葉片是風力發(fā)電機組有效捕獲風能的關鍵部件

葉片是風力發(fā)電機組有效捕獲風能的關鍵部件。在發(fā)電機功率確定的條件下，如何提高發(fā)電效率，以獲得更大的風能，一直是風力發(fā)電追求的目標，而捕風能力的提高與葉片的形狀、長度和面積有著密切的關系，葉片尺寸的大小則主要依賴于制造葉片的材料。葉片的材料越輕、強度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強，葉片就可以做得越大，它的捕風能力也就越強。因此，輕質高強、耐久性好的復合材料成為目前大型風力發(fā)電葉片的首選材料。無論是陸地風力發(fā)電，還是海上風力發(fā)電，每千瓦時的發(fā)電成本均隨著發(fā)電機單機容量的增加而下降，發(fā)電裝備的大型化已經成為風力發(fā)電的發(fā)展趨勢。近幾年，隨著全球風力發(fā)電市場的逐漸成熟，大型風力發(fā)電機相繼出現(xiàn)。目前商業(yè)化風力發(fā)電所用的電機容量一般為1.52.0MW，與之配套的復合材料葉片長度大約30—40米。據報道，現(xiàn)今世界上最大的風力發(fā)電機的裝機容量為5MW，旋轉直徑可達126.3米。丹麥的LM公司為此裝備配套研制了61.5米長的復合材料葉片，單片葉片的重量接近18噸，成為世界最大的復合材料葉片“巨人”。這一實例成功地體現(xiàn)了材料、結構和工藝的三者的完美結合。在復合材料風力發(fā)電葉片的研究開發(fā)過程中，德國、丹麥、美國等風能資源利用較好的國家針對大型葉片的材料體系、外形設計、結構設計、制造工藝、質量檢驗、在線實時監(jiān)測和廢棄物處理作了大量的研究開發(fā)工作，并取得了豐碩的成果。設計者和制造商已經完全可以針對不同的地區(qū)風力發(fā)電的需要，選擇最佳的設計方案和制造技術，生產適合不同需求的復合材料風力發(fā)電葉片。目前正在服役的風力發(fā)電葉片多為復合材料葉片。這些葉片基本上是由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂等熱固性基體樹脂與E一玻璃纖維、s一玻璃纖維、碳纖維等增強材料，通過手工鋪放或樹脂注入等成型工藝復合而成，以滿足不同風場的使用要求。由于玻璃纖維的價格僅為碳纖維價格的1/10左右，目前的葉片制造采用的增強材料仍以玻璃纖維為主。例如，在54米長的大型復合材料葉片制造中依然以玻璃纖維為增強材料，最輕的葉片重量僅為13.4噸。隨著超大型葉片的出現(xiàn)，葉片長度不斷增加，葉片對增強材料的強度和剛度等性能也提出了新的要求，玻璃纖維在大型復合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足。LM公司在制造61．5米的大型復合材料葉片時，為保證葉片能夠安全地承擔風、溫度等外界載荷，單純的玻璃纖維增強材料已經很難滿足葉片對強度和剛度的要求。因此，該葉片采用了玻璃纖維/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損傷。風力發(fā)電機組在工作過程中，復合材料葉片不僅要承受強大的風載荷，還要經受氣體沖刷、砂石粒子沖擊、以及強烈的紫外線照射等外界的侵蝕。為了充分發(fā)揮增強材料的增強作用，提高復合材料葉片的承擔載荷、耐腐蝕和耐沖刷等項性能，LM公司等復合材料葉片的制造商們還對樹脂基體系統(tǒng)進行了精心設計和改進。采用性能優(yōu)異的環(huán)氧樹脂代替不飽和聚酯樹脂，改善了玻璃纖維/樹脂界面的粘結性能，提高了葉片的承載能力，擴大了玻璃纖維在大型葉片中的應用范圍。為提高復合材料葉片在惡劣工作環(huán)境中的長期使用性能，sP公司專門研究開發(fā)出耐紫外線輻照的新型環(huán)氧樹脂系統(tǒng)，以滿足風力發(fā)電葉片耐久性的要求。在風力發(fā)電的初期階段，由于發(fā)電機的功率較小，需要的復合材料葉片尺寸也比較小，葉片質量分布的均勻性對發(fā)電機和塔座的影響不十分顯現(xiàn)；而且，當時人們對開模成型工藝時苯乙烯揮發(fā)給大氣環(huán)境造成的污染，對操作人員造成的身體危害并未引起足夠的認識。因此，最初的小型復合材料葉片制造基本采用簡單易行的手糊成型工藝。隨著風力發(fā)電機功率的不斷提高，安裝發(fā)電機的塔座和捕捉風能的復合材料葉片做的越來越大。為了保證發(fā)電機運行平穩(wěn)和塔座安全，不僅要求葉片的質量輕，也要求葉片的質量分布必須均勻、外形尺寸精度控制準確、長期使用性能可靠。若要滿足上述要求，需要相應的成型工藝來保證。另外，復合材料制造過程中苯乙烯揮發(fā)對環(huán)境和操作人員產生的不良影響也越來越引起人們的重視，一些發(fā)達國家已經制定出相應的法規(guī)，我國也對生產過程中產生的有害揮發(fā)物有明確的限制規(guī)定。因此，復合材料成型工藝隨之發(fā)生變化，逐漸由開模工藝向閉模工藝改進，以減少苯乙烯自然揮發(fā)對環(huán)境和人體的危害。在大型復合材料葉片制造過程中也反映出這一成型工藝的變化：首先，葉片的制造工藝由手糊成型向著濕法鋪放工藝的轉變，增強材料的現(xiàn)場浸漬逐漸轉向預先浸漬，開始采用玻璃纖維/聚酯或玻璃纖維/環(huán)氧預浸料，大幅度的降低了成型過程中苯乙烯的揮發(fā)。這樣，不僅樹脂含量容易精確控制，保證了復合材料葉片的質量分布均勻，而且增強材料鋪設角度準確，可以有效地發(fā)揮增強材料的性能，提高復合材料的承載能力。其次，開模成型工藝向著閉模工藝發(fā)展，為了改善成型環(huán)境，減少有害氣體的揮發(fā)，進一步提高葉片的質量穩(wěn)定性，大型復合材料葉片的制造開始引入樹脂注人工藝技術。在樹脂注人工藝中，樹脂基體在真空壓力的作用下，可以更完全的浸漬增強材料，不僅能夠準確地控制樹脂含量，充分發(fā)揮增強材料的作用，提高復合材料葉片的承載能力，而且無需大型專用設備，制造成本較低。與此同時，葉片的制造模具也在悄悄地發(fā)生變化。大型復合材料葉片的外形尺寸與其制造模具有著極其密切的關系。為保證復合材料葉片設計外形和尺寸精度，葉片長度越長，成型時對模具剛度和強度的要求就越高，模具的重量和成本也會大幅度地提高。為了降低模具成本，減輕模具重量，大型復合材料葉片的制造模具也逐漸由金屬模具向著復合材料模具轉變，這也意味著復合材料葉片可以做得更長。另外，由于模具與葉片采用了相同的材料，模具材料的熱膨脹系數與葉片材料基本相同，制造出的復合材料葉片的精度和尺寸穩(wěn)定性均優(yōu)于金屬模具