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隨著風(fēng)電行業(yè)進入平價時代，度電成本降低的最有效手段就是不斷擴大風(fēng)電機組的單機容量，由此也帶來風(fēng)電葉片長度的不斷增加。因此，平價時代機組大型化是風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢，開發(fā)“大型化、輕量化和低成本”葉片是推動機組度電成本降低的最有效手段。

復(fù)合材料由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和可設(shè)計性被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和風(fēng)電葉片，為實現(xiàn)功率更大、長度更長、重量更輕和成本更低，復(fù)合材料成為風(fēng)電葉片唯一可選材料。作為決定葉片結(jié)構(gòu)和成本的增強纖維、夾芯材料、基體樹脂和結(jié)構(gòu)膠，其應(yīng)用和發(fā)展趨勢對葉片行業(yè)未來的發(fā)展至關(guān)重要，特別是高性價比材料的技術(shù)進步?jīng)Q定了大葉片未來的發(fā)展方向。目前也有不少研究機構(gòu)對復(fù)合材料的性能及其回收再利用進行了諸多研討，對其成型工藝做了許多研究，但仍缺少有關(guān)材料開發(fā)與成型工藝創(chuàng)新結(jié)合應(yīng)用方面的研究。

本文詳細分析了增強纖維、夾芯材料和基體樹脂在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用現(xiàn)狀與存在的問題，指出增強纖維與預(yù)浸料和拉擠工藝相結(jié)合、高性能環(huán)保芯材替代輕木和開發(fā)可回收樹脂是未來輕量化大葉片發(fā)展的主要方向。

1. 風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢

近年來全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，根據(jù)全球風(fēng)能理事會 (GWEC) 統(tǒng)計 (圖 1)，2020 年受中國風(fēng)電搶裝潮的影響，全球新增裝機取得歷史性突破，新增裝機量高達 95.3 GW；2021 年雖然受到全球疫情影響，但新增裝機量仍達到 93.6 GW，為歷史第二高。中國風(fēng)電憑借國內(nèi)巨大市場優(yōu)勢和內(nèi)外“雙循環(huán)”保持全球領(lǐng)先地位，為中國乃至全球的新能源應(yīng)用做出了巨大貢獻。

根據(jù)全球風(fēng)能理事會發(fā)布的《2022 年全球風(fēng)電報告》[1]，預(yù)計未來 5 年全球風(fēng)電市場將保持年均6.6% 的增速 (圖 2)。中國能源局基于“雙碳”戰(zhàn)略制定的十四五規(guī)劃，風(fēng)能將成為未來能源的主要形式，并將是中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的主力軍。如圖 3所示，根據(jù)伍德麥肯茲預(yù)測，未來 10 年內(nèi)全球風(fēng)電復(fù)合增長率為 4.3%，中國風(fēng)電新增裝機量將占全球45%，中國風(fēng)電將繼續(xù)引領(lǐng)全球風(fēng)電的增長。

隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展和風(fēng)電技術(shù)進步，基于風(fēng)資源使用效率持續(xù)提升和度電成本不斷降低的要求，風(fēng)電機組大型化已成為行業(yè)發(fā)展必然趨勢，如圖 4 所示。目前，陸上風(fēng)電機組主流機型集中在 4.0~5.0 MW 的機組，6.0 MW 以上的機型是未來幾年陸上的主打產(chǎn)品，而海上當(dāng)前的成熟機型為6.0 MW 左右，10 MW 及以上的機組及其關(guān)鍵部件處于研發(fā)階段。

葉片作為風(fēng)電機組的核心部件，是風(fēng)能轉(zhuǎn)化的動力源泉，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機組正常穩(wěn)定運行的決定因素，是推動機組大型化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前最新研發(fā)的更長更輕的陸上主流葉片長度都在 90 m 以上，海上主流葉片長度都在 100 m 以上，超大型機組及其輕量大葉片的進一步發(fā)展，使高性價比復(fù)合材料成為突破葉片“大型化、輕量化和高可靠性”的核心所在，增強纖維、夾芯材料和基體樹脂等在葉片上發(fā)揮的作用也越來越大。

