復(fù)合材料在風(fēng)機(jī)葉片中的應(yīng)用及能力認(rèn)可現(xiàn)狀

摘要本文簡述了風(fēng)機(jī)葉片用復(fù)合材料中不同纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)缺點(diǎn)，以及未來增強(qiáng)體和基體應(yīng)用的發(fā)展趨勢，同時總結(jié)了CNAS認(rèn)可的風(fēng)機(jī)葉片以及葉片中材料性能檢測的認(rèn)可現(xiàn)狀。認(rèn)為碳纖維和玻璃纖維的混雜纖維、高性能纖維等增強(qiáng)體，以及聚氨酯樹脂、熱塑性樹脂或可回收樹脂等基體是未來風(fēng)機(jī)葉片用復(fù)合材料的研究方向；同時通過總結(jié)分析風(fēng)機(jī)葉片檢測實(shí)驗(yàn)室在認(rèn)可過程中的常見問題，為后續(xù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可提供了關(guān)注點(diǎn)。風(fēng)能是可再生的清潔能源，風(fēng)力發(fā)電作為一種優(yōu)質(zhì)的發(fā)電方式，能夠有效改善電力行業(yè)對石油、煤炭等不可再生能源的依賴，對于生態(tài)環(huán)境保護(hù)和適應(yīng)時代發(fā)展具有重要的意義

。風(fēng)力發(fā)電非常環(huán)保，且風(fēng)能蘊(yùn)量巨大，因此日益受到世界各國的重視。根據(jù)國家能源局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截止到2023年7月底我國風(fēng)電裝機(jī)容量約3.9億kW，同比增長14.3%。隨著風(fēng)機(jī)單機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，風(fēng)機(jī)葉片的長度也要求不斷增加。風(fēng)力機(jī)葉片作為風(fēng)能發(fā)電機(jī)中的核心部件，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常運(yùn)行的重要因素。葉片在工作中要承受多種外部環(huán)境的影響，因此要求葉片材質(zhì)具有良好的強(qiáng)度、剛度和韌性以及抗風(fēng)沙、抗沖擊、耐腐蝕等性能。目前，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在風(fēng)力機(jī)葉片上得到了廣泛的應(yīng)用，其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐久性好，已成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的首選材料。

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玻璃鋼復(fù)合材料玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合材料，俗稱玻璃鋼，是一種以玻璃纖維或其制品為增強(qiáng)體，以熱固性樹脂為基體，并通過一定的成型工藝復(fù)合成的材料。玻璃鋼具有成本低、強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、易加工等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的制造。常見的玻璃纖維分為E型和S型，E型玻璃纖維也稱無堿玻璃纖維，是一種硼硅酸鹽玻璃，因其良好的電氣絕緣性和機(jī)械性能，被大量用于生產(chǎn)玻璃鋼。S型玻璃纖維是一種特制的抗拉強(qiáng)度極高的硅酸鋁-鎂玻璃纖維，它的模量比E型玻璃纖維材料高出了18%；它的纖維拉伸強(qiáng)度為4600MPa，比E型玻璃纖維的3450MPa增加了33%。S型的力學(xué)性能要普遍優(yōu)于E型，但是S型玻璃纖維價格較高，考慮到經(jīng)濟(jì)性，E型玻璃纖維的應(yīng)用相對廣泛一些

。玻璃鋼復(fù)合材料所用基體一般是熱固性樹脂類，包括不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂等。目前，應(yīng)用比較成熟的基體主要是不飽和聚酯樹脂和環(huán)氧樹脂，其中不飽和聚酯樹脂體系具有良好的成型工藝性能且價格比較低，其在小型葉片（比如長22m）的生產(chǎn)中具有絕對優(yōu)勢；但是存在固化時體積收縮率大、放熱劇烈，有一定的氣味和毒性，耐熱性差，綜合機(jī)械性能偏低等缺點(diǎn)。環(huán)氧樹脂體系具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐酸性、耐溶劑性以及突出的尺寸穩(wěn)定性，綜合性能較好，是目前大型風(fēng)電葉片的首選。大部分風(fēng)電葉片是采用環(huán)氧樹脂體系制造而成。乙烯基樹脂性能介于前兩者之間，其能滿足機(jī)械力學(xué)性能、抗疲勞性、剛性等各項(xiàng)性能指標(biāo)的設(shè)計要求，目前乙烯基樹脂在大型葉片中應(yīng)用較少，但隨著制造廠家對成本的要求，乙烯基樹脂可能會進(jìn)入兆瓦級葉片的選材

