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1、风机叶片制作材料 风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构，结构上分根部、外壳、龙骨三个部分。类 型多种，有尖头、平头、钩头、带襟翼的尖部等。制造工艺主要包括阳模f翻阴模f铺层f 加热固化f脱模f打磨表面f喷漆等。设计难点包括叶型的空气动力学设计、强度、疲劳、 噪声设计、复合材料铺层设计。工艺难点主要包括阳模加工、模翻制、树脂系统选用。叶片 是一个大型的复合材料结构,其重量的 90%以上由复合材料组成,每台发电机一般有三支叶 片,每台发电机需要用复合材料达四吨之多。叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保 证机组正常稳定运行的决定因素。恶劣的环境和长期
2、不停地运转，对叶片的要求有：比重轻 且具有最佳的疲劳强度和机械性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验；叶片的 弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好； 耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好；发电成本较低，维护费用最低1风机叶片材料风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。风机叶 片所用材料已由木质、帆布等发展为金属（铝合金）、玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强 复合材料等。玻璃钢叶片材料因为重量轻、比强度高、可设计性强、价格比较便宜等因素， 成为大中型风机叶片材料的首选。然而，随着风机叶片朝着超大型化和轻量化的方向发展， 玻璃钢复合材料
3、开始达到其使用性能的极限，碳纤维维复合材料（CFRP）逐渐开始应用到超 大型风机叶片中。具体而言，由于应用场合的不同，风机叶片材料的选择也会有所不同。一 般较小型的叶片（如22m以下）选用量大价廉的E-玻纤增强塑料（GFRP），树脂基体以不饱 和聚酯为主，也可选用乙烯酯或环氧树脂；而较大型的叶片（如42m以上）一般采用CFRP 或CF与GF混杂的复合材料，树脂基体以环氧树脂为为主。目前商品化的大型风力机叶片大 多采用玻璃纤维复合材料（GRP）。长度大于40m叶片可以采用碳/玻混杂复合材料，但由于 碳纤维的价格较高，未能推广应用。2风机叶片设计 风机叶片结构设计的目的是要通过空 气动力学分析，充
4、分利用复合材料的性能，使大型叶片以最小的质量获得最大的扫风面积， 从而使叶片具有更高的捕捉风的能力。随着风力发电机额定功率的增大，风机叶片的质量和 费用随着长度的增加也迅速增加，如何通过新的结构设计方案和提高材料的性能来降低叶片 的质量至关重要。在玻璃钢叶片的结构形式中，叶片剖面及根端构造的设计最为重要。选 择叶剖面及根端形式，要考虑玻璃钢叶片的结构性能、材料性能及成型工艺。风机叶片要承 受较高的载荷，通常要考虑5060m/s的极限风载。为提高叶片的强度和刚度，防止局部失 稳，玻璃钢叶片大都采用主梁加气动外型的结构形式。主梁承担大部分弯曲载荷，而外壳除 满足气动性能外，也承担部分弯曲载荷。主梁
5、常用D型、0型、矩形和双拼槽钢等形式。随 着叶片尺寸的不断增加，其生产和制造过程中产生了一些在以往中小型中片生产中未曾碰到 过的新问题，大型模具问题便是其一。大型复合材料叶片的外形尺寸与其制造模具有着极其 密切的关系。为保证复合材料叶片设计外形和尺寸精度，叶片长度越长，成型时对模具刚度 和强度的要求就越高，模具的重量和成本也会大幅度提高。为减轻模具重量，降低模具成本， 大型复合材料叶片的制造模具基本是用复合材料模具，这意味着叶片可以做得更长。叶片的 成型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
