【技術文獻】提高風機葉片表面塗層耐台灣腐蝕環境的需求

最後更新日期：2023年11月14日

提高風機葉片表面塗層耐台灣腐蝕環境的需求

台灣電力公司綜合研究所 鄭錦榮博士

摘錄自柏林61期刊物

一、前言

傳統火力發電，不論是使用煤、石油或天然氣，終有竭盡之日，火力發電的核燃料，在未來數十年用盡濃度較高的礦藏後，也將面臨純化、精煉燃料棒所需輸入的能量大幅增加，終至能源入不敷出的窘境，而風力發電則是取之不盡用之不竭的再生式能源，而與其它再生式能源最大的差異，是風力發電的成本已具與傳統火力發電競爭的能力。

除了成本上的優勢外，風力發電尚有其它的長處：例如建造風場所需的時間遠短於傳統電廠，其所耗費的能源也比一般傳統電廠要少許多，根據歐洲的經驗，風場在其二十年壽命中所發的電，是建造風力發電過程中（包括興建、經營以及最後廢料處理）所消耗的能源的八十倍以上，以英國的經驗，一台風機平均只需要三到五個月即可回收製造和運行的能源。而傳統電廠假如不計後續輸入的燃料，則需六個月，假如加計不斷地加入各種燃料，則其「回收能源比例」只在0.3至0.4之間，亦即永遠無法回收所輸入的能源，由此可知，風電在能源的使用上是極具效益的。另一方面，風力發電也不會產生任何的污染廢氣及溫室氣體，對於面臨京都協議對限縮二氧化碳的排放量，也有相當正面的幫助。

馬總統2011年11月3日公布國家能源政策，定調為「確保核安、穩健減核、打造綠能低碳環境、逐步邁向非核家園」，核一、二、三不延役核四2016年前商轉。政策是在「不限電」、「維持合理電價」、「達成國際減碳承諾」的三大原則下推動。為了逐步減核，將推動發展能源科技，擴大各類再生能源推廣，目前行政院經濟部已擬定「千架海陸風力機」與「陽光屋頂百萬座」，陸續開發路域風場與離岸風力發電，預計2030年風力裝置容量達4200百萬瓦（MW），太陽光電裝置容量達3100MW。再生能源總裝置容量方面，已規劃2025年達9952 MW，占總發電容量14.8%，其中新增裝置容量達6600MW，比《再生能源發展條例》所定的20年增加6500 MW目標還要早5年達成。照目前規劃，2030年再生能源可達12502 MW（占16.1%），發電量達356億度，相當890萬家庭用戶年用電量。

風機的能量輸出，基本與葉片的長度的平方成正比，所以不同的製造商，均盡量在結構安全性容許的範圍內增加葉片的長度，從上世紀八十年代的五公尺到今天的五十公尺以上。然而，葉片的重量基本與葉片的長度的三次方成正比，所以葉片越長，其旋轉時的重力變動量、重力所造成的彎矩、離心力以及振動也越大；另一方面，在相同轉速下其靠近末端的線速度也因長度增加而變高，一旦受到異物撞擊如風砂冲刷，其損傷的可能性也越高。另一方面，風機很多時是安裝在海邊或甚至在海上，面臨各種嚴酷的環境諸如日曬雨淋，早晚與冬夏季極端溫度的變化，鹽霧，高濕度，下雪或冰雹的撞擊，雷極等損傷。在其設計使用壽命二十年內，葉片旋轉次數達 10⁸ 次的量級，前述的重力變化量，重力所造成的彎矩及振動等，均可能構成疲勞破壞的來源。

為了降低重量，大型葉片多採用高分子基複合材料製造，複合材料具有質輕、比強度高、耐酸鹼腐蝕、耐疲勞負載等優點，是繼傳統金屬材料以來，應用最廣的材料之一。如前所述，在使用過程中，複材葉片受到各種劣化與破壞的作用，這些作用的結果可能造成明顯的缺陷或裂縫，也可能僅在內部產生基材裂縫，強化纖維斷裂，纖維與基材局部脫鍵，或膠合接頭處產生局部脫層，這些損傷在表面無法以肉眼看出，但材料的完整性已有減損；一旦材料內部開始產生微損傷，這些早期的微損傷可成為進一步破壞之誘導因子，在長期受疲勞負載的作用下，可以導致損傷大規模擴展，並可能造成突發且災難性的破壞！在損傷大幅發展以前，如能在定期維修時即可發現並進行修補，對於提高風力機組使用的安全性及堪用率相當重要。

