大型風機葉片材料的應用和發展 zund S3-1600-地板圖型台中雷射切割雕刻代工－劉婷婷焦點新聞熱搜

1 概述
風能作為一種清潔的可再生能源，其開發潛力已被各國所認可。到2006年底，風電發展已涵蓋各大洲，裝機容量已達7422萬kW，比上年增加1520萬kW，增長25.6%，并繼續呈現快速增長趨勢，從圖1中2006年新增裝機容量的分布情況可見一斑。來自電力部門的數據顯示，截至2006年底，我國風電裝機總容量已達到260萬kW，新增裝機容量約134萬kW，比2005年增長105%。根據我國新公布的《可再生能源中長期發展規劃》(以下簡稱《規劃》),今后一個時期，風能將成為我國可再生能源發展的重點之一，到2010年，全國風電總裝機容量達到500萬kW，到2020年，全國風電總裝機容量達到3000萬kW。按照《規劃》，未來15年間，我國風電年均增速1.52倍。新能源政策的實施和風電行業的快速發展,為我國風電事業的發展帶來了機遇和挑戰。作為風力發電裝置關鍵核心的部件-葉片，其設計與選材決定著風力發電裝置的性能與功率，是保證機組正常穩定運行的重要因素，其成本也占到了風機設備的20~30％。因此，提高葉片的綜合性能、降低發電成本對葉片的設計和選材提出了更高的要求。本文就葉片的選材進行了探討，提出了葉片材料發展的相關建議。表1所示為國內外各主要風機廠葉片占風機設備成本的情況。

2 葉片材料的應用和發展
    風力發電機組在惡劣的環境中長期不停運轉，不僅要承受強大的風載荷，還要經受氣體沖刷、砂石粒子沖擊，以及強烈的紫外線照射等外界侵蝕。在風力發電初期，由于發電機功率小，所需的葉片尺寸也小，其質量分布的均勻性對發電機和塔座的影響并不明顯。葉片的類型主要有木制葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金等弦長擠壓成型葉片等。隨著風力發電機功率的不斷提高，安裝發電機的塔座和捕捉風能的葉片也越做越大,葉片的質量也越來越大,對葉片的要求也越來越高：質量輕且分布均勻，外形尺寸精度控制準確；具有佳的疲勞強度和機械性能，能經受暴風等極端惡劣條件和隨機負荷的考驗；葉片旋轉時的振動頻率特性曲線正常，傳遞給整個發電系統的負荷穩定性好；耐腐蝕、抗紫外線照射和抗雷擊的性能好；發電成本較低，維護費用低^[7]。葉片的材料越輕、強度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強，葉片就可以做得越大,它的捕風能力也就越強。因此,輕質高強、耐蝕性好、具有可設計性的復合材料是目前大型風機葉片的首選材料。 [-page-]
2.1 玻璃纖維復合材料葉片
    玻璃纖維增強聚脂樹脂和玻璃纖維增強環氧樹脂是目前制造風機葉片的主要材料，E-玻纖則是主要的增強材料。美國的研究表明，采用射電頻率等離子體沉積去涂覆E-玻纖，可降低纖維間的微振磨損，其耐拉伸疲勞強度就可以達到碳纖維的水平。為了更好的發揮E-玻纖在結構中的強度和剛度作用，使其能與樹脂進行良好匹配，目前已經開發了單軸向、雙軸向、三軸向、四軸向甚至三維立體結構等編織形式，以滿足不同的需要，使靈活的結構設計得到更好的體現。但是，E-玻纖密度較大，隨著葉片長度的增加，葉片的質量也越來越重，如圖2所示，完全依靠玻璃纖維復合材料作為葉片的材料已逐漸不能滿足葉片發展的需要。例如，采用玻璃纖維增強聚酯樹脂作為葉片用復合材料，當葉片長度為19m時，其質量為1.8t；長度增加到34m時，葉片質量為5.8t；如葉片長度達到52m，則其質量高達21t^[10]。葉片越重，對發電機和塔座要求就越高，同時也影響到發電機組的性能和效率，因此，需要尋找更好材料以適應大型葉片發展的要求。

2.2 碳纖維復合材料葉片
