风电叶片的表面防护系统

　　UV测试可以采用不同的波长来进行。UV辐射占据了地表辐射的绝大部分，因此UV测试被广泛使用。
　　采用疝气灯，可以得到一个类似太阳光的波长分布。疝气灯光线波长可以覆盖UV、可见光和红外光的范围。由于可见光和红外光不会对聚合物分子的共价键造成较大的伤害，因此疝气光源所导致的退化强度比UVA低。
　　1.4.2臭氧
　　采用臭氧柜可以测试臭氧、湿气和高温对聚合物的影响。尤其是双键和橡胶对臭氧所引起的退化较为敏感。通常采用50ppm(重量比单位)浓度的臭氧进行72h的退化测试。同时，该测试也会对聚合物产生力学性能的影响；对于叶片表面防护体系采用臭氧测试的不多见，但常采用这种方法进行粘接胶的加速测试。
　　1.4.3 混合测试
　　为了考察多个环境因素的综合影响，通常采用UVA测试与氧化测试、湿度测试、升温测试、盐雾测试或冰霜等测试进行混合进行的方式。可以采用试件固定不动而被测因素循环通过的方式，也可以用被测因素不动，试件通过一个预设轨道在各环境因素中往复运动的方式。被测因素的顺序和影响强度可以根据即将应用的自然环境进行模拟设置。混合测试通常可以获得一个较好的结果。
　　2 实际叶片表面防护层的加速测试
　　考虑到时间和可实施性，人们总是希望找到一种加速测试的方法，既可以与实际表面涂层的变化对照，又可以尽可能准确的预测表面防护体系的寿命。
　　2.1 标准
　　目前还没有现成可用于风电叶片表面涂层测试的系统化标准，只能参考直升机叶片表面涂层测试的标准。但是有一点区别需要注意，直升机表面涂层所需要的寿命比风电叶片涂层的要短很多。
　　在设定测试参数的时候，可以参考海上结构及涂层所用的测试标准。
　　其他的一些标准也可以参考，如挪威石油工业协会制定的Norsok 标准M501中的“表面处理和涂层保护”；欧洲标准ISO20340中的海上和相关结构的防护体系对涂层和面漆性能的要求；ISO4628中“对涂层和面漆退化的评估”和”有关缺陷尺寸和数量的规定和表面变化程度的界定”，尤其是第4628-2，-4，-5对风机叶片有较好的适用性。
　　在制定叶片防护系统标准时，海上钢结构涂层防护的相关标准比直升机叶片的相关标准具有更强的参考性。这是因为风机安装与海上石油平台具有较多的相似性。石油平台的海上建筑结构根据暴露于环境中的程度不同，分为4个类别（ISO 20340）。其中一个类别是暴露于大气中的部分（C5-M），其他三个类别根据Im2进行划分，分别是水下区、潮汐区和溅浪区。
　　所有4个类别都与风机塔架相似，但只有C5-M与风机叶片类似。尽管标准是钢结构的，但是很多参数也同样可以应用在复合材料的表面防护系统上。C5-M和Im2都采用标准试件所损失的材料厚度或质量来定义腐蚀，同时也给出了典型的大气环境的描述。
　　2.2 测试选择方法
　　Norsok测试是将试件置于不同大气环境因素的循环体中。测试环境是对不同大气环境的模拟，从盐雾柜开始，然后是UVA柜或疝气柜。UVA柜或疝气柜的温度可以提升，以加快退化的速度。
　　该项测试通常在升温的情况下测试32周，然后根据标准ISO4628,2,4,5对试件的气泡、开裂、脱落进行测试，然后根据ISO12944-2对保护层与玻璃钢结构层的粘接性能进行测试。这个测试很耗时，但是结果与海上环境下的叶片防护层退化具有较好的可比性。
　　2.2.1 耐磨性测试
　　Norsok测试不要求对防护系统的耐磨蚀性能进行测试，也没有一个ISO标准有这方面的要求可以参考。
　　风机叶片表面的耐磨蚀性测试非常重要，尤其是叶尖和靠近叶尖的1/3长度部分，其表面被磨蚀的风险很高，在极端天气情况下，空气中的颗粒物会以300km/h的速度冲向叶片表面。
　　冰雹和雨蚀也没有包含在Norsol测试中，但都需要测试。将水流测试和磨蚀测试混合进行，就可以预测防护体系由于雨蚀导致的退化。冰雹对防护系统导致侵蚀，可以用冰块代替沙子或金刚砂的方式进行测试，因为冰块的尖角会磨蚀防护系统表面。通常，柔性防护体系对磨蚀的抵抗性较好。
　　2.2.2 湿气环境测试
