为什么说风电叶片前缘是库里的脚踝?

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如果把风电比作NBA球员,那么风电叶片就是球员的双脚,球员最容易受伤的部位就是脚踝,同样,风电叶片前缘也是最容易受到腐蚀的部位,库里职业生涯至今,脚踝已经扭伤过14次!脚踝受伤可能面临赛季报销的危险,同样,腐蚀严重的叶片,也有风电站停机的风险。


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库里运球突破的时候,其实他的脚踝是在做以大腿根为圆点的圆周运动,这个时候脚踝的线速度相比于腿的其他部位,是最大的,因此也就承载了最大的负重,同理,风电站在运行的时候,叶片前缘也是在做圆周运动,而且由于叶片长度(一般有70-100米)要比库里的腿长得多,这个时候的线速度是非常大的,差不多是我们现在高铁的运行速度,330km/h,大概是90/秒,这个速度是非常可怕的。


   而且,现在NBA都是室内球馆,中央空调,镁光灯,条件那是贼好的。但是风电叶片的服役环境却相当的恶劣,风吹日晒雨淋,海上的风电站还要经受盐雾腐蚀,可以说是相当难受了。

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讲真,叶片前缘腐蚀的原因是什么?


作为一个生物医学、新材料、体育三界的“跨界选手”,必须要认真理一理这事儿的前因后果。

   一般来讲,根据装机位置和机组设计的不同,环境因素对叶片前缘的腐蚀影响差别是很大的。但是,主要因素可以概括为两个方面:1、环境中粒子的侵蚀:雨滴、雪粒、冰雹、海浪、盐雾、灰尘、高空飞虫及生物等;2、太阳光紫外辐射及湿气造成的老化。其中,第一个方面是前缘腐蚀的主要因素。

   而在环境中粒子的侵蚀中,雨滴是最主要因素,在降雨量较多的风场,由雨蚀造成的叶片前缘腐蚀非常严重,所以行业比较认可的“雨蚀试验”也是模拟雨滴的侵蚀,这个文末会讲到。

   前面我们知道,叶片前缘的速度达到了90/秒,在这样的速度下,雨滴就像子弹一样击中涂层,造成防护层破坏,然后雨水像高压清洗机一样将剩余的破坏涂层冲走(有点类似高压水射流),最坏的情况就是涂层破坏,叶片的基体结构暴露在外,然后损伤击穿。如果遇到冰雹这样的极端恶劣天气,对前缘的破坏更恐怖。

   接着说海上风电,除了盐雾、紫外线辐射、雨滴等腐蚀因素外,海浪冲击也是一大威胁。海浪冲击与雨滴冲刷类似,但是有一点区别,海浪相比雨滴的瞬间流量更高,属于高流量的间歇瞬间冲击,它受到的这个载荷是非常大的,一般的涂层会被直接破坏,早晨前缘基材的“受伤”。

基于三点:

1、同样的圆周运动;

2、同样的承受大载荷;

3、同样的容易受伤。

所以把风电叶片前缘比作库里的脚踝,比较容易理解,也方便大家记忆。 ‍


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如何像保护脚踝一样保护叶片前缘?


   如何尽可能避免脚踝受伤,主要两个方面:1、增加肌肉力量;2、选用合适的运动装备。

   那么脆弱的叶片前缘怎么防护呢?

   也是两个方面:1、涂层;2、贴保护膜。

  单纯的叶片涂层一般在运行一至两年后就在叶片前缘出现损伤。目前,叶片的前缘防护普遍采用贴前缘保护膜方法,同时各大叶片及其原材料供应商也在积极开发高性能的前缘保护涂层。

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那么,贴膜技术哪家强?


   毫无疑问是3M,没错,风电叶片前缘的保护膜,市场上也是3M在提供。而且,针对不同的风电站要求,他们开发了一系列的保护膜产品,标准产品代号为W8607,它是一种背面涂覆了高耐候丙烯酸压敏胶的透明聚氨酯薄膜(名字太长了,其实就是一面涂了胶水的聚氨酯薄膜),具有500%的断裂伸长率,超市购物塑料袋的断裂伸长率是200%左右。

   保护膜对施工工艺要求贼苛刻,贴膜前需要使用细砂纸打磨、清洁,工作量很大,哪怕是极微小气泡,也是不允许的。

另外,保护膜的运输和保存也很费劲。在运输和吊装过程中很容易损伤,叶片运行过程中经常出现起泡、边缘卷起、叶尖处保护膜风化移位等现象,一般保护膜的服役寿命4~5年,后期的更换成本更高。

   说了这么多,大家也都了解了。其实保护膜就是基于涂层基础上的二次防护,费时费力,而且后期维护成本大,那么有没有一种给力的涂层,可以一次性解决问题呢?

   答案是可能还没有,要不然3M还搞保护膜干嘛。但是,涂层新产品的研发还是有很多企业在做,有些产品也已经在试用。

   另外还有一家,是英国的Blade Dynamics公司,现已被GE收购,成为GE新能源部门的一部分。而其BladeSkyn专利技术也被GE收入囊中。该技术采用基于热塑性纳米技术的含氟聚合物薄膜,其厚度为130μm。这种材料具有很低的反射率,具有优异的防污性能,耐雨蚀、防冰、耐紫外、耐化学品和溶剂特性,防护性能远高于传统的油漆和胶衣。该薄膜可以很好地粘附在轻轻打磨过的玻璃/环氧树脂复合材料表面,施工便利,能承受的温度范围为4080℃,目标是实现叶片前缘20年免维护。

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所以,都有哪些机构在开发前缘防护涂层呢?


