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1引言
隨著煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)化石能源耗盡時間表的日益臨近，風(fēng)能的開發(fā)和利用越來越得到人們的重視，已成為能源領(lǐng)域具商業(yè)推廣前景的項(xiàng)目之一，目前在國內(nèi)外發(fā)展迅速。2005年冬到2006年春的用電缺口達(dá)到了1500萬kW，電力增長仍有極大的潛力。而與之對應(yīng)的現(xiàn)階段我國的電力構(gòu)成中，風(fēng)力發(fā)電僅占1%左右[1]，風(fēng)力的開發(fā)和利用仍有很大的空間，幾乎每個省份都有在建或擬建的風(fēng)電項(xiàng)目[2]。據(jù)國外媒體報道，為取代“911”恐怖襲擊中倒塌的世貿(mào)雙子塔樓而設(shè)計(jì)的1776英尺高的“自由塔”的樓頂也將設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)力發(fā)電在當(dāng)今之熱門程度由此可見。
商業(yè)通信公司預(yù)測，今后若干年內(nèi)大型風(fēng)力機(jī)市場將會以年20%左右的速率增長，的增長速率可能會更快。據(jù)估計(jì)，2006~2010年之間，我國風(fēng)電葉片的需求量大約在7000多片，2011~2020年的需求量則將達(dá)到驚人的50000片[3]。巨大的市場前景使得目前風(fēng)機(jī)行業(yè)的競爭空前激烈。整機(jī)方面，目前國際市場格局已初步成型。2005年超過75%的市場份額被丹麥Vestas、西班牙Gamesa、德國Enercon和美國GE WIND四家企業(yè)占據(jù)，新進(jìn)入企業(yè)的生存空間不大；國內(nèi)的整機(jī)生產(chǎn)企業(yè)中，新疆金風(fēng)、浙江運(yùn)達(dá)、大連重工集團(tuán)、東方汽輪機(jī)廠等幾家的市場前景被業(yè)界看好，這其中又以新疆金風(fēng)科技在國內(nèi)品牌中的市場份額大。葉片市場的情況與整機(jī)基本類似，單是丹麥LM Glasfiber公司一家就占據(jù)了國際市場40％以上的份額，其產(chǎn)品被GE WIND、西門子（原丹麥BONUS）、SUZLON、Repower、Nordex等公司全部或部分采用[4]；另外Vestas和Enercon公司也擁有各自的葉片生產(chǎn)部門。國內(nèi)的葉片生產(chǎn)企業(yè)主要有中航保定惠騰、連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)等。
2復(fù)合材料風(fēng)電葉片的材料體系及制造工藝
復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用主要是轉(zhuǎn)子葉片、機(jī)艙罩和整流罩的制造。相對而言，機(jī)艙罩和整流罩的技術(shù)門檻較低，生產(chǎn)開發(fā)的難度不大。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片則是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計(jì)、材料和工藝決定風(fēng)力發(fā)電裝置的性能和功率。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)興起100多年的歷史里，葉片材料經(jīng)歷了木制葉片、布蒙皮葉片、鋁合金葉片等。隨著聯(lián)網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電進(jìn)入高速發(fā)展時期，傳統(tǒng)材料的葉片在日益大型化的風(fēng)力發(fā)電機(jī)上使用時某些性能已達(dá)不到要求，于是具有高比強(qiáng)度的復(fù)合材料葉片發(fā)展起來。現(xiàn)在，幾乎所有的商業(yè)級葉片均采用復(fù)合材料為主體制造，風(fēng)電葉片已成為復(fù)合材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。
