材料12-2风力发电机叶片材料的发展

1、 风力发电机叶片材料的发展风力发电机叶片材料的发展 材料12-2 张鹤 2012011606 叶片材料的发展沿革叶片材料的发展沿革 当前主要使用的叶片复合材料当前主要使用的叶片复合材料 叶片复合材料的制造工艺叶片复合材料的制造工艺 叶片今后的发展趋势叶片今后的发展趋势 为什么要提高叶片材料性能？为什么要提高叶片材料性能？ n提高机组的经济性，叶片的尺寸增大可以改善风力发电的 经济性，降低成本。叶片长度从1980年的4.5m发展到今天的 61.5m，容量从当初的55kW发展到今天的5MW n比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能，能经受暴风等 极端恶劣条件和随机负荷的考验；叶片的弹性、旋转时的惯

2、性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负 荷稳定性好；耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好；发电成 本较低，维护费用最低。 n风能作为一种洁净的可再生能源，随着技术逐步成熟，今 后的运行成本会低于水电和火电，发展前景非常广阔。目前 的风力发电机单机容量的不断增大,变速恒频、变桨矩型风 力机逐渐占据了主导地位。 叶片材料的发展沿革叶片材料的发展沿革 p木制叶片及布蒙皮叶片木制叶片及布蒙皮叶片 p钢梁玻璃纤维蒙皮叶片钢梁玻璃纤维蒙皮叶片 p铝合金等弦长挤压成型叶片铝合金等弦长挤压成型叶片 p玻璃钢叶片玻璃钢叶片 p玻璃钢复合叶片玻璃钢复合叶片 p碳纤维复合叶片碳纤维复合叶片 p. 测算20

3、07年制造的43,777枚风轮叶片的总重量略 超过20,万,t，这使得风轮叶片成为全世界复合材全世界复合材 料的最大单项用途之一料的最大单项用途之一。在这20万T叶片中，各 种原材料的用量分别为： 玻璃纤维玻璃纤维：100,240,t； 碳纤维碳纤维：2,090,t； 热固性树脂热固性树脂(主要是环氧和聚酯树脂主要是环氧和聚酯树脂)：82,550,t； 芯材（巴萨木和泡沫芯材）芯材（巴萨木和泡沫芯材）：8,160,t； 金属（配件和螺栓属（配件和螺栓）：6,800,t。 木制叶片及布蒙皮叶片木制叶片及布蒙皮叶片 近代的微、小型风力发电机也有采用木制叶片的，但木制叶片不易 做成扭曲型。大、中型风

4、力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片 的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必 须承担的力和弯矩。 钢梁玻璃纤维蒙皮叶片钢梁玻璃纤维蒙皮叶片 叶片在近代采用钢管或D型型钢做纵梁，钢板做肋梁，内填泡沫 塑料外覆玻璃钢蒙皮的结构形式，一般在大型风力发电机上使用。叶 片纵梁的钢管及D型型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小，以满足扭 曲叶片的要求并减轻叶片重量，即做成等强度梁。 今天我们仍可看到金属制直升机螺旋桨、气垫船螺旋桨、风扇叶 片、船用螺旋桨，因此不难理解也有用金属做的风力机叶片。 实际上由于合金钢其价格低廉，易加工成细长的形状，因此常 采用钢管或D型型钢做叶片纵梁，钢板做肋梁，

5、合金钢也因此一度被 认为是首选的风力机叶片材料。 然而，它的密度太大，疲劳特性差，易腐蚀，加工成扭曲形状 成本高，因而慢慢被别的材料所替代。 铝合金等弦长挤压成型叶片铝合金等弦长挤压成型叶片 用铝合金挤压成型的等弦长叶片易于制造，可连续生产，又可按设计 要求的扭曲进行扭曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或 螺栓连接来实现。铝合金叶片重量轻、易于加工，但不能做到从叶根 至叶尖渐缩的叶片，因为目前世界各国尚未解决这种挤压工艺。 玻璃钢叶片玻璃钢叶片 所谓玻璃钢(glassfiberreinforcedplastic，简称GFRP)就是环氧树 脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤

