復合材料在風機葉片上的應用與展望 zund G3 XL-1600-濾網台中雷射雕刻－李哲榮焦點新聞熱搜

    摘要：本文綜述了風力發電的發展現狀以及復合材料在風機葉片上的應用，介紹了結構設計，后展望了風機葉片的發展趨勢。
1 引言
    能源是經濟社會發展的重要物質基礎。風，作為可再生能源，取之不盡，用之不竭，與石油、天然氣發電相比，風能不受價格的影響，石油、天然氣終會杜竭，而風能不會。與煤相比，風能沒有污染，不僅如此，風能發電可以減排二氧化碳等有害物。據資料報導，平均每裝一臺單機容量為1MW的風能發電機，每年可以減排2000t二氧化碳，l0t二氧化硫，6t二氧化氮。因此，各國十分關注未來是否能有足夠的能源？如何使用能源而又不影響氣候？由于風電能源具有建設時間短，并可提供安全、清潔和經濟的電力等優點，因此風力發電在全發展很快。
2 風力發電的發展現狀
    隨著現代風電技術的發展與日趨成熟，風力發電機組的技術向著增大單機容量、減輕單位千瓦重量、提高轉換效率的方向發展。上世紀末，風電機組主力機型是750kW。到2002年前后，主力機型已經達到1.5MW以上。1997年兆瓦級機組占當年新增風電裝機容量的9.7%，而2001年和2003年分別占到52.3%和71.4%。海上風電場的建設要求單機容量更大的機組，歐洲已批量安裝3.6MW機組，5MW機組也已安裝運行。
    我國可開發利用的風能資源有10億kW，其中陸地2.5億kW，現在僅開發了不到0.2%，近海地區有7.5億kW，風能資源十分豐富。風能資源豐富的地區主要分布在“三北”（東北、西北、華北）地區及東南沿海地區。三北地區可開發利用的風力資源有2億kW，占全國陸地可開發利用風能的79％。根據風力發電中長期發展規劃，到2005年全國風電總裝機容量為100萬kW，2010年400萬kW,2015年1000萬kW，2020年2000萬kW。2020年以后石化燃料資源減少，火電成本增加，風電具備市場競爭能力，發展更快。2030年后水能資源基本開發完畢，海上風電將進入大規模開發期。我國在風力機復合材料葉片設計與制造技術方面與國外有一定的差距。為使復合材料葉片能國產化，政府有關部門很重視葉片的研發，把葉片列入攻關項目予以支持。所研發的200~750kW系列風力機復合材料葉片已形成批量生產，兆瓦級風力機正在開發中，尚不具備規模化生產能力。
3 復合材料在風機葉片上的應用[-page-]
    復合材料在風力發電中的應用主要是轉子葉片、機艙罩和整流罩的制造。相對而言，機艙罩和整流罩的技術門檻較低，生產開發難度較小。而風力發電機轉子葉片則是風力發電機組的關鍵部件之一，其設計、材料和工藝決定風力發電裝置的性能和功率。在風力發電機興起100多年的歷史里，葉片材料經歷了木制葉片、布蒙皮葉片、鋁合金葉片等。隨著聯網型風力發電機的出現，風力發電進入高速發展時期，傳統材料的葉片在日益大型化的風力發電機上使用時某些性能已達不到要求，于是具有高比強度的復合材料葉片發展起來。現在，幾乎所有的商業級葉片均采用復合材料為主體制造，風電葉片已成為復合材料的重要應用領域之一。
    采用復合材料葉片主要有以下優點：①輕質高強、剛度好。眾所周知復合材料性能具有可設計性，可根據葉片受力特點設計強度與剛度，從而減輕葉片重量；②葉片設計壽命按20年計，則其要經受10(8次方)周次以上的疲勞交變，因此材料的疲勞性能要好。復合材料缺口敏感性低，內阻尼大，抗震性能好，疲勞強度高；③風力機安裝在戶外，近年來又大力發展海上風電場，要受到酸、堿、水汽等各種氣候環境的影響，復合材料葉片耐候性好，可滿足使用要求；④維護方便。復合材料葉片除了每隔若干年在葉片表面進行涂漆等工作外，一般不需要大的維修。
