复合材料在风机叶片上的应用与展望

复合材料在风机叶片上的应用与展望摘要：本文综述了风力发电的发展现状以及复合材料在风机叶片上的应用，介绍了结构设计，最后展望了风机叶片的发展趋势。

1 引言能源是经济社会发展的重要物质基础。

风，作为可再生能源，取之不尽，用之不竭，与石油、天然气发电相比，风能不受价格的影响，石油、天然气最终会杜竭，而风能不会。

与煤相比，风能没有污染，不仅如此，风能发电可以减排二氧化碳等有害物。

据资料报导，平均每装一台单机容量为1MW的风能发电机，每年可以减排2000t二氧化碳，l0t二氧化硫，6t二氧化氮。

因此，世界各国十分关注未来是否能有足够的能源？如何使用能源而又不影响气候？由于风电能源具有建设时间短，并可提供安全、清洁和经济的电力等优点，因此风力发电在全世界发展很快。

2 风力发电的发展现状随着现代风电技术的发展与日趋成熟，风力发电机组的技术向着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展。

上世纪末，风电机组主力机型是750kW。

到2002年前后，主力机型已经达到1.5MW以上。

1997年兆瓦级机组占当年世界新增风电装机容量的9.7%，而2001年和2003年分别占到52.3%和71.4%。

海上风电场的建设要求单机容量更大的机组，欧洲已批量安装3.6MW机组，5MW机组也已安装运行。

我国可开发利用的风能资源有10亿kW，其中陆地2.5亿kW，现在仅开发了不到0.2%，近海地区有7.5亿kW，风能资源十分丰富。

风能资源丰富的地区主要分布在“三北”（东北、西北、华北）地区及东南沿海地区。

三北地区可开发利用的风力资源有2亿kW，占全国陆地可开发利用风能的79％。

根据风力发电中长期发展规划，到2005年全国风电总装机容量为100万kW，2010年400万kW,2015年1000万kW，2020年2000万kW。

2020年以后石化燃料资源减少，火电成本增加，风电具备市场竞争能力，发展更快。

2030年后水能资源基本开发完毕，海上风电将进入大规模开发期。

我国在风力机复合材料叶片设计与制造技术方面与国外有一定的差距。

为使复合材料叶片能国产化，政府有关部门很重视叶片的研发，把叶片列入攻关项目予以支持。

所研发的200~750kW系列风力机复合材料叶片已形成批量生产，兆瓦级风力机正在开发中，尚不具备规模化生产能力。

3 复合材料在风机叶片上的应用复合材料在风力发电中的应用主要是转子叶片、机舱罩和整流罩的制造。

相对而言，机舱罩和整流罩的技术门槛较低，生产开发难度较小。

而风力发电机转子叶片则是风力发电机组的关键部件之一，其设计、材料和工艺决定风力发电装置的性能和功率。

在风力发电机兴起100多年的历史里，叶片材料经历了木制叶片、布蒙皮叶片、铝合金叶片等。

随着联网型风力发电机的出现，风力发电进入高速发展时期，传统材料的叶片在日益大型化的风力发电机上使用时某些性能已达不到要求，于是具有高比强度的复合材料叶片发展起来。

现在，几乎所有的商业级叶片均采用复合材料为主体制造，风电叶片已成为复合材料的重要应用领域之一。

采用复合材料叶片主要有以下优点：①轻质高强、刚度好。

众所周知复合材料性能具有可设计性，可根据叶片受力特点设计强度与刚度，从而减轻叶片重量；②叶片设计寿命按20年计，则其要经受10(8次方)周次以上的疲劳交变，因此材料的疲劳性能要好。

复合材料缺口敏感性低，内阻尼大，抗震性能好，疲劳强度高；③风力机安装在户外，近年来又大力发展海上风电场，要受到酸、碱、水汽等各种气候环境的影响，复合材料叶片耐候性好，可满足使用要求；④维护方便。

复合材料叶片除了每隔若干年在叶片表面进行涂漆等工作外，一般不需要大的维修。

3.1 材料风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构，一般由根部、外壳和加强筋或主梁三部分组成，复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90%以上。