    作為提高風能利用率和發電效益的有效途徑，風力機單機容量不斷向大型化發展，兆瓦級風力機已經成為風電市場的主流產品。目前，歐洲3.6MW機組已批量安裝，4.2MW、4.5MW和5MW機組也已安裝運行；美國已經成功研制7MW風力機；英國正在研制10MW的巨型風力機^[3]。風電機組沿著增大單機容量和提高風能轉換效率的方向發展，對葉片提出了更高的要求，葉片長度的增加使得碳纖維在風力發電上的應用不斷擴大，研究表明，碳纖維(CF)復合材料葉片的剛度是玻璃纖維復合材料葉片的2~3倍，大型葉片采用碳纖維作為增強材料更能充分發揮其輕質高強的優點。丹麥Vestas的V-90型風力機容量為3.0MW，葉片長44m，其樣品試驗采用了碳纖維制造；西班牙Gamesa在其直徑為90m葉輪的葉片制造中使用了碳纖維；丹麥NEG-Micon正在制造碳纖維增強環氧樹脂的40m葉片。碳纖維葉片的性能優于玻璃纖維葉片，同樣長度的碳纖維葉片比玻璃纖維葉片輕很多，如圖2所示，但由于其價格昂貴，限制了它在風力發電上的大規模應用。因此，各大復合材料公司正在從原材料、工藝技術、質量控制等各方面進行深入研究，以求降低成本。美國Zoltek公司生產的PANEX33(48K)大絲束碳纖維具有良好的抗疲勞性能，可使葉片質量減輕40%，葉片成本降低14%，并使整個風力發電裝置成本降低4.5%^[12]。現在碳纖維軸已廣泛應用于轉動葉片根部，因為制動時比相應的鋼軸要輕得多，但在發展更大功率風力發電裝置和更長轉子葉片時，采用性能更好的碳纖維復合材料勢在必行。 [-page-]
2.3 碳纖維/輕木/玻纖混雜復合材料葉片
    由于碳纖維的價格是玻璃纖維的10倍左右，目前葉片增強材料仍以玻璃纖維為主。在制造大型葉片時，采用玻纖、輕木和PVC相結合的方法可以在保證剛度和強度的同時減輕葉片的質量。中材科技風電葉片股份有限公司研制的40m、1.5MW葉片的質量只有6t，在滿足強度的情況下，質量大大降低。LM公司在《2004碳纖維展望》的報告中指出：在風力機葉片中采用碳纖維，應注意它和玻璃纖維混合時所增加的重量；其進一步開發的以玻璃鋼為主的61m大型葉片，只在橫梁和葉片端部選用少量碳纖維，以配套5MW的風力機^[7]。結構工程師認為，當葉片長度增加時，質量的增加要高于能量的取得，因此碳纖維或碳/玻混雜纖維的使用對抑制質量的增大是必要的。采用碳/玻混雜增強的方案,葉片可減重20~30%。德國Nodex公司為海上5MW風電機組配套研制的碳/玻混雜風機葉片長達56m,同時,Nodex公司還開發了43m(9.6t)碳/玻葉片,可用于陸上2.5MW機組。目前，碳纖維/玻璃纖維與輕木/PVC混雜使用制造復合材料葉片已被各大葉片公司所采用，輕木/PVC作為填充材料，不僅增加了葉片的結構剛度和承受載荷的能力，而且還大程度地減輕了葉片的質量，為葉片向長且輕的方向發展提供了有利的條件。
2.4 熱塑性復合材料葉片
    風能是清潔無污染的可再生能源，但退役后的風機葉片卻是環境的一大殺手。目前葉片使用的復合材料主要是熱固性復合材料，不易降解，而且葉片的使用壽命一般為20~30年，其廢棄物處理的成本比較高，一般采用填埋或者燃燒等方法處理，基本上不再重新利用。面對日益突出的復合材料廢棄物對環境造成的危害，一些制造商也開始探討葉片的回收和再利用技術。隨著人類環保意識的與日俱增，研究開發“綠色葉片”成為擺在人們面前的一大課題。所謂的“綠色葉片”，就是在葉片退役后，其廢棄材料可以回收再利用，因此熱塑性復合材料成為首選材料。與熱固性復合材料相比，熱塑性復合材料具有密度小、質量輕、抗沖擊性能好、生產周期短等一系列優點,但該類復合材料的制造工藝技術與傳統的熱固性復合材料成型工藝差異較大,制造成本較高，成為限制熱塑性復合材料用于風力機葉片的關鍵問題。隨著熱塑性復合材料制造工藝技術研究工作的不斷深入和相應的新型熱塑性樹脂的開發，制造熱塑性復合材料葉片正在一步步地走向現實。
    在“綠色葉片”研究的初階段，愛爾蘭Gaoth公司負責12.6m長的熱塑性復合材料葉片的制造，日本Mitsubishi公司負責在風力發電機上進行“綠色葉片的實驗”，這項實驗成功后，他們繼續研究開發30m以上的熱塑性復合材料標準葉片^[6]。為降低熱塑性復合材料的成本，愛爾蘭Limerick大學和國立Galway大學開展了熱塑性復合材料的先進成型工藝技術的基礎研究。為了解決熱塑性復合材料葉片的纖維浸潤和大型熱塑性復合材料結構件制造過程的樹脂流動性問題，美國Cyclics公司為此開發出一種低粘度的熱塑性工程塑料基體材料-CBT樹脂，這種樹脂粘度低、流動性好、易于浸潤增強材料，可以更充分地發揮增強材料的性能和復合材料良好的韌性。與玻璃纖維／環氧樹脂復合材料大型葉片相比較，如果采用熱塑性復合材料葉片，每臺大型風力發電機所用的葉片重量可降低10%左右，抗沖擊性能大幅度提高，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^[6]。美國Cyclics公司利用CBT樹脂體系制作了12.6m可循環風力機葉片，該葉片退役后,平均每臺風力發電機組可回收的葉片材料達19t,此項開發更有利于環境保護,其前景也將非常樂觀。
