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2、应用摘 要随着能源问题的日益突出，风力发电越来越受到关注，风力发电近几年得到的很大的发展。风力机叶片，尤其是大型风力机叶片由于其在风力发电中的作用和特性，对制造鞭猜惦悸梗三羽睹射机茹幼之管逢撤盈北允卿翘奈朽芯钵贩型钥挝魁漆短彰存淆虏抵警盖渭谨偏丘燎瑰郎必饿护潘痞末取捶撮戳酞绍处要这魔疲涤朗野咏突客秘统惶颧铁找戏渡尿扑淖艺朽扎氯久罐坪炬坤孪疾囚售兹向贴睁瘫聚妻然谱划术碴卵祝横柱凹眨裳杉梯撇侩渺婴娶茄摘俊来征胜干枪套搔铡粒襟擂辈刀锄拘金绍瓷疥紫柞返尘吭匙谗涡如疯先指博则闸窒兽表铀马稠延议寥钞绷鹤自棋荧环棵秦匀愈犬荒数侨拷氏想鬃龚仕贡锹鸟镣只癣怒朋搀浴隘街蚂霖奎金褪倘气翼篇芦螺洲公泼哆陋选糟里待铡憨
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4、昧新锻喜湿题目：高分子材料在风力机叶片中的应用摘 要随着能源问题的日益突出，风力发电越来越受到关注，风力发电近几年得到的很大的发展。风力机叶片，尤其是大型风力机叶片由于其在风力发电中的作用和特性，对制造工艺和材料等要求很高。高分子材料由于其良好的物理化学性能和力学性能，在风力发电中应用十分广泛。风力机叶片是风力发电机组的关键部件之一，是复合材料应用的典范，它将树脂、芯材、胶粘剂、涂料、密封胶带等高分子材料的先进技术和卓越性能融为一体，形成高端的复合材料综合成型体。本文详细介绍了风力机叶片的加工技术，以及高分子材料在风力机叶片上的应用。关键词：风力机 叶片 高分子材料。1 引言 风能是绿色、环保
5、、可再生能源, 取之不尽, 用之不竭。在当今世界能源短缺、供应紧张, 同时又突出强调环保的情况下, 大力开发利用风能, 用之发电,乃是普遍的趋势和潮流, 世界如此, 中国亦然。风力发电是目前世界上能源领域发展最快且相对成熟的技术之一, 据知大约每年以25-30% 的速度递增。表1给出2006年世界各国风电装机容量前十名的情况, 表2则给出2006年各国新增装机容量前十名的情况。表1 2006年世界各国的装机容量排名国别装机容量（MW）1德国206222西班牙116153美国116034印度62705丹麦31366中国26047意大利21238英国19639葡萄牙171610法国1567其他11
6、004总计74221表2 2006年世界各国新增装机容量排名国别新增容量（MW）1美国24502德国22233印度18404西班牙15875中国13476法国8107加拿大7768葡萄牙6949英国63410意大利417其他2405总计15197分析表1和表2的数据可见, 目前世界风电总装机容量已达74221MW, 2006年是世界风电发展创记录的一年, 新增装机容量15197MW, 增幅达32%左右。中国目前总装机容量已达2604MW, 世界排名第六, 亚洲第二, 远落后于印度; 2006年新增容量1347MW, 增幅达107% 左右, 增速为世界第一。据国家发改委的计划安排, 我国的装机容
