先进复合材料为风电大型化“减负”
□  中国化信储能材料信息研究中心  吴军
  　在风电领域，目前复合材料主要用于风机叶片、机舱罩、轮毂、塔架等部位。相对而言，机舱罩和整流罩的
技术门槛较低，生产开发难度较小；而发电机转子叶片则是风力发电机组的关键部件之一，约占总成本的15%～
20%，其设计、材料和工艺决定了风力发电装置的性能和功率。在风力发电机的历史中，叶片材料经历了木制叶
片、布蒙皮叶片、铝合金叶片等。随着联网型风力发电机的出现，风力发电进入高速发展时期，风力发电的单机
容量的要求越来越大，对风机叶片的要求也越来越高——要满足在安全、可靠和长寿命的前提下质量要轻、成本
要低、功率要高的要求。传统材料的叶片在日益大型化的风力发电机上使用时某些性能已达不到要求，具有高比
强度的复合材料叶片成为大型风电发展不可或缺的关键材料。
    复合材料叶片的主要原材料包括树脂基体、增强材料、胶粘剂、表面材料、芯材等。

    碳纤维增强材料提升叶片性能
  　目前商品化的大型风机叶片大多采用玻璃纤维增强材料制造，主要是玻璃纤维增强聚脂树脂或玻璃纤维增强
环氧树脂，进入国内的玻璃纤维企业有欧文斯康宁、PPG、圣戈班、JM、奥斯龙、ATM、赫氏公司等。但是，玻纤
密度较大，随着风机叶片长度的增加，叶片的质量也越来越重，完全依靠玻璃纤维增强材料作为叶片的材料已逐
渐不能满足叶片发展的需要。
  　有效的解决办法是采用碳纤维增强。碳纤维增强材料的拉伸性模量是玻纤增强材料的2～3倍。大型叶片采
用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。由于目前碳纤维价格较高，出于使用成本的考虑，对大型叶片的设
计采用了玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构，并在主承力部位采用碳纤维复合材料，使得轻质高强的碳纤维在
风力发电上得以应用。目前碳纤维作为增强材料在叶片中主要应用在承力主梁、叶片根部等部位。
  　碳纤维作为增强材料应用于大型风电机组叶片后，不仅减轻了重量，同时叶片和配套机组的主要性能参数如：
叶片的刚度和使用寿命、输出功率的稳定性、机组运行寿命等均得以大幅提升，此外也降低了风力机组的制造、
运输及安装成本。
  　近来海上风电场日渐兴起，由于海上的作业环境十分复杂，设备运输及吊装的成本要比陆地上高出许多。据
不完全统计，海上风电设备的吊装成本一般为陆地风场的2.17倍，若采用轻巧的碳纤维叶片配上大功率且轻巧
的整机，其吊装成本会下降到陆地风场的1.7倍左右，这将大大降低海上风电场的投资成本，提高发电效益。
  　因此，尽管碳纤维当前仍然是一种较为昂贵的纤维材料，但是其在大型风力机组叶片中的不断推广应用已成
为了一种不可改变的趋势。目前，全球各大叶片制造商正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面进行深入研
究，以求降低成本，使碳纤维能在风力发电上得到更多的应用。

    乙烯基树脂基体性价比高
　  树脂基体的选择也很重要。聚酯树脂价格低廉，成型工艺性好，但性能一般；环氧树脂则刚好相反，性能较
优但价格较高且工艺操作性不好，所以目前成本和性能等介于二者之间的乙烯基树脂被一些叶片制造商大量采
用。
  　由于叶片成本占整个发电装置成本的比重较大，因此需选择性价比高的材料，用乙烯基树脂替代环氧树脂最
突出的优势是可降低叶片成本。此外，乙烯基树脂替代环氧树脂的工艺性好，它可以在不改变原环氧树脂成型结
构设计的基础上，直接替换环氧树脂。由于乙烯基树脂与另一叶片主要用材——不饱和树脂（UPR）类似，因此
可以借鉴UPR现有制备叶片的成熟工艺。乙烯基树脂还满足机械力学性能（如抗疲劳、刚度等各性能指标）的设
计要求。

    热塑性复合材料(CBT树脂系统)的“绿色叶片”
  　当前叶片多由热固性复合材料制成，如玻璃纤维增强环氧树脂、碳纤维增强环氧树脂等，这种材料制成的叶
片在其生产过程中会有大量含有苯环的有毒气体产生，导致环境的污染，而且废弃叶片的处理主要通过物理粉碎、
化学分解、生物降解等方法，却难以回收再利用。针对这一形势，一种由热塑性复合材料制成的“绿色叶片”成
为新的研究开发方向。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有可回收再利用、密度小、强度高、抗冲击性
能好等优点。