。近年來，隨著海上風(fēng)電及低風(fēng)速風(fēng)電的快速發(fā)展，葉片大型化成為風(fēng)電行業(yè)的共識，同等風(fēng)速情況下，葉片越長，掃風(fēng)面積越大，發(fā)電量也相應(yīng)增大。對于葉片尺寸大型化的要求，純玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料存在剛度不足、葉片質(zhì)量重的問題。而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為一種高剛輕質(zhì)的材料，其在風(fēng)機(jī)葉片上的廣泛應(yīng)用不僅能夠提高葉片的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，同時還可以降低重量。

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碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在滿足剛度和強(qiáng)度要求的條件下，比玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料輕30%左右。在基體樹脂方面，環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能相對較好，故碳纖維復(fù)合材料多以環(huán)氧樹脂為基體樹脂

。與玻璃纖維相比，碳纖維密度小，強(qiáng)度高，模量高出3～8倍，其在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用，能夠提高葉片剛度、降低重量；提高抗疲勞性能；使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡，風(fēng)能利用效率提高；可制造低風(fēng)速葉片和自適應(yīng)葉片等等。綜上，碳纖維將成為超大型葉片輕質(zhì)高強(qiáng)要求的理想選擇材料

。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能大大優(yōu)于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，但是其價格昂貴，是玻璃纖維的10倍；其不太高的性價比影響了它在風(fēng)力發(fā)電上的大范圍應(yīng)用。

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未來研究趨勢超大型機(jī)組及其輕量大葉片是未來發(fā)展的要求，而復(fù)合材料的性能是葉片“大型化、輕量化和高可靠性”的關(guān)鍵所在，增強(qiáng)材料和基體材料在葉片上發(fā)揮的作用也越來越大

。3.1增強(qiáng)材料1）碳纖維和玻璃纖維的混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：綜合了玻璃纖維易加工和碳纖維優(yōu)越的力學(xué)性能的雙重優(yōu)點(diǎn)，開始出現(xiàn)并逐漸應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中。2）高性能纖維：玄武巖纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等高性能纖維具有輕質(zhì)高強(qiáng)高模、耐疲勞、耐腐蝕以及耐環(huán)境老化等性能，所設(shè)計的芳綸纖維復(fù)合材料風(fēng)葉風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有重量輕、噪聲低、無振動、共振發(fā)生概率低的特點(diǎn)。其更適合智慧城市等城市環(huán)境。因此，將上述高性能纖維作為風(fēng)力機(jī)葉片的增強(qiáng)纖維具有重要的研究意義

。3.2基體材料1）聚氨酯樹脂：隨著風(fēng)電平價時代的來臨，聚氨酯樹脂成為市場重點(diǎn)關(guān)注的另一種可選基體材料。2018年成功安裝了首支聚氨酯風(fēng)力機(jī)葉片。與常見的環(huán)氧樹脂相比，新型聚氨酯樹脂的機(jī)械性能和抗疲勞性能更加優(yōu)異，固化速度快，加工性能好，并且其與玻璃纖維和碳纖維的結(jié)合力更好，對于提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本具有重要意義。付國良等通過研究發(fā)現(xiàn)，其所選的聚氨酯樹脂澆注體的強(qiáng)度指標(biāo)均優(yōu)于環(huán)氧樹脂澆注體；同時通過對其制作的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，聚氨酯FRP的拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度均達(dá)到1000MPa以上，具有優(yōu)異的機(jī)械性能；其制作的聚氨酯FRP，通過計算能夠滿足風(fēng)電葉片使用要求。隨著未來對風(fēng)力機(jī)葉片大型化、輕量化的要求，聚氨酯樹脂有望成為市場基體材料新選。2）熱塑性樹脂或可回收樹脂：目前，風(fēng)力機(jī)葉片多采用熱固性樹脂，熱固性樹脂是指加熱后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸固化成型，再受熱也不能軟化和溶解的樹脂，其性能穩(wěn)定，不易分解，故用其制作的風(fēng)電葉片在退役后很難回收再利用；而熱塑性樹脂，受熱軟化、冷卻硬化，無論加熱和冷卻多少次，均能保持這種性能。與熱固性復(fù)合材料相比，其具有可回收再利用、強(qiáng)度高、抗沖擊性好的優(yōu)點(diǎn)。常見的熱塑性樹脂有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚酰胺（PA）等。翟海峰等將碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料（熱塑性復(fù)合材料）與玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在綜合性能上，熱塑性復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片比熱固性復(fù)合材料葉片有較大的優(yōu)勢，為熱塑性復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片的性能分析提供了新的思路。

