风力发电复合材料叶片的研究进展_周红丽

风力发电复合材料叶片的研究进展＊周红丽１，王　红１，罗　振２，刘进荣１，汤扬阁１（１　内蒙古工业大学化工学院，呼和浩特０１００５１；２　内蒙古工大博远风电装备制造有限责任公司，呼和浩特０１００５１）摘要 综述了现有复合材料风电叶片的外形设计、成型工艺、叶片增强材料体系的研究进展，介绍了碳纤维与玻璃纤维混杂复合材料在风机叶片中的应用和目前存在的问题。

碳纤维复合材料叶片设计与制造技术为风力发电机组单机容量的大型化发展提供了有力的技术基础与保障，具有非常良好的研究应用前景。

关键词 风力发电　风机叶片　碳纤维　复合材料中图分类号：ＴＱ３４２．７；ＴＫ８１ 文献标识码：ＡＲｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｎ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　ＢｌａｄｅＺＨＯＵ　Ｈｏｎｇｌｉ　１，ＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇ１，ＬＵＯ　Ｚｈｅｎ２，ＬＩＵ　Ｊｉｎｒｏｎｇ１，ＴＡＮＧ　Ｙａｎｇｇｅ１（１　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｏｈｈｏｔ　０１００５１；２　Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｇｏｎｇ　Ｄａ　Ｂｏ　ＹｕａｎＷｉｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｈｏｈｈｏｔ　０１００５１）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｗｉｎｄ－ｐｏｗｅｒ　ｂｌａｄｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｐｐｅａｒａｎｃｅ　ｄｅｓｉｇｎ，ｍｏｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｌｅａｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｉｓ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ　ｗｉｔｈ　ｇｌａｓｓ　ｆｉｂｅｒ　ｍｉｘｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆａｎ　ｂｌａｄｅ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｔ　ｌａｓｔ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｄｅ－ｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｃａｒｂｏｎ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｂｌａｄｅｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｌｓｏ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ａｒｅ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ．Ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｕｎｉｔ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ　ａｒｅ　ｇｅｔｔｉｎｇ　ｔｏ　ａ　ｔｅｎｄｅｎｃｙ　ｏｆ　ｇｒｅａｔ　ｓｉｚｅ，ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｂａｓｅ　ａｎｄｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｉｓ　ｏｆｆｅｒｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ，ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅ，ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　＊内蒙科技厅专项引导基金（２１０６６００７）；呼和浩特市科技计划项目重大专项项目（２００９－重大专项－２８）；内蒙古工业大学校科学研究基金重点项目（ＺＤ２００９０８）　周红丽：女，１９８４年生，硕士，主要研究方向为风机叶片成型工艺研究　王红：通讯作者　Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｏｎｇｗａｎｇ３９６＠１２６．ｃｏｍ 风能作为一种绿色环保型能源是可再生能源中最具开发潜力的能源之一。

风机叶片是风力发电系统的关键动部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素，是风力发电机获得较高风能利用系数和较大经济效益的基础。

叶片要在恶劣环境下长周期运行，随着风电机组的大型化发展，如何减小叶片的密度，如何具有最佳的抗疲劳强度和机械性能，成为当前风机叶片领域研究的热点。

大型叶片可以改善风力发电的经济性。

但是随着叶片长度的增加，叶片质量的增加速度要快于能量的提取速度［１］，同时对增强材料的强度和刚度性能提出了更高的要求。

现代大型风机叶片基本上都由各种纤维增强树脂基复合材料制成，气动设计和翼型结构会影响风力机性能与发电效率，增强材料和树脂基体等关键原材料的力学性能、抗疲劳和耐气候等特性，成型工艺的选择决定叶片的承载能力、运行稳定性、长期使用寿命和每千瓦时电量的成本［２］。

１　风力发电叶片的研究进展随着现代风力发电叶片技术的快速发展和日趋成熟，风力发电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦质量、提高转换效率的方向发展。

