大型风机叶片材料的应用和发展

　　风能是清洁无污染的可再生能源，但退役后的风机叶片却是环境的一大杀手。目前叶片使用的复合材料主要是热固性复合材料，不易降解，而且叶片的使用寿命一般为20~30年，其废弃物处理的成本比较高，一般采用填埋或者燃烧等方法处理，基本上不再重新利用。面对日益突出的复合材料废弃物对环境造成的危害，一些制造商也开始探讨叶片的回收和再利用技术。随着人类环保意识的与日俱增，研究开发“绿色叶片”成为摆在人们面前的一大课题。所谓的“绿色叶片”，就是在叶片退役后，其废弃材料可以回收再利用，因此热塑性复合材料成为首选材料。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有密度小、质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优点,但该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大,制造成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风力机叶片的关键问题。随着热塑性复合材料制造工艺技术研究工作的不断深入和相应的新型热塑性树脂的开发，制造热塑性复合材料叶片正在一步步地走向现实。
　　在“绿色叶片”研究的最初阶段，爱尔兰Gaoth公司负责12.6m长的热塑性复合材料叶片的制造，日本Mitsubishi公司负责在风力发电机上进行“绿色叶片的实验”，这项实验成功后，他们继续研究开发30m以上的热塑性复合材料标准叶片[6]。为降低热塑性复合材料的成本，爱尔兰Limerick大学和国立Galway大学开展了热塑性复合材料的先进成型工艺技术的基础研究。为了解决热塑性复合材料叶片的纤维浸润和大型热塑性复合材料结构件制造过程的树脂流动性问题，美国Cyclics公司为此开发出一种低粘度的热塑性工程塑料基体材料-CBT树脂，这种树脂粘度低、流动性好、易于浸润增强材料，可以更充分地发挥增强材料的性能和复合材料良好的韧性。与玻璃纤维／环氧树脂复合材料大型叶片相比较，如果采用热塑性复合材料叶片，每台大型风力发电机所用的叶片重量可降低10%左右，抗冲击性能大幅度提高，制造成本至少降低1/4，制造周期至少降低1/3，而且可以完全回收和再利用[6]。美国Cyclics公司利用CBT树脂体系制作了全球首个12.6m可循环风力机叶片，该叶片退役后,平均每台风力发电机组可回收的叶片材料达19t,此项开发更有利于环境保护,其前景也将非常乐观。
　　3 展望
　　叶片尺寸的不断增大，使得材料也在不断改进，未来叶片材料的发展，应该从以下几个方面着手：
　　(1)玻璃纤维中S-玻纤的弹性模量比E-玻纤高18%，强度高33%，在叶片应用上有很大空间，但由于其高昂的价格未能推广其在叶片上的应用，如果S-玻纤的生产成本能降下来，那么其在风能市场上份额将不容忽视。目前美国AGY公司已决定加强S-2玻纤的生产规划和研发投资；
　　(2)对碳纤维来说，价格同样是制约其大规模应用的关键因素。目前世界上宇航级小丝束碳纤维的生产主要被日本的东丽、东邦和三菱公司所垄断，但为了争夺碳纤维市场份额，很多单位以低于成本价倾销碳纤维，大丝束碳纤维和小丝束碳纤维互相争夺市场，这在一定程度上加快了制备碳纤维新技术的研究。为了降低碳纤维价格，研制低成本碳纤维，美国已建成了采用微波碳化的试验线，使制备碳纤维的成本降低约20%；
　　(3)加快发展热塑性叶片，降低热塑性复合材料的生产工艺成本，是当前叶片材料应用研究的一个热点。由于某些性能方面的不足，如耐热性和刚性较差，易于发生蠕变，且用胶粘剂胶接热塑性树脂基复合材料壳体较困难，GEC公司认为它不适用于大型风机叶片的开发，但其可回收利用、利于环保的优点足以让更多的开发商热衷于对热塑性复合材料叶片进行开发研究；