风力发电复合材料叶片现在和发展（通用4篇）
风力发电复合材料叶片现在和发展 篇1
风力发电复合材料叶片现在和发展
2008-3-21 23:24:14纤维复合材料
来源:张晓明(中国复合材料集团有限公司）
叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件。在发电机功率确定的条件下，如何提高发电效率，以获得更大的风能，一直是风力发电追求的目标，而捕风能力的提高与叶片的形状、长度和面积有着密切的关系，叶片尺寸的大小则主要依赖于制造叶片的材料。叶片的材料越轻、强度和刚度越高，叶片抵御载荷的能力就越强，叶片就可以做得越大，它的捕风能力也就越强。因此，轻质高强、耐久性好的复合材料成为目前大型风力发电叶片的首选材料。
无论是陆地风力发电，还是海上风力发电，每千瓦时的发电成本均随着发电机单机容量的增加而下降，发电装备的大型化已经成为风力发电的发展趋势。近几年，随着全球风力发电市场的逐渐成熟，大型风力发电机相继出现。目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5 2.0 MW，与之配套的复合材料叶片长度大约30—40米。据报道，现今世界上最大的风力发电机的装机容量为5 MW，旋转直径可达126.3米。丹麦的LM公司为此装备配套研制了61.5米长的复合材料叶片，单片叶片的重量接近18吨，成为世界最大的复合材料叶片“巨人”。这一实例成功地体现了材料、结构和工艺的三者的完美结合。
在复合材料风力发电叶片的研究开发过程中，德国、丹麦、美国等风能资源利用较好的国家针对大型叶片的材料体系、外形设计、结构设计、制造工艺、质量检验、在线实时监测和废弃物处理作了大量的研究开发工作，并取得了丰硕的成果。设计者和制造商已经完全可以针对不同的地区风力发电的需要，选择最佳的设计方案和制造技术，生产适合不同需求的复合材料风力发电叶片。目前正在服役的风力发电叶片多为复合材料叶片。这些叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与E一玻璃纤维、s一玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放或树脂注入等成型工艺复合而成，以满足不同风场的使用要求。由于玻璃纤维的价格仅为碳纤维价格的1/10左右，目前的叶片制造采用的增强材料仍以玻璃纤维为主。例如，在54米长的大型复合材料叶片制造中依然以玻璃纤维为增强材料，最轻的叶片重量仅为13.4吨。随着超大型叶片的出现，叶片长度不断增加，叶片对增强材料的强度和刚度等性能也提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足。LM公司在制造61．5米的大型复合材料叶片时，为保证叶片能够安全地承担风、温度等外界载荷，单纯的玻璃纤维增强材料已经很难满足叶片对强度和刚度的要求。因此，该叶片采用了玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。这样，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成损伤。
风力发电机组在工作过程中，复合材料叶片不仅要承受强大的风载荷，还要经受气体冲刷、砂石粒子冲击、以及强烈的紫外线照射等外界的侵蚀。为了充分发挥增强材料的增强作用，提高复合材料叶片的承担载荷、耐腐蚀和耐冲刷等项性能，LM公司等复合材料叶片的制造商们还对树脂基体系统进行了精心设计和
改进。采用性能优异的环氧树脂代替不饱和聚酯树脂，改善了玻璃纤维/树脂界面的粘结性能，提高了叶片的承载能力，扩大了玻璃纤维在大型叶片中的应用范围。为提高复合材料叶片在恶劣工作环境中的长期使用性能，sP公司专门研究开发出耐紫外线辐照的新型环氧树脂系统，以满足风力发电叶片耐久性的要求。在风力发电的初期阶段，由于发电机的功率较小，需要的复合材料叶片尺寸也比较小，叶片质量分布的均匀性对发电机和塔座的影响不十分显现；而且，当时人们对开模成型工艺时苯乙烯挥发给大气环境造成的污染，对操作人员造成的身体危害并未引起足够的认识。因此，最初的小型复合材料叶片制造基本采用简单易行的手糊成型工艺。随着风力发电机功率的不断提高，安装发电机的塔座和捕捉风能的复合材料叶片做的越来越大。
为了保证发电机运行平稳和塔座安全，不仅要求叶片的质量轻，也要求叶片的质量分布必须均匀、外形尺寸精度控制准确、长期使用性能可靠。若要满足上述要求，需要相应的成型工艺来保证。另外，复合材料制造过程中苯乙烯挥发对环境和操作人员产生的不良影响也越来越引起人们的重视，一些发达国家已经制定出相应的法规，我国也对生产过程中产生的有害挥发物有明确的限制规定。因此，复合材料成型工艺随之发生变化，逐渐由开模工艺向闭模工艺改进，以减少苯乙烯自然挥发对环境和人体的危害。
