复合材料在风力发电机叶片中的应用

【关键词】复合材料；风力发电机；叶片 

引言 

随着世界性能源危机的日益加剧和公众对于改善生态环境的呼声不断高涨，风力发电作为一种清洁的可再生能源在全球范围内迅猛发展。各国都加快了对风力发电机组的研发，不断推出新的材料和技术。目前国内的主流风机是1500kw，正在开发2000kw、3000 kw、5000kw的风机。随着风力发电机装机容量的增加和叶片长度的增大，对叶片的制造技术和材料提出了更高的要求。不断发展的技术和市场开发使得风力发电从复合材料的边缘应用变成全球复合材料最广泛的应用之一。风力发电机叶片是风力发电的核心技术，由于对叶片的外形、精度、表面粗糙度、强度和刚度的要求很高，使得叶片技术成为制约风力发电快速发展的瓶颈。旺盛的市场需求促进了风电叶片材料的研发和应用。 

1、叶片主要原材料 

风力发电机叶片的应用材料已经由木质、帆布等发展为复合材料。复合材料是以某种材料为基体，另一种材料为增强体组成的材料。在性能上各种材料取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料，可以满足各种不同的要求。合理选择基体和增强体的材料，并充分考虑两者之间的相互作用是风力发电机叶片选择材料的关键。当前，我国风机叶片的主要原材料是树脂和增强材料。 

1.1树脂 

不饱和聚酯树脂具有工艺性良好、价格低廉等优点，在中小型风机叶片的生产中占有绝对优势，但它也存在固化时收缩率大、放热剧烈和成型时会有一定的气味和毒性等缺点。环氧树脂具有良好的力学性能、耐腐蚀性能和尺寸稳定性，是目前大型风电叶片的首要选择，但它的成本较高，阻碍了它的广泛应用。乙烯基树脂的性能介于两种树脂之间，目前在大型风电叶片中的应用较少，但随着生产厂家对成本的要求越来越高，乙烯基树脂可能会成为兆瓦级风电叶片的材料。 

1.2叶片用增强材料 

（1）玻璃纤维 

玻璃纤维是一种性能优越的无机非金属材料，它具有很好的柔软性、绝缘性和保温性且强度高，是复合材料中常用的一种增强材料，和树脂组成复合材料后可以成为良好的结构用材。目前，制造风电叶片的主要材料就是玻璃纤维增强环氧树脂和玻璃纤维增强聚酯树脂。玻璃纤维可分为不同的级别和类型，e级玻璃纤维的使用最为普遍，也是风电机叶片的主流增强材料。但是e级玻璃纤维体积质量较大，影响叶片速度的提高。 

（2）碳纤维 

碳纤维是指含碳量高于90%的无机高分子纤维。碳纤维不仅具有碳材料的固有特性，还具备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。碳纤维具有很多优点，它的轴向强度和模量都很好高，无蠕变，导电性介于金属和非金属之间，耐疲劳性好，耐腐蚀性能好，热膨胀系数小，纤维的体积质量低。碳纤维复合材料使风力发电机的输出功率更平滑、均衡，提高了风能利用效率。相对于传统的玻璃纤维，同样长度的碳纤维叶片比玻璃纤维叶片质量要轻得多，并且碳纤维复合材料叶片的刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍～3倍。随着风机叶片长度的增加，将碳纤维作为增强材料应用于风电叶片更能发挥其质量低、强度高的优点，但由于价格比较高，限制了它的大规模应用。 

（3）碳纤维和玻璃纤维混杂材料 

随着风电叶片长度的增加和对其刚度要求的提高，同时考虑到玻璃纤维和碳纤维之间的价格差异，因此采用碳纤维和玻璃纤维混杂材料的方法既能减轻叶片质量，提高叶片强度、刚度和抗疲劳能力，又能使叶片价格不至于太高。实践证明，当风电叶片长度大于40m时，可以采用碳纤维和玻璃纤维混杂材料。 

2、复合材料风机叶片制造工艺 

2.1湿法手糊成型 

湿法手糊成型法是手工将增强材料浸胶一层一层地紧贴在模具上，再真空压实浸胶。这种方法生产效率低，而且在制造过程中会产生有害物质，造成环境污染，所以只适合小批量、质量要求不高的风机叶片的生产。 

2.2预浸料成型 

预浸料成型方法是首先按要求的铺层顺序将预浸料铺放在模具内，然后用真空袋将没有成型的制件密封，抽成真空，排除其中的气体和挥发成分，按最佳的固化工艺参数在热压罐内固化成型。预浸料成型法可以提高叶片综合性能，使叶片厚度均匀、空隙率低，表面光滑平整。美国通用电气公司和丹麦维斯塔斯集团对于40m以上的风机叶片使用这种成型方法[1]。 

2.3真空导入成型 

真空导入成型法是目前生产风机叶片的主导工艺，它是先将纤维等增强材料铺放在模腔里进行抽真空作业，同时，在真空压力的作用下将树脂基体导入模腔来浸渍增强材料。真空导人工艺是密闭成型的，具有污染小、生产的叶片质量稳定和生产效率高等优点，有助于提高产品的性能、降低生产成本。 

3、结语 

目前国外风电叶片广泛采用复合材料，并向大型化、低成本、高性能、轻量化、柔性化的方向发展，中国风电产业发展也非常迅速，生产技术也日趋成熟，逐步形成多个国产自主品牌。随着风电技术的不断发展，风机容量不断增加，新材料的广泛应用，为风机叶片设计产生提供更大的空间。 

参考文献 

[1]高克强,薛忠民,陈淳,邱桂杰.复合材料风电叶片技术的现状与发展[j].新材料产业,2010(12):4-7.