專題報告

復合材料回收牽動風電行業發展

更新時間：2021-11-15 13:08:27 編輯：秘書處瀏覽：2441

簡介

目前，業界可實現風機總質量85%到90%左右的回收。風機的大多數部件 (如基座，塔架和機艙中的部件)都有既定的回收做法。這些部件的原材料對二級市場有足夠的價值。例如，塔架中的鋼可實現100%的回收。它可以再次使用，而不會造成任何質量損失。廢鋼被視為鋼鐵生產的寶貴原材料。鑒于其高價值，世界范圍內有完善的廢鋼交易市場。對退役基座的處理，國家之間有所差異。在一些國家，基座需要被拆除。拆除基座中的混凝土可被回收，成為建筑材料或道路施工的骨料。在另外一些國家，如果拆除會導致更高的環境影響，或者未經土地所有者允許，則只能將基座留在原地。

風機葉片的回收難度更大，這主要是由于其生產中使用了復合材料。雖然有各種技術可用于葉片回收，但這些解決方案還沒有被廣泛應用，也沒有價格優勢。本文介紹了風機葉片結構和材料構成，強調了可回收性屬性。它還研究了葉片設計和材料構成的未來趨勢，旨在改善葉片的循環利用。

葉片結構和材料構成

風機葉片由復合材料制成，由各種不同性質的材料組成。通過材料設計使葉片更輕、更長并通過氣動設計優化其氣動外形來提升葉片風能利用率。今天，約250萬噸復合材料被應用于全球的風力發電設備中。盡管不同葉片類型或制造商之間的材料成分會有差異，但葉片通常由以下部分組成：

1.增強纖維，例如玻璃纖維和碳纖維。玻璃纖維是風機葉片復合材料組件中的主要增強材料。碳纖維也用于風機葉片(如主梁中)，但比重較低。碳纖維卓越的強度和較高的剛度，相較玻璃纖維有許多優勢，但其較高的成本，也阻礙其進一步應用在風能行業領域。當然，碳玻混雜纖維織物目前也有一定的應用。

2.樹脂基體，如環氧樹脂，聚酯，乙烯基酯，聚氨酯等熱固性塑料，還有熱塑性樹脂。

3.夾芯材料，例如，balsa木或泡沫芯材，如聚氯乙烯 (PVC) ，聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) ；

4.結構性粘合劑，例如環氧樹脂，聚氨酯 (PUR)

5.涂料，例如聚酯 (UPR) ，聚氨酯(PUR) ；

6.金屬，例如銅或鋁配線 (防雷電系統)，鋼螺栓

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葉片通用截面圖

葉片大梁：單向 (UD) 玻纖/碳纖維，由環氧樹脂，聚酯，聚醚或乙烯基樹脂作為樹脂基體

腹板和葉片殼體：多軸玻纖織物復合夾芯材料層壓板，使用Balsa/PVC/PET 作為芯材，環氧樹脂，聚酯，聚氨酯或乙烯基樹脂作為基體

葉片前/后緣和腹板處粘接：使用環氧/聚氨酯為基體的結構膠粘劑

防雷電纜：鋁或銅

表面涂料：聚氨酯油漆

前緣保護：帶聚氨酯油漆/膠帶

復合材料，占葉片材料組成的大部分（按重量計算，60-70%的增強纖維和30-40%的樹脂基體）。在許多方面，復合材料具有優勢，體現在以下幾點：

?結合相對低密度的高拉伸強度的特性（高強度—重量比），以承受機械負荷的需求，并在空氣動力學上有最佳表現；

?提供優秀的抗疲勞、耐腐蝕、導電和導熱性能，這些對于增長預期壽命（20至30年）很重要。

?滿足在設計和制造環節的靈活性需求，允許葉片氣動外形的合理優化，從而提高風機發電效率；

?實現高收益，從而降低能源的平準化成本。

目前，風機葉片由熱固性樹脂構成的復合材料制成。這些聚合物相互交聯，過程不可逆轉。交聯是獲得抗疲勞性和機械強度方面理想性能的關鍵環節。

與熱固性塑料不同，熱塑性塑料不會發生交聯。熱塑性塑料可以被熔化，因此回收它們相對更容易，盡管復雜的葉片結構設計會增添一些挑戰。此外，在相同的價格區間內，熱固性塑料的機械性能、耐久性和可加工性更好。較低的性價比限制了熱塑性塑料在葉片中的應用。

葉片材料的未來趨勢

下表介紹了旨在應對當前挑戰的葉片材料的未來趨勢。葉片材料的挑戰包括剛度優化、疲勞壽命、探傷測試以及葉片輕質生產。材料的選擇是由價格、工藝能力、材料完整性、所處地理環境條件惡劣程度以及風機葉片長度的需求決定的。設計和材料選擇過程正在迅速發展，要求同時考慮所選材料的整體可持續性（生命周期評估），包括它們對可回收性的影響以及與未來回收方法的一致性，同時滿足成本和性能標準。

除了提高廢物收集效率和減少廢物總量外，高投資成本和能源要求似乎是對更好地實施和擴大新型復合回收技術的共同限制因素。目前正在實施多個項目，通過減少相同數量物料所需的加工時間和提高加工過程的材料產出來提高能效。這將有效減少成本，維持可回收材料的優勢。然而，為了使回收技術更加有效和可持續，這些技術的發展需要與材料的發展結合起來。

材料創新應努力對葉片的生產、維護、使用壽命和環境足跡產生積極影響。歐洲技術平臺表明，葉片的材料研究是一個重要的研究領域，并將可持續性和回收利用的核算視為一個戰略問題。

	材料研究領域	研究成果
工藝設計	工藝建模優化和準確控制復合材料的固化過程	使用壽命延長，轉換效率提高
流程	采用自動化制造工藝，確保材料質量一致，制造技術更強大	使用壽命延長，轉換效率提高
流程	提高了碳纖維強化復合材料的成本和，但增大了能效，因為該材料提供了增強的機械性能。與玻璃纖維相比，回收碳纖維在經濟上也更具吸引力	支持制造更長的葉片，從而提高轉換效率
材料	引入創新的樹脂/纖維組合，提高延展性和抗疲勞性	延長使用壽命
	通過模內聚合（而不是熔融加工）處理的新型可灌注熱塑性樹脂，具有更好的機械性能	降低成本
	引入納米成分作為基體和涂料的強化劑，同時尊重HSE要求，不增大回收難度	延長使用壽命
	研究纖維結構——結合高性能玻璃纖維、碳纖維和納米工程纖維來制造混合加固材料	支持制造更長的葉片，從而提高轉換效率
	研究耐用的涂層材料，以確保提高抗侵蝕能力，如膠衣、油漆系統和膠帶、可重新密封和自愈合的涂層	使用壽命延長，轉換效率提高
	利用更多的生物廢料，開發生物樹脂以改善性能	在化石原料耗竭后，原材料的持續供應和供應安全；減少了碳足跡
	開發3R樹脂--一個新的增強型熱固性樹脂和復合材料系列，具有更好的再加工性（re-processability）、可修復性（repairability）和可回收性（recyclability）	使用壽命延長；提高可回收性

風力渦輪機葉片材料研究的活躍領域

本文由中國復合材料工業協會編譯，文章不用于商業目的，僅供行業人士交流。轉載請注明來自中國復合材料工業協會。

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