2. 葉片材料的應(yīng)用與發(fā)展

復(fù)合材料可滿足葉片變截面、曲率大和結(jié)構(gòu)鋪層漸變等特征要求，纖維增強復(fù)合材料已成為大葉片的唯一可選材料，這也使風(fēng)電葉片成為世界上最大的復(fù)合材料單體部件。一般來說，材料選擇在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計定型時完成，但最新的葉片設(shè)計理念就是將材料前置，與氣動、結(jié)構(gòu)形成多目標(biāo)一體化迭代，不斷尋優(yōu)葉片和主機匹配的最佳發(fā)電量、載荷與成本，目前陸上 8.0 MW 以下葉片設(shè)計都是玻璃纖維為主的材料體系，而海上12 MW 以上葉片則須考慮應(yīng)用碳纖維主梁進行設(shè)計。

風(fēng)電葉片的典型結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，其應(yīng)用的原材料主要由增強纖維、樹脂、芯材和結(jié)構(gòu)膠等組成，葉片的主要成本構(gòu)成如圖 6 所示。從圖 6和圖 7 中可以看出，原材料費用占葉片成本的75%，而在原材料成本中占比較大的主要是增強纖維、基體樹脂、夾芯材料和結(jié)構(gòu)膠，本文將對這 4 種主要材料的應(yīng)用和發(fā)展趨勢進行評述。

2. 1 增強纖維

復(fù)合材料的增強纖維類別有很多，早期葉片上試用過天然的竹纖維，但由于性能偏低和供應(yīng)不足問題不具備在大葉片批量應(yīng)用的條件；玄武巖纖維近幾年也是葉片應(yīng)用研討的熱點，但因其密度大、成本高和產(chǎn)能有限，也不具備規(guī)?；瘧?yīng)用的條件。因此，目前風(fēng)電葉片主要應(yīng)用的增強纖維還是玻璃纖維和碳纖維。

2.1.1 玻璃纖維

玻璃纖維是公認的優(yōu)質(zhì)風(fēng)電葉片原材料，根據(jù)中國玻璃纖維協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，風(fēng)電用玻璃纖維占玻璃纖維總產(chǎn)能的 20%~25% 左右。

葉片越長整體柔性變形就越大，控制葉尖撓度變形可以確保葉片與塔架之間具有足夠的安全距離，否則很容易發(fā)生掃塔事故。玻璃纖維的拉伸模量是影響葉片變形的關(guān)鍵因素之一，因此其模量的增加對葉片剛度的提升意義重大。近 10 年玻璃纖維企業(yè)持續(xù)不斷的進行技術(shù)創(chuàng)新，圖 8 為主要型號玻璃纖維的拉伸模量?？梢钥闯?，每一代玻璃纖維的模量都提升了 10% 左右，有力地促進了葉片大型化的發(fā)展，近年來葉片用玻璃纖維主要型號如表 1 所示。

玻璃纖維在葉片的蒙皮、腹板和主梁上都有廣泛的應(yīng)用，不同部件采用的纖維布類型因承載需要而各有差異。雖然玻璃纖維經(jīng)過近幾十年的發(fā)展進步斐然，但對于適應(yīng)更大更輕葉片需求，玻璃纖維性能提升的空間也越來越小，亟需新材料和新工藝等新技術(shù)來推動風(fēng)電葉片的發(fā)展。

2.1.2 碳纖維

與玻璃纖維相比，碳纖維的比模量和比強度均大幅增加，其模量比玻璃纖維高 3~8 倍、比重約小 30％。隨著葉片尺寸的增加，其重量也越來越大，全玻璃纖維葉片無法滿足機組大型化和輕量化的要求，碳纖維將成為實現(xiàn)超大型葉片輕質(zhì)高強要求的理想選擇材料。碳纖維主要有 3 K、12 K、24 K、48 K 等規(guī)格，其中 1~24 K(含) 為小絲束產(chǎn)品，主要在航空航天和軍品上應(yīng)用，而 24 K以上為大絲束產(chǎn)品，主要應(yīng)用于風(fēng)電葉片和民用產(chǎn)品。