２０世纪８０年代早期至中期，典型的风电机组单机容量仅为０．０２～０．０６ＭＷ；从８０年代末至９０年代初，风电机组单机容量从０．１ＭＷ增至０．５ＭＷ；到９０年代中期，典型的风电机组单机容量为０．７５～１ＭＷ；到９０年代末期，风电机组单机容量已经达到２．５ＭＷ；目前世界上最大单机容量为５ＭＷ，平均单机容量为１ＭＷ［３］。

随着风电机组单机容量的增大，叶片的外形尺寸趋于大型化。

目前，世界上最长的风机叶片达６１．５ｍ，由全球风力发电最大制造商ＬＭ　ＧＬＡＳＦＩＢＥＲ公司生产。

由于风机叶片的尺寸增大，因此对翼型设计、材料的选择以及成型工艺提出了更高的要求。

风力发电叶片涉及气动、复合材料结构、工艺等领域，目前国内外的研究主要从叶片结构、成型工艺、铺层设计和应用于叶片的新型复合材料的开发等方面展开，主要研究内容包括叶片气动外形与叶片结构的优化设计、不同材料的叶片成型工艺技术等［４－６］。

１．１　风力发电叶片的设计叶片的设计包括气动外形设计和结构设计。

叶片的形状及气动性能直接影响到风力发电机转换风能的效率。

随着风力发电技术和相关学科的发展，空气动力学、新型材料学、数值模拟、计算机等学科已经被广泛应用于叶片设计技·５６·风力发电复合材料叶片的研究进展／周红丽等术中。

现代风力机大都采用水平轴转子，叶片多采用轻型玻璃钢纤维增强材料，三叶片呈翼面形状［７］。

性能优良的叶片除了要求有高效的翼型、合理的安装角外，还要有科学的升阻比和尖速比。

由于叶片直接迎风获得风能，所以还要求叶片有合理的结构、优质的材料和先进的工艺，以使叶片能可靠地承担风力、叶片自重、离心力等给予叶片的各种弯矩、拉力。

同时还要求叶片质量轻、结构强度高、制造成本和使用成本低［２］。

１．２　复合材料叶片成型技术随着不同复合材料体系和树脂体系的开发，叶片的制造工艺由开模成型工艺向闭模工艺发展，成型技术在不断改进。

成型技术主要有手糊成型、模压成型、预浸料成型、拉挤成型、纤维缠绕、树脂传递模塑（Ｒｅｓｉｎ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｍｏｌｄｉｎｇ，ＲＴＭ）以及真空灌注成型、真空导入成型（Ｖａｃｕｕｍ　ａｓｓｉｓｔｅｄｒｅｓｉｎ　ｉｎｆｕｓｉｏｎ，ＶＡＲＩ）等。

目前文献报道了一些新型低成本成型加工工艺，如真空辅助树脂传递模塑成型工艺（ＶＡＲ－ＴＭ）和轻型树脂传递模塑工艺（Ｌｉｇｈｔ－ＲＴＭ）。

风力发电叶片成型工艺存在的核心问题是工艺参数的确定，包括预制件渗透率、树脂体系、铺层情况、注射压力、注射口形状、溢料口布置等主要工艺参数对充模过程中树脂流动方向和流动速度的影响、后固化阶段的固化时间、固化温度及脱气时间等因素的确定［８－１３］。

从工艺设计角度考虑，ＲＴＭ－ＷＯＲＸ、ＰＡＭ－ＷＯＲＸ等计算机软件可模拟复合材成型工艺尤其是ＲＴＭ工艺中的树脂流动过程［１４，１５］，模拟预测的结果将为优化工艺设计、提高叶片成品性能、减少缺陷等提供重要依据和方法。

