風(fēng)機(jī)葉片制備先進(jìn)材料

1    世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀
    隨著國際原油價(jià)格持續(xù)高漲及京都議定書的實(shí)施，產(chǎn)業(yè)化條件最為成熟的風(fēng)力發(fā)電成為歐美等發(fā)達(dá)國家推動可再生能源發(fā)展的首選項(xiàng)目。風(fēng)能不僅充沛和廉價(jià)，而且也是目前最有開發(fā)利用前景的一種可再生能源。20世紀(jì)80年代風(fēng)電的成本為40美分/kW·h，現(xiàn)在降為3~5美分/kW·h，隨著技術(shù)設(shè)備的改善，成本還可在目前的基礎(chǔ)上再降低30~50%。正因?yàn)榇?，全世界風(fēng)力發(fā)電每年以30％左右的速度增長。
    世界上很多國家尤其是發(fā)達(dá)國家，已充分認(rèn)識到風(fēng)電在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、緩解環(huán)境污染等方面的重要性，對風(fēng)電的開發(fā)給予了高度重視，裝機(jī)規(guī)模持續(xù)高速增長。2006年累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)最多的10個國家占世界風(fēng)電裝機(jī)的85％，與2005年相比，德國、美國和西班牙保持了前3名的地位，中國則從第八名升到第六名。中國新增裝機(jī)容量（不包含臺灣省裝機(jī)）為1.347GW，處于亞洲第二，2006年風(fēng)力發(fā)電市場較2005年成長超過3倍，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)2.604GW，排行全球第六大市場。其市場驅(qū)動力主要源自2006年1月1日生效的“可再生能源法”。
    單機(jī)容量是風(fēng)電機(jī)組技術(shù)水平的標(biāo)志。全球兆瓦級機(jī)組的市場份額明顯增大，1997年及以前還不到10%，2001年則超過50%，2002年達(dá)到62.1％，2003年達(dá)到71.4％。2003年安裝的風(fēng)電機(jī)組平均單機(jī)容量達(dá)到1.2MW。2006年安裝的機(jī)組增均單機(jī)容量約為1.5MW，而10年前只有500kW。我國風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量也從600kW逐步走向兆瓦級轉(zhuǎn)變。更大型、性能更好的機(jī)組也已經(jīng)開發(fā)出來，并投入生產(chǎn)試運(yùn)行。由于更多國家致力于風(fēng)能的開發(fā)利用，預(yù)計(jì)這種世界范圍的快速增長將持續(xù)下去。除了風(fēng)電大國丹麥、德國、西班牙和美國外，很多其它國家包括英國、法國、巴西和中國也制定了雄心勃勃的風(fēng)電發(fā)展計(jì)劃。
2    風(fēng)機(jī)葉片[-page-]
2.1  風(fēng)機(jī)葉片材料
    風(fēng)機(jī)葉片材料的強(qiáng)度和剛度是決定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。目前，風(fēng)機(jī)葉片所用材料已由木質(zhì)、帆布等發(fā)展為金屬（鋁合金）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。玻璃鋼葉片材料因?yàn)橹亓枯p、比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、價(jià)格比較便宜等因素，成為大中型風(fēng)機(jī)葉片材料的首選。然而，隨著風(fēng)機(jī)葉片朝著超大型化和輕量化的方向發(fā)展，玻璃鋼復(fù)合材料開始達(dá)到其使用性能的極限，碳纖維維復(fù)合材料（CFRP）逐漸開始應(yīng)用到超大型風(fēng)機(jī)葉片中。
    具體而言，由于應(yīng)用場合的不同，風(fēng)機(jī)葉片材料的選擇也會有所不同。一般較小型的葉片（如22m以下）選用量大價(jià)廉的E-玻纖增強(qiáng)塑料（GFRP)，樹脂基體以不飽和聚酯為主，也可選用乙烯酯或環(huán)氧樹脂；而較大型的葉片（如42m以上）一般采用CFRP或CF與GF混雜的復(fù)合材料，樹脂基體以環(huán)氧樹脂為為主。目前商品化的大型風(fēng)力機(jī)葉片大多采用玻璃纖維復(fù)合材料（GRP）。長度大于40m葉片可以采用碳/?；祀s復(fù)合材料，但由于碳纖維的價(jià)格較高，未能推廣應(yīng)用。
2.2  風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)
    風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是要通過空氣動力學(xué)分析，充分利用復(fù)合材料的性能，使大型葉片以最小的質(zhì)量獲得最大的掃風(fēng)面積，從而使葉片具有更高的捕捉風(fēng)的能力。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)額定功率的增大，風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量和費(fèi)用隨著長度的增加也迅速增加，如何通過新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和提高材料的性能來降低葉片的質(zhì)量至關(guān)重要。
    在玻璃鋼葉片的結(jié)構(gòu)形式中，葉片剖面及根端構(gòu)造的設(shè)計(jì)最為重要。選擇葉剖面及根端形式，要考慮玻璃鋼葉片的結(jié)構(gòu)性能、材料性能及成型工藝。風(fēng)機(jī)葉片要承受較高的載荷，通常要考慮50~60m/s的極限風(fēng)載。為提高葉片的強(qiáng)度和剛度，防止局部失穩(wěn)，玻璃鋼葉片大都采用主梁加氣動外型的結(jié)構(gòu)形式。主梁承擔(dān)大部分彎曲載荷，而外殼除滿足氣動性能外，也承擔(dān)部分彎曲載荷。主梁常用D型、0型、矩形和雙拼槽鋼等形式。
    隨著葉片尺寸的不斷增加，其生產(chǎn)和制造過程中產(chǎn)生了一些在以往中小型中片生產(chǎn)中未曾碰到過的新問題，大型模具問題便是其一。大型復(fù)合材料葉片的外形尺寸與其制造模具有著極其密切的關(guān)系。為保證復(fù)合材料葉片設(shè)計(jì)外形和尺寸精度，葉片長度越長，成型時(shí)對模具剛度和強(qiáng)度的要求就越高，模具的重量和成本也會大幅度提高。為減輕模具重量，降低模具成本，大型復(fù)合材料葉片的制造模具基本是用復(fù)合材料模具，這意味著葉片可以做得更長。