在大型复合材料叶片制造过程中也反映出这一成型工艺的变化：首先，叶片的制造工艺由手糊成型向着湿法铺放工艺的转变，增强材料的现场浸渍逐渐转向预先浸渍，开始采用玻璃纤维/聚酯或玻璃纤维/环氧预浸料，大幅度的降低了成型过程中苯乙烯的挥发。这样，不仅树脂含量容易精确控制，保证了复合材料叶片的质量分布均匀，而且增强材料铺设角度准确，可以有效地发挥增强材料的性能，提高复合材料的承载能力。其次，开模成型工艺向着闭模工艺发展，为了改善成型环境，减少有害气体的挥发，进一步提高叶片的质量稳定性，大型复合材料叶片的制造开始引入树脂注人工艺技术。在树脂注人工艺中，树脂基体在真空压力的作用下，可以更完全的浸渍增强材料，不仅能够准确地控制树脂含量，充分发挥增强材料的作用，提高复合材料叶片的承载能力，而且无需大型专用设备，制造成本较低。
与此同时，叶片的制造模具也在悄悄地发生变化。大型复合材料叶片的外形尺寸与其制造模具有着极其密切的关系。为保证复合材料叶片设计外形和尺寸精度，叶片长度越长，成型时对模具刚度和强度的要求就越高，模具的重量和成本也会大幅度地提高。为了降低模具成本，减轻模具重量，大型复合材料叶片的制造模具也逐渐由金属模具向着复合材料模具转变，这也意味着复合材料叶片可以做得更长。另外，由于模具与叶片采用了相同的材料，模具材料的热膨胀系数与叶片材料基本相同，制造出的复合材料叶片的精度和尺寸稳定性均优于金属模具制造的叶片产品。
此外，随着计算机技术和自动控制技术应用领域的扩大，大型复合材料叶片的制造技术也在不断的进步。LM公司将机器人技术用于大型叶片的纤维铺覆和粘结，并将计算机技术应用于工艺过程的实施监控和数据记录，为用户提供可追溯的资料作为可靠性保证的依据。
选择最佳的材料体系和制造工艺，制造出质量最好的复合材料叶片，以满足风力发电快速发展的需求，未来的成型工艺将给复合材料叶片制造提供最优的实施手段。
以最小的叶片重量获得最大的叶片面积，使得叶片具有更高的捕风能力，叶片的优化设计显得十分重要，尤其是符合空气动力学要求的大型复合材料叶片的最佳外形设计和结构优化设计的重要性尤为突出，它是实现叶片的材料有效结合的软件支撑。另外，计算机仿真技术的应用也使得叶片的结构与层合板设计更加细化，有利的支持了最佳工艺参数的确定。
早在1920年，德国的物理学家舢bert Betz就对风力发电叶片进行过详细的计算。基于当时的计算条件和对风力发电叶片的认识，Be￡z在叶片计算时采用了一些假设条件。随着计算机技术发展，计算手段的显著提高，风力发电技术的快速发展，人们对风力发电叶片的认识和理解也在逐步深人。尤其是近十年来，经过研究人员对风力发电叶片进行的多次现场载荷、声音和动力测量以后，发现叶片的理论预测值与实际记录值有较大的偏离。这可能是由于过多地相信了风洞试验，而对叶片服役期间可能遇到的较强动态环境和湍流条件考虑不足造成的。因此，一些相关人员对当时的叶片计算采用的假设条件提出了质疑。流体动力学计算和软件的改进使得研究人员能够更精确地模拟叶片实际的受力状态。在此基础上，进一步改善叶片的空气动力学特性，即使叶片在旋转速度降低5%的情况下，捕风能力仍可以提高5%；随着叶片旋转速度的降低，叶片运行的噪音大约可以降低3dB。同时，较低的叶片旋转速度要求的运行载荷也较低，旋转直径可以相应的增加。在此项研究的基础上，德国的E~ercon公司将风力发电机的旋转直径由30米增加到33米，复合材料叶片也随着相应的增加。由于叶片长度的增加，叶片转动时扫过的面积增大，捕风能力大约提高了25%。Enercon公司还对33米叶片进行了空气动力试验，经过精确的测定，叶片的实际气动效率为56%，比按照Betz计算的最大气动效率低约3—4个百分点。为此，该公司对大型叶片外形型面和结构都进行了必要的改进：包括为了抑制生成扰流和漩涡，在叶片端部安装“小翼”；为改善和提高涡轮发电机主舱附近的捕风能力，对叶片根茎进行重新改进，缩小叶片的外形截面，增加叶径长度；对叶片顶部与根部之间的型面进行优化设计。在此基础上，Enercon公司开发出旋转直径7l米的2MW风力发电机组，改进后叶片根部的捕风能力得以提高。E~ercon公司在4．5MW风力发电机设计中继续采用此项技术，旋转直径为112米的叶片端部仍安装的倾斜“小翼”，使得叶片单片的运行噪音小于3个叶片(旋转直径为66米)运行时产生的噪音。
丹麦的LM公司在61.5米复合材料叶片样机的设计中对其叶片根部固定进行了改进，尤其是固定螺栓与螺栓孔周围区域。这样，在保持现有根部直径的情况下，能够支撑的叶片长度可比改进前增加20%。另外，LM公司的叶片预弯曲专有技术也可以进一步降低叶片重量和提高产能。
随着计算机技术和控制技术的进步，近年来，大型复合材料的叶片也向着智能化发展。在最新一代的Enercon叶片中开始采用叶片自动监测和控制系统，监测系统能够将叶片运行状态下的数百个电子信息自动地传递给叶片的控制系统，计算机管理系统每个月都会报告叶片的运行情况、早期损伤情况，以利于使用者能够对损伤叶片进行及时地修补。