6、维而做成 的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻 璃纤维及涂环氧树脂，其它部分填充泡沫塑料。玻璃纤维的质量 还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进。LM玻璃纤维公司现 致力于开发长达54m的全玻纤叶片，其单位kWh成本较低。 变弦长的叶片没办法挤拉出来，因此 其是以牺牲空气动力效率为前提的 当前主要使用的叶片复合材料当前主要使用的叶片复合材料 据国际咨询公司据国际咨询公司UtiliPoint总裁总裁BobBellemare称称：对于风力发电机而 言，碳纤维是即将来临的潮流碳纤维是即将来临的潮流。一般较小型的叶片(如22m长)选用量 大价廉的E-玻纤增强塑料，树脂基体以不饱和聚

7、酯为主，也可选用 乙烯酯或环氧树脂，而较大型的叶片(如42m以上)一般采用CFRP或CF 与GF的混杂复合材料，树脂基体以环氧为主。GE风能的叶片工程的风能的叶片工程的 全球经理全球经理RameshGopalakrishnan说说，设计师们在寻找轻质高强度材 料的过程中，选择了碳纤维应用于叶片设计中。因此，玻璃纤维和 碳纤维是目前叶片制造中最为重要的两种材料。 为满足上述要求为满足上述要求，提高机组的经济性，叶片的尺寸增大可以改善风 力发电的经济性，降低成本。叶片长度从。叶片长度从1980年的年的4.5m发展到今天发展到今天 的的61.5m，容量从当初的，容量从当初的55kW发展到今天的发展到

8、今天的5MW。1970年的风力机 叶片主要有钢材、铝材或木材制成，今天选择的材料以以E-玻纤增强玻纤增强 塑料塑料(GFRP)居多，目前已开始采用碳纤维复合材料碳纤维复合材料(CFRP)，叶片材料 的开发顺应了叶片大型化和轻量化的方向发展 复合材料制作叶片的主要优势复合材料制作叶片的主要优势 l可根据风力机叶片的受力特点设计强度可根据风力机叶片的受力特点设计强度 和刚度和刚度 l翼型容易成型，并达到最大气动效率翼型容易成型，并达到最大气动效率 l抗振性好，自振频率可自行设计抗振性好，自振频率可自行设计 l疲劳度较高疲劳度较高 l耐腐蚀性和耐气候性好耐腐蚀性和耐气候性好 l维修简便，易于修补维修

9、简便，易于修补 ！但并不是所有的风力 发电机叶片都要用最好 的复合材料！要根据叶 片的大小，所用地的地 理环境及风源的因素选 择经济性最好的材料！ 较传统的较传统的E玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料 E-玻璃纤维：E-glassE代表electrical，意为电绝缘玻璃。是一族钙铝硅 酸盐玻璃，其碱金属氧化物含量很少（一般小于1%），故又称无碱玻 璃，具有高电阻率。 性能： 比强度、比模量和耐腐蚀性能， 价格较低廉 工艺匹配性好，广泛用于电气 设备 密度大，不适于大型叶片 S S玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料 S-玻璃纤维：S代表Strength（强度），亦有代表Structural（结构的

10、）之说。是 美国欧文斯科宁研发的高强度纤维玻璃。S玻璃是一种镁铝硅酸盐玻璃，其新 生态纤维强度一般比E玻璃纤维高25%以上，同是具有高模量，抗冲击，耐高 温，耐疲劳和透雷达波的性能。 缺点：较E-Glass价格贵。 欧文斯科宁开发的WindStrand新一代增强型玻璃纤维，可在不增加叶片成本的 情况下提高叶片的性能。据报道，WindStrand可以提高叶片的硬度和强度，使 叶片具有良好的抗疲劳性能，从而提高叶片的抗风性能，增长叶片的寿命，提 高叶片的能量转换率。与传统的E一玻璃纤维相比，增强型WindStrand可以使 叶片的重量降低10% 但仍不能满足更大叶片的生产仍不能满足更大叶片的生产！