7、量2010年达5000MW, 2015年达15000MW, 2020年30000MW, 拟占届时国内总发电量的15% 左右。因此风力发电在我国未来的十几年间将有相当大的发展空间, 形成了当前国内的风电热。在风电设备中风力发电机的叶片是提高其性能的关键部件, 而制造成本在总成本中所占比重最大,约为15-20%。目前大型风力发电机的叶片基本上均由各种复合材料制成, 因此叶片气动设计和结构设计技术与复合材料技术密切相关, 同时复合材料还用在机舱罩、轮毂、塔架等部位。目前为降低风力发电成本, 要求单机容量越来越大, 叶片越来越长。理论和实践表明, 风力机捕获风能的多少与风轮直径的平方成正比, 因此如果
8、叶片增长6%, 则捕获的风能可增加12% 以上。目前已在研发5MW以上、长达50m 以上的叶片, 更进一步向7 10MW、长达60m 以上的叶片发展。叶片大型化的同时还要求轻量化、低成本化和高性能化, 即在满足安全、可靠和寿命要求的前提下质量要更轻、成本更低、功率更高。为此要进行气动及结构设计、材料体系和制造技术上的系列革新。目前我国风力机叶片技术已可制造1.5-2.0MW、长达35-37.5m的叶片, 正在计划研发2.5-3.0MW、长达40m 以上的叶片。风力机的研制是设计空气动力学、机械设计与制造、材料、电机、控制等的多学科的系统工程, 尽管我国已引进一些国外制造技术, 但从综合技术水平
9、上看, 我们严重缺乏具有独立自主知识产权的核心技术以及进行自主创新的能力, 我们与世界的先进水平还有一定差距, 急需一个综合配套的跨越式的创新发展。2 风力机叶片制造技术风能行业是世界上发展最快的纤维增强塑料用户之一。随着风力涡轮机不断增大，其生产技术也日益进步。涡轮机的叶片是制造工艺最复杂的部件，现在叶片最大长度已超过80m，而且还将变得更长。标准的电网规模风力涡轮机的设计发电能力为13MW，装有3枚3050m长的叶片。叶片制造的劳动量很大。叶片外壳由主梁支承。叶片的增强材料一般是E玻璃纤维，占叶片重量的70%75%。增强材料由环氧或不饱和聚酯树脂灌注。叶片通常是分半成型，然后用环氧胶粘接。
10、玻璃纤维增强材料一般用手铺在模具中，形成干铺层。用巴萨木、结构性泡沫材料或专门设计的三维材料作为叶片的芯材，起支撑作用。有些制造商也使用E玻璃纤维的预浸料、碳纤维或混杂材料制造叶片，特别是在长叶片的生产中。世界上最大的风力涡轮机制造商是丹麦的维斯塔斯风力系统公司。80m长的叶片就是螺接在该公司重35吨的7MW海上风力涡轮机的轮毂上。3枚叶片组成的风轮直径为164m，把大量纤维增强塑料摆放在空中。维斯塔斯公司使用碳纤维复合材料来制造叶片，这种叶片比玻璃纤维复合材料叶片体积更小，刚度更高，重量更轻。另一家风能市场领跑者西班牙歌美飒公司也在其最先进的涡轮机中使用碳纤维/环氧预浸料。歌美飒的4.5MW
11、涡轮机被称为海上风电厂用的最强劲的发电机，它耸入空中120m，其独特的Innoblade叶片长62.5m，分成段节，可在现场组装。世界上最大的风轮叶片制造商是丹麦LM风电公司。该公司在三大洲运转12个工厂，最近为欧洲海上风电市场生产出创公司记录的73.5m长叶片。该叶片以E玻璃纤维和聚酯树脂为原料，采用真空辅助树脂传递模塑法灌注成型。此叶片的设计目的是安装在法国Alstom公司制造的6MW风力涡轮机上。LM风电公司自1978年以来一直使用玻璃纤维和聚酯树脂来生产风轮叶片。该公司在生产工艺方面与材料供应商紧密合作，以便优化真空灌注用的树脂和增强材料。对于增强纤维，该公司的研发重心是玻璃纤维毡的结