LM公司将光纤控制技术用于制造智能复合材料叶片。在大型叶片制造中，尤其是近海风场用的大型风力发电机，由于风场的气候条件恶劣，监测和维护困难，对外界温度、叶片裂纹、雷击等对叶片损伤的早期预警显得十分重要。为了能够实现对复合材料叶片的实时监控，LM公司将光纤监控技术用于复合材料叶片的制造，开发出具有智能功能的复合材料叶片。在制造大型复合材料叶片时，LM公司将光纤传感器埋设和固定于复合材料内部。当这种智能复合材料叶片工作时，光纤传感器就会将叶片工作时的状态实时反映给数据采集和处理系统，相关数据经过处理后，将其反馈给风力发电机的控制系统。一旦叶片所承受外界载荷(温度、风速、风载等)超过设计载荷、叶片主体产生裂纹、外界雷击等可能对叶片造成损伤时，叶片的监控系统就会发出早期预警信号，此时才需要对叶片进行必要的保养和维护工作，可以大大降低叶片的日常维护费用。目前，这项工作正在模拟的外界环境中进行20年服役期的可靠性加速试验。LM公司目前也将此系统安装在40米的叶片上进行试验，不久将在61.5米的叶片上进行试验。目前使用的复合材料叶片属于热固性复合材料，很难自然降解。废弃物处理一般采用填埋或者燃烧等方法处理，基本上不再重新利用。面对日益突出的复合材料废弃物对环境造成的危害，一些制造商开始探讨复合材料的回收和再利用技术。
到2004年底，全世界新增的风力发电能力接近8GW，风力发电装机的总容量已达47.4GW，正在服役的风力发电叶片已达数千片。在未来十年间，仍以10%以上的增长速度快速发展。复合材料风力发电叶片的使用寿命一般为2030年。虽然最初的叶片为木质结构，但绝大多数的服役叶片仍为复合材料结构。在未来的十几年间，这些叶片将陆续退役，退役后叶片如何处理也将成为材料科学家和环保工作者必须面对的现实问题。以利用风能发电最好的德国为例，目前德国的风力发电量约占全年总发电量的6%。如果德国实现由风力发电来提供25%的电力需求的发展目标，则该国需要安装7500个超大型风力发电装置，至少需要22500个大型复合材料叶片与之配套。这些叶片在生产过程中将产生大量的苯乙烯有害气体，也会产生一些固体废弃物，而退役叶片造成的废弃物则更是数量惊人。
目前，复合材料废弃物的回收和再利用多集中在废弃物粉碎后作为填料使用，或者燃烧废弃物利用其热能。复合材料叶片的制造商正在探讨热固性复合材料(如预浸料)分离处理技术的可行性，试图将未固化的复合材料进行热固性树脂与增强纤维分离，然后分别再利用。废弃物的回收和再利用是退役复合材料叶片最理想的处理方法，这就是为什么人们积极研究开发热塑性复合材料叶片——“绿色叶片”的重要原因。
与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能。在相同的尺寸条件下，热塑性复合材料由于密度低，叶片的重量更轻，随之带来安装塔座和发电机重量的减小，同时运输和安装费用也相应地降低。但是，该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大，制造成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风力发电叶片的关键问题。随着热塑性复合材料制造工艺技术研究工作的不断深人和相应的新型热塑性树脂的开发，制造热塑性复合材料叶片已经不仅仅是一个新概念，正在一步步地走向现实。
最近，爱尔兰Gaoth风能公司与日本三菱重工和美国Cyclics公司正在探讨如何共同研制低成本热塑性复合材料叶片。Gaoth公司认为热塑性复合材料叶片制造成本较高的主要原因是目前热塑性复合材料的制造工艺成本较高，如果能够开发出一种新的低成本制造技术，就有可能使得热塑性复合材料的制造成本低于热固性复合材料。在爱尔兰有关企业的资助下，Limerick大学和Galway国立大学开展了热塑性复合材料的先进成型工艺技术的基础研究。为了解决热塑性复合材料叶片的纤维浸渍和大型热塑性复合材料结构件制造过程的树脂流动
性问题，美国的Cyclics公司为此开发出一种低粘度的热塑性工程塑料基体材料——cBT 树脂。这种像水一样低粘度的热塑性工程塑料CBTR树脂流动性好，易于浸渍增强材料，可以充分发挥增强材料的性能，赋予复合材料良好的韧性。该项技术的实施，不仅可以提高叶片的抗冲击能力，还可以大幅度提高成型速度，具有技术和经济上的优势。Cyclics公司声称当叶片退役后，平均每台风力发电机组可再利用的叶片材料可达19吨，这是前所未有的。
在“绿色叶片”研究的最初阶段，爱尔兰的Gaoth公司将负责12．6米长的热塑性复合材料叶片的制造，Mitsubishi(三菱)公司将负责在风力发电机上进行“绿色叶片的试验”。此项试验成功后，他们将继续研究开发30米以上的热塑性复合材料标准叶片。根据有关资料介绍，与环氧树脂/玻璃纤维复合材料大型叶片相比较，如果采用热塑性复合材料叶片，每台大型风力发电机所用的叶片重量可以降低10%，抗冲击性能大幅度提高，制造成本至少降低1/4，制造周期至少降低1/3，而且可以完全回收和再利用。安全快捷地制造“绿色”的复合材料叶片正期待着复合材料叶片制造商去实现，Gaoth公司及其合作伙伴就是实现这一目标的先驱。
