材料12-2风力发电机叶片材料的发展

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。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：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。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。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。玻璃钢叶片所谓玻璃钢(glassfiberreinforcedplastic，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。变弦长的叶片没办法挤拉出来，因此其是以牺牲空气动力效率为前提的当前主要使用的叶片复合材料据国际咨询公司UtiliPoint总裁BobBellemare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RameshGopalakrishnan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。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！较传统的E玻璃纤维复合材料E-玻璃纤维：E-glassE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！碳纤维复合材料随着风机叶片长度的增加，单纯使用玻璃纤维，其刚度已经不能满足大型风机叶片的要求，因此碳纤维也逐渐被引人。荷兰代尔夫特理工大学(DelftUniversityofTechnology,Netherlands)研究表明，碳纤维复合材料叶片的刚度是玻璃纤维复合材料叶片的两倍。碳纤维取代玻璃纤维不仅可以减轻叶片质量，而且性能更优异。但是碳纤维过于昂贵，一定程度上限制了其广泛使用。折中的方案：玻纤与碳纤混杂。42m以上的叶片采用碳纤维或碳/玻混杂纤维Discontinuousfiber-reinforcedcompositeshavelowerstrengthandmodulusthancontinuousfibercomposites.However,withrandomorientationoffibers(Figure3.1e),itispossibletoobtainequalmechanicalandphysicalpropertiesinalldirectionsintheplaneofthelamina.本文针对9米长的复合材料叶片进行了有限元计算，分析了材料特性、叠层、厚度等要素的影响。在现有的叶片截面上，使用不同厚度的NREL剖面，基于层叠理论和多层结构原理进行复合材料叶片研究，并完成了二个设计实例。通过具有相同外部几何要素、二种不同材料层压的对比分析可以发现，碳纤维玻璃复合材料可以减低11%的重量。玻璃纤维（ＧＦ）／环氧树脂（ＥＰ）复合材料是目前研究比较成熟、应用最广的一种环氧复合材料，具有比强度高、比模量高、耐疲劳、耐腐蚀、电性能优异等特点，应用领域十分广泛，并且用量不断增加。碳纤维（ＣＦ）／ＥＰ复合材料具有比强度、比模量、耐疲劳强度较高以及耐烧蚀性能好等一系列优点，还具有密度小、热膨胀系数小、耐腐蚀和抗蠕变性能优异及整体性好、抗分层、抗冲击等特点.GF/EP与CF/EP性能比较实验材料：碳纤维:T700S,12K，日本东丽;玻璃纤维:E玻璃纤维CF/EP材料在碳纤维未经表面改性时浸润度降低，存在气孔较多，造成的材料整体性能会有所下降。经表面氧化处理后，碳纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能随碳纤维含量的增加呈抛物线状变化，先上升，达到最大值后下降；碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能提高，其中最大拉伸强度比未处理碳纤维复合材料提高了23.37%，最大抗压强度提高了11.73%一般认为小型风机叶片(22m以下)选用玻璃纤维增强，树脂基体以不饱和聚醋树脂为主，也可选用乙烯基树脂和环氧树脂较大型叶片(42m以上)选用碳纤维增强或碳纤维和玻璃纤维混合增强，树脂基体以环氧树脂为主。从聚酯树脂到环氧树脂叶片复合材料的制造工艺随着风机叶片的尺寸不断增加，为了保证发电机的平稳运行和塔架安全，要求叶片质量轻、外形尺寸精度高、质量分布均匀、长期使用性能可靠。因此风机叶片的生产工艺也在不断改进。手糊成型传统复合材料风机叶片多采用手糊成型。由于手糊成型是开模工艺，生产过程中会有大量的苯乙烯等挥发性有毒气体产生，给操作者和环境带来危害;另外，手糊成型生产效率低，产品质量稳定性差，因此手糊成型通常只用于生产叶片长度比较短和批量比较小的场合真空浇灌成型对于长度超过40m的叶片，一般采用真空灌注成型。真空灌注成型工艺是将纤维增强材料直接铺放在模具上，在纤维增强材料上铺放剥离层和高渗透介质，然后用真空薄膜包覆及密封，利用真空负压将树脂注人并浸透增强材料。由于真空灌注成型是闭模成型，因此在成型过程中苯乙烯挥发少，改善了工作环境，简化了工艺操作。同时真空辅助可充分消除气泡，降低制品的孔隙率，能有效控制产品的含胶量，产品质量稳定性高。真空灌注成型工艺被认为一种效率高。成本低、质量好的生产工艺，已经被广泛使用。叶片整体成型(IntegralBlade)技术较真空灌注成型工艺相比，西门子风力发电集团研发的叶片整体成型(IntegralBlade)技术，更简化了生产过程，能使叶片正真达到一次成型。其原理是玻璃纤维增强材料的干燥通过一个封闭的外部模具和一个扩展的内部模具的特殊组合完成铸造，完成玻璃纤维增强材料的层压之后，环氧树脂材料在真空环境中注人，此后，叶片在封闭的模具中经高温固化，一步完成完整、无缝的叶片制造。与其它制造商所采用的传统叶片制造方法相比，整体成型所具有的优点包括:该方法节省人力和空间，制造过程中仅需一个模具组;在外壳和承重杆之间没有公差，使最终的叶片结构完整，不存在胶水粘连部件，从而避免了裂缝、水分侵人、雷电对这些潜在威胁对叶片薄弱环节的不利因素。由于IntegralBlade制造过程的封闭性，叶片制造工厂提供了一个干净、漂亮的工作环境。叶片今后的发展趋势叶片厂家制造大型叶片所面临的问题新模具的开发固化的问题运输的问题叶片的技术问题1、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。为保证复合材料桨叶设计外形和尺寸精度，叶片越长，成形时对模具刚度和强度的要求就越高，而模具的重量和成本也会大幅度提高。近年来，为减轻模具重量，降低模具成本，大型复合材料叶片的制造模具也逐渐由金属模具向复合材料模具转变。考虑到内资厂商处在风电叶片生产的初期，需要较长时间进行模具开发、样品开发、样品测试工艺调试以及流程优化，因此一般新进入的风电叶片生产厂商都需要较长时间的摸索。2、叶片存在固化问题。一般而言，复合材料制品在固化过程中放热不易控制，特别是在产品结构局部厚度较大处，放热峰温度过高，局部热量不易散去，易产生焦化。为了避免发生放热过多，固化过程通常分阶段进行，但延长了固化周期。为了缩短整个固化周期，Hexcel研发了一种专门用于叶片根部的低放热预混料HexPlyM19。据介绍HexPlyM19是一种低毒性，环境友好型预混料其最大的优点就是容易控制固化反应过程中的放热。HexPlyM19与玻璃纤维和碳纤维一起使用，比同样条件下的一般预混料固化快巧-20%。由于固化反应放热易控制，因此较传统预浸料在高温条件下固化时间短，从而缩短了固化周期。随着固化周期的缩短，模具成本和加工成本也相应地降低。据估算其模具成本可降低1