兆瓦级风机叶片复合材料发展现状

*基金项目：国家863计划资助项目（编号：2007AA03Z563），湖南省重大科技专项资助项目（编号：No.2009FJ1002）**通讯作者：周娟，女，硕士，主要从事树脂基复合材料研究，E-mail:[e-mail]兆瓦级风机叶片复合材料发展现状*周娟1**，冯学斌1，彭超义21株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲4120072国防科技大学航天与材料工程学院，湖南长沙410073摘要：随着世界对可再生能源越来越重视，风能发展的前景将越来越广阔。本文简述了兆瓦级风机叶片复合材料的发展现状，分析了风机叶片用增强材料、树脂材料及夹芯材料等方面的发展情况，并对风机叶片材料的发展趋势进行了分析。关键词：复合材料；风机叶片中图分类号：TB332DevelopmentsofCompositesforMWwindturbinebladesZhouJuan1,FengXuebin1,PengChaoyi21ZhuzhouTimesNewMaterialTechnologyCo.,Ltd.,HunanZhuzhou,4120072CollegeofAerospaceandMaterialsEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,HunanChangsha410073Abstract:Withtheworld'sincreasingemphasisonrenewableenergy,windenergywillmeetabrighterfuture.DevelopmentsofcompositesforMWwindturbinebladeswasintroduces.Thereinforcedmaterial,resinmaterialandsandwichmaterialswereanalysedindetail.Andthetrendformaterialsofwindturbinebladeswasgiven.Keywords:composites;windturbineblades1.前言在当今世界能源短缺，同时又突出强调环保情况的大背景下，大力开发利用风能发电，正在成为一种普遍的趋势和潮流，风力发电在全球范围内迅速发展。风电叶片是风力发电机组的关键部件之一，价值占整机20%左右。20年来的风机叶片技术和市场的开发使风力发电从复合材料的边缘应用变成全球复合材料最兴旺的市场之一，旺盛的市场需求驱动着先进技术和材料的研发和应用。2.叶片材料的发展概况风机叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件，被视为风力发电系统的关键技术和技术水平标志。在叶片发展的100多年里，叶片材料经历了木制叶片及布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金叶片[1]，到现在正在流行的玻璃纤维复合材料叶片，以及目前已开始采用碳纤维复合材料叶片，随着科学技术的进步，叶片材料的开发顺应了叶片大型化和轻量化的发展方向。目前世界上绝大多数叶片采用玻璃钢/复合材料制造。玻璃钢/复合材料具备强度与刚度可设计性、抗振性好、耐疲劳、耐腐蚀性和耐气候性好等优点。风力发电多年的发展证明，风机叶片的材料越轻、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，发电效率越高，投资风电的效益越好。因此轻质高强、耐蚀性好、具有可设计性的玻璃钢/复合材料是目前大型风机叶片的首选材料。3风机叶片用增强材料纤维增强复合材料是由纤维和基体材料组成的，纤维起着承受载荷的主要作用。目前商品化的大型风机叶片大多采用玻璃纤维增强材料制造。在玻璃纤维方面E玻纤因其成本低、适用性强的特点被大量使用，同时为提高叶片的强度和刚度，S玻纤、M玻纤等也可作为增强材料。玻璃纤维厂商纷纷研制适合于风机叶片的玻璃纤维产品[2]。例如：美国欧文斯科宁公司：其0CSE1200直接无捻粗纱用Advantex®玻璃纤维制造，适用于缝编、机织、拉挤和缠绕成型，目标用途是风能和造船市场。