全球碳纖維產(chǎn)能集中于日本和歐美等地區(qū)，小絲束產(chǎn)能主要集中在日本，而大絲束產(chǎn)能主要集中于歐美國家。國際上碳纖維產(chǎn)能排名前 6 的公司分別是東麗、卓爾泰克、三菱、SGL、帝人與赫氏，日本東麗收購卓泰克后總產(chǎn)能達到 4.95萬噸，是名副其實的全球龍頭企業(yè)。當(dāng)前風(fēng)電葉片應(yīng)用的 24~50 K 碳纖維規(guī)格型號如表 2 所示。

隨著海上風(fēng)電市場的不斷擴大，碳纖維的應(yīng)用勢在必行。對于海上大葉片來說，通常會在其承載的關(guān)鍵部位主梁上應(yīng)用碳纖維以提高葉片剛度和強度，以減少傳遞到主機和塔底的載荷，進而優(yōu)化整機系統(tǒng)造價來降低度電成本。應(yīng)用碳纖維主梁設(shè)計的葉片一般比全玻璃纖維葉片減重20%~30%，雖然碳纖維葉片成本上升，但其帶來的傳動鏈上相關(guān)部件及塔筒的優(yōu)化減重，使風(fēng)電機組的整體成本降低 10% 以上。目前國內(nèi)主流葉片廠開發(fā)長度 100 m 以上的葉片均考慮了碳纖維主梁的應(yīng)用，林剛[16] 在《2020 全球碳纖維復(fù)合材料市場報告》中對未來 5 年的風(fēng)電葉片碳纖維需求進行了預(yù)測，如圖 9 所示。

為了進一步推動國產(chǎn)碳纖維在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用，國內(nèi)主流的碳纖維供應(yīng)商在十四五期間開始提高碳纖維產(chǎn)能和批量化生產(chǎn)供應(yīng)，并通過提升技術(shù)、改進設(shè)備和減少能耗來降低成本。預(yù)計到 2030 年中國碳纖維產(chǎn)能為 30 萬噸，而風(fēng)電市場的需求預(yù)計在 19~20 萬噸。當(dāng)前葉片上應(yīng)用的碳纖維多選擇 48~50 K 的大絲束，但隨著葉片更長更輕的要求不斷提升，未來將會考慮性能更好的 24 K 及以下碳纖維應(yīng)用于 150 m 長的葉片上。因此，推動葉片大型化和國產(chǎn)化碳纖維的應(yīng)用需要風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈上下游共同努力，從選材、設(shè)計和驗證等方面提前布局，為碳纖維和風(fēng)電葉片行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

2. 2 夾芯材料

夾芯材料 (簡稱芯材) 是葉片的關(guān)鍵增強材料，通常應(yīng)用在葉片的蒙皮與腹板上，作為夾層結(jié)構(gòu)來提升結(jié)構(gòu)剛度，防止局部失穩(wěn)、提高整個葉片的抗載能力，葉片用芯材主要是 Balsawood(俗稱輕木或巴沙木) 和硬質(zhì)泡沫，硬質(zhì)泡沫主要有聚氯乙烯 (PVC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 和高性能聚氨酯 (HPE) 等發(fā)泡材料。

2.2.1 輕木

輕木屬木棉科熱帶速生樹種，全球 90% 以上的輕木都是來自于厄瓜多爾。輕木密度小且生長迅速，常規(guī)密度是 135~176 kg/m3，4~7 年即可采伐，是提高風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)剛度的理想夾芯材料，輕木加工應(yīng)用過程如圖 10 所示。

由于輕木主要靠進口，樹木的生產(chǎn)周期也限制了供應(yīng)，對成本造成了較大的波動，特別是輕木的密度不均勻且吸膠量高于其他芯材，也促使在新葉片設(shè)計過程中盡量減少輕木應(yīng)用，但輕木較高的壓縮性能是硬質(zhì)泡沫無法完全替代的，特別是在百米級的海上大葉片中輕木的用量還會增加。為了更好地控制重量和減少缺陷，對輕木未來的需求應(yīng)是分級應(yīng)用，選擇密度波動更小原木拼成套材，以確保葉片夾層結(jié)構(gòu)的性能更加穩(wěn)定。

