這是系列文章之三。前兩篇只介紹國外環(huán)氧樹脂體系在風力機葉片中的應用。基于風電業(yè)飛速發(fā)展的需求,本文則擴大了視野和探討內(nèi)容,分為四部分:一、新近環(huán)氧樹脂體系在風力機葉片、機艙罩和葉片模具中的應用;二、FRP葉片的材料回收與更新近況;三、介紹兩種新穎的FRP成型工藝;四、小結(jié)。全文中FRP在葉片、葉片模具中的應用是重點;新的、環(huán)保材料—熱塑性復合材料是葉片材料的發(fā)展方向;FRP葉片的材料回收、“正運行葉片破損自修復環(huán)氧樹脂體系”是發(fā)展動向;“修復召回有瑕疵葉片的實例”是輿論熱點。
關(guān)鍵詞:風力機葉片 環(huán)氧樹脂 預浸料 粘結(jié)劑 自修復材料 回收
1 概 述
風電屬極具發(fā)展?jié)摿?、發(fā)展最快的可再生能源。“目前,世界最大風力機的輸出功率達6MW(葉輪直徑126m,葉片長61.5m)、” [1] 7 MW(GE公司)甚至10 MW(英國正在試制)。[2]風力機葉片起著將風能轉(zhuǎn)化為電能的作用,是風力機的關(guān)鍵構(gòu)件。目前,葉片一般采用環(huán)氧復合材料(碳纖維或玻纖/環(huán)氧樹脂)加工。隨著風電業(yè)的迅猛發(fā)展,葉片的復合材料[注]消耗量逐年遞增([注]:以環(huán)氧復合材料為主——筆者注):以印度風力機葉片的復合材料消耗量為例(見表1),2008年為2.596萬t, 2006~2009年的增長率約28%;“我國2007年約7萬t,年增長率約80%”[3]。隨著風力機、樹脂生產(chǎn)實踐和科技的發(fā)展,環(huán)氧復合材料除了廣泛用于加工葉片外,還加工葉片的模具和機艙罩、驅(qū)動軸,新近還出現(xiàn)了用于修復葉片的新趨勢,等等,不一而足——真可謂不可或缺、用途廣矣!
表1 印度風電機葉片的復合材料消耗量[4]
年份
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2006
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2007
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2008(估計)
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2009(預計)
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消耗量(千t)
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15.79
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20.27
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25.96
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33.20
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年增長率(%)
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--
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28.3
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28.1
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27.9
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復合材料總耗量比率(%)
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14.6
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16.3
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18.1
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20.3
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2 制造葉片用環(huán)氧樹脂體系與成型工藝
2.1 環(huán)氧樹脂、預浸料
乘風電業(yè)迅猛發(fā)展的大好形勢,“世界頂級化工公司——德國BASF公司和美國Dow Epoxy System公司,都瞄準了風力機葉片市場,紛紛競相推出葉片用環(huán)氧復合材料配套系列產(chǎn)品。”[5]
最近,江蘇泰州市惠利電子材料有限公司與山東大學合作,研制成環(huán)氧樹脂澆注料——葉片專用樹脂[注]。該材料有7項性能指標達到或超過國外同類產(chǎn)品,質(zhì)優(yōu)、價格低于進口貨,今年6月投產(chǎn),預計明年產(chǎn)量達1 500t/a ([注]:此前,該樹脂我國依賴進口)。[21] Risoe DTU公司宣布:幫助中國林業(yè)部門利用竹纖維(bamboo shreds)/環(huán)氧樹脂試制葉片。[6]
AIRSTONE system風力機葉片用環(huán)氧產(chǎn)品(美國Dow Epoxy System公司)的性能好,通過了德國勞埃德(Germanischer Lloyd,GL)認證;此外,還有模具用環(huán)氧樹脂、粘結(jié)劑等。其適用的成型工藝很多,如:真空灌注、濕法手糊等。真空灌注用低粘度環(huán)氧樹脂的流動性極佳,可改善產(chǎn)品的力學性能、熱敏性能。該產(chǎn)品可使葉片更強韌、輕質(zhì)、易于生產(chǎn)。另訊:AIRSTONE牌環(huán)氧樹脂、半成品有三種配方:①美國POLY-CARB Inc. 的配方;②美國GNS Technologies的配方;③德國UPPC AG的配方,可用于加工葉片;[2]該公司的Styrofoam牌絕緣材料也可用于加工葉片。[7]
瑞士Gurit公司推出兩種葉片用環(huán)氧預浸料:①Spar Prog牌單向纖維預浸料,用于加工氣泡少、質(zhì)量高的厚層層壓板,生產(chǎn)效率高;②WE91L牌預浸料,放熱性低,低溫(如:80℃)固化或120℃/65分固化,21℃環(huán)境里的貯存期為60d。[8]