采用復(fù)合材料葉片主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①輕質(zhì)高強(qiáng)，剛度好。眾所周知復(fù)合材料性能具有可設(shè)計(jì)性，可根據(jù)葉片受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)強(qiáng)度與剛度，從而減輕葉片重量；②葉片設(shè)計(jì)壽命按20年計(jì)，則其要經(jīng)受108周次以上的疲勞交變，因此材料的疲勞性能要好。復(fù)合材料缺口敏感性低，內(nèi)阻尼大，抗震性能好，疲勞強(qiáng)度高；③風(fēng)力機(jī)安裝在戶外，近年來又大力發(fā)展海上風(fēng)電場，要受到酸、堿、水汽等各種氣候環(huán)境的影響，復(fù)合材料葉片耐候性好，可滿足使用要求；④維護(hù)方便。復(fù)合材料葉片除了每隔若干年在葉片表面進(jìn)行涂漆等工作外，一般不需要大的維修。
2.1復(fù)合材料葉片的材料體系
風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是一個復(fù)合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)，一般由根部、外殼和加強(qiáng)筋或梁三部分組成，復(fù)合材料在整個風(fēng)電葉片中的重量一般占到90%以上[5]。
復(fù)合材料葉片發(fā)展之初采用的是廉價的玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂體系，直到今天這仍是大部分葉片采用的材料。隨著葉片長度的不斷增大，這種體系在某些場合已不能滿足要求，于是很自然地，性能更優(yōu)異的增強(qiáng)材料―碳纖維進(jìn)入了葉片生產(chǎn)者的視野。文獻(xiàn)[6,7]探討了碳纖維的添加對于復(fù)合材料葉片的影響。一般認(rèn)為，22m以下的葉片采用玻璃纖維，而大于42m的葉片則采用碳纖維或碳玻混雜纖維[8]。樹脂基體方面，聚酯樹脂價格低廉，成型工藝性好，但性能一般，環(huán)氧樹脂則剛好相反，性能較優(yōu)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。
鑒于目前國際上碳纖維價格居高不下，有些人認(rèn)為在葉片生產(chǎn)中采用碳纖維太過昂貴，不應(yīng)采用，實(shí)際上并非如此，一方面由于葉片長度的增加，其對剛度的要求也更加嚴(yán)格，在更大尺寸葉片的制造上，單純的玻璃纖維已不能滿足要求，碳纖維的剛度大約是玻纖的3倍，制成的復(fù)合材料剛度約是玻璃鋼的兩倍，從這個意義上說碳纖維的引入是必要也是必須的；另一方面，由于葉片尺寸的加大，其質(zhì)量也越來越巨大，高性能碳纖維的引入可以在很大程度上實(shí)現(xiàn)葉片的減重，而隨著葉片重量的減輕，旋翼葉殼、傳動軸、平臺及塔罩等也可以輕量化[9]，從而可整體降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的成本，抵消或部分抵消碳纖維引入帶來的成本增加。隨著大型、超大型海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造和陸續(xù)投入運(yùn)行，碳纖維在風(fēng)電葉片上大規(guī)模應(yīng)用的時代已為時不遠(yuǎn)。
2.2復(fù)合材料葉片的制造工藝
現(xiàn)在的葉片成型工藝一般是先在各專用模具上分別成型葉片蒙皮、主梁及其他部件，然后在主模具上把兩個蒙皮、主梁及其它部件膠接組裝在一起，合模加壓固化后制成整體葉片。具體成型工藝又大致可分為七種[10]：①手糊；②真空導(dǎo)入樹脂模塑(VIP)；③樹脂傳遞模塑(RTM)；④西門子樹脂浸漬工藝（SCRIMP）；⑤纖維纏繞工藝（FW）；⑥木纖維環(huán)氧飽和工藝(WEST)；⑦模壓。上述工藝中，①、④、⑤和⑥是開模成型工藝，而②、③和⑦是閉模模塑工藝。
傳統(tǒng)的葉片生產(chǎn)一般采用開模工藝，尤其是手糊方式較多，生產(chǎn)過程中會有大量苯乙烯等揮發(fā)性有毒氣體產(chǎn)生，給操作者和環(huán)境帶來危害；另一方面，隨著葉片尺寸的增加，為保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)和塔架安全，這就必須保證葉片輕且質(zhì)量分布均勻。這就促使葉片生產(chǎn)工藝由開模向閉模發(fā)展。采用閉模工藝，如現(xiàn)在熱門的真空樹脂導(dǎo)入模塑法，不但可大幅度降低成型過程中苯乙烯的揮發(fā)，而且更容易精確控制樹脂含量，從而保證復(fù)合材料葉片質(zhì)量分布的均勻性，并可提高葉片的質(zhì)量穩(wěn)定性。
3當(dāng)前復(fù)合材料葉片生產(chǎn)應(yīng)用中存在的問題及對策
隨著葉片尺寸的不斷增加,其生產(chǎn)和制造過程中產(chǎn)生了一些在以往的中小型葉片生產(chǎn)中未曾碰到過的新問題。
3.1大型模具問題