3.1 材料
    風力發電機葉片是一個復合材料制成的薄殼結構，一般由根部、外殼和加強筋或主梁三部分組成，復合材料在整個風電葉片中的重量一般占到90%以上。
    目前商品化的大型風力機葉片大多采用玻璃纖維復合材料（GRP）。長度大于40m的葉片可采用碳／玻混雜復合材料，但由于碳纖維的價格，未能推廣應用。GRP葉片有以下特點：①可根據風力機葉片的受力特點設計強度與剛度。風力機葉片主要是縱向受力，即氣動彎曲和離心力，氣動彎曲荷載比離心力大得多，由剪切與扭轉產生的剪應力不大。復合材料由于主要承力組分是纖維，可將纖維主要鋪放在葉片的縱向，這樣就可減輕葉片的重量；②翼型容易成型，并達到大氣動效率。為了達到佳氣動效果，葉片具有復雜的氣動外形。在風輪的不同半徑處，葉片的弦長、厚度、扭角和翼型都是不同的，如用金屬制造十分困難。GRP葉片可實現批量生產；③葉片使用20年，要經受10（8次方）次以上疲勞交變，因此材料的疲勞性能要好。GRP疲勞強度較高，缺口敏感性低，內阻尼大，抗震性能較好，是制作葉片的理想材料；④GRP耐腐蝕性好。風力機安裝在戶外，近年來又大力發展離岸風電場，風力機安裝在海上，風力機組及葉片要受到各種氣候環境的影響。它應具有耐酸、堿、水汽的性能。[-page-]
    樹脂基體的選擇也很重要。聚酯樹脂價格低廉，成型工藝性好，但性能一般，環氧樹脂則剛好相反，性能較優但價格較高且工藝操作性不好，所以目前成本和性能等介于二者之間的乙烯基樹脂被一些葉片制造商大量采用。
3.2 復合材料風機葉片的幾種制造工藝
3.2.1 空腹薄壁填充泡沫結構合模工藝    這種結構形式的葉片在國內使用極為普遍，它由玻璃鋼殼和泡沫芯材組成，它的成型方法比較簡單，主要有兩種，一種是預發泡沫芯后整體成型，另一種是先成型兩個半殼，粘接后再填充泡沫。它的特點是抗失穩和抗局部變形能力較強，成型時采用上下對模、螺栓或液壓等機械加壓成型，對模具的剛度和強度要求高。這種方法只在小型葉片生產中采用。
大中型葉片宜采用兩半殼膠合工藝，采取空腹薄壁結構，成型方式主要有兩種，兩半殼膠合與真空袋壓整體成型。安裝在福建平潭的風電站，由比利時政府資助，HMZ公司生產的4臺200kW風力機就采用了空腹薄壁結構葉片。一般真空袋壓成型僅限于較小的葉片。
3.2.2 真空灌注工藝
    采用真空灌注工藝制備風力發電轉子葉片時，首先把增強材料鋪覆在涂敷有脫膜劑的模具上，增強材料的外形和鋪層數根據葉片設計確定，在先進的現代化工廠，采用專用的鋪放機進行鋪層，然后用真空輔助浸滲技術注入基體樹脂，真空可以保證樹脂能很好地充滿到增強材料的每一層和模具的每一個角落。
    真空灌注工藝適用于大型葉片的生產和大批量的生產，真空灌注工藝被認為效率高、成本低、質量好．因此被很多生產單位所采用。
3.2.3 拉擠工藝
    在垂直軸風力發電機組中，葉片為魚骨型不變截面，且不需考慮轉子動平衡問題，可采用拉擠工藝生產。用拉擠成型工藝生產復合材料葉片可實現工業化連續生產，產品無需后期修整，質量一致，無需檢測動平衡，成品率95 %，用拉擠成型工藝方法生產復合材料葉片與其他成型工藝方法生產的復合材料葉片相比，成本可降低40%，銷售價格降低50%。拉擠工藝對材料的配方和拉制工藝過程要求非常嚴格，國際上目前只能拉擠出600~700mm寬的葉片，用于千瓦級風力發電機上。我國目前已研制成功用于兆瓦級垂直軸風力發電機的葉片，截面尺寸為1400 x 252mm，壁厚6mm，長度為80~120m,屬于薄壁中空超大型型材。
3.2.4 纏繞工藝