美国佳斯迈威公司：其StarRov806无捻粗纱耐疲劳性能好，用以优化制造风机叶片用的机织布和缝编织物。美国PPG公司：其Hybon2002直接无捻粗纱超硬而不易断裂，Hybon2026无捻粗纱疲劳强度比标准产品高10％，它们均适用于风轮叶片的制造。该公司正在研发刚度更高的增强材料，以填补E玻璃纤维与碳纤维之间的空白。芬兰奥斯龙公司：其CombiFlow缝编夹芯毡由两层短切玻璃纤维原丝与中间的多孔弹性PET助流层缝合而成，使树脂流动更好。国产玻纤厂家如重庆国际、常州宏发纵横、常州天常、成如旦等也都开发了相应的风机叶片用E玻纤产品，并得到了一些叶片生产厂家的批量应用。但是，玻纤密度较大，随着风机叶片长度的增加，叶片的质量也越来越重，完全依靠玻璃纤维增强材料作为叶片的材料已逐渐不能满足叶片发展的需要。因此，需要寻找更好材料以适应大型叶片发展的要求。既要减轻叶片的质量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维增强材料。碳纤维增强材料的拉伸模量是玻纤增强材料的2~3倍，大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。丹麦Vestas的V-90型风力机容量为3.0兆瓦，叶片长44m，其样品试验采用了碳纤维制造；西班牙Gamesa在其直径为90m叶轮的叶片制造中使用了碳纤维；华盛顿的Kirkland公司和TPIComposites公司合作，发展碳纤维风机叶片，以求得最大的能量获得，同时减轻风机的负载。方案通过对30~35m长叶片的设计，制造和测试证明先进的碳纤维混编设计叶片的商业化的可行性[3]。但由于碳纤维的价格昂贵，限制了它在风力发电上的大规模应用。随着全球各大碳纤维生产厂商产能的不断扩大，碳纤维的采购成本会不断减低。从目前风机叶片的发展趋势而言，采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。表1为各种增强纤维的主要力学性能。表1各种增强纤维主要力学性能增强纤维拉伸强度(MPa)拉伸模量(GPa)密度(g/cm3)断裂伸长率(%)E玻璃纤维3400752.543~4高强度玻璃纤维4020832.545.3碳纤维49002301.802.14风机叶片树脂材料随着风电产业的飞速发展，作为风机叶片的重要材料的环氧树脂，也得到迅猛提升。理想环氧树脂性能包括力学性能优异、放热性低、与各种纤维的相容性好、浸透性好、适用期长以及超低粘度等特点。目前国内多兆瓦级叶片制造企业的生产原料依然以国外进口为主，如huntsman的Araldite灌注、手糊、模具、粘接树脂，DowChemical的AIRSTONE®系列树脂、Hexion的EPIKOTETMResinMGS®等。美国DowChemical公司已经将叶片制造业应用的环氧树脂作为了DowChemical公司在未来战略中的重要地位。进口环氧树脂性能优异，但是价格高昂，影响了风机叶片的市场竞争力及成本控制。国内一些风电叶片原料企业为实现本土生产，已在国内建立多家工厂，如上纬、广州惠利、广州CTP等[4]。图2为国内外环氧树脂主要生产厂商环氧树脂的静态力学性能。可以看到，国产树脂的性能基本达到了进口环氧树脂的水平。国内一些氧树脂企业在叶片上的应用也已经进入实验认证阶段，但缺少经验和应用数据，工艺质量尚不稳定，还没有得到广泛应用。材料低成本化是我国风电叶片发展所面临的最现实的问题，开发国产原材料成为必然的发展趋势。而国家863计划将兆瓦及级叶片材料国产化作为重点项目加以扶持，无疑也将加速国产材料体系在多兆瓦级叶片中应用的脚步。HuntsmanDowHexionHLSW020406080100120Mechanicalproperties/MpaFlexualStrengthTensileStrengthHuntsmanDowHexionHLSW05001000150020002500300035004000ModulusofElasticity/Mpa图1国内外风机叶片用环氧树脂静态力学性能随着国内风机市场竞争的日趋激烈，用性价比更高的乙烯基树脂逐步取代目前广泛采用的环氧树脂，将成为未来风力发电叶片的发展趋势[5]。