風(fēng)機(jī)葉片材料、設(shè)計(jì)與工藝簡(jiǎn)介

    復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵動(dòng)部件，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能，并要具有長(zhǎng)期在戶外自然環(huán)境條件下使用的耐候性和合理的價(jià)格。因此，葉片的材料、設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量水平十分重要，被視為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)水平代表。影響風(fēng)機(jī)葉片相關(guān)性能的因素主要有原材料、風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)及葉片的制造工藝三種。
    一  風(fēng)機(jī)葉片的原料
    目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片基本上是由聚酯樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂等熱固性基體樹(shù)脂與E－玻璃纖維、S－玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過(guò)手工鋪放或樹(shù)脂注入等成型工藝復(fù)合而成。
    對(duì)于同一種基體樹(shù)脂來(lái)講，采用玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的強(qiáng)度和剛度的性能要差于采用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的性能。但是，碳纖維的價(jià)格目前是玻璃纖維的10左右。由于價(jià)格的因素，目前的葉片制造采用的增強(qiáng)材料主要以玻璃纖維為主。隨著葉片長(zhǎng)度不斷增加，葉片對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛性等性能也提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸出現(xiàn)性能方面的不足。為了保證葉片能夠安全的承擔(dān)風(fēng)溫度等外界載荷，風(fēng)機(jī)葉片可以采用玻璃纖維/碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，尤其是在翼緣等對(duì)材料強(qiáng)度和剛度要求較高的部位，則使用碳纖維作為增強(qiáng)材料。這樣，不僅可以提高葉片的承載能力，由于碳纖維具有導(dǎo)電性，也可以有效地避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。
    風(fēng)電機(jī)組在工作過(guò)程中，風(fēng)機(jī)葉片要承受強(qiáng)大的風(fēng)載荷、氣體沖刷、砂石粒子沖擊、紫外線照射等外界的作用。為了提高復(fù)合材料葉片的承擔(dān)載荷、耐腐蝕和耐沖刷等性能，必須對(duì)樹(shù)脂基體系統(tǒng)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和改進(jìn)，采用性能優(yōu)異的環(huán)氧樹(shù)脂代替不飽和聚酯樹(shù)脂，改善玻璃纖維/樹(shù)脂界面的粘結(jié)性能，提高葉片的承載能力，擴(kuò)大玻璃纖維在大型葉片中的應(yīng)用范圍。同時(shí)，為了提高復(fù)合材料葉片在惡劣工作環(huán)境中長(zhǎng)期使用性能，可以采用耐紫外線輻射的新型環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)。
    二  風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)
    以最小的葉片重量獲得最大的葉片面積，使得葉片具有更高的捕風(fēng)能力，葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得十分重要，尤其是符合空氣動(dòng)力學(xué)要求的大型復(fù)合材料葉片的最佳外形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性尤為突出，它是實(shí)現(xiàn)葉片的材料/工藝有效結(jié)合的軟件支撐。另外，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用也使得葉片的結(jié)構(gòu)與層合板設(shè)計(jì)更加細(xì)化，有力的支持了最佳工藝參數(shù)的確定。
    早在1920年，德國(guó)的物理學(xué)家Albert Betz 就對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的計(jì)算?；诋?dāng)時(shí)的計(jì)算條件和對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識(shí)，Betz 在葉片計(jì)算時(shí)采用了一些假設(shè)條件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，計(jì)算手段的顯著提高，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識(shí)和理解也在逐漸深入。尤其是近十年來(lái)，經(jīng)過(guò)研究人員對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行的多次現(xiàn)場(chǎng)載荷、聲音和動(dòng)力測(cè)量以后，發(fā)現(xiàn)葉片的理論預(yù)測(cè)值與實(shí)際記錄值有較大的偏離。這可能是由于過(guò)多的相信了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，而對(duì)葉片服役期間可能遇到的較強(qiáng)動(dòng)態(tài)環(huán)境和湍流條件考慮不足造成的。因此，一些相關(guān)人員對(duì)當(dāng)時(shí)的葉片計(jì)算采用假設(shè)條件提出了質(zhì)疑。
    流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算和軟件的改進(jìn)使得研究人員能夠更精確的模擬葉片實(shí)際的受力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善葉片的空氣動(dòng)力學(xué)特征，即使葉片在旋轉(zhuǎn)速度降低5％的情況下，捕風(fēng)能力仍可以提高5％；隨著葉片旋轉(zhuǎn)速度的降低，葉片運(yùn)行的噪音大約可以降低3dB。同時(shí)，較低的葉片旋轉(zhuǎn)速度要求的運(yùn)行載荷也較低，旋轉(zhuǎn)直徑可以相應(yīng)的增加。在此項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，德國(guó)的Enercon 公司將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)直徑由30米增加到33米，復(fù)合材料葉片也隨著相應(yīng)的增加。由于葉片長(zhǎng)度的增加，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)掃過(guò)的面積增大，捕風(fēng)能力大約提高25％。