2.2.2 泡沫芯材

PVC 因國外葉片技術(shù)轉(zhuǎn)讓從而進入國內(nèi)市場，一直是風(fēng)電葉片芯材的主流產(chǎn)品 (圖 11(a))，主要的國外供應(yīng)商分別是瑞典戴鉑 (DIAB)、瑞士思瑞安 (3 A) 和意大利 Maricell 等公司。十二五期間PVC 受進口影響供應(yīng)緊張，國產(chǎn)化 PVC 需求迅速增長。近幾年維賽成為國產(chǎn)化 PVC 的主要供應(yīng)商，思瑞安和戴鉑也在國內(nèi)實現(xiàn)進口技術(shù)本地化生產(chǎn)。由于 PVC 技術(shù)創(chuàng)新性不足，難以滿足更大葉片對夾芯材料性能提升的需求，因此在設(shè)計葉片時開始使用 PET 和 HPE 替代 PVC。

PET 泡沫是近幾年來替代 PVC 的主要芯材(圖 11(b))，其吸膠量高，力學(xué)性能優(yōu)于 PVC，因此除了在葉片局部可以替代 PVC 外，還能替代一部分輕木。隨著新型發(fā)泡技術(shù)的發(fā)展，部分企業(yè)研發(fā)出了控制發(fā)泡孔尺寸及泡孔破損比例的新型發(fā)泡技術(shù)，大幅降低了 PET 芯材的樹脂吸收率，降低了葉片的原材料成本和質(zhì)量。

HPE 具有優(yōu)越的耐高溫性、耐候性，是聯(lián)洋新材開發(fā)出來新興的替代 PVC 和輕木的芯材 (圖 11(c))，特別是其泡孔尺寸僅為 PVC 和 PET 的 20%(圖 12)，使 HPE 的吸膠量更低，可有效降低葉片的整體質(zhì)量，降低葉片綜合成本。

隨著風(fēng)電進入平價時代和葉片大型化，夾芯材料的應(yīng)用對葉片的性能提升和成本降低有著重要的作用。輕木受產(chǎn)地影響供應(yīng)不均衡且價格忽高忽低，PVC 雖然已實現(xiàn)國產(chǎn)化但成本仍比 PET高 20%~30%，因此使用低密度的 PET 與 HPE 替代PVC 和部分輕木已是大勢所趨，而高密度的 PET和 HPE 則有機會替代全部輕木，特別是聚氨酯在葉片上的應(yīng)用更是要考慮去掉輕木。以某 73 m 葉片生產(chǎn)為例，采用不同芯材進行蒙皮和腹板的灌注對比，HPE 替代 PET 后綜合重量下降 167 kg/支(下降 9%)，就對芯材與樹脂兩種材料的成本影響而言，綜合成本可節(jié)省 31%；HPE 替代 PVC 后綜合重量上升 77 kg/支 (上升 5%)，綜合成本可節(jié)省34%，如圖 13 和圖 14 所示。

雖然夾芯材料的應(yīng)用發(fā)展出現(xiàn)了重大變化趨勢，但目前葉片設(shè)計的基礎(chǔ)仍是以輕木和 PVC 為主，采用 PET 和 HPE 替代 PVC 和輕木，需要一系列的材料實驗和葉片全尺寸測試驗證，同時也要考慮葉片剛度和重量變化帶來的機組載荷變化風(fēng)險。特別要注意的是，高密度的 PET 和 HPE 應(yīng)用技術(shù)成熟度不足，且價格比輕木略高，替代輕木時除了要完成原材料驗證和認證外，還要考慮成本變化帶來的影響。

2. 3 基體樹脂

樹脂基體材料在復(fù)合材料中起著粘結(jié)、支持、保護增強材料和傳遞載荷的作用。風(fēng)電用樹脂主要是不飽和聚酯與環(huán)氧類的熱固性樹脂，目前只有艾爾姆 (LM) 公司和三菱公司采用不飽和聚酯樹脂批量生產(chǎn)兆瓦級以上的葉片，更大型號的葉片則多采用環(huán)氧樹脂，而國內(nèi)葉片公司基本上都是批量使用環(huán)氧樹脂。熱塑性樹脂作為風(fēng)電葉片可回收的基體材料，多年來一直是行業(yè)研究的熱點。