　　Norsok测试和其他的一些测试都考虑了湿气的影响。一旦试件吸入足够多的水气，结冰和融化交替进行，通过这种方式模拟实际的低温环境。测试完成后，需要确认试件产生气泡的情况。当水结冰或融化交替进行时，其体积随之改变，体积变化就会导致气泡现象的产生。
　　2.2.3 化学腐蚀
　　风机叶片可能会暴露于不同的化学物质中，其表面可能被灰尘污染、被鸟粪、昆虫尸体、油污、盐雾沉淀物或酸雨等污染。没有一种混合测试能够模拟这些条件。实际进行的测试是这样的：测试化学物包括炭黑（模拟盐雾沉淀）、稀释的硫酸（模拟酸雨），油（模拟灰尘或其他动物油脂），人造海水。任何其中一种化学物质都不能对叶片的表面防护系统带来致命的损伤，但混合在一起却可以产生致命的影响。
　　2.2.4 测试结果
　　由于测试不像力学性能测试，就无法给出直接的数据结果，但是还是需要根据ISO4628进行判定。气泡、开裂和剥落在测试之后均有可能出现，这些现象就可以用于对涂层或胶衣性能的判定。此外，与结构层的粘合力也需要进行测试，为了进行此测试，需对测试试件做特殊的准备，如设计考虑剥离和拉伸测试所需的夹具，或需要在试件的涂层或胶衣上引入一个缺口（为剥离测试做准备）。
　　3 总结，未来的挑战与发展趋势
　　3.1 不同防护策略的优势与局限
　　各种不同的防护材料都有其特有的优势，但是他们又都受到一定的限制，在优势与限制中，我们需要寻找一个平衡，包括选择柔性防护还是刚性防护，选择胶衣还是涂层。
　　刚性涂层可以通过采用由硬度较高的环氧或不饱和聚酯来获取，对于热固性材料，其硬度较高，这种防护体系需要具有高水平的横向链接，因为横向链接会导致低柔性，和更大的收缩性。而对于柔性体系，可以通过采用较柔的聚氨酯胶衣或涂层来实现，或者在前缘或1/3长度的叶尖区域贴聚氨酯带（保护膜）来实现更好的保护。
　　不同材料可以使叶片减少某个方面因素导致的损伤。为了减少表面防护层吸水量，涂层就应该采用环氧而非聚酯。为了获得较低的水解率，需要选用乙烯基酯而非不饱和聚酯。
　　如果采用异丁烯酸甲酯的横向链接聚合物，其UV防护性能会提高。
　　此外，如果防护体系表面张力低，就有利于除冰，但是这样的体系抵御磨蚀和雨蚀的能力就很差。
　　在权衡不同材料体系的优势和局限时，也需要考虑这种材料体系与结构铺层之间的粘合力，因为粘合力不足会导致材料剥落，从而无法保护结构铺层。
　　3.2 未来挑战和发展趋势
　　叶片长度会越来越长，在极端恶劣环境装机也成为趋势，如海上、沙漠、低温环境或山顶。这些区域风资源条件好，风机性能较高，受噪声限制少。然而，磨蚀和化学腐蚀的问题更为严重。同时，由于难以抵达，人们对运维性的要求也越来越高。表面防护体系的耐久性和强度就变得十分重要。
　　3.2.1 新材料
　　为了迎接这些挑战，需要开发一些新的材料。新的涂层材料可以提供更好的表面防护性能，从而可以抵御更恶劣的环境条件。比如，一种基于酰亚胺的产品和包含氟碳化合物的表面防护材料可以更好防冰。
　　3.2.2 环境保护
　　未来，海上和陆上环境保护的法律条款或将更为严格。风电场对环境影响所面临的问题正越来越多，不少居民在反对自己住所附近有风电场。这就导致了叶片表面防护的新需求，如对折光率、航空防护及避雷系统等方面都将出现新的需求。其中一些问题已经得到了解决。目前人们已经引入航空标识、表面折光率低的油漆等解决措施。由于很多因素与叶片气动噪声问题相关，因此对该问题的解决将会在较长一段时间内成为难题。人们目前正在探索鲨鱼鳍等降噪措施，但有效的商业化应用还尚需时日。
　　3.2.3 叶片表面防护的制造环境
　　在给叶片表面进行表面防护的过程中，尽管人们已经采用防护服、手套、口罩等防护用品，但这些措施只能降低来自表面防护材料有害物质对制造工人的伤害，并不能杜绝；同时对空气污染也是难以杜绝的。
　　3.2.4 测试方法
　　目前人们已经建立了一些测试方法和模型，如避雷系统或气动噪声；但叶片表面防护体系或结冰问题还未见相关模型的建立。值得一提的是，随着塔架高度的提升，叶片运行环境深入云层，云层导致的叶尖结冰问题正使得叶片结冰问题超越了低温环境的范围而逐渐被广泛关注。