3M:没错,还是我3M

   20135月,3M推出了一种前所未有的前缘防护涂料——高性能双组分聚氨酯保护漆W4600。防护性能要比他们家的保护膜还厉害,而且施工工艺方面跟普通油漆一样。但是,W4600太娇气,试用的温湿度范围很窄,而且只适用于新叶片的制造,风场叶片维护的活,它干不了。


   2015年,3M又推出了W4600的加强版W4601,官方的说明是该产品克服了第一代前缘保护漆的可操作时间短、温湿度施工范围窄、只适用于新叶片制造等方面的局限性。但是,目前从3M官方网站还搜查不到任何关于前缘涂层的产品信息。

风电叶片巨头艾尔姆:玩涂层,我也可以的!

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埃尔姆的叶片工厂


   艾尔姆是世界最大风电叶片制造商,位于风车王国——荷兰。早在2013年之前,他们就推出了全新的叶片前缘防护涂层——LM ProBlade Collision Barrier(涂层体系包括底漆和无溶剂的双组分高弹性脂肪族聚氨酯面漆),声称与现有涂层相比,该涂层可以提高前缘抗腐蚀性能20倍以上,并拿自家叶片做了试验,让这一结果更有了说服力。据悉,2013年第二季度,艾尔姆已经开始批量生产该涂料,并用到自家生产的叶片上。

麦加涂料:前缘防护整体解决方案舍我其谁,有不服的吗?


   2008年,麦加涂料就在中国推出其叶片前缘防护产品。主打产品是聚氨酯前缘保护胶衣,比3M保护膜的牛逼之处在于,麦加的胶衣既可以用于新造叶片,也可以用于受损叶片的二次维护,施工特别简单,只需要将产品挂涂到受损部位,并不需要涂任何面漆,施工后3小时就可以正常运行。

阿科玛:KYNAR涂料玩了三十年,我们在和高校合作开发前缘防护涂料


   2015年,阿科玛推出了水性的热塑性和热固性KYNAR涂料,该涂料在室温下固化,可应用于各种复合材料。该公司与北达卡他州立大学的研究人员合作,将该水性热固性涂料应用于典型的玻璃纤维/环氧树脂层合板上,正在评估该涂料作为叶片前缘耐候性油漆的防护性能。公司已进行的研究表明该混合树脂涂层相比目前许多商用的聚氨酯涂料具有优异的耐长期侵蚀和防冰特性。

   但是,截止到目前,阿科玛官网还没看到这款涂料现身。

巴斯夫:我是化工届的老师傅,前缘防护涂料的初学者


   2016年,巴斯夫推出先进涂层体系解决方案RELEST®Wind LEP S.,并通过丹麦检测机构的雨蚀试验。测试结果表明,在冲击速度高达160m/s的测试条件下,雨水也不会对涂层造成实质性破坏,因此具有优异的抗雨水侵蚀性能,此外,该涂层体系耐久性好、耐UV性强。该涂层对新造叶片适应性良好,可直接对叶片进行涂装,但是在二次修复方面,表现不尽人意。

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除了材料和技术,评测方法也不尽如人意


   说了这么多,其实大家也都看明白了,前缘防护远比脚踝问题难解决的多,一方面是材料和工艺的问题,另一方面行业标准的测试和评估方法现在来看,是空白的,至少在基本的耐久性测试方面的标准测试方法,是没有的。

   目前,行业内比较认可的方法是雨蚀试验。

   所谓雨蚀试验就是在实验室模拟高速雨水的冲刷,可以较为准确的评估材料的防护寿命。目前,实现这种模拟测试的装置有两种,一种是高压水射流,一种是“直升机“试验站”。

   Basf 拥有雨蚀测试的“直升机”试验台,在这个测试装置中,通过雨滴冲击高速旋转的玻璃钢样品进行测试,涂漆的玻璃钢样品转速可高达500km/h,接受雨滴的冲击。

   另外,德国马格德堡的涂料机构( InstitutfürLacke und arbenILF) 采用的则是高压水射流的测试方法。

   以上两种方法都提供了对实际情况相当准确的模拟,可以快速的得到材料的耐久性测试结果。

   德国的弗劳恩霍夫风能和能源系统技术研究所(Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System TechnologyIWES) 拥有一台升级的雨蚀测试用的“直升机”试验站,该“直升机”试验站,雨滴的大小可以选择,可以采用全空气空调系统调节温度,甚至连雨水中的盐含量也可以调整。

   美国和英国也有雨蚀测试的机构,但涂料制造商通常都到丹麦PolyTech A/S 机构进行测试,丹麦专家提供了目前行业内唯一认可的的雨蚀测试标准。据悉,在该机构测试的典型耐腐蚀防护涂层最长只耐2h雨蚀,可以说标准相当高,而BasfLM3M 以及麦加新开发的前缘高性能保护涂层的耐雨蚀时间均达到了18h

匹克都已经让NBA球员穿上国产球鞋了,

咱们的涂料企业啥时候能让叶片前缘刷上中国涂料?

我们大家都很期待!



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