二、風機葉片表面塗層劣化的影響因素：

台灣從南到北，氣候和自然環境千差萬別，尤其是一些地區日照強烈，風沙不斷，自然條件比歐洲要惡劣，另一方面，風力機組可能設在人跡罕至的地方，或甚至設在海上，這代表著進行檢查將較為困難與昂貴。但是目前使用的風電塗料卻沒有因地而調整，依照歐美環境採用的表面塗料照葫蘆畫瓢的新購或維修使用。就台灣西岸風場而言，風砂最強烈的季節恰恰在冬季，這也是冬天東北季風來時額定輸出風能時風場葉片塗層損耗嚴重的原因之一。為了充份發揮風力發電的潛力，提升發電效率，台灣電力公司亦投入不少資源到風機方面的建購、運轉、維護與研發，其中風機葉片因關係到發電效率，噪音，安全性，所以維修、維護更是研究的焦點。

目前風機葉片運轉劣化的分析，風機葉片是風能技術進步的關鍵核心風力機部件，其良好的設計、可靠的質量和優越的性能是保證機組正常穩定運行的決定因素。目前，葉片大多採用環氧玻璃鋼或不飽和聚酯玻璃鋼作為主要樹脂材料，而隨著對大型葉片需求的逐漸增加。這些有機玻璃鋼都具有極佳的機械性能。各廠家積累的實驗資料表明，在沒有外界因素破壞的情況下，葉片使用壽命完全可以達至20年。因此，如何大幅的減少外界環境風砂的侵蝕，將是決定葉片實際使用壽命的關鍵因素。而使用能夠最直接有效保護葉片本身的表面塗料成為改善此缺失的唯一選擇。

台灣風場一般位於日照較強及風砂較大的沿海地區(如大園、觀音、彰濱、麥寮、墾丁、澎湖等)，這兩種環境對葉片塗料性能的要求差異極大，與歐洲地理環境還是有很大的差異，其特殊性具體體現在如下幾方面。

(1)日照時間强：台灣風力機葉片主要來自中北歐波羅的海和北海附近的低地國家，深受北大西洋暖流影響，以溫暖潮濕的溫帶海洋性季風氣候為主，其風源特徵是含水量高，含砂量和浮塵量都極低。台灣屬亞熱帶氣候地區，依照了世界太陽能資源分佈圖，台灣日照強度較北歐及北美地區為强，尤其是在夏季，如圖1所示。因此風機葉片表面塗層的耐候性要求應較北歐及北美地區採用的表面塗層的耐候性需更高。

圖1:世界太陽能資源分佈圖

(2)風砂大：台灣沿海岸多風砂，尤其是在大園、觀音、彰濱、麥寮、墾丁、澎湖等西岸地區環境更為惡劣，這對塗膜的耐砂蝕性、彈性伸長率等需要更高的要求。2007年墾丁3部機組葉片經運轉2年後，前緣皆有爆裂剝離，原廠將3葉片更新，2009年觀園(註：觀音大園地區)12部機機組葉片經運轉4年後共17片前緣爆裂，如圖2所示表面輕微冲蝕損壞、大潭1部機機組葉片經運轉5年後共3片中度損壞修補，如圖3所示表面中度冲蝕損壞。同期觀園13部機共21葉片、大潭1部機共3葉片中度損壞修補。觀園9部機共9葉片重度損壞修補，如圖4所示表面嚴重冲蝕損壞。2012年彰濱23支葉片經運轉5年表面塗層損壞，如圖5所示需委外維修，上述葉片損壞皆是沖蝕或表面膠殼劣化變黃等構成。