11、 碳纤维复合材料碳纤维复合材料 随着风机叶片长度的增加，单纯使用玻璃纤维，其刚度已经不能满足大 型风机叶片的要求，因此碳纤维也逐渐被引人。荷兰代尔夫特理工大学 (DelftUniversityofTechnology,Netherlands)研究表明，碳纤维复合材料叶 片的刚度是玻璃纤维复合材料叶片的两倍。碳纤维取代玻璃纤维不仅可 以减轻叶片质量，而且性能更优异。但是碳纤维过于昂贵，一定程度上 限制了其广泛使用。 折中的方案：玻纤与碳纤混杂。折中的方案：玻纤与碳纤混杂。42m以上的以上的 叶片采用叶片采用碳纤维或碳碳纤维或碳/玻混杂纤维玻混杂纤维 Discontinuousfiber- rei

12、nforcedcompositeshave lowerstrengthandmodulus thancontinuousfiber composites.However,with randomorientationof fibers(Figure3.1e),itis possibletoobtainequal mechanicalandphysical propertiesinalldirectionsin theplaneofthelamina . 本文针对9米长的复合材料叶片 进行了有限元计算，分析了材料 特性、叠层、厚度等要素的影响。 在现有的叶片截面上，使用不同 厚度的NREL剖面，基

13、于层叠理 论和多层结构原理进行复合材料 叶片研究，并完成了二个设计实 例。通过具有相同外部几何要素、 二种不同材料层压的对比分析可 以发现，碳纤维玻璃复合材料可 以减低11%的重量。 玻璃纤维（）环氧树脂（）复合材料是目 前研究比较成熟、应用最广的一种环氧复合材料，具 有比强度高、比模量高、耐疲劳、耐腐蚀、电性能优 异等特点，应用领域十分广泛，并且用量不断增加。 碳纤维（）复合材料具有比强度、比模量、 耐疲劳强度较高以及耐烧蚀性能好等一系列优点，还 具有密度小、热膨胀系数小、耐腐蚀和抗蠕变性能优 异及整体性好、抗分层、抗冲击等特点. GF/EP GF/EP与与CF/EPCF/EP性能比较性能比

14、较 实验材料实验材料： 碳纤维:T700S,12K，日本东丽;玻璃纤维:E玻璃纤维 CF/EP材料在碳纤材料在碳纤 维未经表面改性时维未经表面改性时 浸润度降低，存在浸润度降低，存在 气孔较多，造成的气孔较多，造成的 材料整体性能会有材料整体性能会有 所下降。所下降。 经表面氧化处理后，碳纤维增强环氧树脂复合材料的 力学性能随碳纤维含量的增加呈抛物线状变化，先上 升，达到最大值后下降；碳纤维/环氧树脂复合材料的 力学性能提高，其中最大拉伸强度比未处理碳纤维复其中最大拉伸强度比未处理碳纤维复 合材料提高了合材料提高了23.37%，最大抗压强度提高了，最大抗压强度提高了11.73% 一般认为小型风

15、机 叶片(22m以下)选用 玻璃纤维增强，树 脂基体以不饱和聚 醋树脂为主，也可 选用乙烯基树脂和 环氧树脂 较大型叶片(42m以 上)选用碳纤维增强 或碳纤维和玻璃纤 维混合增强，树脂 基体以环氧树脂为 主。 从聚酯树脂到环氧树脂从聚酯树脂到环氧树脂 叶片复合材料的制造工艺叶片复合材料的制造工艺 随着风机叶片的尺寸不断增加，为了保证发电机的平稳运行和 塔架安全，要求叶片质量轻、外形尺寸精度高、质量分布均匀、 长期使用性能可靠。因此风机叶片的生产工艺也在不断改进。 n手糊成型手糊成型 传统复合材料风机叶片多采用手糊成型。由于手糊成型是开 模工艺，生产过程中会有大量的苯乙烯等挥发性有毒气体产生，

16、 给操作者和环境带来危害;另外，手糊成型生产效率低，产品质 量稳定性差，因此手糊成型通常只用于生产叶片长度比较短和 批量比较小的场合 n真空浇灌成型真空浇灌成型 对于长度超过40m的叶片，一般采用真空灌注成型。真 空灌注成型工艺是将纤维增强材料直接铺放在模具上，在纤 维增强材料上铺放剥离层和高渗透介质，然后用真空薄膜包 覆及密封，利用真空负压将树脂注人并浸透增强材料。由于 真空灌注成型是闭模成型，因此在成型过程中苯乙烯挥发少， 改善了工作环境，简化了工艺操作。同时真空辅助可充分消 除气泡，降低制品的孔隙率，能有效控制产品的含胶量，产 品质量稳定性高。真空灌注成型工艺被认为一种效率高。成 本低、

