大型風機葉片材料的應用和發(fā)展

　　作為提高風能利用率和發(fā)電效益的有效途徑，風力機單機容量不斷向大型化發(fā)展，兆瓦級風力機已經(jīng)成為風電市場的主流產(chǎn)品。目前，歐洲3.6MW機組已批量安裝，4.2MW、4.5MW和5MW機組也已安裝運行；美國已經(jīng)成功研制7MW風力機；英國正在研制10MW的巨型風力機[3]。風電機組沿著增大單機容量和提高風能轉換效率的方向發(fā)展，對葉片提出了更高的要求，葉片長度的增加使得碳纖維在風力發(fā)電上的應用不斷擴大，研究表明，碳纖維(CF)復合材料葉片的剛度是玻璃纖維復合材料葉片的2~3倍，大型葉片采用碳纖維作為增強材料更能充分發(fā)揮其輕質(zhì)高強的優(yōu)點。丹麥Vestas的V-90型風力機容量為3.0MW，葉片長44m，其樣品試驗采用了碳纖維制造；西班牙Gamesa在其直徑為90m葉輪的葉片制造中使用了碳纖維；丹麥NEG-Micon正在制造碳纖維增強環(huán)氧樹脂的40m葉片。碳纖維葉片的性能優(yōu)于玻璃纖維葉片，同樣長度的碳纖維葉片比玻璃纖維葉片輕很多，如圖2所示，但由于其價格昂貴，限制了它在風力發(fā)電上的大規(guī)模應用。因此，全球各大復合材料公司正在從原材料、工藝技術、質(zhì)量控制等各方面進行深入研究，以求降低成本。美國Zoltek公司生產(chǎn)的PANEX33(48K)大絲束碳纖維具有良好的抗疲勞性能，可使葉片質(zhì)量減輕40%，葉片成本降低14%，并使整個風力發(fā)電裝置成本降低4.5%[12]?，F(xiàn)在碳纖維軸已廣泛應用于轉動葉片根部，因為制動時比相應的鋼軸要輕得多，但在發(fā)展更大功率風力發(fā)電裝置和更長轉子葉片時，采用性能更好的碳纖維復合材料勢在必行。
　　2.3 碳纖維/輕木/玻纖混雜復合材料葉片
　　由于碳纖維的價格是玻璃纖維的10倍左右，目前葉片增強材料仍以玻璃纖維為主。在制造大型葉片時，采用玻纖、輕木和PVC相結合的方法可以在保證剛度和強度的同時減輕葉片的質(zhì)量。中材科技風電葉片股份有限公司研制的40m、1.5MW葉片的質(zhì)量只有6t，在滿足強度的情況下，質(zhì)量大大降低。LM公司在《2004全球碳纖維展望》的報告中指出：在風力機葉片中采用碳纖維，應注意它和玻璃纖維混合時所增加的重量；其進一步開發(fā)的以玻璃鋼為主的61m大型葉片，只在橫梁和葉片端部選用少量碳纖維，以配套5MW的風力機[7]。結構工程師認為，當葉片長度增加時，質(zhì)量的增加要高于能量的取得，因此碳纖維或碳/玻混雜纖維的使用對抑制質(zhì)量的增大是必要的。采用碳/玻混雜增強的方案,葉片可減重20~30%。德國Nodex公司為海上5MW風電機組配套研制的碳/玻混雜風機葉片長達56m,同時,Nodex公司還開發(fā)了43m(9.6t)碳/玻葉片,可用于陸上2.5MW機組。目前，碳纖維/玻璃纖維與輕木/PVC混雜使用制造復合材料葉片已被各大葉片公司所采用，輕木/PVC作為填充材料，不僅增加了葉片的結構剛度和承受載荷的能力，而且還最大程度地減輕了葉片的質(zhì)量，為葉片向長且輕的方向發(fā)展提供了有利的條件。
　　2.4 熱塑性復合材料葉片