叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件

叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件。在发电机功率确定的条件下，如何提高发电效率，以获得更大的风能，一直是风力发电追求的目标，而捕风能力的提高与叶片的形状、长度和面积有着密切的关系，叶片尺寸的大小则主要依赖于制造叶片的材料。叶片的材料越轻、强度和刚度越高，叶片抵御载荷的能力就越强，叶片就可以做得越大，它的捕风能力也就越强。因此，轻质高强、耐久性好的复合材料成为目前大型风力发电叶片的首选材料。无论是陆地风力发电，还是海上风力发电，每千瓦时的发电成本均随着发电机单机容量的增加而下降，发电装备的大型化已经成为风力发电的发展趋势。近几年，随着全球风力发电市场的逐渐成熟，大型风力发电机相继出现。目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.52.0MW，与之配套的复合材料叶片长度大约30—40米。据报道，现今世界上最大的风力发电机的装机容量为5MW，旋转直径可达126.3米。丹麦的LM公司为此装备配套研制了61.5米长的复合材料叶片，单片叶片的重量接近18吨，成为世界最大的复合材料叶片“巨人”。这一实例成功地体现了材料、结构和工艺的三者的完美结合。在复合材料风力发电叶片的研究开发过程中，德国、丹麦、美国等风能资源利用较好的国家针对大型叶片的材料体系、外形设计、结构设计、制造工艺、质量检验、在线实时监测和废弃物处理作了大量的研究开发工作，并取得了丰硕的成果。设计者和制造商已经完全可以针对不同的地区风力发电的需要，选择最佳的设计方案和制造技术，生产适合不同需求的复合材料风力发电叶片。目前正在服役的风力发电叶片多为复合材料叶片。这些叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与E一玻璃纤维、s一玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放或树脂注入等成型工艺复合而成，以满足不同风场的使用要求。由于玻璃纤维的价格仅为碳纤维价格的1/10左右，目前的叶片制造采用的增强材料仍以玻璃纤维为主。例如，在54米长的大型复合材料叶片制造中依然以玻璃纤维为增强材料，最轻的叶片重量仅为13.4吨。随着超大型叶片的出现，叶片长度不断增加，叶片对增强材料的强度和刚度等性能也提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足。LM公司在制造61．5米的大型复合材料叶片时，为保证叶片能够安全地承担风、温度等外界载荷，单纯的玻璃纤维增强材料已经很难满足叶片对强度和刚度的要求。因此，该叶片采用了玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。这样，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成损伤。风力发电机组在工作过程中，复合材料叶片不仅要承受强大的风载荷，还要经受气体冲刷、砂石粒子冲击、以及强烈的紫外线照射等外界的侵蚀。为了充分发挥增强材料的增强作用，提高复合材料叶片的承担载荷、耐腐蚀和耐冲刷等项性能，LM公司等复合材料叶片的制造商们还对树脂基体系统进行了精心设计和改进。采用性能优异的环氧树脂代替不饱和聚酯树脂，改善了玻璃纤维/树脂界面的粘结性能，提高了叶片的承载能力，扩大了玻璃纤维在大型叶片中的应用范围。为提高复合材料叶片在恶劣工作环境中的长期使用性能，sP公司专门研究开发出耐紫外线辐照的新型环氧树脂系统，以满足风力发电叶片耐久性的要求。在风力发电的初期阶段，由于发电机的功率较小，需要的复合材料叶片尺寸也比较小，叶片质量分布的均匀性对发电机和塔座的影响不十分显现；而且，当时人们对开模成型工艺时苯乙烯挥发给大气环境造成的污染，对操作人员造成的身体危害并未引起足够的认识。因此，最初的小型复合材料叶片制造基本采用简单易行的手糊成型工艺。随着风力发电机功率的不断提高，安装发电机的塔座和捕捉风能的复合材料叶片做的越来越大。为了保证发电机运行平稳和塔座安全，不仅要求叶片的质量轻，也要求叶片的质量分布必须均匀、外形尺寸精度控制准确、长期使用性能可靠。若要满足上述要求，需要相应的成型工艺来保证。另外，复合材料制造过程中苯乙烯挥发对环境和操作人员产生的不良影响也越来越引起人们的重视，一些发达国家已经制定出相应的法规，我国也对生产过程中产生的有害挥发物有明确的限制规定。因此，复合材料成型工艺随之发生变化，逐渐由开模工艺向闭模工艺改进，以减少苯乙烯自然挥发对环境和人体的危害。在大型复合材料叶片制造过程中也反映出这一成型工艺的变化：首先，叶片的制造工艺由手糊成型向着湿法铺放工艺的转变，增强材料的现场浸渍逐渐转向预先浸渍，开始采用玻璃纤维/聚酯或玻璃纤维/环氧预浸料，大幅度的降低了成型过程中苯乙烯的挥发。这样，不仅树脂含量容易精确控制，保证了复合材料叶片的质量分布均匀，而且增强材料铺设角度准确，可以有效地发挥增强材料的性能，提高复合材料的承载能力。其次，开模成型工艺向着闭模工艺发展，为了改善成型环境，减少有害气体的挥发，进一步提高叶片的质量稳定性，大型复合材料叶片的制造开始引入树脂注人工艺技术。在树脂注人工艺中，树脂基体在真空压力的作用下，可以更完全的浸渍增强材料，不仅能够准确地控制树脂含量，充分发挥增强材料的作用，提高复合材料叶片的承载能力，而且无需大型专用设备，制造成本较低。与此同时，叶片的制造模具也在悄悄地发生变化。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。为保证复合材料叶片设计外形和尺寸精度，叶片长度越长，成型时对模具刚度和强度的要求就越高，模具的重量和成本也会大幅度地提高。为了降低模具成本，减轻模具重量，大型复合材料叶片的制造模具也逐渐由金属模具向着复合材料模具转变，这也意味着复合材料叶片可以做得更长。另外，由于模具与叶片采用了相同的材料，模具材料的热膨胀系数与叶片材料基本相同，制造出的复合材料叶片的精度和尺寸稳定性均优于金属模具