風力發電葉片制作工藝介紹

　　傳統能源資源的大量使用帶來了許多的環境問題和社會問題，并且其存儲量大大降低，因而風能作為一種清潔的可循環再生的能源，越來越受到世界各國的廣泛關注。風力發電機葉片是接受風能的最主要部件，其良好的設計、可靠的質量和優越的性能是保證發電機組正常穩定運行的決定因素，其成本約為整個機組成本的15%-20%。根據“風機功價比法則”，風力發電機的功率與葉片長度的平方成正比，增加長度可以提高單機容量，但同時會造成發電機的體積和質量的增加，使其造價大幅度增加。并且，隨著葉片的增大，剛度也成為主要問題。為了實現風力的大功率發電，既要減輕葉片的重量，又要滿足強度與剛度要求，這就對葉片材料提出了很高的要求。
　　1 碳纖維在風力發電機葉片中的應用
　　葉片材料的發展經歷了木制、鋁合金的應用，進入了纖維復合材料時代。纖維材料比重輕，疲勞強度和機械性能好，能夠承載惡劣環境條件和隨機負荷，目前最普遍采用的是玻璃纖維增強聚酯（環氧）樹脂。但隨著大功率發電機組的發展，葉片長度不斷增加，為了防止葉尖在極端風載下碰到塔架，就要求葉片具有更高的剛度。國外專家認為，玻璃纖維復合材料的性能已經趨于極限，不能滿足大型葉片的要求，因此有效的辦法是采用性能更佳的碳纖維復合材料。
　　1）提高葉片剛度，減輕葉片質量
　　碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%， 強度大40%，尤其是模量高3～8倍。大型葉片采用碳纖維增強可充分發揮其高彈輕質的優點。荷蘭戴爾弗理工大學研究表明， 一個旋轉直徑為120m的風機的葉片， 由于梁的質量超過葉片總質量的一半，梁結構采用碳纖維，和采用全玻璃纖維的相比，質量可減輕40%左右；碳纖維復合材料葉片剛度是玻璃纖維復合材料葉片的2倍。據分析，采用碳纖維／玻璃纖維混雜增強方案，葉片可減輕20％～30％。Vesta Wind System 公司的V90型3.0 MW發電機的葉片長44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構件，葉片質量與該公司V80 型2.0MW發電機且為39m長的葉片質量相同。同樣是34 m長的葉片，采用玻璃纖維增強聚脂樹脂時質量為5800kg，采用玻璃纖維增強環氧樹脂時質量為5200kg，而采用碳纖維增強環氧樹脂時質量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風機葉片質量比采用玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。
　　2）提高葉片抗疲勞性能
風機總是處在條件惡劣的環境中，并且24h處于工作狀態。這就使材料易于受到損害。相關研究表明，碳纖維合成材料具有良好的抗疲勞特性，當與樹脂材料混合時，則成為了風力機適應惡劣氣候條件的最佳材料之一。
　　3）使風機的輸出功率更平滑更均衡,提高風能利用效率
　　使用碳纖維后，葉片質量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學性能，減少對塔和輪軸的負載，從而使風機的輸出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同時，碳纖維葉片更薄，外形設計更有效，葉片更細長，也提高了能量的輸出效率。
　　4）可制造低風速葉片
碳纖維的應用可以減少負載和增加葉片長度，從而制造適合于低風速地區的大直徑風葉，使風能成本下降。
　　5）可制造自適應葉片
　　葉片裝在發電機的輪軸上， 葉片的角度可調。目前主動型調節風機的設計風速為13～15m/s(29～33英里/h)，當風速超過時，則調節風葉斜度來分散超過的風力，防止對風機的損害。斜度控制系統對逐步改變的風速是有效的。但對狂風的反應太慢了，自適應的各向異性葉片可幫助斜度控制系統，在突然的、瞬間的和局部的風速改變時保持電流的穩定。自適應葉片充分利用了纖維增強材料的特性，能產生非對稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設計，使葉片在強風中旋轉時可減少瞬時負載。美國Sandia National Laboratories致力于自適應葉片研究，使1.5MW風機的發電成本降到4.9美分/(kW•h)，價格可和燃料發電相比。
　　6）利用導電性能避免雷擊
利用碳纖維的導電性能，通過特殊的結構設計，可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。
　　7）降低風力機葉片的制造和運輸成本
由于減少了材料的應用，所以纖維和樹脂的應用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運輸成本都會下降，可縮小工廠的規模和運輸設備。
　　8）具有振動阻尼特性
碳纖維的振動阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔架短頻率間發生任何共振的可能性。
　　2 葉片制造工藝及流程
　　2.1 三維編織體/VARTM 技術
　　2.1.1 材料選擇
　　目前的風力發電機葉片基本上是由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環氧樹脂等熱固性基體樹脂與玻璃纖維、碳纖維等增強材料，通過手工鋪放、樹脂注入成型工藝復合而成。對同一種基體樹脂，采用玻璃纖維增強的復合材料制造的葉片的強度和剛度的性能要差于采用碳纖維增強的復合材料制造的葉片的性能。隨著葉片長度不斷增加，葉片對增強材料的強度和剛性等性能也提出了新的要求，從而對玻璃纖維的拉伸強度和模量也提出了更高的要求。為了保證葉片能夠安全的承擔風溫度等外界載荷，大型風機葉片可以采用玻璃纖維／碳纖維混雜復合材料結構，尤其是在翼緣等對材料強度和剛度要求較高的部位，則使用碳纖維作為增強材料。這樣，不僅可以提高葉片的承載能力，由于碳纖維具有導電性，也可以有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。華東理工大學華昌聚合物有限公司與上海玻璃鋼研究院有限公司合作，成功研發出具有自主知識產權、適用于大型風機葉片的復合材料——高性能環氧乙烯基酯樹脂。高性能環氧乙烯基酯樹脂黏結性能良好，力學性能優異，收縮率低，成本較低。