圖2：桃園觀音地區風機葉片運轉表面輕微冲蝕損壞

圖3：桃園大潭地區風機葉片運轉表面中度冲蝕損壞

圖4：桃園觀音地區風機葉片運轉表面嚴重冲蝕損壞

圖5：彰濱23支葉片表面膠殼沖蝕、劣化變黃等損壞

	葉片前緣黃色膠殼磨損外露		葉片表面塗層損耗
	背風葉片外殼表面塗層剝落		葉片前緣黃色膠殼磨損外露
葉片外殼表面塗層剝落		葉片表面塗層損耗

綜合上述幾方面，台灣內陸風場葉片正常運轉過程中通常可能受到以下幾種外界侵蝕：第一種是來自紫外光對樹脂的侵害；第二種是風砂、浮塵以及雨霧等對基材的侵蝕。就第一種而言，是屬於化學性的侵蝕；第二種侵蝕是屬於機械性的。葉片正常運轉過程中葉尖的線速度可達80m／s，平均每年要運行約7000h，接受空氣摩擦的量可達一般汽車的5N 1 0倍。風中含有的砂粒或水滴會對葉片表面產生強烈的衝擊。如果葉片塗料耐砂蝕或雨蝕性能不佳，防護塗層將在幾年內發生明顯損耗，根本堅持不了20年。而葉片的吊裝維修成本又是極其昂貴，因此，對用於台灣內陸風場的葉片塗料的性能須提高風機葉片表面塗層耐台灣腐蝕環境的需求。

三、具體建議(改進意見、方法)：

• 在目前風機葉片供應商中，皆由國外原廠供應，運行中的風機葉片上的塗料幾乎全部為進口或國外品牌，如圖6所示多採用環氧樹脂膠殼，PU面漆等但防護效果仍存在缺陷，在台灣特殊環境條件下出現了水土不服。

圖6：進口或國外品牌葉片表面塗層多採用環氧樹脂膠殼，PU面漆

• 沿岸地區風機葉片表面塗層受長時間的高速海砂粒子撞擊，塗層必須具有一定的彈性。砂子表面粗糙，硬度高，更容易劃傷塗層，主要在垂直方向的損耗，因此耐砂蝕的塗層不但需要彈性，還要具有高機械強度。只要塗層能隨時保證這兩個特性，再具備足夠的厚度，就可以有效抵禦風砂雨霧在葉片運行過程中的侵蝕。傳統葉片採取(a)補土+2液型PU面漆：(b)補土+2液型PU底漆+2液型PU面漆；(c)補土+環氧高膜厚底漆+2液型PU面漆等並未能有效抗風砂冲蝕，一次達到風機的設計使用年限。

• 外層膠殼損壞的葉片皆屬初階外殼損傷，塗層的劣化包括腿色、污損、前緣冲蝕玻璃纖維樹脂外露等缺陷，塗層的腿色、污損劣化可採用葉片塗層表面處理後上兩道面漆修補，前緣冲蝕則可採用線上補土修補後再上面漆，前緣冲蝕部份需儘早處理，避免繼續裂化，需建立適合本土各地區(風砂、日照、潮濕）的塗層評估及檢測方法。如(a)補土+聚脲樹脂面漆；(b) 補土+PU中塗漆+氟碳面漆等系統尚待評估。

• 在訂立及修正符合上述環境的表面塗料評估，必需要建立評估規範來檢驗塗層是否達到要求葉片表面保護塗料能提高葉片耐紫外老化，耐風沙侵蝕以及耐濕熱，鹽霧腐蝕能力，適應台灣西海岸不同極端氣候條件下風電場使用需求，保證風機葉片20年的設計使用壽命。目前歐美風機並沒有訂出夙砂冲刷的表面塗層規範，不過與台灣遭遇相同的中國大陸新彊、內蒙古一帶亦面臨風砂冲蝕的難題，大陸在Mw級風力發電機組風輪葉片原材料國產化的863計劃中，要求葉片表面保護塗料能提高葉片耐紫外老化，耐風沙侵蝕以及耐濕熱，鹽霧腐蝕能力，適應大陸南北方不同極端氣候條件下風電場使用需求，保證風輪葉片20年的設計使用壽命，建議訂立表面塗層規範如表1。該規範是否可行尚需透過國內業者共同開發驗證。

表1：建議訂立表面塗層規範

四、結論

(1) 若依全世界250風場、含概全部風機廠商，1000個風場操作年及風機運轉1-15年的風力機組元件破損機率統計分析，每一事件停機維修平均時數若180小時(約7.5天)，依國外陸上風機葉片每年每機組損壞機率約0.18，以161支風機計算，每年約有29台風機因葉片故障而停機，若發展適合台灣本土的塗層，改善表面耐風砂冲刷使用年限可由5年延至10年，每年共可節省2,000萬元。

(2)   增加國內廠商工業合作，建立在地產業供應鏈，委託原廠修補，而未能考慮台灣特殊的地理環境和氣候特徵及如何確認修補的成效及驗證。腐蝕程度標準化、延長材料使用壽命，選擇最佳時機維修，減少不必要維修，降低供電成本，有效提高供電可靠度。

註：以上數據皆依當時出版時之數據資料，因塗裝技術發展迅速，詳細更新數據以柏林塗料開發處數據為主