材料12-2风力发电机叶片材料的发展分析

变弦长的叶片没办法挤拉出来，因此
玻璃钢叶片
其是以牺牲空气动力效率为前提的
所谓玻璃钢(glass fiber reinforced plastic，简称GFRP)就是环氧树
脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成
的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻
璃纤维及涂环氧树脂，其它部分填充泡沫塑料。玻璃纤维的质量
钢梁玻璃纤维蒙皮叶片
叶片在近代采用钢管或D型型钢做纵梁，钢板做肋梁，内填泡沫 塑料外覆玻璃钢蒙皮的结构形式，一般在大型风力发电机上使用。叶 片纵梁的钢管及D型型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小，以满足扭 曲叶片的要求并减轻叶片重量，即做成等强度梁。
今天我们仍可看到金属制直升机螺旋桨、气垫船螺旋桨、风扇叶 片、船用螺旋桨，因此不难理解也有用金属做的风力机叶片。
叶片材料的发展沿革
木制叶片及布蒙皮叶片
钢梁玻璃纤维蒙皮叶片
铝合金等弦长挤压成型叶片
玻璃钢叶片
玻璃钢复合叶片
碳纤维复合叶片 ………..
测算2007年制造的43,777枚风轮叶片的总重量略
超过20,万,t，这使得风轮叶片成为全世界复合材 料的最大单项用途之一。在这20万T叶片中，各 种原材料的用量分别为：
复合材料制作叶片的主要优势 可根据风力机叶片的受力特点设计强度 和刚度 翼型容易成型，并达到最大气动效率 抗振性好，自振频率可自行设计 疲劳度较高 耐腐蚀性和耐气候性好 维修简便，易于修补
！但并不是所有的风力 发电机叶片都要用最好 的复合材料！要根据叶 片的大小，所用地的地 理环境及风源的因素选 择经济性最好的材料！
还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进。LM玻璃纤维公司现 致力于开发长达54m的全玻纤叶片，其单位kWh成本较低。
Baidu Nhomakorabea
当前主要使用的叶片复合材料
据国际咨询公司UtiliPoint总裁Bob Bellemare称：对于风力发电机而 言，碳纤维是即将来临的潮流。一般较小型的叶片(如22m长)选用量 大价廉的E-玻纤增强塑料，树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用 乙烯酯或环氧树脂，而较大型的叶片(如42m以上)一般采用CFRP或CF 与GF的混杂复合材料，树脂基体以环氧为主。GE风能的叶片工程的 全球经理Ramesh Gopalakrishnan说，设计师们在寻找轻质高强度材 料的过程中，选择了碳纤维应用于叶片设计中。因此，玻璃纤维和 碳纤维是目前叶片制造中最为重要的两种材料。
实际上由于合金钢其价格低廉，易加工成细长的形状，因此常 采用钢管或D型型钢做叶片纵梁，钢板做肋梁，合金钢也因此一度被 认为是首选的风力机叶片材料。
然而，它的密度太大，疲劳特性差，易腐蚀，加工成扭曲形状 成本高，因而慢慢被别的材料所替代。
铝合金等弦长挤压成型叶片
用铝合金挤压成型的等弦长叶片易于制造，可连续生产，又可按设计 要求的扭曲进行扭曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或 螺栓连接来实现。铝合金叶片重量轻、易于加工，但不能做到从叶根 至叶尖渐缩的叶片，因为目前世界各国尚未解决这种挤压工艺。
为满足上述要求，提高机组的经济性，叶片的尺寸增大可以改善风 力发电的经济性，降低成本。叶片长度从1980年的4.5m发展到今天 的61.5m，容量从当初的55kW发展到今天的5MW。1970年的风力机 叶片主要有钢材、铝材或木材制成，今天选择的材料以E-玻纤增强 塑料(GFRP)居多，目前已开始采用碳纤维复合材料(CFRP)，叶片材料 的开发顺应了叶片大型化和轻量化的方向发展
较传统的E玻璃纤维复合材料
E-玻璃纤维：E-glass E代表electrical ，意为电绝缘玻璃。是一族钙铝硅 酸盐玻璃，其碱金属氧化物含量很少（一般小于1%），故又称无碱玻 璃，具有高电阻率。
性能： 比强度、比模量和耐腐蚀性能， 价格较低廉 工艺匹配性好，广泛用于电气 设备 密度大，不适于大型叶片
S玻璃纤维复合材料
S-玻璃纤维：S代表Strength（强度），亦有代表Structural（结构的）之说。是 美国欧文斯科宁研发的高强度纤维玻璃。S玻璃是一种镁铝硅酸盐玻璃，其新 生态纤维强度一般比E玻璃纤维高25%以上，同是具有高模量，抗冲击，耐高 温，耐疲劳和透雷达波的性能。 缺点：较E-Glass 价格贵。 欧文斯科宁开发的WindStrand新一代增强型玻璃纤维，可在不增加叶片成本的 情况下提高叶片的性能。据报道，WindStrand可以提高叶片的硬度和强度，使 叶片具有良好的抗疲劳性能，从而提高叶片的抗风性能，增长叶片的寿命，提 高叶片的能量转换率。与传统的E一玻璃纤维相比，增强型WindStrand可以使 叶片的重量降低10% 但仍不能满足更大叶片的生产！
玻璃纤维：100,240,t；
碳纤维：2,090,t；
热固性树脂(主要是环氧和聚酯树脂)：82,550,t；
芯材（巴萨木和泡沫芯材）：8,160,t；
金属（配件和螺栓）：6,800,t。
木制叶片及布蒙皮叶片
近代的微、小型风力发电机也有采用木制叶片的，但木制叶片不易 做成扭曲型。大、中型风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片 的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必 须承担的力和弯矩。
风力发电机叶片材料的发展
材料12-2 张鹤 2012011606
叶片材料的发展沿革 当前主要使用的叶片复合材料 叶片复合材料的制造工艺 叶片今后的发展趋势
为什么要提高叶片材料性能？
提高机组的经济性，叶片的尺寸增大可以改善风力发电的 经济性，降低成本。叶片长度从1980年的4.5m发展到今天的 61.5m，容量从当初的55kW发展到今天的5MW 比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能，能经受暴风等 极端恶劣条件和随机负荷的考验；叶片的弹性、旋转时的惯 性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负 荷稳定性好；耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好；发电成 本较低，维护费用最低。 风能作为一种洁净的可再生能源，随着技术逐步成熟，今 后的运行成本会低于水电和火电，发展前景非常广阔。目前 的风力发电机单机容量的不断增大, 变速恒频、变桨矩型风 力机逐渐占据了主导地位。