作为可再生的清洁能源之一，我国已经开始注重风能的开发和利用。在国家科技攻关项目和863项目的共同支持下，我国已基本掌握了风力发电机组及复合材料叶片的设计和制造技术；“十五”期间，将完成MW级风力发电机组的研制，为我国风电产业参与常规能源市场竞争奠定基础。“十五”期间，风力发电事业在我国得到快速发展。根据最近的资料报道，到2020年，我国将投资2000亿人民币用于风力发电建设，新增风力发电能力将达3000MW，并要求风力发电装备本土化。这项举措将对我国生态环境保护、能源结构调整、实现国民经济可持续发展起到积极的促进作用。为此，国内的一些企业和研究机构正在加紧研究开发1．5MW风力发电装备和与之配套的大型复合材料叶片。国际上风力发电技术先进的国家也看好了潜力巨大的中国风力发电市场，丹麦、美国等国家为了降低生产成本，增强竞争力，纷纷在中国建厂。国家对可再生清洁能源的支持，加快了风力发电的发展速度，也为我国的大型复合材料叶片开发提供了一个不可多得的发展机遇。面临着巨大的市场需求和强劲的国际竞争，我国大型复合材料叶片的发展机遇与挑战共存。
风力发电复合材料叶片现在和发展 篇2
风力发电机组是一种将风能转换为电能的能量转换装置,它包括风力机和风力发电机两大部分[1]。叶片作为风力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着重要的作用,其成本占了风机设备的20%~30%[2]。
因此,叶片的设计和选材对提高叶片的综合性能、降低发电成本起着重要的作用。作为风力机叶片材料,必须具有原材料来源广泛、价格低廉等优点。人们对高性能、低成本的叶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,为未来高性能、高性价比叶片材料的应用奠定基础。
1 传统的叶片材料
由于技术发展的局限性,20世纪70年代的风力机叶片主要由木材、钢材或铝材制成,这些材料都由于种种原因没有得到大范围的使用。
木制叶片曾应用于近代的微、小型风力发电机中,但由于其不易做成扭曲型,大、中型风力发电机中很少用木制叶片[3]。随着其它叶片材料的探索及发展,木质叶片逐渐被其它材料代替。
合金钢因为其价格低廉,易加工成细长的形状,并且可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料[4]。但是由于它的密度较大,抗疲劳性能差,易腐蚀,难以加工成扭曲形状,慢慢被其它材料替代。
铝合金密度较低,常用于制造等弦长叶片,通过挤压成型工艺便可制成等弦长叶片,工艺简单,可连续生产,又可按设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性能不佳[5]。因此,这类叶片也没有得到广泛地使用。
2 主流叶片材料
随着风力发电机功率的不断提高,风机叶片呈大型化发展趋势[6],质量也随之不断增大,对叶片材料的要求也越来越高。复合材料由于具有体重轻、比强度高、良好的抗疲劳、抗蠕变、抗冲击等优点成为当今风机叶片的首选材料。
2.1 玻璃纤维复合材料
目前风机叶片的主要材料为玻璃纤维复合材料,基体材料为不饱和聚酯树脂(UPR)和环氧树脂(EPR),无碱玻璃纤维(E-玻纤)是主要增强材料。
玻璃纤维(简称玻纤)是在不饱和聚酯树脂(UPR)复合材料中应用最广泛的增强纤维[7]。玻纤具有耐化学性能好、成本低、拉伸强度高和绝缘性能优异等优点。与许多传统结构材料如钢和铝相比,UPR/玻纤复合材料具有质量轻、强度高的优点。UPR/玻纤复合材料的力学性能受基体、玻纤的类型和用量、基体与玻纤之间的界面、加工方法和条件等的影响。UPR基体的作用是将负荷从基体转移到增强玻纤,将应力分布到每个增强单元,保护增强材料免受环境的攻击,并起到将增强材料定位的作用。近30年来,UPR/玻纤复合材料的应用得到了持续发展。
环氧树脂(EPR)是优良的热固性树脂,它与目前大量应用的不饱和聚酯树脂(UPR)相比,具有更优良的力学性能、电绝缘性、耐化学药品性、耐热性和粘结性能。在国内,EPR广泛应用于纤维增强复合材料领域中。EPR/玻纤复合材料是目前研究比较成熟、应用最广的一种复合材料。EPR/玻纤复合材料具有强度高、质量轻、耐腐蚀性好、电性能优异、原料来源广泛、工艺性好、生产效率高等优点,并具有材料可设计性及特殊的功能性如屏蔽电磁波、消音等特点,现已成为国民经济、国防建设和科技发展中无法替代的重要材料,如防弹服、直升飞机机翼、预警机雷达罩、各种高压压力容器、民用飞机直板、各类耐高温制品等[8]。
2.2 碳纤维复合材料
碳纤维是由有机母体纤维(粘胶丝、聚丙烯睛或沥青等)采用高温分解法在1000~3000℃高温的惰性气体下碳化制成的,具有强度大、密度低、模量高、线膨胀系数小等特点,是一种力学性能优异的材料[9]。碳纤维复合材料具有刚度强、质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是玻璃纤维复合叶片的2~3倍[10]。当叶片长度为34m时,玻璃纤维增强聚酯树脂叶片质量为5800kg,玻璃纤维增强环氧树脂叶片质量为5200kg,与玻璃纤维增强聚酯树脂叶片相比,可减轻质量600kg;而碳纤维增强EPR叶片,质量为3800kg,与玻璃纤维增强EPR相比,可减轻质量2000kg。由此可见,叶片材料发展的趋势是采用碳纤维增强EPR复合材料,特别是随着功率的增大,要求叶片长度增加,更需采用碳纤维增强环氧树脂复合材料。虽然碳纤维复合材料的性能
