風力發電機組風輪葉片材料的使用方向

　　風力發電是新能源中開發較早、應用廣、技術成熟的可再生清潔能源。個發電風場1891年建立于丹麥，隨著風力發電技術的成熟、制造成本的不斷下降，發電成本也逐年下降，加上各國政府的政策扶植，自上世紀70年代石油危機以來，風能資源的開發利用逐步得到發展。隨著科學技術的進步，風力發電從可再生清潔能源中脫穎而出，成為工業開發具價值的一種新能源，風電正以迅猛的速度發展。1994～ 2000年，全風電裝機容量年平均增長率為31％。
　　葉片是風力發電機組中的關鍵部件，需要良好的設計、可靠的質量和優越的性能。惡劣的環境對葉片的要求有：很好的剛度、佳的疲勞強度和機械性能，能經受暴風等極端惡劣條件的考驗，具有好的耐腐蝕、耐紫外線和耐雷擊的性能；發電成本較低，維護費用低。
葉片一般是采用梁殼結構，夾心結構的肋梁，內填泡沫塑料外覆玻璃鋼蒙皮的殼體結構形式。葉片的縱梁從葉根至葉尖的截面逐漸變小，以滿足扭曲葉片的要求并減輕葉片重量，即做成等強度梁。
　　風力發電機組葉片使用的材料根據葉片長度不同而選用不同的復合材料，目前普遍采用的是玻璃纖維增強聚酯樹脂、玻璃纖維增強乙烯基樹脂、玻璃纖維增強環氧樹脂和碳纖維增強環氧樹脂。
　　在發電機功率確定的條件下，如何提高發電效率，以獲得大的風能，一直是風力發電追求的目標，而風能的利用與葉片的形狀、長度和面積有著密切的關系，葉片的大小則主要依賴于制造葉片的材料。葉片的材料越輕、強度和剛度越高，葉片有效利用載荷的能力就越強，葉片就可以做得更大，它的風能利用能力也就越強。因此，輕質高強、耐久性好的復合材料是目前大型風力發電葉片的選材料。
　　在復合材料風力發電葉片的研究開發過程中，德國、丹麥等風能資源利用較好的，針對大型葉片的材料體系、外形設計、結構設計、制造工藝等方面作了大量的研究開發工作，并取得了豐碩的成果。可以針對不同的地區風力發電的需要，選擇佳的設計方案和制造技術，生產適合不同需求的復合材料風力發電葉片。
　　目前商業化風力發電所用的電機容量一般為1.5～ 2.0 MW，與之配套的復合材料葉片長度為30～ 40米。現今上大的風力發電機的裝機容量為5 MW，旋轉直徑可達126米。這是材料、結構和工藝三者完美結合的成功地體現。
　　在風力發電的初期階段，由于發電機的功率較小，需要的復合材料葉片尺寸也比較小，葉片質量分布的均勻性對發電機和塔座的影響不十分顯現；而且，當時人們對開模成型工藝時苯乙烯揮發給大氣環境造成的污染，對操作人員造成的身體危害并未引起足夠的認識。因此，初的小型復合材料葉片制造基本采用簡單易行的手糊成型工藝。隨著風力發電機功率的不斷提高，安裝發電機的塔座和捕捉風能的復合材料葉片做的越來越大。
　　為了保證風力發電機運行平穩，要求葉片的質量輕，而且也要求葉片的質量分布均勻、外形尺寸準確。葉片的制造模具是保證以上要求的基礎。大型葉片的外形尺寸與其模具制造有著極其密切的關系。為了保證復合材料葉片外形和尺寸精度，葉片長度越長，對模具剛度和強度的要求就越高，模具的重量和成本也會大幅度地提高。為了降低模具成本，減輕模具重量，大型葉片的模具制造也發生了很大的變化，由金屬模具向復合材料模具轉變。另外，模具制造的材料與葉片采用了相同的材料，模具材料的熱膨脹系數與葉片材料基本相同，制造出的葉片的精度和尺寸得到了保證。