2.3.1 熱固性樹脂

風(fēng)電葉片主要使用環(huán)氧灌注和手糊樹脂。灌注樹脂應(yīng)用于葉片主要部件如腹板、主梁及殼體的真空灌注成型；手糊樹脂在葉片制造中主要應(yīng)用于葉片前后緣、腹板粘接區(qū)域補強及輔助件的粘接補強，主要成型工藝是手糊成型和手糊袋壓工藝?；谛袠I(yè)對葉片提質(zhì)增效的需求，不僅樹脂對纖維織物要有更好的浸潤性以提高灌注速度，也要根據(jù)升溫曲線來減少固化時間。2021 年，受上游原材料雙酚 A 和環(huán)氧氯丙烷漲價的影響，葉片降本面臨著巨大的壓力，聚氨酯和雙環(huán)戊二烯樹脂 (DCPD) 逐漸成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點。

聚氨酯具有黏度低、灌注和固化速度快等特點，灌注時間比環(huán)氧樹脂縮短一半，在 80℃ 的環(huán)境條件下固化時間小于 4 h，成本方面比環(huán)氧樹脂低 15%~20%，是近幾年葉片應(yīng)用關(guān)注度最高樹脂材料。由于聚氨酯對水分非常敏感，因此葉片設(shè)計時不能使用輕木，葉片生產(chǎn)過程中增強纖維和夾芯材料的烘干及灌注時對水的控制是聚氨酯批量應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵所在。

DCPD 樹脂密度是環(huán)氧樹脂的 90% 左右，成本比環(huán)氧樹脂低了約 30%，是葉片減重、降低成本和提高灌注效率的理想材料。由于 DCPD 存在黏度低灌注流速過快的問題，且缺乏成熟配套材料體系 (如纖維、油漆等)，因此需要進行配套材料體系開發(fā)、工藝實驗和結(jié)構(gòu)測試驗證，才能保證在風(fēng)電葉片上更好地推廣應(yīng)用。

2.3.2 熱塑性樹脂

隨著葉片裝機量的增大，越來越多的人開始研究廢舊葉片的回收問題，比如葉片經(jīng)粉碎后進入水泥窯里高溫灼燒后做骨料的技術(shù)，但是當(dāng)前的政策還不能支持規(guī)?；瘧?yīng)用，因此退役后的復(fù)合材料葉片回收再利用是行業(yè)內(nèi)面臨的一個重大難題。與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料具有可循環(huán)使用、廢料可回收、產(chǎn)品可熔融再加工、可焊接等優(yōu)點，也順應(yīng)綠色環(huán)保的發(fā)展要求，是未來風(fēng)電葉片應(yīng)用的重要方向。

法國阿科瑪 (Arkema) 公司一直致力于開發(fā) Elium系列熱塑性樹脂，Murray 等的研究表明，與環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料葉片相比，采用 Elium 熱塑性復(fù)合材料制作大葉片 (61.5 m)，其整體成本能夠降低 4.7%，具有一定的成本優(yōu)勢。因此風(fēng)電行業(yè)對熱塑性樹脂在葉片上的成型工藝研究與批量化應(yīng)用也充滿了期待，希望能借此解決風(fēng)電葉片材料的回收利用問題。

2. 4 結(jié)構(gòu)膠

結(jié)構(gòu)膠作為葉片主材之一，作用是將葉片蒙皮與腹板粘接在一起形成主承力結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)膠在粘接固化時與樹脂一樣屬于不可逆反應(yīng)，如果出現(xiàn)缺膠或膠層厚度偏差大等缺陷，其粘接可靠性會直接影響到葉片的運行穩(wěn)定性，因此結(jié)構(gòu)膠也成為整個材料體系中風(fēng)險最高的原材料之一。

結(jié)構(gòu)膠類型主要有環(huán)氧型、聚氨酯型、乙烯基型及丙烯酸酯型等，目前在葉片合模用的結(jié)構(gòu)膠主要是環(huán)氧型結(jié)構(gòu)膠，由國內(nèi)外有限的幾家供應(yīng)商提供。國外供應(yīng)商主要有瀚森 (Hexion) 和歐林 (OLIN)，其結(jié)構(gòu)膠具有韌性好和固化收縮率低等優(yōu)良性能，一度成為風(fēng)電行業(yè)早期快速發(fā)展的主力軍，但是過高的價格也與葉片的低成本化相矛盾。近幾年來，國內(nèi)康達、道生等供應(yīng)商不斷進行技術(shù)革新和生產(chǎn)優(yōu)化，憑借相對均衡的性能和低成本的優(yōu)勢而不斷擴大其市場份額。

