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1、复合材料风电叶片技术的现状与发展摘要：全球风电产业的迅猛发展带动了风电机组及其上游产业链的快速发展， 其中叶片是风电机组的关键部件之一，其性能好坏直接影响风电机组的风能利用 效率和机组所受载荷，在很大程度上决定了机组的整体性能和风电开发利用的经 济性。同时，叶片也是风机的核心部件，其成本约为风电机组总成本的 20。因 此，世界各大主要风机制造商都非常重视叶片的设计和生产，并尽可能保持独立 的设计和生产能力。基于此，本文主要对复合材料风电叶片技术的现状与发展进 行分析探讨。关键词：复合材料；风电叶片；技术现状；发展1 、前言复合材料应用在风力发电中主要依靠的就是转子叶片，这种材料要求的叶片，其运
2、作的 条件要求非常高，必须是在环境特别艰难的情况下才可以运行的，传统材料的叶片在风力发 电机上，某些性能方面很难满足现在发电的需要，尤其是随着社会的进步，现在风电机组发 展的也十分迅速，所以，如何充分利用风电叶片更好地发电，是人们需要研究的课题。2、风力发电叶片的研究现状随着科学的不断进步，当前的风力发电技术也取得了很大的提高，具体表现在风电机组 的单机容量由以前的0.02MW达到了最大单机容量为5MW。比之前番了几十倍乃至几百倍, 这无疑不象征着风力发电叶片技术的进步。风电机组容量的增加，也大大提高了风力发电的 效率。为什么要采用复合材料的叶片，众所周知，复合材料的性能具有可设计性，它的刚度
3、 和强度也比较适合利用，其次，叶片由于发电的环境十分艰难，这也从另一方面磨炼了它的 耐磨性，特别是当这种材料的风力机安装在户外的时候，虽然长期经手风吹日晒，但它的耐 候性很好地满足用户的使用。最后在维修方面也不需要有很大的调整。在国内外研究复合材 料的风电叶片中，从叶片的设计，叶片的材质都有了很好的建议。2.1 风力发电叶片的设计现代叶片的设计不同于传统结构，为了满足大型化发电机组的需求，提高风能发电的效 率，在进行叶片设计的时候，其形状和材质都需要充分考虑。在尺寸上面，复合材料下的风 电叶片要求制作的尺寸比传统的叶片要大很多，叶片长度的增加，同时也要考虑到叶片的质 量。叶片的材料大部分采用轻
4、型玻璃钢的纤维材料，叶片的形状呈现出翼面的。在叶片尺寸 制造上面，要去结构应该合理、技术先进，尤其是整个工艺的制作上，满足大尺寸下轻重量 的要求，这样才能降低整个发电力风力发电机组的成本，被更多人所利用。2.2 增强材料体系以前传统上的叶片材料大部分是铝材、钢材、木材之类的，可想而知，这样的叶片怎能 抵挡户外的风吹日晒，因此，现代的复合材料下的叶片在材料要求方面，采用玻璃纤维的材 料，综合实力，无论是从性能方面、还是耐磨性、耐高温性、抗腐蚀性方面都是一流的，深 受欢迎的。而且另一方面，这样的材质在价格上面也是非常合理的，人们不用担心昂贵的价 格，所以，很多的厂商，来自世界各地的都喜欢开发这样材
5、料的叶片用在发电机组上，而且 还不用担心销量，因为这种复合材料做成的叶片无论是价格上，还是应用在发电机组进行风 力发电上，都是极好的，对人类风能的开发也是极为重要的意义。3、大型风电叶片制造技术发展趋势叶片的制造技术主要依据叶片的材料体系和三维几何结构发展。目前为止，针对复合材 料叶片的成型工艺主要有手糊工艺、模压成型、预浸料铺放工艺、拉挤工艺、纤维缠绕、树 脂传递模塑（RTM）、真空灌注成型工艺。这些工艺各有优缺点，可以根据叶片的材料体系、 几何结构、几何尺寸以及铺层功能进行综合运用，以达到最佳效果。手糊工艺是生产复合材料风电叶片的一种传统工艺。因为它不必受加热及压力影响，成 本较低。可用于