　　另外，生產工藝也發生了質的變化。由初的手糊成型向著濕法鋪放工藝的轉變，逐漸過渡到國內現在廣泛使用的增強材料的現場浸漬和預先浸漬。現在國際上先進的生產工藝是所說的干法成型（也稱為閉模成型），即按照設計鋪層進行層鋪，然后密封型腔，進行抽真空注射成型。真空注射成型不僅樹脂含量容易控制，還保證了復合材料葉片的質量均勻分布，而且增強材料鋪設準確，基體樹脂在真空壓力的作用下，可以更完全的浸漬增強材料，能有效地發揮增強材料的性能，提高復合材料的承載能力。
　　增強材料在大型葉片的制造中也發生了大的變化，由傳統的玻璃纖維機織物做骨架，改由用多軸向經編織物。多軸向經編織物因為沒有了織造過程中的纖維彎曲變形，具有很好的強度保持率，同樣的纖維含量可以得到更高的強度?？梢源蟠鬁p輕重量，有較低的生產成本、較高的生產效率。
　　通常使用的多軸向經編織物為-45 °、90 °、+45°和 0°，可以按用途任意變化，使得材料具有一定的各向異性，即材料只在受力點和受力方向上得到增強。多軸向織物是一種多層織物。纖維鋪設在面內不同方向以及沿厚度方向，形成由纖維束構成的三維網絡整體結構。
    多軸向經編織物的特點在于整體性能好、設計靈活、拉伸性能和抗撕裂性能好，特別是沿厚度方向紗線的增強，大大提高了層間性能，克服了傳統層合板層間性能差的弱點?？椢锩鎯热我夥较蛏系睦鞆姸群屠炷Ａ靠梢酝ㄟ^縫編紗形成面內拉伸各向同性或各向異性。
　　另外，葉片的尺寸增大可以改善風力發電的經濟性，降低成本。葉片長度從10多年前的7.5m發展到今天的61m，葉片長度不斷增加，增強材料的快速發展做出了很大的貢獻，輕質高強度的玻璃纖維/碳纖維混雜增強結構材料會有到很大的利用空間。使用碳纖維作為增強材料，不僅可以提高葉片的承載能力，由于碳纖維具有導電性，也可以有效地避免雷擊對葉片造成損傷。
　　葉片的設計和采用的材料決定風力發電葉片的性能和功率，也決定風力發電機組的價格。因此，葉片材料的選擇、制造工藝優化對風力發電裝置十分重要。
　　環境保護在工業生產中越來越受到各國政府的重視，復合材料制造過程中苯乙烯等有機溶劑的揮發對環境和操作人員產生的不良影響更是越來越引起人們的重視，各國對生產過程中產生的有害揮發物有了明確的限制規定?？梢哉f，是環保的要求促進了生產工藝的發展，開模工藝向閉模工藝的改進，可以大幅度的減少苯乙烯等有機溶劑的揮發對環境和人體的危害，改善了生產環境，保護了大氣環境。
　　目前的復合材料葉片屬于熱固性復合材料，一般很難自然降解。生產中產生的邊角余料等廢棄物屬于危險廢棄物，一般的處理方式采用填埋或者燃燒等方法處理，不可以重新利用。日益突出的復合材料廢棄物對環境造成的危害和巨大費用，促使各生產廠家開始研究廢棄物的回收和再利用技術。目前，將復合材料廢棄物進行粉碎后作為填料使用，是值得研究的方向。其余不可以粉碎的廢棄物進行燃燒處理，可以利用其熱能。葉片的設計使用壽命一般為20年，10幾年后退役復合材料葉片的處理是個艱巨的任務，退役葉片造成的廢棄物是數量驚人的，回收和再利用可能產生一個新興行業，積極研究開發新型復合材料葉片――“綠色葉片”是今后發展的的重要任務。