风力发电机组叶片材料综述

风力发电机组叶片材料综述
茅靖峰1 倪红军1
联系人：吴国庆。 作者简介：陈亚君(1987一)，女。在读硕士，主要研究方向为垂直轴风力发电机。 基金项目：江苏省专项引导资金项目(BE2008074)；江苏省科技支撑计划项目(BE2009090)；南通大学研究生科技创新计划项目(YKC09011) 展趋势[6]，质量也随之不断增大，对叶片材料的要求也越来越 随着风力发电机功率的不断提高，风机叶片呈大型化发 2主流叶片材料 性能不佳[s]。因此，这类叶片也没有得到广泛地使用。 能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片，而且铝合金叶片的抗疲劳 计要求的扭曲进行扭曲加工，但关键技术问题尚未有突破，不 工艺便可制成等弦长叶片，工艺简单，可连续生产，又可按设 铝合金密度较低，常用于制造等弦长叶片，通过挤压成型 加工成扭曲形状，慢慢被其它材料替代。 料L4j。但是由于它的密度较大，抗疲劳性能差，易腐蚀，难以 按照翼型的形状来成形，曾经被认为是风力机叶片的首选材 合金钢因为其价格低廉，易加工成细长的形状，并且可以 它材料代替。 片L3j。随着其它叶片材料的探索及发展，木质叶片逐渐被其 其不易做成扭曲型，大、中型风力发电机中很少用木制叶 木制叶片曾应用于近代的微、小型风力发电机中，但由于 到大范围的使用。 要南木材、钢材或铝材制成，这些材料都由于种种原因没有得 由于技术发展的局限性，20世纪70年代的风力机叶片主 1传统的叶片材料 来高性能、高性价比叶片材料的应用奠定基础。 片材料的应用，目的在于探索风机叶片材料的发展趋势，为未 片材料的探索应用经历了漫长的时期。本文通过分析各类叶 材料来源广泛、价格低廉等优点。人们对高性能、低成本的叶 电成本起着重要的作用。作为风力机叶片材料，必须具有原 因此，叶片的设计和选材对提高叶片的综合性能、降低发 着重要的作用，其成本占了风机设备的20％～30％[2]。 重要因素，它的设计与选材对风力发电装置的性能与功率起 发电装置最关键最核心的部件，是保证机组正常稳定运行的 置，它包括风力机和风力发电机两大部分[1]。叶片作为风力 风力发电机组是一种将风能转换为电能的能量转换装 国风能发电增长了39％，欧洲风能发电增长了23％。 15万MW的目标。2009年印度风能发电增加了1270MW，美 发电能力的1／3，预计在2020年前就能达到超过风能发电量 风能发电增长了31％。中国风能发电电量翻倍，占世界风能 resonance，电子顺磁共振)核电机组发电量，全球 paramagnetic 发电装机容量达到3．75万兆W，相当于23台EPR(electron 风能协会和全球风能协会发布的数据显示，2009年全球风能 发电已成为世界各国密切关注的对象。2010年2月3日欧洲 由于全球气候变暖以及石化能源资源的急剧减少，利用风能 风能是一种可再生的清洁能源，它蕴量巨大，分布广泛。 turbine，blade，composite wind words Key material epoxy reinforced carbon used widespread replace gradually will for resin vinyl reinforced performance，carbon good and technology cost-effective high had occurred，by fans large-scale as materials．Described blade fan use materials，outlines composite composites，carbon fiber glass of use principal current blades，and blades，aluminum blades，steel wooden the introducing By Abstract 226300) Co．，Ltd．，Nantong Iron 2．Ductile 226019； University，Nantong Engineering，Nantong Mechanical of (1．College Lixin2 Chen Jingfen91 Mao Yan91 Cao Hongjunl Ni Guoqin91 Wu Yajunl Chen material blade fan of Research 关键词风力机，叶片，复合材料 优点，将逐步取代目前普遍采用的碳纤维增强环氧树脂材料。 了风机叶片材料的研究及使用情况。阐述了随着风机的大型化，碳纤维增强乙烯基树脂因具有性价比高、工艺性能好等 摘要介绍了木质叶片、合金钢叶片、铝合金叶片，以及目前主要使用的玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料，概述 2．通州市四安镇球墨铸铁有限公司，南通226300) (1．南通大学机械工程学院，南通226019； 陈立新2 曹阳1 吴国庆¨ 陈亚君1 ·37· No．9 V01．38 MATERIALS CHEMICAL NEW 化工新型材料 2010年9月 第38卷第9期