大型復(fù)合材料葉片的外形尺寸與其制造模具有著極其密切的關(guān)系。為保證復(fù)合材料葉片設(shè)計(jì)外形和尺寸精度，葉片長度越長，成型時對模具剛度和強(qiáng)度的要求就越高，模具的重量和成本也會大幅度提高。為減輕模具重量，降低模具成本，大型復(fù)合材料葉片的制造模具也逐漸由金屬模具向復(fù)合材料模具轉(zhuǎn)變，這也意味著葉片可以做得更長。采用復(fù)合材料模具主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①為達(dá)到佳氣動效果，葉片具有復(fù)雜的氣動外形，在風(fēng)輪的不同半徑處，葉片的弦長、厚度、扭角和翼型都是不同的[11]，如用金屬來制造，要在模具上實(shí)現(xiàn)這些變化，其加工難度很高，實(shí)現(xiàn)代價高昂，采用復(fù)合材料模具可大大降低其工藝難度；②由于模具與葉片采用同質(zhì)的材料，模具的熱膨脹系數(shù)與葉片材料基本相同，故制造出的復(fù)合材料葉片的精度和尺寸穩(wěn)定性均優(yōu)于金屬模具制造的葉片產(chǎn)品；③采用復(fù)合材料模具亦可大大縮短模具的制作周期，提高生產(chǎn)效率。
3.2真空樹脂導(dǎo)入模塑法中的樹脂固化時間問題
真空樹脂導(dǎo)入模塑法(VIP)在眾多葉片成型工藝中的優(yōu)越性逐漸顯現(xiàn)，具有投入少、操作簡單、工作環(huán)境好、制品性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前在葉片制造領(lǐng)域正獲得越來越廣泛地應(yīng)用。傳統(tǒng)VIP工藝中，一般先把樹脂、促進(jìn)劑、固化劑等按比例混合好，然后開始真空吸注。只要控制好促進(jìn)劑和固化劑的用量，這種方法用在一般尺寸的制件上沒有問題。但在制造例如葉片等大尺寸復(fù)合材料構(gòu)件時，由于吸膠注膠的時間較長，如控制不好很容易出現(xiàn)樹脂未注完即凝膠的現(xiàn)象。另外在用膠量較大時，桶中配好的膠液還可能發(fā)生爆聚。為防止此類情況發(fā)生，可考慮設(shè)計(jì)一種樹脂和固化劑的混合裝置，吸注前樹脂和固化劑分別在不同的容器內(nèi)，吸注時樹脂與固化劑實(shí)時混合實(shí)時吸注，從而可避免爆聚和過快凝膠，即增加了生產(chǎn)安全性，同時也節(jié)省了原材料的用量。
3.3葉片的固化問題
在葉片的生產(chǎn)過程中，由于模具尺寸巨大，一般無法采用烘箱等傳統(tǒng)的外部加熱方式對其進(jìn)行升溫固化，生產(chǎn)一般只是在室溫下進(jìn)行，這就造成葉片固化周期較長，難以進(jìn)行較連續(xù)化的生產(chǎn)。解決辦法是葉片在模具上基本成型后即脫模，然后在室外利用光照進(jìn)行后固化處理。當(dāng)前很多企業(yè)采用的都是這種葉片生產(chǎn)方式，如國內(nèi)葉片的領(lǐng)軍企業(yè)中航保定惠騰等。但這種方式也有其先天不足，生產(chǎn)受制于天氣并且制品脫模前存在模具中的時間較長，會影響生產(chǎn)效率。為此，可考慮在模具中內(nèi)置熱源，如鋪設(shè)流體加熱管路或電熱布等，通過內(nèi)置熱源對模具的加熱來實(shí)現(xiàn)葉片的快速固化，從而達(dá)到不受自然條件制約的、可連續(xù)進(jìn)行的生產(chǎn)。而且，由于光照后固化方式受氣候因素制約嚴(yán)重，目前的葉片生產(chǎn)基地多建在光照較充足的北方。采用內(nèi)置熱源的葉片模具后大大放寬了葉片生產(chǎn)對氣候的要求，可以謀求在南方建立葉片生產(chǎn)基地，從而在構(gòu)建起更加合理的葉片產(chǎn)業(yè)格局。
3.4葉片的長途運(yùn)輸問題
目前，上所有風(fēng)電葉片都是采用整體模具生產(chǎn)的，這種模具尺寸、重量巨大，葉片生產(chǎn)只能在生產(chǎn)基地進(jìn)行，于是葉片的運(yùn)輸問題便日益突出起來：一方面，出于安全考慮，各國鐵路、公路管理部門對運(yùn)載貨物的長度、高度等都是有限制的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片和塔架長度在幾十米或更長，機(jī)艙罩一般在三米或更高，塔架下法蘭直徑超過三米，這些都屬于超限范圍；另一方面，我國風(fēng)電場分布非常廣泛，很多位置偏遠(yuǎn)、交通不便，建造風(fēng)電場時大型葉片運(yùn)輸成本非常高昂，有些地區(qū)甚至根本無法送達(dá)。可以說，長途運(yùn)輸問題已經(jīng)越來越成為制約風(fēng)電發(fā)展的一個瓶頸。在這方面，可以考慮采用組合模具來制造葉片，即把風(fēng)電葉片成型模具設(shè)計(jì)成可拆裝、易運(yùn)輸?shù)慕M合模具，通過普通公路或鐵路運(yùn)輸把模具、工裝、重要部件和原材料運(yùn)抵大型風(fēng)電場附近，快速搭建簡易工房，在風(fēng)電場現(xiàn)場進(jìn)行葉片制造；還有一種思路就是采用組合葉片，即把葉片分成幾段來制造，使其尺度在公路運(yùn)輸大許可范圍內(nèi)，運(yùn)送到風(fēng)電場后再進(jìn)行葉片的組裝，但這種構(gòu)想能否在實(shí)踐中應(yīng)用還有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，目前尚未有這方面的報道。
