复合材料在风机叶片中的应用及能力认可现状

摘要本文简述了风机叶片用复合材料中不同纤维增强复合材料的优缺点，以及未来增强体和基体应用的发展趋势，同时总结了CNAS认可的风机叶片以及叶片中材料性能检测的认可现状。认为碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维、高性能纤维等增强体，以及聚氨酯树脂、热塑性树脂或可回收树脂等基体是未来风机叶片用复合材料的研究方向；同时通过总结分析风机叶片检测实验室在认可过程中的常见问题，为后续相关实验室认可提供了关注点。风能是可再生的清洁能源，风力发电作为一种优质的发电方式，能够有效改善电力行业对石油、煤炭等不可再生能源的依赖，对于生态环境保护和适应时代发展具有重要的意义

。风力发电非常环保，且风能蕴量巨大，因此日益受到世界各国的重视。根据国家能源局的统计数据显示，截止到2023年7月底我国风电装机容量约3.9亿kW，同比增长14.3%。随着风机单机容量的不断扩大，风机叶片的长度也要求不断增加。风力机叶片作为风能发电机中的核心部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常运行的重要因素。叶片在工作中要承受多种外部环境的影响，因此要求叶片材质具有良好的强度、刚度和韧性以及抗风沙、抗冲击、耐腐蚀等性能。目前，纤维增强复合材料在风力机叶片上得到了广泛的应用，其质量轻、强度高、耐久性好，已成为大型风力发电机叶片的首选材料。

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玻璃钢复合材料玻璃纤维增强热固性树脂复合材料，俗称玻璃钢，是一种以玻璃纤维或其制品为增强体，以热固性树脂为基体，并通过一定的成型工艺复合成的材料。玻璃钢具有成本低、强度高、重量轻、耐腐蚀、易加工等特点，被广泛应用于风力发电机叶片的制造。常见的玻璃纤维分为E型和S型，E型玻璃纤维也称无碱玻璃纤维，是一种硼硅酸盐玻璃，因其良好的电气绝缘性和机械性能，被大量用于生产玻璃钢。S型玻璃纤维是一种特制的抗拉强度极高的硅酸铝-镁玻璃纤维，它的模量比E型玻璃纤维材料高出了18%；它的纤维拉伸强度为4600MPa，比E型玻璃纤维的3450MPa增加了33%。S型的力学性能要普遍优于E型，但是S型玻璃纤维价格较高，考虑到经济性，E型玻璃纤维的应用相对广泛一些

。玻璃钢复合材料所用基体一般是热固性树脂类，包括不饱和聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基树脂等。目前，应用比较成熟的基体主要是不饱和聚酯树脂和环氧树脂，其中不饱和聚酯树脂体系具有良好的成型工艺性能且价格比较低，其在小型叶片（比如长22m）的生产中具有绝对优势；但是存在固化时体积收缩率大、放热剧烈，有一定的气味和毒性，耐热性差，综合机械性能偏低等缺点。环氧树脂体系具有优良的力学性能和耐酸性、耐溶剂性以及突出的尺寸稳定性，综合性能较好，是目前大型风电叶片的首选。大部分风电叶片是采用环氧树脂体系制造而成。乙烯基树脂性能介于前两者之间，其能满足机械力学性能、抗疲劳性、刚性等各项性能指标的设计要求，目前乙烯基树脂在大型叶片中应用较少，但随着制造厂家对成本的要求，乙烯基树脂可能会进入兆瓦级叶片的选材

。近年来，随着海上风电及低风速风电的快速发展，叶片大型化成为风电行业的共识，同等风速情况下，叶片越长，扫风面积越大，发电量也相应增大。对于叶片尺寸大型化的要求，纯玻璃纤维增强复合材料存在刚度不足、叶片质量重的问题。而碳纤维增强复合材料作为一种高刚轻质的材料，其在风机叶片上的广泛应用不仅能够提高叶片的结构刚度和强度，同时还可以降低重量。

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碳纤维增强复合材料碳纤维增强复合材料在满足刚度和强度要求的条件下，比玻璃纤维增强复合材料轻30%左右。在基体树脂方面，环氧树脂的力学性能相对较好，故碳纤维复合材料多以环氧树脂为基体树脂

。与玻璃纤维相比，碳纤维密度小，强度高，模量高出3～8倍，其在风力发电机叶片中的应用，能够提高叶片刚度、降低重量；提高抗疲劳性能；使风机的输出功率更平滑更均衡，风能利用效率提高；可制造低风速叶片和自适应叶片等等。综上，碳纤维将成为超大型叶片轻质高强要求的理想选择材料

。碳纤维增强复合材料的性能大大优于玻璃纤维增强复合材料，但是其价格昂贵，是玻璃纤维的10倍；其不太高的性价比影响了它在风力发电上的大范围应用。

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未来研究趋势超大型机组及其轻量大叶片是未来发展的要求，而复合材料的性能是叶片“大型化、轻量化和高可靠性”的关键所在，增强材料和基体材料在叶片上发挥的作用也越来越大

