復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用

【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；葉片 

引言 

隨著世界性能源危機(jī)的日益加劇和公眾對于改善生態(tài)環(huán)境的呼聲不斷高漲，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔的可再生能源在全球范圍內(nèi)迅猛發(fā)展。各國都加快了對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研發(fā)，不斷推出新的材料和技術(shù)。目前國內(nèi)的主流風(fēng)機(jī)是1500kw，正在開發(fā)2000kw、3000 kw、5000kw的風(fēng)機(jī)。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量的增加和葉片長度的增大，對葉片的制造技術(shù)和材料提出了更高的要求。不斷發(fā)展的技術(shù)和市場開發(fā)使得風(fēng)力發(fā)電從復(fù)合材料的邊緣應(yīng)用變成全球復(fù)合材料最廣泛的應(yīng)用之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電的核心技術(shù)，由于對葉片的外形、精度、表面粗糙度、強(qiáng)度和剛度的要求很高，使得葉片技術(shù)成為制約風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展的瓶頸。旺盛的市場需求促進(jìn)了風(fēng)電葉片材料的研發(fā)和應(yīng)用。 

1、葉片主要原材料 

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的應(yīng)用材料已經(jīng)由木質(zhì)、帆布等發(fā)展為復(fù)合材料。復(fù)合材料是以某種材料為基體，另一種材料為增強(qiáng)體組成的材料。在性能上各種材料取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料，可以滿足各種不同的要求。合理選擇基體和增強(qiáng)體的材料，并充分考慮兩者之間的相互作用是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片選擇材料的關(guān)鍵。當(dāng)前，我國風(fēng)機(jī)葉片的主要原材料是樹脂和增強(qiáng)材料。 

1.1樹脂 

不飽和聚酯樹脂具有工藝性良好、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在中小型風(fēng)機(jī)葉片的生產(chǎn)中占有絕對優(yōu)勢，但它也存在固化時收縮率大、放熱劇烈和成型時會有一定的氣味和毒性等缺點(diǎn)。環(huán)氧樹脂具有良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和尺寸穩(wěn)定性，是目前大型風(fēng)電葉片的首要選擇，但它的成本較高，阻礙了它的廣泛應(yīng)用。乙烯基樹脂的性能介于兩種樹脂之間，目前在大型風(fēng)電葉片中的應(yīng)用較少，但隨著生產(chǎn)廠家對成本的要求越來越高，乙烯基樹脂可能會成為兆瓦級風(fēng)電葉片的材料。 

1.2葉片用增強(qiáng)材料 

（1）玻璃纖維 

玻璃纖維是一種性能優(yōu)越的無機(jī)非金屬材料，它具有很好的柔軟性、絕緣性和保溫性且強(qiáng)度高，是復(fù)合材料中常用的一種增強(qiáng)材料，和樹脂組成復(fù)合材料后可以成為良好的結(jié)構(gòu)用材。目前，制造風(fēng)電葉片的主要材料就是玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂和玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂。玻璃纖維可分為不同的級別和類型，e級玻璃纖維的使用最為普遍，也是風(fēng)電機(jī)葉片的主流增強(qiáng)材料。但是e級玻璃纖維體積質(zhì)量較大，影響葉片速度的提高。 

（2）碳纖維 

碳纖維是指含碳量高于90%的無機(jī)高分子纖維。碳纖維不僅具有碳材料的固有特性，還具備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。碳纖維具有很多優(yōu)點(diǎn)，它的軸向強(qiáng)度和模量都很好高，無蠕變，導(dǎo)電性介于金屬和非金屬之間，耐疲勞性好，耐腐蝕性能好，熱膨脹系數(shù)小，纖維的體積質(zhì)量低。碳纖維復(fù)合材料使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率更平滑、均衡，提高了風(fēng)能利用效率。相對于傳統(tǒng)的玻璃纖維，同樣長度的碳纖維葉片比玻璃纖維葉片質(zhì)量要輕得多，并且碳纖維復(fù)合材料葉片的剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的2倍～3倍。隨著風(fēng)機(jī)葉片長度的增加，將碳纖維作為增強(qiáng)材料應(yīng)用于風(fēng)電葉片更能發(fā)揮其質(zhì)量低、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，但由于價格比較高，限制了它的大規(guī)模應(yīng)用。 

（3）碳纖維和玻璃纖維混雜材料 

隨著風(fēng)電葉片長度的增加和對其剛度要求的提高，同時考慮到玻璃纖維和碳纖維之間的價格差異，因此采用碳纖維和玻璃纖維混雜材料的方法既能減輕葉片質(zhì)量，提高葉片強(qiáng)度、剛度和抗疲勞能力，又能使葉片價格不至于太高。實踐證明，當(dāng)風(fēng)電葉片長度大于40m時，可以采用碳纖維和玻璃纖維混雜材料。 

2、復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片制造工藝 

2.1濕法手糊成型 

濕法手糊成型法是手工將增強(qiáng)材料浸膠一層一層地緊貼在模具上，再真空壓實浸膠。這種方法生產(chǎn)效率低，而且在制造過程中會產(chǎn)生有害物質(zhì)，造成環(huán)境污染，所以只適合小批量、質(zhì)量要求不高的風(fēng)機(jī)葉片的生產(chǎn)。 

2.2預(yù)浸料成型 

預(yù)浸料成型方法是首先按要求的鋪層順序?qū)㈩A(yù)浸料鋪放在模具內(nèi)，然后用真空袋將沒有成型的制件密封，抽成真空，排除其中的氣體和揮發(fā)成分，按最佳的固化工藝參數(shù)在熱壓罐內(nèi)固化成型。預(yù)浸料成型法可以提高葉片綜合性能，使葉片厚度均勻、空隙率低，表面光滑平整。美國通用電氣公司和丹麥維斯塔斯集團(tuán)對于40m以上的風(fēng)機(jī)葉片使用這種成型方法[1]。 

2.3真空導(dǎo)入成型 

真空導(dǎo)入成型法是目前生產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片的主導(dǎo)工藝，它是先將纖維等增強(qiáng)材料鋪放在模腔里進(jìn)行抽真空作業(yè)，同時，在真空壓力的作用下將樹脂基體導(dǎo)入模腔來浸漬增強(qiáng)材料。真空導(dǎo)人工藝是密閉成型的，具有污染小、生產(chǎn)的葉片質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，有助于提高產(chǎn)品的性能、降低生產(chǎn)成本。 

3、結(jié)語 

目前國外風(fēng)電葉片廣泛采用復(fù)合材料，并向大型化、低成本、高性能、輕量化、柔性化的方向發(fā)展，中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展也非常迅速，生產(chǎn)技術(shù)也日趨成熟，逐步形成多個國產(chǎn)自主品牌。隨著風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)機(jī)容量不斷增加，新材料的廣泛應(yīng)用，為風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計產(chǎn)生提供更大的空間。 

參考文獻(xiàn) 

[1]高克強(qiáng),薛忠民,陳淳,邱桂杰.復(fù)合材料風(fēng)電葉片技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[j].新材料產(chǎn)業(yè),2010(12):4-7.