    美國生產的WTS-4型風力機葉片即采用了這種方法，單片葉片長度達39m，重13t，其生產過程是完全自動化的。由計算機控制的纏繞設備非常復雜，它有五種功能，即移動臺架、轉動芯軸、伸縮工作臂、升降桿臂以及變動纏繞角。國外大型風機葉片大多采用復合材料D型主梁或O型主梁與復合材料殼體組合的結構形式。該種結構的大型葉片一般采用分別纏繞成型D型或O型主梁、真空灌注成型殼體．然后靠膠接組合成整體的工藝方法。
3.3 復合材料風機葉片結構設計[-page-]
    在復合材料葉片結構設計方面，首先在進行葉片構造設計，而葉片根端連接形式與葉片剖面形式是構造設計的重點。
    葉片與輪毅連接，使葉片成懸臂梁形式。作用在葉片上的載荷通過葉片根端連接傳到輪毅上，因此葉根的載荷大。葉片上的載荷是通過根部結構的剪切力，擠壓力或玻璃鋼復合材料與金屬的膠結傳遞到輪毅上的，而玻璃鋼復合材料的這些強度均低于其拉彎強度，因而葉片的根部是危險的部位。設計時應予重視。大型風電葉片根端形式主要有金屬法蘭、預埋金屬桿、T型螺栓等連接方式。國內自主開發的大型風電葉片大多采用預埋金屬桿根端形式，金屬預埋稈與殼體的結合是關鍵，為確保根端結構的安全可靠．需進行金屬桿與玻璃鋼復合材料可貼結合強度的模擬實驗。
   葉片剖面基本上采用蒙皮加主梁的構造形式。主梁可采用整體箱型梁形式，也可以用雙槽鋼形式或加強肋結構。在后緣空腹處，采用夾層結構。葉片上大部分彎曲載荷都由主梁承擔，蒙皮起氣動外形作用，并可承擔部分載荷。這種剖面構造可減輕葉片重量，提高葉片的強度與剛度，避免葉片由彎曲產生的局部失穩。葉片蒙皮通常采用雙向織物增強的層板結構，也有采用夾層以提高蒙皮的強度和剛度。主梁則用單向程度較高的織物增強，以提高強度與剛度。夾芯材料可采用PVC泡沫。PVC泡沫有較高的剪切模量，組成的加成結構有良好的剛度特性。
    為了加快葉片的生產效率，葉片在生產過程中一般是將整只葉片分為葉片蒙皮、主梁、翻邊角、葉根、粘接角、粗紗帶等各個部件，其中主梁、翻邊角、葉根、粘接角、粗紗帶都由專用模具進行制作。將各個部件制好后，在主模具上進行膠接組裝在一起，合模后加壓固化后制成一只整體葉片。其中使用的粘接劑是葉片的重要結構材料，直接關系到葉片的剛度和強度。粘接劑要求具有較強的強度和良好的韌性，且要有良好的操作工藝性，比如不坍塌性，低溫固化等特性。[-page-]
4復合材料風機葉片的發展趨勢
    隨著風機葉片的發展，葉片長度的不斷增大，玻璃纖維在某些條件下已經不能完全滿足其要求，碳纖維具有優異的性能，雖然其價格非常昂貴，但其制成的復合材料的剛度是玻璃纖維的數倍，而且碳纖維的引入可在很大程度上減輕葉片的重量，從而可整體降低風力發電機組的成本，就可以抵消由于引入碳纖維而帶來的過高的成本。
    風機葉片的產量逐年增加，需要考慮以后退役葉片的回收處理問題。目前使用的復合材料風機葉片大多數是采用熱固性樹脂制造的，廢棄的葉片的回收和處理主要通過物理粉碎、化學分解、生物降解等方法，但是難以回收再利用。我國對廢棄物的處理主要采取填埋和焚燒，這種方法更加會破壞土壤，污染環境。針對這一情況，發展趨勢是對葉片的基體材料進行改進，如采用生物質材料，采用木材與樹脂復合，通過積層制作葉片。這種方法減少了樹脂的用量，但是還是使用熱固性樹脂。根本的方法是發展可回收利用的熱塑性復合材料風機葉片。據稱，這種葉片退役后，每套葉片回收的材料平均可達到19t，這是一個史無前例的數據。但在更大尺寸葉片的制造上，這種熱塑性樹脂目前的性能可能還不理想，尚需要時間驗證。

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