(下转第144页) B玻纤增强材料相比，刚度提高了17％、强度提高了30％、 StrandTM增强材料与目前应用的材料相比有很多的优点：与 使用玻璃纤维材料而不必采用其他昂贵的材料。Wind— 的增强玻璃纤维。这一技术的产生使得叶片生产商能够继续 Coming提出的WindStrandTM增强材料是新一代 Owens WindStrandTM增强材料 3．3 可回收再利用，密度小，强度高，抗冲击性能好等优点。 是必然的趋势。与热同性复合材料相比，热塑性复合材料有 展形势看，一种由热塑性复合材料制成的“绿色叶片”的使用 染，而且该类叶片在其退役后很难被回收利用。就目前的发 产过程中会有大量含有苯基的有毒气体产生，导致环境的污 氧树脂、碳纤维增强环氧树脂等，这种材料制成的叶片在其生 当前叶片多由热同性复合材料制成，如玻璃纤维增强环 3．2热塑性复合材料(CBT树脂系统) 叶片上的应用研究。 生产尚需时El，目前国内外企业正在积极开展乙烯基树脂在 应用仍处于初级阶段，受各种因素制约，真正大范围的商业化 到多家厂方的确认。虽然乙烯基树脂有很大优势，但其开发 乙烯基树脂之前已大量应用于船舶、游艇，其各项性能得 要求。 树脂还满足机械力学性能，抗疲劳、刚度等各性能指标的设计 因此可以借鉴现有不饱和树脂制备叶片的成熟丁艺。乙烯基 EPR。由于乙烯基树脂与另一叶片主要用材——UPR类似， 树脂可以在不改变原EPR成型结构设计的基础上，直接替换 乙烯基树脂替代EPR的另一优势是工艺性好。乙烯基 用乙烯基树脂仅需1天。 400万元，以环氧树脂为基材生产一片叶片需约2天时间，而 使用效率。以1．5MW的叶片为例，其模具成本大约为300～ 较高，更换材料后无需进行后固化等处理，将大大提高模具的 来的节约效果更为可观。模具成本在叶片生产中所占比例也 因为，叶片主材更换后，表面护层配套产品也会相应改变，带 有专家表示，通过更换叶片材料可以降低更多的成本。 减少至少10％的成本。 30元／kg，环氧树脂约为40元／l【g，仅通过更换叶片材料就能 优势是可降低叶片成本。乙烯基树脂目前的价格约为 选择性价比高的材料，用乙烯基树脂替代环氧树脂最突出的 由于叶片成本占整个发电装置成本的比重较大，因此需 势‘“。 泛采用的环氧树脂，将成为未来风力机叶片材料的应用趋 业界专家认为，用性价比更高的乙烯基树脂取代目前广 3．1碳纤维增强乙烯基树脂 3叶片材料的发展趋势 技术、质量控制等各方面深入研究，以求降低成本。 片制造成本高。全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺 由于碳纤维增强EPR复合材料价格昂贵，导致风力机叶 片质量的关系L5j。 力发电上的大范围应用。表1为叶片不同长度与不同材料叶 大大优于玻璃纤维复合材料，但因其价格昂贵，影响了它在风 碳／EPR 玻纤／EPR 玻纤／聚酯 不同材料的叶片质量／kg 叶片长度／m 表1叶片长度与质量的关系 纤维增强环氧树脂复合材料。虽然碳纤维复合材料的性能 料，特别是随着功率的增大，要求叶片长度增加，更需采用碳 此可见，叶片材料发展的趋势是采用碳纤维增强EPR复合材 3800kg，与玻璃纤维增强EPR相比，可减轻质量2000kg。由 比，可减轻质量600kg而碳纤维增强EPR叶片，质量为 氧树脂叶片质量为5200kg，与玻璃纤维增强聚酯树脂叶片相 玻璃纤维增强聚酯树脂叶片质量为5800kg，玻璃纤维增强环 是玻璃纤维复合叶片的２～３倍Ｌｌ…。当叶片长度为３４ｍ时， 量轻等一系列优异特性，研究表明，碳纤维复合材料叶片刚度 种力学性能优异的材料[9]。碳纤维复合材料具有刚度强、质 的，具有强度大、密度低、模量高、线膨胀系数小等特点，是一 采用高温分解法在1000～3000℃高温的惰性气体下碳化制成 碳纤维是由有机母体纤维(粘胶丝、聚丙烯睛或沥青等) 2．2碳纤维复合材料 直板、各类耐高温制品等[8]。 直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机 济、国防建设和科技发展中无法替代的重要材料。如防弹服、 及特殊的功能性如屏蔽电磁波、消音等特点，现已成为国民经 源广泛、工艺性好、生产效率高等优点，并具有材料町设计性 合材料具有强度高、质量轻、耐腐蚀性好、电性能优异、原料来 目前研究比较成熟、应用最广的一种复合材料。EPR／玻纤复 泛应用于纤维增强复合材料领域中。EPR／玻纤复合材料是 绝缘性、耐化学药品性、耐热性和粘结性能。在国内，EPR广 用的不饱和聚酯树脂(UPR)相比，具有更优良的力学性能、电 环氧树脂(EPR)是优良的热固性树脂，它与目前大量应 用得到了持续发展。 增强材料定位的作用。近30年来，UPR／玻纤复合材料的应 布到每个增强单元，保护增强材料免受环境的攻击，并起到将 UPR基体的作用是将负荷从基体转移到增强玻纤，将应力分 和用量、基体与玻纤之间的界面、加工方法和条件等的影响。 的优点。UPR／玻纤复合材料的力学性能受基体、玻纤的类型 材料如钢和铝相比，UPR／玻纤复合材料具有质量轻、强度高 本低、拉伸强度高和绝缘性能优异等优点。与许多传统结构 料中应用最广泛的增强纤维【7j。玻纤具有耐化学性能好、成 玻璃纤维(简称玻纤)是在不饱和聚酯树脂(uPR)复合材 维(E-玻纤)是主要增强材料。 料为不饱和聚酯树脂(UPR)和环氧树脂(EPR)，无碱玻璃纤 目前风机叶片的主要材料为玻璃纤维复合材料，基体材 2．1玻璃纤维复合材料 蠕变、抗冲击等优点成为当今风机叶片的首选材料。 高。复合材料由于具有体重轻、比强度高、良好的抗疲劳、抗 第38卷 化工新型材料 ·38·
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