三種復合材料風機葉片的應用進展

    風電機在惡劣的環境中長期不停運轉，不僅要承受強大的風載荷，還要經受氣體沖刷、砂石粒子沖擊，以及強烈的紫外線照射等外界侵蝕。葉片的材料越輕、強度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強，葉片就可以做得越大，它的捕風能力也就越強。因此，輕質高強、耐蝕性好、具有可設計性的復合材料是目前大型風機葉片的選材料。
　　風力發電機組在惡劣的環境中長期不停運轉，不僅要承受強大的風載荷，還要經受氣體沖刷、砂石粒子沖擊，以及強烈的紫外線照射等外界侵蝕。在風力發電初期，由于發電機功率小，所需的葉片尺寸也小，其質量分布的均勻性對發電機和塔座的影響并不明顯。葉片的類型主要有木制葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金等弦長擠壓成型葉片等。隨著風力發電功率的不斷提高，安裝發電機的塔座和捕捉風能的葉片也越做越大，葉片的重量也越來越大，對葉片的要求也越來越高：重量輕且分布均勻，外形尺寸精度控制準確；具有佳的疲勞強度和機械性能，能經受暴風等極端惡劣條件和隨機負荷的考驗；葉片旋轉時的振動頻率特性曲線正常，傳遞給整個發電系統的負荷穩定性好；耐腐蝕、抗紫外線照射和抗雷擊的性能好；發電成本較低，維護費用低。葉片的材料越輕、強度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強，葉片就可以做得越大，它的捕風能力也就越強。因此，輕質高強、耐蝕性好、具有可設計性的復合材料是目前大型風機葉片的選材料。

　　1、玻璃纖維復合材料風機葉片
　　玻璃纖維增強聚酯樹脂和玻璃纖維增強環氧樹脂是目前制造風機葉片的主要材料，E-玻纖則是主要的增強材料。美國的研究表明，采用射電頻率等離子體沉積去涂覆E-玻纖，可降低纖維間的微振磨損，其耐拉伸疲勞強度就可以達到碳纖維的水平。為了更好的發揮E-玻纖，在結構中的強度和剛度作用，使其能與樹脂進行良好匹配，目前已經開發了單軸向、雙軸向、三軸向、四軸向甚至三維立體結構設計得到更好的體現。但是，E-玻纖密度較大，隨著葉片長度的增加，葉片的質量也越來越重，如圖所示，完全依靠玻璃纖維復合材料作為葉片的材料已經逐漸不能滿足葉片發展的需要。例如，采用玻璃纖維增強聚酯樹脂作為葉片用復合材料，當葉片長度為19m時，其質量為1.8t；長度增加到34m時，葉片質量為5.8t；如葉片長度達到52m時，則其質量高達21t。葉片越重，對風電機和塔座要求就越高，同時也影響到發電機組的性能和效率，因此，需要尋找更好材料以適應大型葉片發展的要求。
　　2、碳纖維復合材料風機葉片

　　作為提高風能利用率和發電效益的有效途徑，風力機單機容量不斷向大型化發展，兆瓦級風力機已經成為風電市場的主流產品。目前，歐洲3.6MW機組已批量安裝，4.2MW、4.5MW和5MW機組也已安裝運行；美國已經成功研制7MW風力機；英國正在研制10MW的巨型風力機。風電機組沿著增大單機容量和提高風能轉換效率的方向發展，對葉片提出了更高的要求，葉片長度的增加使得碳纖維在風力發電上的應用不斷擴大，研究表明，碳纖維(CF)復合材料葉片的剛度是玻璃纖維復合材料葉片的2~3倍，大型葉片采用碳纖維作為增強材料更能充分發揮其輕質高強的優點。丹麥Vestas的V-90型風力機容量為3.0MW，葉片長44m，其樣品試驗采用了碳纖維制造；西班牙Gamesa在其直徑為90m葉輪的葉片制造中使用了碳纖維；丹麥MEG-Micon正在制造碳纖維增強環氧樹脂的40m葉片。碳纖維的性能優于玻璃纖維葉片，同樣長度的碳纖維葉片比玻璃纖維葉片輕很多，如圖所示，但由于其價格昂貴，限制了它在風力發電上的大規模應用。因此，各大復合材料公司正在從原材料、工藝技術、質量控制等各方面進行深入研究，以求降低成本。美國Zoltek公司生產的PANEX33（48K）大絲素碳纖維具有良好的抗疲勞性能，可使葉片質量減輕40%，葉片成本降低14%，并使整個風力發電裝置成本降低4.5%?，F在碳纖維軸已廣泛應用于轉動葉片根部，因為制動時比相應的鋼軸要輕得多，但在發展更大功率風力發電裝置和更長轉子葉片時，采用性能更好的碳纖維復合材料勢在必行。
　　3、碳纖維、輕木、玻璃纖維混雜復合材料風機葉片
　　由于碳纖維的價格是玻璃纖維的10倍左右，目前葉片增強材料仍以玻璃纖維為主。在制造大型葉片時，采用玻纖、輕木和PVC相結合的方法可以在保證剛度和強度的同時減輕葉片的質量。中材科技風電葉片股份有限公司研制的40m、1.5MW葉片的質量只有6t，在滿足強度的情況下，質量大大降低。LM公司在《2004去碳纖維展望》的報告中指出：在風力機葉片中采用碳纖維，應注意它和玻璃纖維混合時所增加的重量；其進一步開發的以玻璃鋼為主的61m大型葉片，只在橫梁和葉片端部選用少量碳纖維，以配套5MW的風力機。結構工程師認為，當葉片長度增加時，質量的增加要高于能量的取得，因此碳纖維或碳/?；祀s增強的方案，葉片可減重20~30%。德國Nodex公司為海上5MW風電機組配套研制的碳/玻混雜風機葉片長達56m，同時，Nodex公司還開發了43m（9.6t）碳/玻葉片，可用于陸上2.5MW機組。目前，碳纖維/玻璃纖維與輕木/PVC混雜使用制造復合材料葉片已被各大葉片公司所采用，輕木/PVC作為夾芯材料，不僅增加了葉片的結構剛度和承受載荷的能力，而且還大程度地減輕了葉片的質量，為葉片向長且輕的方向發展提供了有利的條件。