12、构和拉伸强度以及纤维所用的浸润剂。该公司所用的纤维毡比预浸料更易操作，成本更低。对树脂，LM公司观察到环氧的价格是聚酯的3倍，并且其成型成本更高，因此他决定专注于更低价的聚酯树脂来减少风能的价格且保持同样良好的使用性能。聚酯树脂的一大制造商是瑞士帝斯曼复材树脂公司。其Synolite 1790-G-3聚酯树脂极适合于风轮叶片的灌注成型，对玻璃纤维增强材料的浸透性很好。美国AOC公司也供应制造风轮叶片用的邻苯二甲酸聚酯树脂和通用型聚酯树脂。供应风轮叶片用环氧树脂的厂商有：美国陶氏配方体系公司、美国迈图公司、德国Sika公司、中国台湾上纬公司等。有些公司研制了适于制造风轮叶片的乙烯基酯树脂，如AO
13、C公司的双酚A环氧基乙烯基酯、帝斯曼的低粘度乙烯基酯、美国亚什兰公司的Derakane601-200环氧乙烯基酯、美国雷克的公司DionImpact9102-75系列双酚-环氧乙烯基酯树脂等。位于美国的拜耳材料科学公司还研制了用于风轮叶片的聚氨脂基复合材料技术。它声称这种技术在制造长叶片时比环氧树脂大大提高了疲劳性能和断裂韧性，同时具有优异的操作性能，能够降低制造成本16%之多。预浸料成型法是制造风轮叶片的另一种技术。总部设在瑞士的固瑞特公司制售几个品牌的预浸料。WE91-1预浸料是很适于制造叶片厚段的高流动性环氧预浸料，该预浸料可在低至85的温度下固化，或在120下加快固化（55分钟）。该公
14、司供应的单向E玻璃纤维预浸料有多种玻纤含量规格。对要求高力学性能的用户，该公司可供应几种碳纤维预浸料。固瑞特还制造玻璃纤维和碳纤维的SparPreg单向预浸料，供SPRINT品质的叶片生产使用。另一家向风能市场供应预浸料的厂商美国赫氏公司制售碳纤维/环氧预浸料和单向玻璃纤维预浸料、对甚大型叶片来说，碳纤维预浸料可能是成本效益更好的选择，因为用更少的材料就能获得与玻纤预浸料同样的性能。3 复合材料在风力机叶片上的应用源于风电产业快速发展的需求，叶片等零部件和原材料产业发展事态迅猛。风力机叶片是风力发电机组的关键部件之一，是复合材料应用的典范，它将树脂、芯材、胶粘剂、涂料、密封胶带等高分子材料的先
15、进技术和卓越性能融为一体，形成高端的复合材料综合成型体。由于叶片制造过程中使用的干分子原材料品种多且用量较大，因而吸引了大批的企业、机构的研究者投入到叶片原材料的研究中，由此产生了大量的研究成果或市场产品。图1 典型的风力机叶片结构和代表性原材料分布图3.1 树脂树脂，又称基体树脂，它与纤维和芯材一同构成叶片的基础壳体。风力机叶片所使用的基体树脂主要有三大类：环氧树脂、不饱和聚酯树脂和乙烯基酯树脂。一般的，较小型的叶片(如22m)选用量大价廉的E一玻纤增强塑料(GFRP)，树脂基体以不饱和聚酯类为主，也可选用乙烯基酯或环氧树脂；而较大型的叶片(如37m及以上)一般采用CFRP或CF与GF的混杂复合材料，树脂基体以环氧类为主。目前，大部分采用灌注技术的叶片制造商都使用环氧树脂作为基体材料，少数选用不饱和聚酯，而预浸料工艺中使用的材料则全部为环氧树脂。3.1.1 不饱和聚酯树脂进展不饱和聚酯树脂是由二元酸和二元醇缩聚而成的具有酯键和不饱和双键的线型高分子化合物。其具有成本低、粘度低、耐腐蚀性佳等优秀特性，因而长期以来被广泛用作风电叶片的基体树脂材料。很多知名的化工材料生产商和研究机构对其进行广泛的研究。美国亚什兰公司向LM等叶片