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片质量的关系[5]。
由于碳纤维增强EPR复合材料价格昂贵,导致风力机叶片制造成本高。全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究,以求降低成本。
3 叶片材料的发展趋势
3.1 碳纤维增强乙烯基树脂
业界专家认为,用性价比更高的乙烯基树脂取代目前广泛采用的环氧树脂,将成为未来风力机叶片材料的应用趋势[2]。
由于叶片成本占整个发电装置成本的比重较大,因此需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优势是可降低叶片成本。乙烯基树脂目前的价格约为30元/kg,环氧树脂约为40元/kg,仅通过更换叶片材料就能减少至少10%的成本。
有专家表示,通过更换叶片材料可以降低更多的成本。因为,叶片主材更换后,表面护层配套产品也会相应改变,带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,将大大提高模具的使用效率。以1.5MW的叶片为例,其模具成本大约为300~400万元,以环氧树脂为基材生产一片叶片需约2天时间,而用乙烯基树脂仅需1天。
乙烯基树脂替代EPR的另一优势是工艺性好。乙烯基树脂可以在不改变原EPR成型结构设计的基础上,直接替换EPR。由于乙烯基树脂与另一叶片主要用材——UPR类似,因此可以借鉴现有不饱和树脂制备叶片的成熟工艺。乙烯基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要求。
乙烯基树脂之前已大量应用于船舶、游艇,其各项性能得到多家厂方的确认。虽然乙烯基树脂有很大优势,但其开发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生产尚需时日,目前国内外企业正在积极开展乙烯基树脂在叶片上的应用研究。
3.2 热塑性复合材料(CBT树脂系统)
当前叶片多由热固性复合材料制成,如玻璃纤维增强环氧树脂、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,导致环境的污染,而且该类叶片在其退役后很难被回收利用。就目前的发展形势看,一种由热塑性复合材料制成的“绿色叶片”的使用是必然的趋势。与热固性复合材料相比,热塑性复合材料有可回收再利用,密度小,强度高,抗冲击性能好等优点。
3.3 WindStrandTM增强材料
Owens Corning提出的WindStrandTM增强材料是新一代的增强玻璃纤维。这一技术的产生使得叶片生产商能够继续使用玻璃纤维材料而不必采用其他昂贵的材料。WindStrandTM增强材料与目前应用的材料相比有很多的优点:与E-玻纤增强材料相比,刚度提高了17%、强度提高了30%、疲劳寿命提高了10倍,这一特性使得风轮在叶片偏航和抗风中表现出一种很高的水平,同时使得风能利用率和风力机寿命得到了大大的提高。除此之外,WindStrandTM增强材料还具有质量轻的优点,这样叶片可以做的更长,最终可以达到降低单位电量的成本目的。
4 总结
叶片材料经历了木制叶片、合金钢叶片、铝合金叶片等阶段。目前,随着风机的大型化,具有体重轻、比强度高等优点的复合材料,是风机叶片材料的首选,其中玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂是普遍使用的材料,碳纤维增强环氧树脂性能较好,但是考虑到乙烯基树脂可降低叶片成本、工艺性好等的优点,随着对乙烯基树脂在叶片上应用研究的深入,在不久的将来乙烯基树脂将逐步替代环氧树脂成为风机叶片材料的首选。但是,随着人们对环境要求的严格,以及对更多性能好、无污染的叶片新材料的探索及研究,大规模使用这些新材料则是指日可待。
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。
关键词：风力机,叶片,复合材料
参考文献
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浅析复合材料风力发电机叶片 篇3
【关键词】复合材料；风机叶片；风力发电
1.风机的原理及叶片的作用
目前国内外的风力发电机普遍应用的是水平轴和垂直轴两大类，其中，水平轴风力发电机是旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行的，旋转轴处于水平的风力发电机。垂直轴风力发电机则是旋转轴与叶片平行的，一般与地面垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。目前，大型的风力发电机大多数属于水平轴的，所以市场以水平轴升力型居多。一部典型的现代化水平轴升力型风力发电机主要包括叶片、轮毂（与叶片合称叶轮）、齿轮箱、基座、机舱罩、塔架、发电机、控制系统、制动系统、液压装置、偏航系统等。其工作原理是：当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮通过主轴连接齿轮箱，经过齿轮箱（或增速机）加速后带动发电机发电。风力发电机不能将所有流经的风能转换成电能，理论上最高转换效率约为59%左右，但实际上大多数风力叶片的转换效率约在30%～50%之间，经过机电设备之后转换成电能的总输出效率约在20%～45%之间。风机叶片从风的流动获得的能量与风速的3次方成正比，与叶轮的直径平方成正比，叶轮直径决定了可撷取风能的多寡。叶片的数量的多少也会影响到风机的输出。一般来说，2叶、3叶的风机效率较高，力矩较低，适用于发电。现代风机叶片一般采用机翼翼型。