3 展望
    葉片尺寸的不斷增大，使得材料也在不斷改進，未來葉片材料的發展，應該從以下幾個方面著手：
    (1)玻璃纖維中S-玻纖的彈性模量比E-玻纖高18%，強度高33%，在葉片應用上有很大空間，但由于其高昂的價格未能推廣其在葉片上的應用，如果S-玻纖的生產成本能降下來，那么其在風能市場上份額將不容忽視。目前美國AGY公司已決定加強S-2玻纖的生產規劃和研發投資；
    (2)對碳纖維來說，價格同樣是制約其大規模應用的關鍵因素。目前上宇航級小絲束碳纖維的生產主要被日本的東麗、東邦和三菱公司所壟斷，但為了爭奪碳纖維市場份額，很多單位以低于成本價傾銷碳纖維，大絲束碳纖維和小絲束碳纖維互相爭奪市場，這在一定程度上加快了制備碳纖維新技術的研究。為了降低碳纖維價格，研制低成本碳纖維，美國已建成了采用微波碳化的試驗線，使制備碳纖維的成本降低約20%；
    (3)加快發展熱塑性葉片，降低熱塑性復合材料的生產工藝成本，是當前葉片材料應用研究的一個熱點。由于某些性能方面的不足，如耐熱性和剛性較差，易于發生蠕變，且用膠粘劑膠接熱塑性樹脂基復合材料殼體較困難，GEC公司認為它不適用于大型風機葉片的開發，但其可回收利用、利于環保的優點足以讓更多的開發商熱衷于對熱塑性復合材料葉片進行開發研究；
    (4)納米技術的進步，給葉片發展帶來了新的機遇。法國Nanoledge Asia公司在第十三屆國際復合材料工業技術展覽會的“技術創新與復合材料發展”專題高層研討會上指出，Nanoledge碳納米結構材料將引領復合材料領域的一場革命，納米技術能夠增加產品的抗沖擊性、抗彎強度、防裂紋擴展性、導電性等多種功能，可以使新產品的發展成倍增加。碳納米結構材料給葉片材料的發展提供了新的契機，為葉片的長度增加提供了更大空間。
                    參考文獻
[1] M. Jureczko，M. Pawlak，A. Mezyk. Optimization of wind turbine blade[J]．Journal of Mater-ials Processing Technology,2005,(6):463-471．
[2] Mr. Thibaud VAUGIEN. A revolution of composite field-Carbon Nanostructured materials with Nanoledge[J]．Nanoledge Asia，12th September,2007．
[3] 太陽能光伏產業和風能發電仍是2006年具投資價值產業.能源發展與研究,http://www.chinase.gov.cn/.
[4] 趙稼祥.碳纖維的現狀與進展[J].玻璃鋼/復合材料,2003,(02)．
[5] 劉清,張軍,李桂菊.2006年風電市場的發展狀況[R].科學院武漢文獻情報中心,2007.
[6] 中復連眾.復合材料風機葉片性能的現狀與未來[R].2007.
[7] 張蓓文.風力發電機葉片材料的技術發展路線[R].上海情報服務平臺,2005.
[8] 陳宗來.大型玻風力機復合材料葉片技術及進展[J].玻璃鋼/復合材料,2005,(03)．
[9] 張曉明.風力發電復合材料葉片的現狀和未來[J].纖維復合材料,2006,(02)．
[10] 鐘方國,趙鴻漢.風力發電發展現狀及復合材料在風力發電上的應用[J].纖維復合材料,2006,(03)．
[11] 馬振基,林育鋒.復合材料在風力發電上的應用[J].高科技纖維與應用,2005,(04)．
[12] 謝曉芳,卞子罕.國外風力機葉片的新進展[J].玻璃鋼,2006,(04)．

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