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风电叶片的复合材料风电叶片的发展现状

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风电叶片的复合材料风电叶片的发展现状

发布日期:2018-04-25 作者: 点击:

风电叶片

复合材料在风力发电中的应用主要是转子叶片、机舱罩和整流罩的制造。相对而言,机舱罩和整流罩的技术门槛较低,生产开发的难度不大。而风力发电机转子叶片则是风力发电机组的关键部件之一,其设计、材料和工艺决定风力发电装置的性能和功率。


在风力发电机兴起100多年的历史里,叶片材料经历了木制叶片、布蒙皮叶片、铝合金叶片等。随着联网型风力发电机的出现,风力发电进入高速发展时期,传统材料的叶片在日益大型化的风力发电机上使用时某些性能已达不到要求,于是具有高比强度的复合材料叶片发展起来。现在,几乎所有的商业级叶片均采用复合材料为主体制造,风电叶片已成为复合材料的重要应用领域之一。


采用复合材料叶片主要有以下优点:

①轻质高强,刚度好。众所周知复合材料性能具有可设计性,可根据叶片受力特点设计强度与刚度,从而减轻叶片重量;

②叶片设计寿命按20年计,则其要经受108周次以上的疲劳交变,因此材料的疲劳性能要好。复合材料缺口敏感性低,内阻尼大,抗震性能好,疲劳强度高;

③风力机安装在户外,近年来又大力发展海上风电场,要受到酸、碱、水汽等各种气候环境的影响,复合材料叶片耐候性好,可满足使用要求;④维护方便。复合材料叶片除了每隔若干年在叶片表面进行涂漆等工作外,一般不需要大的维修。


2.1复合材料叶片的材料体系风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构,一般由根部、外壳和加强筋或梁三部分组成,复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90%以上。复合材料叶片发展之初采用的是廉价的玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂体系,直到今天这仍是大部分叶片采用的材料。随着叶片长度的不断增大,这种体系在某些场合已不能满足要求,于是很自然地,性能更优异的增强材料—碳纤维进入了叶片生产者的视野。文献[6,7]探讨了碳纤维的添加对于复合材料叶片的影响。


一般认为,22m以下的叶片采用玻璃纤维,而大于42m的叶片则采用碳纤维或碳玻混杂纤维[8]。树脂基体方面,聚酯树脂价格低廉,成型工艺性好,但性能一般,环氧树脂则刚好相反,性能较优但价格较高且工艺操作性不好,所以目前成本和性能等介于二者之间的乙烯基树脂被一些叶片制造商大量采用。鉴于目前国际上碳纤维价格居高不下,有些人认为在叶片生产中采用碳纤维太过昂贵,不应采用,实际上并非如此,一方面由于叶片长度的增加,其对刚度的要求也更加严格,在更大尺寸叶片的制造上,单纯的玻璃纤维已不能满足要求,碳纤维的刚度大约是玻纤的3倍,制成的复合材料刚度约是玻璃钢的两倍,从这个意义上说碳纤维的引入是必要也是必须的;另一方面,由于叶片尺寸的加大,其质量也越来越巨大,高性能碳纤维的引入可以在很大程度上实现叶片的减重,而随着叶片重量的减轻,旋翼叶壳、传动轴、平台及塔罩等也可以轻量化[9],从而可整体降低风力发电机组的成本,抵消或部分抵消碳纤维引入带来的成本增加。随着大型、超大型海上风力发电机的制造和陆续投入运行,碳纤维在风电叶片上大规模应用的时代已为时不远。


2.2复合材料叶片的制造工艺现在的叶片成型工艺一般是先在各专用模具上分别成型叶片蒙皮、主梁及其他部件,然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起,合模加压固化后制成整体叶片。


具体成型工艺又大致可分为七种[10]:

①手糊;

②真空导入树脂模塑(VIP);

③树脂传递模塑(RTM);

④西门子树脂浸渍工艺(SCRIMP);

⑤纤维缠绕工艺(FW);

⑥木纤维环氧饱和工艺(WEST);

⑦模压。上述工艺中,①、④、⑤和⑥是开模成型工艺,而②、③和⑦是闭模模塑工艺。传统的叶片生产一般采用开模工艺,尤其是手糊方式较多,生产过程中会有大量苯乙烯。


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关键词:风电叶片,复合材料,风机

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