１．３　增强材料体系风力发电叶片是一个复合材料制成的薄壳结构，一般由根部、外壳和加强筋或梁三部分组成。

２０世纪７０年代风力机叶片主要由钢材、铝材或木材制成。

纺织复合材料耐疲劳、结构稳定、抗腐蚀、耐高温，综合性能明显优于金属材料，因此复合材料成为目前制备风力发电叶片的首选材料。

其中玻璃纤维复合材料是复合材料叶片所使用的主流增强材料，常用的玻纤材料包括Ｅ－玻璃纤维、Ｓ－玻璃纤维。

虽然从性能角度来说，Ｓ－玻璃纤维的弹性模量和拉伸强度均高于Ｅ－玻璃纤维，但是由于其价格居高不下，因此在当前的叶片材料领域仍然是Ｅ－玻璃纤维占据主导地位。

玻璃纤维具有可根据风机叶片的受力特点来设计强度与刚度、翼型容易成型、可达到最大的气动效率、疲劳强度较高、抗震性好和耐腐蚀性好等优点，而且玻璃纤维价格便宜，供应量宽松，采用玻璃纤维作为叶片材料的成型工艺成熟。

但是随着叶片长度的增加，传统的Ｅ－玻璃纤维在强度、刚度和质量等方面显现出不足。

针对大型复合材料风电叶片市场，国内外厂商从提高强度、刚度方面出发，研制生产了各种高性能玻璃纤维［１６－２１］。

目前主要产品和生产国家包括：巨石／Ｇｉｂｓｏｎ的Ｅ６Ｔ　Ｍ，法国Ｓａｉｎｔ－Ｇｏｂａｉｎ集团的Ｈ玻纤，美国的ＳｔａｒＲｏｖ　０８６、Ｓ－２ＴＭ、ＡｄｖａｎｔｅｘＴＭ、Ｈｉｐｅｒ－ｔｅｘＴＭ、ＨＹＢＯＮ２００２和ＨＹＢＯＮ　２０２６两种无捻连续直接纱，日本的“Ｔ”纤维，俄罗斯的ＢＭ“π”纤维，中国中材科技股份有限公司的ＨＳ２和ＨＳ４高强硅－铝－镁玻璃纤维［２２］、重庆国际复合材料有限公司（ＣＰＩＣ）的无硼无氟环保型的ＴＭ粗纱等。

当风机叶片超过一定的临界长度后，玻璃纤维复合材料的力学性能就已趋于极限，有效的办法是使用性能更高的碳纤维增强材料来提供必要的刚度和减轻质量［２３－２５］。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料，碳纤维的抗拉强度是Ｅ－玻璃纤维的１．１２～１．４４倍，且具有较高的抗压缩强度、抗剪切强度和优良的阻尼特性［２６］。

虽然碳纤维价格比玻璃纤维高，但有文献指出，当叶片超过一定尺寸后，材料用量、劳动力、运输和安装成本等均有明显下降，碳纤维叶片要比玻璃纤维叶片便宜［２７］。

欧洲ＥＣ公司的研究结果指出，在Φ１２０ｍ叶片转子中添加碳纤维复合材料能有效减轻总体质量达３８％，也可使其设计成本费用比玻璃纤维的减少１４％。

其它类似的研究也指出，添加碳纤维复合材料制得的风机叶片质量会比玻璃纤维叶片减轻约３２％［２８，２９］。

２　碳纤维在风机叶片上的应用碳纤维复合材料叶片技术的开发与研究顺应叶片大型化和轻量化的方向发展。

碳纤维增强材料的拉伸弹性模量是玻璃纤维增强材料的２～３倍，大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。

碳纤维叶片的几何轮廓可以设计得更薄，叶片更细长。

同时叶片质量的降低和刚度的增加可以有效改善叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，使风机的输出功率更平滑、更均衡，提高了能量效率。

充分利用碳纤维增强材料的特性还能制造自适应叶片（“Ｓｅｌｆ－ａｄａｐｔｉｖｅ”ｂｌａｄｅ），发电成本有望降低。

利用碳纤维的导电性还能避免雷击，可以有效地避免雷击对叶片造成损伤［３０］。

目前已开始根据需要将碳纤维复合材料（ＣＦＲＰ）应用在风机叶片的局部区域。

２．１　碳纤维与玻璃纤维混杂复合材料应用的部位与玻璃纤维相比，碳纤维是脆性材料，材料受力过大会直接断裂。