目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃纤维复合材料（GRP）。

长度大于40m的叶片可采用碳／玻混杂复合材料，但由于碳纤维的价格，未能推广应用。

GRP叶片有以下特点：①可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度。

风力机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲和离心力，气动弯曲荷载比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。

复合材料由于主要承力组分是纤维，可将纤维主要铺放在叶片的纵向，这样就可减轻叶片的重量；②翼型容易成型，并达到最大气动效率。

为了达到最佳气动效果，叶片具有复杂的气动外形。

在风轮的不同半径处，叶片的弦长、厚度、扭角和翼型都是不同的，如用金属制造十分困难。

GRP叶片可实现批量生产；③叶片使用20年，要经受10（8次方）次以上疲劳交变，因此材料的疲劳性能要好。

GRP疲劳强度较高，缺口敏感性低，内阻尼大，抗震性能较好，是制作叶片的理想材料；④GRP耐腐蚀性好。

风力机安装在户外，近年来又大力发展离岸风电场，风力机安装在海上，风力机组及叶片要受到各种气候环境的影响。

它应具有耐酸、碱、水汽的性能。

树脂基体的选择也很重要。

聚酯树脂价格低廉，成型工艺性好，但性能一般，环氧树脂则刚好相反，性能较优但价格较高且工艺操作性不好，所以目前成本和性能等介于二者之间的乙烯基树脂被一些叶片制造商大量采用。

3.2 复合材料风机叶片的几种制造工艺3.2.1 空腹薄壁填充泡沫结构合模工艺这种结构形式的叶片在国内使用极为普遍，它由玻璃钢壳和泡沫芯材组成，它的成型方法比较简单，主要有两种，一种是预发泡沫芯后整体成型，另一种是先成型两个半壳，粘接后再填充泡沫。

它的特点是抗失稳和抗局部变形能力较强，成型时采用上下对模、螺栓或液压等机械加压成型，对模具的刚度和强度要求高。

这种方法只在小型叶片生产中采用。

大中型叶片宜采用两半壳胶合工艺，采取空腹薄壁结构，成型方式主要有两种，两半壳胶合与真空袋压整体成型。

安装在福建平潭的风电站，由比利时政府资助，HMZ公司生产的4台200kW风力机就采用了空腹薄壁结构叶片。

一般真空袋压成型仅限于较小的叶片。

3.2.2 真空灌注工艺采用真空灌注工艺制备风力发电转子叶片时，首先把增强材料铺覆在涂敷有脱膜剂的模具上，增强材料的外形和铺层数根据叶片设计确定，在先进的现代化工厂，采用专用的铺放机进行铺层，然后用真空辅助浸渗技术注入基体树脂，真空可以保证树脂能很好地充满到增强材料的每一层和模具的每一个角落。

真空灌注工艺适用于大型叶片的生产和大批量的生产，真空灌注工艺被认为效率高、成本低、质量好．因此被很多生产单位所采用。

3.2.3 拉挤工艺在垂直轴风力发电机组中，叶片为鱼骨型不变截面，且不需考虑转子动平衡问题，可采用拉挤工艺生产。

用拉挤成型工艺生产复合材料叶片可实现工业化连续生产，产品无需后期修整，质量一致，无需检测动平衡，成品率95 %，用拉挤成型工艺方法生产复合材料叶片与其他成型工艺方法生产的复合材料叶片相比，成本可降低40%，销售价格降低50%。