風(fēng)電葉片上應(yīng)用結(jié)構(gòu)膠重點是考慮其粘接性能和粘接工藝，粘接性能主要體現(xiàn)在剪切強度與剝離強度上，粘接工藝主要考慮涂膠和固化的問題。通過對康達化工 WD3135/WD3137 結(jié)構(gòu)膠進行性能分析可知，結(jié)構(gòu)膠的拉剪強度隨著膠層厚度的增加而降低，剝離強度則隨著膠層厚度的增加先增后降，如圖 15 所示。

在葉片蒙皮粘接時，結(jié)構(gòu)膠從混膠到涂膠與合模還需要一定的時間，因此結(jié)構(gòu)膠的開放、施工和固化時間等工藝參數(shù)都會對合模粘接性能產(chǎn)生影響。如圖 16 和圖 17 所示，加熱固化 3 h 后玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg 達到 74℃，隨著固化時間的增加 Tg 穩(wěn)定在 75~79℃，而拉剪強度也隨著 Tg 的增加而趨于穩(wěn)定。由于葉片合模時大多采用自動上膠機進行涂膠，而結(jié)構(gòu)膠中含有用于提高強度及韌性的纖維填料，不僅增加結(jié)構(gòu)膠的密度且在涂膠中經(jīng)常會堵塞管路，同時葉片越大需要涂膠的面積越大，涂膠的時間也就越長，因此開發(fā)低密度、低成本、寬施工時間和高韌性快固化的結(jié)構(gòu)膠是推動風(fēng)電葉片提質(zhì)增效降本的新趨勢。

3 葉片新工藝發(fā)展

目前風(fēng)電葉片的蒙皮成型主要采用真空灌注工藝，在前后緣及葉根補強區(qū)則多采用手糊工藝。隨著葉片輕量化對材料性能提升的要求和綠色環(huán)保理念的不斷深入，預(yù)浸料和拉擠成型工藝在葉片上的新應(yīng)用越來越受到關(guān)注。

3. 1 預(yù)浸料工藝

預(yù)浸料 (Prepreg) 是將纖維束或纖維布經(jīng)過樹脂浸潤后形成的均勻預(yù)固化材料，可減輕對環(huán)境的污染，如圖 18 所示。

在葉片上使用預(yù)浸料主要是考慮實現(xiàn)蒙皮鋪層自動化或碳纖維主梁預(yù)制成型，蒙皮自動鋪帶鋪絲與結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)，可以借鑒飛機機翼的自動成型工藝來實施，但考慮其高昂的成本推廣意義不大；目前葉片成熟應(yīng)用預(yù)浸料工藝的是碳纖維主梁成型，相比碳纖維灌注成型，預(yù)浸料可以大幅度提升材料利用率和結(jié)構(gòu)性能，特別是影響主梁設(shè)計的碳纖維復(fù)合材料關(guān)鍵性能，其拉伸模量和壓縮強度可提升 15%~20%，這就顯著減少了碳纖維的用量，降低了碳纖維葉片的成本。

隨著綠色環(huán)保和高質(zhì)量發(fā)展要求越來越高，葉片手糊工藝的缺點也越來越明顯，材料利用率低且污染環(huán)境，因此采用玻璃纖維預(yù)浸料在前后緣和葉根補強被提上日程。中材葉片在行業(yè)內(nèi)率先試用了中溫固化玻璃纖維預(yù)浸料在前后緣區(qū)進行補強，開發(fā)的玻璃纖維預(yù)浸料體系的力學(xué)性能和固化工藝均能滿足葉片的設(shè)計需求，部件級測試結(jié)果與手糊工藝相當(dāng)。但現(xiàn)有的中溫固化體系預(yù)浸料常溫存儲期較短，低溫冷藏運輸成本較高；因此需要開發(fā)一種適應(yīng)于長存儲期的低溫固化玻璃纖維預(yù)浸料，減少葉片生產(chǎn)環(huán)境污染并提高成型效率。