17、质量好的生产工艺，已经被广泛使用。 n叶片整体成型叶片整体成型(IntegralBlade)技术技术 较真空灌注成型工艺相比，西门子风力发电集团研发的叶 片整体成型(IntegralBlade)技术，更简化了生产过程，能使叶 片正真达到一次成型。其原理是玻璃纤维增强材料的干燥通 过一个封闭的外部模具和一个扩展的内部模具的特殊组合完 成铸造，完成玻璃纤维增强材料的层压之后，环氧树脂材料 在真空环境中注人，此后，叶片在封闭的模具中经高温固化， 一步完成完整、无缝的叶片制造。与其它制造商所采用的传 统叶片制造方法相比，整体成型所具有的优点包括:该方法节 省人力和空间，制造过程中仅需一个模具组;在外壳

18、和承重杆 之间没有公差，使最终的叶片结构完整，不存在胶水粘连部 件，从而避免了裂缝、水分侵人、雷电对这些潜在威胁对叶 片薄弱环节的不利因素。由于IntegralBlade制造过程的封闭性， 叶片制造工厂提供了一个干净、漂亮的工作环境。 叶片今后的发展趋势叶片今后的发展趋势 叶片厂家制造大型叶片所面临的问题叶片厂家制造大型叶片所面临的问题 l新模具的开发新模具的开发 l固化的问题固化的问题 l运输的问题运输的问题 l叶片的技术问题叶片的技术问题 1、大型复合材料叶片的外形尺寸与其制造模具有着极其密切的关系、大型复合材料叶片的外形尺寸与其制造模具有着极其密切的关系。为保证 复合材料桨叶设计外形和尺

19、寸精度，叶片越长，成形时对模具刚度和强度的要 求就越高，而模具的重量和成本也会大幅度提高。近年来，为减轻模具重量， 降低模具成本，大型复合材料叶片的制造模具也逐渐由金属模具向复合材料模 具转变。考虑到内资厂商处在风电叶片生产的初期，需要较长时间进行模具开 发、样品开发、样品测试工艺调试以及流程优化，因此一般新进入的风电叶片 生产厂商都需要较长时间的摸索。 2、叶片存在固化问题、叶片存在固化问题。一般而言，复合材料制品在固化过程中放热不易控制， 特别是在产品结构局部厚度较大处，放热峰温度过高，局部热量不易散去，易 产生焦化。为了避免发生放热过多，固化过程通常分阶段进行，但延长了固化 周期。为了缩

20、短整个固化周期，Hexcel研发了一种专门用于叶片根部的低放热 预混料HexPlyM19。据介绍HexPlyM19是一种低毒性，环境友好型预混料其最 大的优点就是容易控制固化反应过程中的放热。HexPlyM19与玻璃纤维和碳纤 维一起使用，比同样条件下的一般预混料固化快巧-20%。由于固化反应放热易 控制，因此较传统预浸料在高温条件下固化时间短，从而缩短了固化周期。 随着固化周期的缩短，模具成本和加工成本也相应地降低。据估算其模具成本 可降低10%，模具使用寿命可延长30%。 总的趋势向轻质、高强度、长使用寿命、大型化发展总的趋势向轻质、高强度、长使用寿命、大型化发展 l风力机装机功率增大不断增加，更长的叶片将会出现 l叶片的设计将不断更新 l碳纤维复合材料在风力发电上的应用会不断扩大 l碳纤维复合材料的应用推广，关键看价格的降低 l新的增强材料制造技术进一步发展，降低生产成本，提高产量 l增强材料和基体材料表面性能研究，提高叶片使用寿命 绿色叶片：绿色叶片： 各国制造商正在研究开发“绿色叶片”，发展可回收利用的热热 塑性复合材料叶片塑性复合材料叶片。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有热塑性复合材料具有 质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一