2.风机叶片设计流程简介
2.1确定总体参数。（1）确定风轮直径。通过运用给定的公式和参数来进行风轮直径的计算。（2）叶尖速比λ0和叶片数B。风轮的叶片数和叶尖的速比系数及风轮的转速有着密切的联系，风轮叶片数越多，风轮的阻力就越大，风轮的转速也就越慢。对于高速风力发电机来说，叶尖速比在5到8范围内时，风力发电机具有相对较高的风能利用系数。目前国内外的大型风力发电机采用三叶片的较多，三叶片风力机的运行和输出功率方面较为平稳，并且具有很好的旋转特性及视觉效果。（3）选择翼型。翼型的选型对风力发电机的效率十分重要，较好的翼型应该是在某一攻角范围内且升力系数较高，而相应的阻力系数较小；它所适应的雷诺数与风力机实际运行情况的雷诺数相近；并且具有较好的制造工艺性。由于风力发电机叶片的气动性能对其气动外形要求较高，每个叶片都有属于自己不同型号的翼型，这些翼型对风力发电机的效率有着重要影响，因此翼型的选择对叶片的设计有着至关重要的作用。
2.2叶片外形设计。叶片的设计包括外形设计（气动设计）和结构设计，外形设计就是叶展形状的设计，结构设计就是铺层结构的设计。叶展形状与风力发电机的空气动力性密切相关，叶展形状的设计即是叶素弦长和安装角的设计。关于叶展形状有多种设计模型，基于涡流理论的Sc知mltz设计模型、葛涝涡（Glauert）设计模型和Wilson设计模型；葛涝涡模型有两种计算过程：一种和Schmitz模型类似，未明确引进干扰系数；另一种和Wilson模型类似，明确引入了干扰系数。
2.3风机载荷计算。风机载荷计算是风力机设计和认证的重要依据，用于风力机的静强度和疲劳强度分析。国际电工协会制定的IEC61400-1标准、德国船级社制定的GL规范和丹麦制定的DS472标准等对风力机的载荷进行了详细的规定。
2.4风机空气动力试验。风机空气动力试验是风机设计和研究的重要环节，除了在风洞中进行试验外，还可以在风电场中进行风机空气动力试验。
3.大型风力发电叶片的技术状况分析及其质量控制
风力发电叶片技术在国外已经经历了将近十年的市场考验，所开发出的系列叶片也经历了多次设计修改，综合性能趋于完善。而在风力发电叶片开发技术方面我国与国外之间存有一定的差距，因此在我国兆瓦级的叶片技术主要是通过委托设计、生产许可证、联合设计等方式来引进的。叶片的制造工艺主要有干法预浸料成型工艺、湿法预浸料成型工艺、手糊成型工艺和真空灌注成型工艺等。以目前来看，大型风力发电叶片制造工艺已以真空灌注成型工艺居多，此工艺性能稳定，产品质量好，投资成本适中，所以被广泛应用。但该工艺对制作要求严格，如果质量控制不严，工艺条件控制不足，，叶片将很易报废。叶片质量的高低是通过控制过程来实现的。保证叶片生产质量的重要手段是以运行良好的质量保证体系来实现的。在制造风力发电叶片的过程中，需要纤维铺设、树脂固化、胶接、表面涂装等关键过程。生产现场管理要实施规范化，保证和维持生产现场的干净、整齐、美观和规范。在制造过程中，特殊工序和关键工序一定按照要求严格遵守，执行“三定一确认”的原则，保证每个要素都处于受控状态。在成型过程中每一步骤都要做好记录，建立完整的成型过程档案，保证每片叶片的质量有有效的技术档案，和质量的可追溯性。避免主要成型过程中出现大的缺陷，这些要求是过程质量控制的关键。产品寿命内的全过程取决于风力发电叶片的质量，所以要建立完善的风力发电叶片制造技术档案，建立面向现场的生产管理，保证产品质量的可追溯性。风力发电叶片的运行寿命为20年左右，运行过程中，不可避免的会发生裂纹、碰伤等情况，甚至需要更换叶片。这就需要完整有效的的风力发电叶片档案。叶片的档案是正确维护、维修叶片的基础。档案记录要从原材料的编号、批号，到叶片成型过程中每个工序的质量状况，再到出厂检验情况都要客观，准却的记录在案，叶片档案与叶片同保存。以方便叶片的运行中的维护与维修，准确分析发生破坏的原因等。
4.结论
作为可再生清洁能源之一的风能，我国现已开始注重风能的开发与利用。在国际上，一些有着先进风力发电技术的国家看好了拥有巨大潜力的中国风力发电市场，更有一些国家如丹麦、美国为了降低生产成本，提高国际市场竞争力，纷纷在中国建厂。而我国对可再生清洁能源的重视与支持，促使风力发电的发展更为快速，这些机遇成为我国开发与发展大型复合材料叶片的前进力与推动力，也是一个不可多得的发展机遇。同时我国大型复合材料叶片的发展也面临着强劲的国际竞争和巨大的市场需求，这对我国来说也是巨大的挑战。
参考文献
[1]李祖华.风力发电发展现状和复合材料在风机叶片上的应用[A].高科技纤维与应用，2008，（3）：117-136.
