代前缘防护涂料，第一代在国内没有推，我们在温湿度这块儿的可操作空间比较小，国内的工厂可能从条件来看，不像国外工厂那样控制得非常好，我们第一代油漆已经在国外用了一年多，为了国内客户，我们把固化时间缩短，同时他的温度和湿度在拉长，我们在原来配方的基础上添加了有专利的添加剂，保证在85湿度下固化性能能够达到跟第一代一样的效果。3M的添加剂添加了之后，使涂料表面有一层膜，可以防止水气的吸收，水气的吸收会造成涂料里面的空隙，最终的效果会大大降低你的防护效果，所以我们新的产品在85%的湿度下，保留了原来很好的雨蚀效果。膜厚是350微米。这个是我们新一代涂料最新的测试，85%的湿度，18个小时没有任何变化，测试的参数跟前面说的一样。