3.5退役葉片的處理問題
風(fēng)力發(fā)電是可持續(xù)的產(chǎn)業(yè)之一，但目前使用的復(fù)合材料葉片則屬于不可回收材料，這已成為復(fù)合材料葉片大的隱憂。采用熱固性樹脂生產(chǎn)的復(fù)合材料葉片，目前的工藝水平難以對其回收再利用，一般的處理僅僅是在露天堆放，隨著風(fēng)電葉片的尺寸越來越大，數(shù)量激增，這些葉片退役后給環(huán)境造成的影響不可忽視，這與我們目前倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的宗旨也是相違背的。
針對這一問題，目前的發(fā)展趨勢：是對葉片的增強(qiáng)材料進(jìn)行改進(jìn)，如采用生物質(zhì)材料，即采用木材與樹脂復(fù)合，通過積層制作葉片。有文獻(xiàn)稱，目前的分級竹篾層積材料比模量已超過玻纖增強(qiáng)的復(fù)合材料，比強(qiáng)度也達(dá)到與其相同的數(shù)量級[12]，但竹篾積層材料雖減少了樹脂用量，仍需要使用熱固性樹脂，只能治標(biāo)而不能治本。徹底的解決方式還是發(fā)展可回收利用的熱塑性復(fù)合材料葉片，這方面的研究目前也取得了一定成果。愛爾蘭Gaoth Tec Teo公司、日本三菱重工、美國Cyclics公司簽署了合作協(xié)議開發(fā)熱塑性復(fù)合材料葉片，并已采用玻璃纖維增強(qiáng)Cyclics公司的低粘度熱塑性CBT®樹脂制造出上12.6m可循環(huán)利用風(fēng)電葉片。據(jù)稱，這種葉片退役后，每套葉片回收的材料平均可達(dá)到19t，這是一個史無前例的數(shù)據(jù)。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是很理想[13]。據(jù)稱，目前上述幾家公司正在研制30米以上的葉片。這種“綠色葉片”究竟能否在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用還有待時間來驗(yàn)證。
3.6其他問題
目前總體上看風(fēng)力發(fā)電的形勢一片大好，但也有反對的聲音存在，如有的動物保護(hù)主義者認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)會危及一些動物的生存，也有人認(rèn)為風(fēng)力發(fā)電存在噪聲污染并影響景觀，另外雖然目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)以每年3~5％的速度在降價，但我國風(fēng)力發(fā)電的上網(wǎng)電價仍然偏高[14]。應(yīng)該指出的是，任何一種技術(shù)都不是完美無缺的，都可能存在瑕疵。作為一項(xiàng)可惠及子孫的事業(yè)，風(fēng)力發(fā)電總體上來說是利大于弊的。在這個問題上，一方面政府需要加大宣傳力度，糾正公眾對風(fēng)力發(fā)電若干問題的看法；另一方面政府也可考慮在政策上增加對風(fēng)電的扶持和指導(dǎo)，提高風(fēng)電的價格競爭力，以實(shí)現(xiàn)我國風(fēng)電事業(yè)又好又快的發(fā)展。
4總結(jié)與展望
風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展依賴于生產(chǎn)制造大量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)離不開葉片，而制造葉片則需要復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的支撐。對我國的復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)來說，風(fēng)力發(fā)電是一個難得的機(jī)遇。選擇佳的材料體系和制造工藝，制造出質(zhì)量上乘的復(fù)合材料葉片，滿足快速發(fā)展的風(fēng)力發(fā)電的需求，這是我們追求的目標(biāo)。目前來看，內(nèi)置熱源的大型復(fù)合材料組合模具、改進(jìn)的真空導(dǎo)入樹脂模塑工藝以及可回收利用的熱塑性葉片樹脂基體等新設(shè)想、新工藝可能在今后會發(fā)展成為引領(lǐng)風(fēng)電葉片研究和制造的新熱點(diǎn)。
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