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。此外，乙烯基树脂可以在不改变原环氧树脂成型结构设计的基础上，直接替换环氧树脂。同时，由于乙烯基树脂与另一叶片主要用材——不饱和聚酯树脂类似，因此还可以借鉴现有不饱和树脂制备叶片的成熟工艺。与此同时，乙烯基树脂具有环氧树脂的机械力学性能，抗疲劳、刚度等各项性能指标可完全满足设计要求。表2为风机叶片用环氧树脂和乙烯基树脂力学性能。尽管乙烯基树脂有很大优势，但目前其应用开发还处于初级阶段，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。受各种因素制约，真正大范围的商业化生产尚需时日。不过，丹麦艾尔姆玻璃纤维制品有限公司、中航惠腾公司等多家片生产企业已经开始考虑或着于应用乙烯基树脂。表2风机叶片用环氧树脂和乙烯基树脂力学性能树脂拉伸强度MPa拉伸模量GPa弯曲强度MPa弯曲模量GPa伸长率%环氧树脂65~802.7~3.2100~1302.8~3.25~11乙烯基树脂75~973.3~3.6115~1403.1~3.45.0~6.05夹芯材料目前，叶片常用的芯材主要就是泡沫和巴沙木。泡沫芯材有PVC、SAN、PET、PMI等，因要求不一样不同芯材的特性及使用的领域也不尽相同。叶片主要使用的是PVC泡沫，目前两个主要的生产厂家是戴博(Diab)公司的Divinycell和Klegecell系列PVC泡沫和爱瑞柯斯(Airex)公司的Herex系列PVC泡沫，国产风机叶片用泡沫夹芯材料主要从这两家公司进口。近期，国内中科院长春应用化学研究所与常州天晟新材料股份有限公司研发成功Strucell结构泡沫芯材，率先在中国推出了具有自主知识产权的结构泡沫芯材产品，并通过了国际风电领域最高认可资质—德国劳氏船级社(GL)认证[6]。欧洲一些知名叶片企业，如Vestas，Gamesa，Enercon等，已经开始使用PET泡沫。PET比通用的PVC泡沫（80℃）更耐高温（150℃），抗疲劳性能也优于PVC泡沫，将是未来叶片用芯材的主流品种之一。目前AirexT92已通过DNV认证，应该即将通过GL认证。SAN主要是针对船舶市场开发的，性能和线性PVC基本相同，韧性和抗冲击性能比较好，但强度和刚度比较低，对树脂系统中的苯比较敏感，会引起固化不完全或泡沫的降解，不适合于聚酯树脂体系叶片。PMI是泡沫中强度和刚度最高的芯材了，在同等密度下它的性能可以完全兼容PVC，而且耐高温性能也是泡沫中最好的，但价格较高，主要用在航天航空和军用市场，国产化以后国内也有叶片厂家开始尝试使用PMI泡沫。具有相同用途的结构材料除轻木为天然材料外，其他均为合成结构用的刚性泡沫材料：PVC泡沫、SAN泡沫、PET泡沫、聚甲基丙烯酰亚胺PMI泡沫。各种材料之间差异性见下表3。表3夹芯材料性能夹芯材料代表性生产公司应用状况结构强度代表性密度价格Balsa轻木Baltake大量应用高100-220Kg/m3低PVC泡沫DIAB大量应用一般38-250Kg/m3偏高SAN泡沫Gurit部分替代PVC一般/偏高PET泡沫Airex部分替代PVC一般/偏高PMI泡沫Evonik-Degussa部分替代PVC高32-205Kg/m3高6结束语在全球气候变暖的情势下，走低碳经济之路已成为世界各国的共识。中国政府在哥本哈根气候大会召开前夕，公布了到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降40%-45%的目标，引起了全球瞩目。风电作为一项新兴的绿色能源产业，无疑将对这一目标的实现发挥重大作用，风能发展的前景将越来越广阔。我们应抓住机遇，在吸收国外先进技术基础上，进行二次开发、自主创新，提高科研与生产水平，形成规模化生产能力，使纤维增强复合材料风机叶片在新能源开发中发挥重要作用。参考文献[1]戴春晖，刘钧，曾竞成，等.复合材料风电叶片的发展现状及若干问题的对策[J]．玻璃钢／复合材料，2