风电叶片回收制备新型多孔沙障的防风固沙效应研究及其工程应用潜力

针对传统沙障材料易老化、不耐极端环境等问题，中国科学院团队创新性地利用退役风电叶片制备新型多孔沙障。通过力学性能测试、风洞实验和数值模拟，证实其抗弯强度达木材复合材料的14倍，侵蚀率降低56%，最优孔隙率20%可显著减少输沙量。该研究为风电固废资源化利用和沙漠化防治提供了双赢解决方案。

　　

论文解读

在广袤的干旱半干旱地区，风沙灾害如同无形的巨手，不断侵蚀着铁路、公路等基础设施，威胁着生态环境和社会经济发展。传统沙障材料如作物秸秆、芦苇、树枝等虽成本低廉，却存在易老化、不耐极端温度和强风侵蚀的致命缺陷。更令人担忧的是，高密度聚乙烯（HDPE）和聚乳酸（PLA）等人工材料在强风条件下也难以胜任。与此同时，中国风电产业蓬勃发展，早期安装的风机叶片即将迎来退役高峰，这些由增强纤维和树脂基体构成的"巨人之翼"若处理不当，将造成严重的环境污染。如何破解这两大难题？

中国科学院团队独辟蹊径，将退役风电叶片变废为宝，设计出新型多孔沙障。研究人员通过紫外老化、高低温循环、机械压缩和冲蚀磨损等测试，系统评估了材料的力学性能；借助16.23米长的开路式风洞和ANSYS Fluent数值模拟，分析了不同孔隙率（0%-40%）沙障的流场特征和固沙效果。

力学性能测试揭示材料优势
新型沙障初始抗弯强度达287.87 MPa，经48小时紫外老化后仅下降1.56%，在-40°C至70°C温度循环中仍保持255 MPa的强度，分别是木材复合材料的14倍和7.8倍。冲蚀试验显示其体积侵蚀率（0.0024 mm³ mm^-2 s^-1）比传统材料低56%，展现出卓越的耐久性。

风洞实验锁定最佳孔隙率
当孔隙率为20%时，沙障内形成稳定的凹面结构，侵蚀深度与屏障长度比达到理想值1:10。此时输沙通量（3.03 g m^-1 s^-1）较无屏障状态降低94.5%，且近地表0-12 cm高度输沙量显著减少。而40%高孔隙率会导致沙粒穿透屏障，0%孔隙率则引发气流抬升，使高处输沙量反常增加。

数值模拟揭示流场调控机制
k-omega SST湍流模型显示，新型沙障在20%孔隙率时产生独特的双涡结构（最大归一化湍流动能0.07），通过涡旋脱落-再附着循环实现能量耗散。与传统尼龙网沙障相比，其背风侧低速区（风速比0.1-0.3）保护范围更大，且孔洞处的"漏斗效应"使风速比最高达1.25，这种主动流场调控能力是普通多孔介质模型无法模拟的。

这项发表于《International Soil and Water Conservation Research》的研究，开创性地将绿色能源废弃物转化为生态治理材料。新型沙障兼具柔性材料的孔隙结构和刚性材料的高强度（抗弯强度>255 MPa），特别适用于强风、大温差和强紫外线辐射的恶劣环境。随着中国440 GW风电装机容量设备陆续退役，该技术每年可消化数万吨叶片固废，为"双碳"目标下的资源循环利用提供了创新范式。研究团队指出，未来需进一步优化孔洞尺寸分布（目前采用上疏下密设计）和动态防护方案，以充分发挥这种"刚柔并济"材料的工程潜力。