拉挤工艺对材料的配方和拉制工艺过程要求非常严格，国际上目前只能拉挤出600~700mm宽的叶片，用于千瓦级风力发电机上。

我国目前已研制成功用于兆瓦级垂直轴风力发电机的叶片，截面尺寸为1400 x 252mm，壁厚6mm，长度为80~120m,属于薄壁中空超大型型材。

3.2.4 缠绕工艺美国生产的WTS-4型风力机叶片即采用了这种方法，单片叶片长度达39m，重13t，其生产过程是完全自动化的。

由计算机控制的缠绕设备非常复杂，它有五种功能，即移动台架、转动芯轴、伸缩工作臂、升降杆臂以及变动缠绕角。

国外大型风机叶片大多采用复合材料D型主梁或O型主梁与复合材料壳体组合的结构形式。

该种结构的大型叶片一般采用分别缠绕成型D型或O型主梁、真空灌注成型壳体．然后靠胶接组合成整体的工艺方法。

3.3 复合材料风机叶片结构设计在复合材料叶片结构设计方面，首先在进行叶片构造设计，而叶片根端连接形式与叶片剖面形式是构造设计的重点。

叶片与轮毅连接，使叶片成悬臂梁形式。

作用在叶片上的载荷通过叶片根端连接传到轮毅上，因此叶根的载荷最大。

叶片上的载荷是通过根部结构的剪切力，挤压力或玻璃钢复合材料与金属的胶结传递到轮毅上的，而玻璃钢复合材料的这些强度均低于其拉弯强度，因而叶片的根部是危险的部位。

设计时应予重视。

大型风电叶片根端形式主要有金属法兰、预埋金属杆、T型螺栓等连接方式。

国内自主开发的大型风电叶片大多采用预埋金属杆根端形式，金属预埋秆与壳体的结合是关键，为确保根端结构的安全可靠．需进行金属杆与玻璃钢复合材料可贴结合强度的模拟实验。

叶片剖面基本上采用蒙皮加主梁的构造形式。

主梁可采用整体箱型梁形式，也可以用双槽钢形式或加强肋结构。

在后缘空腹处，采用夹层结构。

叶片上大部分弯曲载荷都由主梁承担，蒙皮起气动外形作用，并可承担部分载荷。

这种剖面构造可减轻叶片重量，提高叶片的强度与刚度，避免叶片由弯曲产生的局部失稳。

叶片蒙皮通常采用双向织物增强的层板结构，也有采用夹层以提高蒙皮的强度和刚度。

主梁则用单向程度较高的织物增强，以提高强度与刚度。

夹芯材料可采用PVC泡沫。

PVC泡沫有较高的剪切模量，组成的加成结构有良好的刚度特性。

为了加快叶片的生产效率，叶片在生产过程中一般是将整只叶片分为叶片蒙皮、主梁、翻边角、叶根、粘接角、粗纱带等各个部件，其中主梁、翻边角、叶根、粘接角、粗纱带都由专用模具进行制作。

将各个部件制好后，在主模具上进行胶接组装在一起，合模后加压固化后制成一只整体叶片。

其中使用的粘接剂是叶片的重要结构材料，直接关系到叶片的刚度和强度。

粘接剂要求具有较强的强度和良好的韧性，且要有良好的操作工艺性，比如不坍塌性，低温固化等特性。

4复合材料风机叶片的发展趋势随着风机叶片的发展，叶片长度的不断增大，玻璃纤维在某些条件下已经不能完全满足其要求，碳纤维具有优异的性能，虽然其价格非常昂贵，但其制成的复合材料的刚度是玻璃纤维的数倍，而且碳纤维的引入可在很大程度上减轻叶片的重量，从而可整体降低风力发电机组的成本，就可以抵消由于引入碳纤维而带来的过高的成本。

风机叶片的产量逐年增加，需要考虑以后退役叶片的回收处理问题。

目前使用的复合材料风机叶片大多数是采用热固性树脂制造的，废弃的叶片的回收和处理主要通过物理粉碎、化学分解、生物降解等方法，但是难以回收再利用。

我国对废弃物的处理主要采取填埋和焚烧，这种方法更加会破坏土壤，污染环境。

针对这一情况，发展趋势是对叶片的基体材料进行改进，如采用生物质材料，采用木材与树脂复合，通过积层制作叶片。

这种方法减少了树脂的用量，但是还是使用热固性树脂。

最根本的方法是发展可回收利用的热塑性复合材料风机叶片。

据称，这种叶片退役后，每套叶片回收的材料平均可达到19t，这是一个史无前例的数据。

但在更大尺寸叶片的制造上，这种热塑性树脂目前的性能可能还不理想，尚需要时间验证。