风力发电机组风轮叶片材料的使用方向

风力发电机组风轮叶片材料的使用方向风力发电是新能源中开发较早、应用广、技术成熟的可再生清洁能源。首个发电风场1891年建立于丹麦，随着风力发电技术的成熟、制造成本的不断下降，发电成本也逐年下降，加上各国政府的政策扶植，自上世纪70年代世界石油危机以来，风能资源的开发利用逐步得到发展。随着科学技术的进步，风力发电从可再生清洁能源中脱颖而出，成为工业开发最具价值的一种新能源，世界风电正以迅猛的速度发展。1994～2000年，全世界风电装机容量年平均增长率为31％。叶片是风力发电机组中的关键部件，需要良好的设计、可靠的质量和优越的性能。恶劣的环境对叶片的要求有：很好的刚度、最佳的疲劳强度和机械性能，能经受暴风等极端恶劣条件的考验，具有好的耐腐蚀、耐紫外线和耐雷击的性能；发电成本较低，维护费用低。叶片一般是采用梁壳结构，夹心结构的肋梁，内填泡沫塑料外覆玻璃钢蒙皮的壳体结构形式。叶片的纵梁从叶根至叶尖的截面逐渐变小，以满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量，即做成等强度梁。风力发电机组叶片使用的材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强乙烯基树脂、玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂。在发电机功率确定的条件下，如何提高发电效率，以获得最大的风能，一直是风力发电追求的目标，而风能的利用与叶片的形状、长度和面积有着密切的关系，叶片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，叶片有效利用载荷的能力就越强，叶片就可以做得更大，它的风能利用能力也就越强。因此，轻质高强、耐久性好的复合材料是目前大型风力发电叶片的首选材料。在复合材料风力发电叶片的研究开发过程中，德国、丹麦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、制造工艺等方面作了大量的研究开发工作，并取得了丰硕的成果。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。目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5～2.0MW，与之配套的复合材料叶片长度为30～40米。现今世界上最大的风力发电机的装机容量为5MW，旋转直径可达126米。这是材料、结构和工艺三者完美结合的成功地体现。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。为了保证风力发电机运行平稳，要求叶片的质量轻，而且也要求叶片的质量分布均匀、外形尺寸准确。叶片的制造模具是保证以上要求的基础。大型叶片的外形尺寸与其模具制造有着极其密切的关系。为了保证复合材料叶片外形和尺寸精度，叶片长度越长，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，大型叶片的模具制造也发生了很大的变化，由金属模具向复合材料模具转变。另外，模具制造的材料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，制造出的叶片的精度和尺寸得到了保证。另外，生产工艺也发生了质的变化。由最初的手糊成型向着湿法铺放工艺的转变，逐渐过渡到国内现在广泛使用的增强材料的现场浸渍和预先浸渍。现在国际上最先进的生产工艺是所说的干法成型（也称为闭模成型），即按照设计铺层进行层铺，然后密封型腔，进行抽真空注射成型。真空注射成型不仅树脂含量容易控制，还保证了复合材料叶片的质量均匀分布，而且增强材料铺设准确，基体树脂在真空压力的作用下，可以更完全的浸渍增强材料，能有效地发挥增强材料的性能，提高复合材料的承载能力。增强材料在大型叶片的制造中也发生了大的变化，由传统的玻璃纤维机织物做骨架，改由用多轴向经编织物。多轴向经编织物因为没有了织造过程中的纤维弯曲变形，具有很好的强度保持率，同样的纤维含量可以得到更高的强度。可以大大减轻重量，有较低的生产成本、较高的生产效率。通常使用的多轴向经编织物为-45°、90°、+45°和0°，可以按用途任意变化，使得材料具有一定的各向异性，即材料只在受力点和受力方向上得到增强。多轴向织物是一种多层织物。纤维铺设在面内不同方向以及沿厚度方向，形成由纤维束构成的三维网络整体结构。多轴向经编织物的特点在于整体性能好、设计灵活、拉伸性能和抗撕裂性能好，特别是沿厚度方向纱线的增强，大大提高了层间性能，克服了传统层合板层间性能差的弱点。织物面内任意方向上的拉伸强度和拉伸模量可以通过缝编纱形成面内拉伸各向同性或各向异性。另外，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10多年前的7.5m发展到今天的61m，叶片长度不断增加，增强材料的快速发展做出了很大的贡献，轻质高强度的玻璃纤维/碳纤维混杂增强结构材料会有到很大的利用空间。使用碳纤维作为增强材料，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。叶片的设计和采用的材料决定风力发电叶片的性能和功率，也决定风力发电机组的价格。因此，叶片材料的选择、制造工艺优化对风力发电装置十分重要。环境保护在工业生产中越来越受到各国政府的重视，复合材料制造过程中苯乙烯等有机溶剂的挥发对环境和操作人员产生的不良影响更是越来越引起人们的重视，各国对生产过程中产生的有害挥发物有了明确的限制规定。可以说，是环保的要求促进了生产工艺的发展，开模工艺向闭模工艺的改进，可以大幅度的减少苯乙烯等有机溶剂的挥发对环境和人体的危害，改善了生产环境，保护了大气环境。目前的复合材料叶片属于热固性复合材料，一般很难自然降解。生产中产生的边角余料等废弃物属于危险废弃物，一般的处理方式采用填埋或者燃烧等方法处理，不可以重新利用。日益突出的复合材料废弃物对环境造成的危害和巨大费用，促使各生产厂家开始研究废弃物的回收和再利用技术。目前，将复合材料废弃物进行粉碎后作为填料使用，是值得研究的方向。其余不可以粉碎的废弃物进行燃烧处理，可以利用其热能。叶片的设计使用寿命一般为20年，10几年后退役复合材料叶片的处理是个艰巨的任务，退役叶片造成的废弃物是数量惊人的，回收和再利用可能产生一个新兴行业，积极研究开发新型复合材料叶片——“绿色叶片”是今后发展的的重要任务。