6、压固化后制成 整体叶片。具体成型工艺又大致可分为七种：手糊；真空灌注成型；树脂传递模塑（RTM）；树脂浸渍工艺（SCRMIP）；纤维缠绕工艺（FW）木纤维环氧饱和工艺（WEST）； 模压。上述工艺中，、和是开模成型工艺，而、和是闭模模塑工艺。传 统的叶片生产一般采用开模工艺，生产过程中会有大量的苯乙烯等挥发性有毒气体产生，给操作者和环境带来危害。另一方面，随着叶片尺寸的增加，为保证发电机运行平稳和塔架安 全，必须保证叶片重量轻且质量分布均匀，这就促使叶片生产工艺由开模向闭模发展。采用 闭模工艺，如现在常用的真空灌注成型工艺，不但可大幅降低成型过程中苯乙烯的挥发，且 更易精确控制树脂含量，从而保
7、证复合材料叶片质量分布的均匀性，可提高叶片的质量稳定 概述 随着能源危机日趋严重，风能作为一种清洁的可再生能源日益受到各国重视。欧盟委 员会为了鼓励风电产业发展，近年来推行了一系列能源政策，其中包括给予开发风能发电的 企业和个人免税以及减税优惠，向其优先提供贷款，规定企业必须使用一定数量的由可再生 能源产生的电力等，美国是现代联网型风电的起源地，同时也是最早制定鼓励发展风电（包 括其它可再生能源发电）法规的国家。我国“十一五”规划明确指出，新建风电场的风机叶 片等风电设备的国产化率必须达到70%以上。我国风能资源丰富，可开发利用的风能储备 量约为10亿kW,其中，陆地上风能储量约为2.53亿k
8、W（陆地上离地面10m高度资料计算） 海上可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW。风力发电机组是由叶片、传动系统、发电机、 储能设备、塔架及电气系统等组成的发电装置，其中叶片是发电机组捕获风能的关键部件， 叶片的翼型设计与生产也是风电产业的技术核心。由于复合材料具有重量轻、比强度高、可 设计性强等优点，因此，目前风机叶片多为复合材料叶片。一般认为小型风机叶片（22m以 下）选用玻璃纤维增强，树脂基体以不饱和聚酯树脂为主，也可选用乙烯基树脂和环氧树脂； 较大型叶片（42m以上）选用碳纤维增强或碳纤维和玻璃纤维混合增强，树脂基体以环氧树脂 为主。近年来，风力发电技术日益成熟，小型叶片已经不能满足发
9、展需求，各国兑相发展大 型风机叶片。世界上最长的风机叶片达到了 61.5m,由全球风力发电叶片最大制造商LM GLASFIBER公司生产。然而，由于大型风机叶片尺寸大、质量高，因此对翼型设计、材料的 选择以及成型工艺要求更高。特别是在生产和制造过程中遇到的一些问题，阻碍了风机叶片 的生产效率。原材料的改进风机叶片的材料有直接影响风力发电机组的性能。风机叶 片主要材料包括增强材料、基体材料、夹层泡沫、胶粘剂和各种辅助材料。目前大部分风机 叶片使用的增强材料是玻璃纤维，部分大型风机叶片也采用玻璃纤维和碳纤维混杂增强复合 材料。某些新型纤维也成为候选对象，如超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维等。基体材
10、料 目前大量使用不饱和聚酯树脂，其次还有乙烯基树脂、环氧树脂等。随着风机叶片长度的增 加，单纯使用玻璃纤维，其刚度已经不能满足大型风机叶片的要求，因此碳纤维也逐渐被引 入。荷兰代尔夫理工大学（Delft University of Technology,Netherlands）研究表明，碳纤 维复合材料叶片的刚度是玻璃纤维复合材料叶片的两倍。碳纤维取代玻璃纤维不仅可以减轻 叶片质量，而且性能更优异。但是碳纤维过于昂贵，一定程度上限制了其广泛使用。由于环 氧树脂作为叶片的基体材料，为叶片提供优异了的力学性能和耐腐蚀性能，在应用中逐渐取 代了聚酯树脂。08年四月在法国巴黎JEC复合材料展上，陶氏化
11、学公司正式有推出了用于 风能的AIRSTONE系统组合产品。据介绍用于风能的AIRSTONE系统组合产品，基于可靠的环 氧化学性质和技术，可使风力发电叶片更坚固、更轻便且更容易生产。其产品用于真空灌注、 湿法手糊成型、模具树脂粘结剂等方面。一般而言，复合材料制品在固化过程中放热不易控 制,特别是在产品结构局部厚度较大处，放热峰温度过高，局部热量不易散去，易产生焦化。 为了避免发生放热过多，固化过程通常分阶段进行，但延长了固化周期。为了缩短整个固化 周期,Hexcel研发了一种专门用于叶片根部的低放热预混料,HexPly M19。据介绍HexPly M19 是一种低毒性，环境友好型预混料，其最大