[2]张晓明《纤维复合材料》，2006，23（2）：60-63
风力发电复合材料叶片现在和发展 篇4
班级：材料工程111 学号：205110137 姓名：张宇
摘要：本文对中国风能现状及资源分布，近年来中国风力产业的发展状况以及复合材料在风电叶片上的应用进行论述。
关键词：风力发电；发展状况；复合材料；风电叶片
Abstract:This review concerns about the stituation and resource distribution of windy energy in China,the development status of chinese wind power-generation enterprises and the application of composites in wind power-generation.Key words:Wind power-generation；Development status；Composites；Wind turbine blade 引言
社会经济的持续发展导致能源消耗不断增加，我们正面临日益严峻的能源形势。全球范围的石油、天然气能源逐渐枯竭，环境恶化等因素迫使我们寻找更加清洁、可持续发展的新能源，风力发电应运而生。中国风能资源非常丰富，主要集中在三北地区及东部沿海风能丰富带。
风力发电产业市场巨大，竞争激烈。据估计，2006到2010年之间，我国风电叶片的需求量大约在7000多片，2011到2020年的需求量则将达到惊人的50000片。巨大的市场前景使得目前风机行业的竞争空前激烈。整机方面，目前国际市场格局已初步成型。2005年全球超过75％的市场份额被丹麦Vestas、西班牙Gamesa、德国Enercon和美国GE WIND四家企业占据，新进入企业的生存空间不大；国内的整机生产企业中，新疆金风、浙江运达、大连重工集团、东方汽轮机厂等几家的市场前景被业界看好，这其中又以新疆金风科技在国内品牌中的市场份额最大。叶片市场的情况与整机基本类似，单是丹麦LM Glasfiber公司一家就占据了国际市场40%以上的份额，其产品被GE WIND、西门子、Repower、Nordex等公司全部或部分采用；另外Vestas和Enercon公司也拥有各自的叶片生产部门。国内的叶片生产企业主要有中航保定惠腾、连云港中复连众复合材料集团等。
风电叶片作为风力发电机组系统最关键、最核心的部件之一．叶片的设计及其采用的材料决定着风力发电机组的性能和功率，也决定着其电力成本及价格。复合材料在风力发电上的应用，实际上主要是在风电叶片上的应用。风电叶片占风力发电整个系统成本的20%到30%。制造叶片的材料工艺对其成本有决定性影响，因此材料的选择、制备工艺的优化对风电叶片十分重要。
1.中国风能资源及其分布
1.1中国风能资源
据有关研究成果预测，我国风能仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位，理论储32260GW，陆地上离地10m高可开发和利用的风能储量约为2.53亿kw(依据陆地上离地10m高度资料计算)，近海(水深不超过10米)区域，离海面10米高度层可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW，共计10亿kW，风能资源非常丰富。
1.2中国风能资源分布
风能资源丰富的地区主要分布在东南沿海及附近岛屿以及“三北”(东北、华北、西北)地区。另外，内陆也有个别风能丰富点，海上风能资源也非常丰富。“三北”地区包括东北3省、河北、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新疆等省自治区近200km宽的地带，风功率密度在200~300W/m2以上，有的可达500W/m2以上，可开发利用的风能储量约2亿kW，约占全国陆地可利用储量的79%。该地区风电场地形平坦，交通方便，没有破坏性风速，是我国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模的开发风电场。包括山东，广西和海南等省市沿海近10km宽的地带，年有效风功率密度在200W/m2以上，沿海岛屿风功率密度在500W/m2以上，风功率密度线平行于海岸线，可开发利用储量为0.11亿kW，约占全国陆地可利用储量的4%。东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰富区。我国有海岸线1800km，岛屿6000多个，大有风能开发利用的前景。
2.近年来中国风电产业发展
2.1产业发展现状
2000至2009年10年间，中国风能产业飞速发展，风能累计装机的容量平均的怎张速度高达72.8%。从2005年起，总装机容量的增长速度超过了100%。截止到2009年12月31日，中国（不含台湾省）风电累计装机超过1000MW的省份超过9个，其中超过2000MW的省份4个，分别为内蒙古(9196.2MW)河北(2788.1 MW)辽宁(2425.3MW)吉林(2063.9MW)内蒙古2009年当年新增装机5545MW，累计装机9196.2MW，实现150%的大幅度增长。
从风电零部件制造方面来看，据统计，2004年中国仅有6家风力涡轮机制造商，2009年这一数字已提高到80家以上。已开始生产的内资叶片企业52家，轴承企业16家，齿轮箱企业10家，变流器企业12家，塔筒生产企业则有近100家。其中，叶片制造企业中复连众、中材科技年供货已超过500套，中航惠腾年供货超过2000套；轴承制造企业洛轴、瓦轴、天马等已具备批量主轴轴承生产供应能力齿轮箱制造企业中南高齿年产超过3000台，大重减速机超过2000台、重齿超过1000台；