3. 2 拉擠成型工藝

拉擠成型工藝能充分發(fā)揮連續(xù)纖維的力學(xué)性能，具有更高的纖維含量，原材料利用率在 95%以上，產(chǎn)品性能高且穩(wěn)定可靠。從纖維增強復(fù)合材料發(fā)展來看，拉擠成型技術(shù)的應(yīng)用已成為未來風(fēng)電葉片發(fā)展的重要趨勢。如圖 19 所示，通過對實施拉擠工藝的同一規(guī)格玻璃纖維 (S-1 HM) 和碳纖維 (TC35) 的力學(xué)性能與灌注工藝對比，發(fā)現(xiàn)玻璃纖維拉擠板材的拉伸模量比灌注玻璃纖維提升了 15%，壓縮強度提升超過 47%；碳纖維拉擠板材的拉伸模量比灌注碳纖維提升了 25%，壓縮強度提升了 42%。因此，拉擠主梁作為提升材料利用率最有效的結(jié)構(gòu)型式，是提高葉片結(jié)構(gòu)性能、降低成本和提高生產(chǎn)效率的最重要手段。以 81 m級 20 噸的葉片為例，在保持主機性能前提下，采用玻璃纖維拉擠主梁替代灌注主梁后，單支葉片可減重 0.6 噸。

維斯塔斯 (Vestas) 在 2014 年開始推出拉擠碳梁葉片 (如圖 20 所示)，2020 年碳纖維量占風(fēng)電總量的 80% 以上。西門子歌美颯 (SGRE) 在其新開發(fā)的 SG-155 和 SG-170 葉型開始應(yīng)用碳纖維拉擠主梁設(shè)計；GE 使用拉擠工藝進行了玻璃纖維拉擠板材主梁葉片的研究，新開發(fā)葉型 GE75 上應(yīng)用了碳纖維拉擠主梁設(shè)計。

國內(nèi)在這方面雖然起步晚，但推廣應(yīng)用很快，中材葉片于 2019 年開展玻璃纖維拉擠主梁技術(shù)開發(fā)，2021 年該技術(shù)在 Si76.5、Si85.8 和 Si90 等多個系列葉片上批量應(yīng)用；國內(nèi)大部分主機廠和葉片廠也都開啟了拉擠主梁葉片開發(fā)應(yīng)用?？紤]到葉片擺振方向結(jié)構(gòu)性能的提升，后緣梁拉擠技術(shù)正在研究與驗證中。在碳纖維拉擠方面，國內(nèi)已經(jīng)開始了嘗試應(yīng)用，如遠景能源在 EN161 葉片上進行小批量應(yīng)用，金風(fēng)科技在 GW184 葉片上已經(jīng)完成兩套葉片的試用。隨著國產(chǎn)化碳纖維的規(guī)模化應(yīng)用，碳纖維原材料供應(yīng)商也在積極開發(fā)國產(chǎn)化拉擠板材技術(shù)，在玻璃纖維拉擠技術(shù)和低成本碳纖維的推動下，碳纖維拉擠必將成為未來大型葉片主梁的首選成型工藝。

4 結(jié)論

復(fù)合材料技術(shù)的進步是推動風(fēng)電葉片大型化、低成本和輕量化的重要手段，是實現(xiàn)風(fēng)電平價上網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對復(fù)合材料在大型風(fēng)電葉片上的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析，得出了以下結(jié)論：

(1) 拉擠技術(shù)在葉片上的集成創(chuàng)新應(yīng)用，可以大幅提升材料利用率和結(jié)構(gòu)效率，玻璃纖維拉擠在主梁和后緣梁上的應(yīng)用將是未來高模和超高模玻璃纖維在葉片上的主要體現(xiàn)形式；

(2) 隨著低成本國產(chǎn)化碳纖維規(guī)?；a(chǎn)，結(jié)合玻璃纖維拉擠技術(shù)的開發(fā)與成熟應(yīng)用，碳纖維拉擠主梁將成為未來超大葉片特別是海上風(fēng)電葉片的首選結(jié)構(gòu)型式；

(3) 隨著生態(tài)文明發(fā)展和綠色環(huán)保要求的不斷升級，環(huán)保型的 HPE 和 PET 逐漸替代輕木和 PVC，可回收循環(huán)利用的熱塑性樹脂的應(yīng)用研究越來越受到關(guān)注，葉片補強區(qū)的手糊工藝逐漸向預(yù)浸料工藝方向發(fā)展。

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