風(fēng)力發(fā)電行業(yè)正致力于利用復(fù)合材料的最新技術(shù)開發(fā)更長的葉片，在不增加重量和犧牲強(qiáng)度的前提下，提高發(fā)電效率，這在設(shè)計(jì)和制造方面向葉片制造商提出了挑戰(zhàn)。

新的泡沫夾芯材料和環(huán)氧樹脂的改進(jìn)不僅可以幫助葉片制造商生產(chǎn)出更大的葉片，同時(shí)機(jī)械性能還需要滿足要求，還可以提高生產(chǎn)效率。陶氏化學(xué)下屬公司Dow Formulated Systems最近推出了COMPAXXTM700泡沫芯材，同時(shí)宣稱對其AIRSTONETM環(huán)氧樹脂體系做了較大的改進(jìn)。這些新的產(chǎn)品及技術(shù)改進(jìn)可以幫助葉片生產(chǎn)商應(yīng)對市場在降低葉片重量及提升葉片強(qiáng)度方面不斷增長的需求。

追求更高效率

風(fēng)力發(fā)電行業(yè)已經(jīng)度過了最初的示范期，進(jìn)入了與其他發(fā)電方式進(jìn)行成本競爭的階段。風(fēng)力發(fā)電工作原理表明，風(fēng)機(jī)發(fā)電的功率和風(fēng)輪半徑的平方成正比。鑒于此，風(fēng)輪直徑一直在不斷增加，目前已經(jīng)超過410ft（125m）。

如今，在世界各地新安裝的風(fēng)電設(shè)備多采用直徑較大的風(fēng)機(jī)葉片，這不僅可以在發(fā)電量上有所突破，還可以促進(jìn)用于大型葉片開發(fā)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、生產(chǎn)工藝等技術(shù)的進(jìn)步。

葉片長度

葉片加長會(huì)帶來新的挑戰(zhàn)：如何制造出強(qiáng)度高且重量輕的葉片。雖然發(fā)電量與風(fēng)輪的半徑成平方關(guān)系，但是葉片的重量與之成立方關(guān)系。雖然葉片重量主要由尺寸決定的，但是為了提高葉片強(qiáng)度而在結(jié)構(gòu)上所做的必要調(diào)整——以承受大型葉片運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所增加的載荷——也會(huì)進(jìn)一步增加葉片的重量。

如果在大型葉片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)不考慮減重問題，那么所帶來的原材料消耗和生產(chǎn)周期的增加將是難以接受的。而且重型葉片在安裝后也會(huì)給風(fēng)機(jī)軸承部件帶來巨大的負(fù)重壓力。更重要的是，增加的重量還會(huì)在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中提升設(shè)備的疲勞度，縮短葉片壽命。

降低葉片重量的方法之一是在復(fù)合材料鋪層中采用更多的碳纖維，但這樣會(huì)導(dǎo)致材料成本大幅增加。另一種更可行的方法就是改進(jìn)芯材性能、樹脂體系以及蒙皮和芯材的粘結(jié)效果。這樣可以降低葉片重量、延長葉片壽命，同時(shí)還可以縮短生產(chǎn)周期，降低成本。

新型夾芯材料

陶氏化學(xué)公司對COMPAXX 700-X泡沫芯材進(jìn)行了改進(jìn)。這種通過GL認(rèn)證的新材料在靜態(tài)力學(xué)性能方面達(dá)到甚至超過了同等密度的交聯(lián)聚氯乙烯（PVC）泡沫。

表1將COMPAXX 700-X的屬性與GL標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對比。

這種新型泡沫芯材在用其他行業(yè)方法進(jìn)行評估時(shí)也表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。比如在用于大型葉片評估的高周疲勞耐久性測試方面，即使經(jīng)過一千萬次動(dòng)態(tài)載荷循環(huán)后，采用COMPAXX 700-X材料的夾層結(jié)構(gòu)也不會(huì)發(fā)生斷裂或永久變形，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于PVC和PET芯材。

蒙皮和芯材粘結(jié)測試可以預(yù)測葉片結(jié)構(gòu)分層的可能性。測試結(jié)果顯示COMPAXX 700-X的蒙皮-芯材界面剝離強(qiáng)度比行業(yè)參考芯材PVC（60 kg/m3）的高3倍。COMPAXX 700-X有一定的粗糙度和表面凹槽，確保了這種材料的粘結(jié)性能。

芯材在葉片加工過程中會(huì)吸收樹脂，而降低樹脂的吸收率可以在不犧牲葉片強(qiáng)度的情況下減輕葉片的重量。

COMPAXX 700-X在加工時(shí)吸收的樹脂遠(yuǎn)少于其他芯材。一項(xiàng)由第三方進(jìn)行的針對2.5MW風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行的測試顯示，COMPAXX 700-X因吸收的樹脂量較少，整個(gè)葉片的總重量降低了276lb（125kg）。
       

低放熱峰溫度

除了泡沫芯材技術(shù)的提升，陶氏還對環(huán)氧樹脂體系進(jìn)行了較大的改進(jìn)，以滿足大型葉片制造的要求。AIRSTONE環(huán)氧樹脂體系就是為風(fēng)電市場專門開發(fā)的。

風(fēng)電行業(yè)需要專用的環(huán)氧樹脂技術(shù)，這有幾個(gè)原因。當(dāng)下大型葉片采用更多的夾芯結(jié)構(gòu)，這樣在樹脂固化時(shí)由于熱量聚集很容易發(fā)生損壞。固化溫度過高可以直接導(dǎo)致芯材損壞。隨著固化熱的傳遞，復(fù)合材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較高的應(yīng)力，導(dǎo)致變形、分層，從而降低葉片強(qiáng)度，使抗疲勞性能下降。