。3.1增强材料1）碳纤维和玻璃纤维的混杂纤维增强复合材料：综合了玻璃纤维易加工和碳纤维优越的力学性能的双重优点，开始出现并逐渐应用在风力发电设备中。2）高性能纤维：玄武岩纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维具有轻质高强高模、耐疲劳、耐腐蚀以及耐环境老化等性能，所设计的芳纶纤维复合材料风叶风力发电机具有重量轻、噪声低、无振动、共振发生概率低的特点。其更适合智慧城市等城市环境。因此，将上述高性能纤维作为风力机叶片的增强纤维具有重要的研究意义

。3.2基体材料1）聚氨酯树脂：随着风电平价时代的来临，聚氨酯树脂成为市场重点关注的另一种可选基体材料。2018年成功安装了首支聚氨酯风力机叶片。与常见的环氧树脂相比，新型聚氨酯树脂的机械性能和抗疲劳性能更加优异，固化速度快，加工性能好，并且其与玻璃纤维和碳纤维的结合力更好，对于提高生产效率和降低生产成本具有重要意义。付国良等通过研究发现，其所选的聚氨酯树脂浇注体的强度指标均优于环氧树脂浇注体；同时通过对其制作的玻璃纤维增强复合材料（FRP）进行静态力学测试发现，聚氨酯FRP的拉伸强度和压缩强度均达到1000MPa以上，具有优异的机械性能；其制作的聚氨酯FRP，通过计算能够满足风电叶片使用要求。随着未来对风力机叶片大型化、轻量化的要求，聚氨酯树脂有望成为市场基体材料新选。2）热塑性树脂或可回收树脂：目前，风力机叶片多采用热固性树脂，热固性树脂是指加热后产生化学反应，逐渐固化成型，再受热也不能软化和溶解的树脂，其性能稳定，不易分解，故用其制作的风电叶片在退役后很难回收再利用；而热塑性树脂，受热软化、冷却硬化，无论加热和冷却多少次，均能保持这种性能。与热固性复合材料相比，其具有可回收再利用、强度高、抗冲击性好的优点。常见的热塑性树脂有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚酰胺（PA）等。翟海峰等将碳纤维增强聚醚醚酮复合材料（热塑性复合材料）与玻璃纤维增强复合材料的性能进行了分析，结果表明，在综合性能上，热塑性复合材料风力机叶片比热固性复合材料叶片有较大的优势，为热塑性复合材料风力机叶片的性能分析提供了新的思路。

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相关实验室认可能力概述为了验证上述复合材料的性能，检测叶片中材料性能的实验室是必不可少的。目前国内企业内部实验室和第三方独立检测实验室在该领域也开展了相应的工作，并获得了CNAS的认可，经过分析将主要认可能力和标准进行了汇总，见表1。表1主要总结了叶片中材料种类、使用范围、检测项目以及对应的标准，为保证风力机叶片的性能提供基础支撑。目前通过认可的风力机叶片的检测实验室共16家；其认可的主要方法标准有GB/T25384—2018/IEC61400-23:2014《风力发电机组风轮叶片全尺寸结构试验》、GB/T25383—2010《风力发电机组风轮叶片》、JB/T10399—2004《离网型风力发电机组风轮叶片》、GB/T33629—2017/IEC61400-24:2010《风力发电机组雷电防护》等，主要涉及的参数有静力试验、疲劳试验、模态测试、固有频率试验、初步引线连接测试、扫掠通道雷击试验、电弧击入试验、非导电性表面试验、传导电流试验、高电压试验、大电流试验等等。与其他领域相比，针对风力机叶片性能检测的认可实验室数量相对较少，可能与检测风机叶片所需的硬件设施要求较高、投入成本较大以及对人才要求高等原因有关。同时，通过总结分析风力机叶片检测实验室评审过程中的问题，发现不符合项主要体现在以下方面：1）人员方面：主要表现在人员资质不符合CNAS-CL01-G001：2018《CNAS-CL01〈检测和校准实验室能力认可准则〉应用要求》中6.2.2b）的要求，例如，某检测人员，大专、非相关专业，相关检测经历不足10年，而被授权为风力发电组检测岗位；另外还有对检测人员的监督和授权等不全面等问题。2）设备方面：主要表现在设备使用之前未进行验证，设备校准方案要求不全，修正因子在测试软件中未进行及时更新和应用等。3）外部提供的产品与服务：未对组织实验室间比对的实验室进行评价等。4）管理体系文件的控制：未对相关标准、文件等进行受控、记录、发放等。以上问题均会对实验室管理体系运行以及出具数据的准确性产生影响，是实验室需重点关注的方面。

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结论综上所述，在风力发电叶片大型化需求下，目前风力发电叶片所用复合材料，其性能、价格、绿色化以及性能检测方法、相关检测实验室数量以及能力等方面均存在一定的不足。未来风力发电行业需进一步探索玻璃纤维、碳纤维材料与叶片制造的深度结合；对于如何在降低叶片重量、保持其刚度的同时保持较好的