从风电整机制造方面来看，2009年，华锐风电、金风科技和四川东汽继续保持市场前“三甲“的位置，华锐新增装机34.5万kW，金风新增装机272.2万kW，东汽新增装机203.5万kW。联合动力以装机容量768MW，占中国新增市场5.6%的优势，排名全国第四。随着国产整机产能释放及零部件配套能力增强，产业链瓶颈将消除，产业发展迅速；风电设备市场呈现寡头垄断格局，避免了市场无序竞争，有利于领头企业做大做强。2009年我国新增风电装机及累计装机排名前10名制造企业市场份额。内资变流器制造企业供应能力增强，质量获得客户认可。可见，国内风电零部件产业发展的繁荣景象。
2.2国家的优惠政策
中国颁布的政策主要从两个方面扶持风电行业，一方面是通过财政补贴、电网全额收购、确定风电并网价格，以保证风力发电项目合理盈利，从经纪商进行促进；另一方面是在国内市场启动的同时，扶持风机制造业发展，为中长期的风电产业发展奠定基础。归纳为一下四大点：
(1)风电全额上网
2006年1月1日开始实施《可再生能源法》。该法要求电网企业为可再生能源电力上网提供方便，并全额收购符合标准的可再生能源电量，以使可再生能源电力企业得以生存，并逐步提高其能源市场的竞争力。
(2)财税扶持
考虑到现阶段可再生能源开发利用的投资成本比较高，《可再生能源法》还分别就设立可再生能源发展专项资金为加快技术开发和市场形成提供援助，为可再生能源开发利用项目提供有财政贴息优惠的贷款，对列入可再生能源产业发展指导目标的项目提供税收优惠等扶持措施作了规定。
(4)上网电价
当前风电定价采用特许权招标方式，导致一些企业以不合理的低价进行投标。风电特许权招标先后作出了三次修改，总的看来，电价在招标中的比重有所减少；技术、国产化率等指标有所加强；风电政策已由过去的注重发电专项了注重扶持中国企业风电设备制造。目前，有关部门正在抓紧研究风电电价调整的具体办法，调整的原则将有利于可再生能源的开发，特许权招标的定价方式有可能改变，2008年1月第五期风电特许权招标采取中间价方式，就是一个最新的尝试和探索，避免了恶性低价的竞争局面，有助于风电电价开始向理性回归，有利于整个风电产业的发展。
(4)国产化率要求
2005年7月国家出台了《关于风电建设管理有关要求的通知》，明确规定了风电设备国产化率要达到70%以上，为满足要求的风电场建设不许建设，进口设备要按章纳税。2006年风电特许权招标原则规定：每个投标人必须有一个风电设备制造商参与，而且风电设备制造商要向招标人提供保证供应复合75%国产化率风电机组承诺函。投标人在中标后必须并且只能采用投标书中所确定的制造商生产的风机。在政策扶持下，2007年风机国产化率已经达到56%，2010年风机国产化率也达到85%以上。
2.3风电产业发展趋势
我国海上资源丰富，发展海上风电，将依托于风能资源丰富的海域，同时以“建设大基地、融入大电网”的方式进行整体规划和布局。目前，我国海上风电开发已经启动，国内对大容量风电机组的需求也在增加，国内风电制造企业纷纷开发大容量海上风电机组。华锐、金风、东汽、联合动力、湘电、明阳等都已开始5MW及以上风力发电机组研发。相信随着整机及零部件技术的不断进步，大容量海上风电的规模化化发展。
3.复合材料在风电叶片上的应用
风力发电装置最核心的部分是叶片，叶片的结构与性能将直接影响到风力发电的效率及性能。风电叶片的成本占整个风力发电装置成本的20%左右，因此采用廉价、性能优异的复合材料成为了许多企业研究的方向。现在使用比较多的复合材料有玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂，局部采用玻璃纤维或者碳纤维增强环氧树脂作为主承力结构。
3.1碳纤维增强复合材料及其优点
碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得的微晶石墨材料。碳纤维是一种力学性能优异的新材料。它的比重不到钢的1/4。碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MP以上，是钢的7~9倍。抗拉弹性模量为材料的强度与其密度之比可达到2000MPa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59MPa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大。碳纤维的轴向强度和模量高、无蠕变。耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。
使用碳纤维增强复合材料能大幅度减少叶片的重量，而且比一般的玻璃纤维的增强体模量高3到8倍，可以用于大型风机叶片。碳纤维复合材料具有优异的抗疲劳特性，与树脂混合后能够抵抗恶劣的天气条件。
3.2TM玻璃纤维增强复合材料
TM玻璃纤维具有高强度、高模量的性能，具有较高的抗拉强度、弹性模量、耐疲劳强度、耐性和耐化学腐蚀性。其密度为2.59-2.63g/cm3，拉伸强度为3000~3200MPa,模量为84～86GPa。是大型风电叶片的首选，但是其密度相比于上述的碳纤维增强体要高，所以其缺点是重量太大。TM玻璃纤维中不含硼和氟，是一种环保型的材料。
4.结论
我国是最早利用风能的国家，国家对风能这种清洁的可再生能源的高度重视，新型复合材料在风电叶片上的应用有利于风电产业的发展，我国风电业将进入一个崭新的大规模高速发展阶段。