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相關(guān)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可能力概述為了驗(yàn)證上述復(fù)合材料的性能，檢測葉片中材料性能的實(shí)驗(yàn)室是必不可少的。目前國內(nèi)企業(yè)內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室和第三方獨(dú)立檢測實(shí)驗(yàn)室在該領(lǐng)域也開展了相應(yīng)的工作，并獲得了CNAS的認(rèn)可，經(jīng)過分析將主要認(rèn)可能力和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了匯總，見表1。表1主要總結(jié)了葉片中材料種類、使用范圍、檢測項(xiàng)目以及對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，為保證風(fēng)力機(jī)葉片的性能提供基礎(chǔ)支撐。目前通過認(rèn)可的風(fēng)力機(jī)葉片的檢測實(shí)驗(yàn)室共16家；其認(rèn)可的主要方法標(biāo)準(zhǔn)有GB/T25384—2018/IEC61400-23:2014《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片全尺寸結(jié)構(gòu)試驗(yàn)》、GB/T25383—2010《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片》、JB/T10399—2004《離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪葉片》、GB/T33629—2017/IEC61400-24:2010《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電防護(hù)》等，主要涉及的參數(shù)有靜力試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、模態(tài)測試、固有頻率試驗(yàn)、初步引線連接測試、掃掠通道雷擊試驗(yàn)、電弧擊入試驗(yàn)、非導(dǎo)電性表面試驗(yàn)、傳導(dǎo)電流試驗(yàn)、高電壓試驗(yàn)、大電流試驗(yàn)等等。與其他領(lǐng)域相比，針對風(fēng)力機(jī)葉片性能檢測的認(rèn)可實(shí)驗(yàn)室數(shù)量相對較少，可能與檢測風(fēng)機(jī)葉片所需的硬件設(shè)施要求較高、投入成本較大以及對人才要求高等原因有關(guān)。同時，通過總結(jié)分析風(fēng)力機(jī)葉片檢測實(shí)驗(yàn)室評審過程中的問題，發(fā)現(xiàn)不符合項(xiàng)主要體現(xiàn)在以下方面：1）人員方面：主要表現(xiàn)在人員資質(zhì)不符合CNAS-CL01-G001：2018《CNAS-CL01〈檢測和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則〉應(yīng)用要求》中6.2.2b）的要求，例如，某檢測人員，大專、非相關(guān)專業(yè)，相關(guān)檢測經(jīng)歷不足10年，而被授權(quán)為風(fēng)力發(fā)電組檢測崗位；另外還有對檢測人員的監(jiān)督和授權(quán)等不全面等問題。2）設(shè)備方面：主要表現(xiàn)在設(shè)備使用之前未進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)備校準(zhǔn)方案要求不全，修正因子在測試軟件中未進(jìn)行及時更新和應(yīng)用等。3）外部提供的產(chǎn)品與服務(wù)：未對組織實(shí)驗(yàn)室間比對的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行評價等。4）管理體系文件的控制：未對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、文件等進(jìn)行受控、記錄、發(fā)放等。以上問題均會對實(shí)驗(yàn)室管理體系運(yùn)行以及出具數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，是實(shí)驗(yàn)室需重點(diǎn)關(guān)注的方面。

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結(jié)論綜上所述，在風(fēng)力發(fā)電葉片大型化需求下，目前風(fēng)力發(fā)電葉片所用復(fù)合材料，其性能、價格、綠色化以及性能檢測方法、相關(guān)檢測實(shí)驗(yàn)室數(shù)量以及能力等方面均存在一定的不足。未來風(fēng)力發(fā)電行業(yè)需進(jìn)一步探索玻璃纖維、碳纖維材料與葉片制造的深度結(jié)合；對于如何在降低葉片重量、保持其剛度的同時保持較好的