12、优点就是容易控制固化反应过程中的放热oHexPly M19与玻璃纤维和碳纤维一起使用，比同样条件下的一般预混料固化快1520%。由于固化反 应放热易控制，因此较传统预浸料在高温条件下固化时间短，从而缩短了固化周期。随着固 化周期的缩短，模具成本和加工成本也相应地降低。据估算其模具成本可降低10%,模具使 用寿命可延长30%。据报道，瑞士材料技术公司Gurit还推出一款风能产业新产品sparpreg,它是一种用厚层板部分的单向预浸料。据说该产品能够生产高质量的层板，且气泡较少，不 需要灌注或添加干织物增强材料来辅助除去空气。一定程度上提高了生产效率，并降低了重 量和成本。；生产工艺的改进；随着风
13、机叶片的尺寸不断增加，为了保证发电机的平稳动行 和塔架安全，要求叶片质量轻、外形尺寸精度高、质量分布均匀、长期使用性能可靠。因此 风机叶片的生产工艺也在不断改进。传统复合材料风机叶片多采用手糊成型。由于手糊成型 是开模工艺，生产过程中会有大量的苯乙烯等挥发性有毒气体产生，给操作者和环境带来危 害；另外，手糊成型生产效率低，产品质量稳定性差，因此手糊成型通常只用于生产叶片长 度比较短和批量比较小的场合。对于长度超过40m的叶片，一般采用直空灌注成型。真空灌 注成型工艺是将纤维增强材料直接铺放在模具上，在纤维增强材料上铺放剥离层和高渗透介 质，然后用真空薄膜包覆及密封，利用真空负压将树脂注入并浸透
14、增强材料。由于真空灌注 成型是闭模成型，因此在成型过程中苯乙烯挥发，改善了工作环境，简化了工艺操作。同时 真空辅助可充分消除气泡，降低制品的孔隙率，能有效控制产品的含胶量，产品质量稳定性 高。真空灌注成型工艺被认为一种效率高。成本低、质量好的生产工艺，已经被广泛使用. 较真空灌注成型工艺相比，西门子风力发电集团研发的叶片整体成型（Integral Blade）技 术，更简化了生产过程，能使叶片真正达到一次成型。其原理是玻璃纤维增强材料的干燥通 过一个封闭的外部模具和一个扩展的内部模具的特殊组合完成铸造，完成玻璃纤维增强材料 的层压之后，环氧树脂材料在真空环境中注入，此后，叶片在封闭的模具中经高
15、温固化，一 步完成完整、无缝的叶片制造。与其它制造商所采用传统叶片制造方法相比，整体成型所具 有的优点包括：该方法节省人力和空间，制造过程中仅需一个模具组；在外壳和承重杆之间 没有公差，使最终的叶片结构完整，不存在胶水粘连部件，从而避免了裂缝、水分侵入、雷 电对这些潜在威胁对叶片薄弱环节的不利因素。由于Integral Blade制造过程的封闭性， 叶片制造工厂提供了一个干净、漂亮的工作环境。；展望作为可持续性发展产业之一的 风电产业，不仅要重视其生产成本和生产效率，更应该重视它给环境带来的影响。目前使用 的复合材料叶片属热固性复合材料，难以自然降解，以目前的工艺水平难以对其回利再利用， 一般
16、处理是填埋或燃烧，对环境造成了破坏。在未来的十几年间，随着退役叶片不断增多， 退役叶片的处理将会成为科学家和环保工作者必须面临的一个现实问题。各国制造商正在研 究开发“绿色叶片”，发展可回收利用的热塑性复合材料叶片。与热固性复合材料相比，热 塑性复合材料具有质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能。目前，爱尔兰 Gao th风能公司、日本三菱重工和美国Cyclics公司签署了合作协议开发热塑性复合材料叶 片，并已采用玻璃纤维增强Cyclics公司的低粘度热塑性CBT树脂制造出世界上首个12.6m 可循环利用的风电叶片。据称，这种叶片退役后，每套叶片回收的材料平均可达到19t。世 界风能协会主席、印度风能协会主席Anil Kane博士称，风能是当前世界上成长最快的产业， 其在近10年以24%的复合速率增长。08年我国风电总装机容量约为1000万kW,预计到2010 年能达到2000万kW,达到世界第一风力发电大国德国目前的水平。风电产业的迅猛发展为 我国复合材料产业提供了一个难得的机遇，同时也面临着激烈的国际竞争。我国复合材料产