6、低成本制造大型、形状复杂制品。其主要缺点是生产效率低、产品质量波动 大、废品率较高。手糊工艺往往还会伴有大量有害物质和溶剂的释放，有一定的环境污染。 目前主要用于叶片合模后的前尾缘湿法处理；模压成型工艺的优点在于纤维含量高、孔隙率 低、生产周期短、精确的尺寸公差及良好的表面形状。适用于生产简单的复合材料制品。其 缺点是模具投入成本高，不适合具有复杂几何形状的叶片。目前大型叶片基本不采用此工艺；预浸料铺放工艺的主要优势是在生产过程中纤维增强 材料排列完好，可以制造低纤维缺陷以及性能优异的部件。它是生产复杂形状结构件的理想 工艺，碳纤维预浸料广泛应用于航空业中。其主要缺陷是成本高。此外，预浸料需要
7、手工方 式铺放，生产效率低；拉挤工艺具有纤维含量高，质量稳定，易于自动化，适合大批量生产 的优点。适用于生产具有相同断面形状，连续成型制品的生产中。但由于大型叶片的三维几 何弯扭结构，该工艺很少使用。纤维缠绕工艺能够控制纤维张力、生产速度及缠绕角度等变 量，制造不同尺寸及厚度的部件。但应用于叶片生产中的一个缺陷是在叶片纵向不能进行缠 绕，长度方向纤维的缺乏使叶片在高拉伸和弯曲载荷容易产生问题。另外，纤维缠绕产生的 粗糙外表面可能会影响叶片的空气动力学性能，必须进行表面处理。最后，芯模及计算机控制成本很大；树脂传递模塑（RTM）属于半机械化的复合材料成 型工艺，对工人的技术和环境的要求远远低于手
8、糊工艺并可有效地控制产品质量。 RTM 缺点 是模具设备非常昂贵，很难预测模具内树脂流动状况，容易产生缺陷。 RTM 工艺采用闭模成 型工艺，特别适宜一次成型整体的风力发电机叶片（纤维、夹芯等可一次模腔中共成型）， 而无需二次黏接。真空灌注成型工艺是目前大型风机叶片制造的理想工艺，与RTM相比，节 约时间，挥发物非常少，工艺操作简单，模具成本大大降低。相对于手糊工艺，成型产品拉 伸强度提高20%以上。鉴于真空灌注成型工艺在大型叶片应用上的优势，目前大型风电叶片 制造主要以真空灌注工艺为主。近几年的研究也主要以此工艺为基础，针对叶片铺层厚度、 新的高模材料、制造效率、叶片成型质量等方面进行的工艺
9、尝试与改进。目前，具有创新性同时实用性较强的代表性叶片制造工艺有：西门子风电集团提出的 IntegralBlade 技术。它使用两个模具型面和其中的芯模型成一个封闭的型腔，在型腔里面随 形铺放纤维材料和芯材。通过型腔内建立起的真空体系将基体材料注入模具内，一次成型大 型风机叶片。与传统的真空灌注成型工艺相比，它具有的优点包括：节省人力和空间、无需 黏接、质量可靠性高、不会释放VOCs，对环境污染小。该工艺已广泛应用于西门子的不同型 号叶片制造中；达诺巴特公司（DANOBAT）开发的叶片自动制造系统。它的主要功能包括自 动喷胶衣、自动喷短切纤维、自动铺层、自动打磨、自动涂胶等。客户可以根据自身需
10、求来 选择整体自动化，也可以选择其中一个或几个功能。工作单元采用移动式悬臂梁结构，横梁 上安装有十字滑轨，相应的工作功能头位于滑轨上，采用5轴控制，最终实现各工序的自动 化操作。相对于真空灌注成型工艺，具有生产效率高，人工成本低，叶片质量稳定性好的优 点。综上所述，大型叶片成型工艺将向着高成型质量，高生产效率，低生产成本和低环境污 染的方向发展。一体化和自动化制造工艺以其在成型质量和效率上的巨大优势，将会成为大 型叶片的制造趋势。同时，用于热塑性复合材料的制造工艺技术具有巨大发展潜力。其中， 低黏度热塑性树脂的开发非常关键。4、结语通过对复合材料风电叶片进行技术分析，也让我们认识到风能作为一种可再生能源，是 很有开发价值的能源，取之不竭，用之不尽，任何一种资源都不是万能的，我们应当正确认 识这样的一种新能源，扬长避短，促进我国的风电事业发展越来越强大。参考文献：1 马志勇.大型风电叶片结构设计方法研究D。华北电力大学（北京），2011。2陈杰风机叶片用复合材料固化工艺的研究D。上海交通大学，2012
