大型风机叶片材料的应用和发展
1 概述
风能作为一种清洁的可再生能源，其开发潜力已被各国所认可。到2006年底，风电发展已涵盖各大洲，装机容量已达7422万kW，比上年增加1520万kW，增长25.6%，并继续呈现快速增长趋势，从图1中2006年新增装机容量的分布情况可见一斑。来自电力部门的数据显示，截至2006年底，我国风电装机总容量已达到260万kW，新增装机容量约134万kW，比2005年增长105%。根据我国新公布的《可再生能源中长期发展规划》(以下简称《规划》),今后一个时期，风能将成为我国可再生能源发展的重点之一，到2010年，风电总装机容量达到500万kW，到2020年，风电总装机容量达到3000万kW。按照《规划》，未来15年间，我国风电年均增速1.52倍。新能源政策的实施和风电行业的快速发展,为我国风电事业的发展带来了机遇和挑战。作为风力发电装置关键核心的部件-叶片，其设计与选材决定着风力发电装置的性能与功率，是保证机组正常稳定运行的重要因素，其成本也占到了风机设备的20~30％。因此，提高叶片的综合性能、降低发电成本对叶片的设计和选材提出了更高的要求。本文就叶片的选材进行了探讨，提出了叶片材料发展的相关建议。表1所示为国内外各主要风机厂叶片占风机设备成本的情况。
2 叶片材料的应用和发展
风力发电机组在恶劣的环境中长期不停运转，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侵蚀。在风力发电初期，由于发电机功率小，所需的叶片尺寸也小，其质量分布的均匀性对发电机和塔座的影响并不明显。叶片的类型主要有木制叶片、布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金等弦长挤压成型叶片等。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叶片也越做越大,叶片的质量也越来越大,对叶片的要求也越来越高：质量轻且分布均匀，外形尺寸精度控制准确；具有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；叶片旋转时的振动频率特性曲线正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好；耐腐蚀、抗紫外线照射和抗雷击的性能好；发电成本较低，维护费用低[7]。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、耐蚀性好、具有可设计性的复合材料是目前大型风机叶片的选材料。 [-page-]
2.1 玻璃纤维复合材料叶片
玻璃纤维增强聚脂树脂和玻璃纤维增强环氧树脂是目前制造风机叶片的主要材料，E-玻纤则是主要的增强材料。美国的研究表明，采用射电频率等离子体沉积去涂覆E-玻纤，可降低纤维间的微振磨损，其耐拉伸疲劳强度就可以达到碳纤维的水平。为了更好的发挥E-玻纤在结构中的强度和刚度作用，使其能与树脂进行良好匹配，目前已经开发了单轴向、双轴向、三轴向、四轴向甚至三维立体结构等编织形式，以满足不同的需要，使灵活的结构设计得到更好的体现。但是，E-玻纤密度较大，随着叶片长度的增加，叶片的质量也越来越重，如图2所示，完全依靠玻璃纤维复合材料作为叶片的材料已逐渐不能满足叶片发展的需要。例如，采用玻璃纤维增强聚酯树脂作为叶片用复合材料，当叶片长度为19m时，其质量为1.8t；长度增加到34m时，叶片质量为5.8t；如叶片长度达到52m，则其质量高达21t[10]。叶片越重，对发电机和塔座要求就越高，同时也影响到发电机组的性能和效率，因此，需要寻找更好材料以适应大型叶片发展的要求。
2.2 碳纤维复合材料叶片
作为提高风能利用率和发电效益的有效途径，风力机单机容量不断向大型化发展，兆瓦级风力机已经成为风电市场的主流产品。目前，欧洲3.6MW机组已批量安装，4.2MW、4.5MW和5MW机组也已安装运行；美国已经成功研制7MW风力机；英国正在研制10MW的巨型风力机[3]。风电机组沿着增大单机容量和提高风能转换效率的方向发展，对叶片提出了更高的要求，叶片长度的增加使得碳纤维在风力发电上的应用不断扩大，研究表明，碳纤维(CF)复合材料叶片的刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2~3倍，大型叶片采用碳纤维作为增强材料更能充分发挥其轻质高强的优点。丹麦Vestas的V-90型风力机容量为3.0MW，叶片长44m，其样品试验采用了碳纤维制造；西班牙Gamesa在其直径为90m叶轮的叶片制造中使用了碳纤维；丹麦NEG-Micon正在制造碳纤维增强环氧树脂的40m叶片。碳纤维叶片的性能优于玻璃纤维叶片，同样长度的碳纤维叶片比玻璃纤维叶片轻很多，如图2所示，但由于其价格昂贵，限制了它在风力发电上的大规模应用。因此，各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面进行深入研究，以求降低成本。美国Zoltek公司生产的PANEX33(48K)大丝束碳纤维具有良好的抗疲劳性能，可使叶片质量减轻40%，叶片成本降低14%，并使整个风力发电装置成本降低4.5%[12]。现在碳纤维轴已广泛应用于转动叶片根部，因为制动时比相应的钢轴要轻得多，但在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时，采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。 [-page-]
2.3 碳纤维/轻木/玻纤混杂复合材料叶片
由于碳纤维的价格是玻璃纤维的10倍左右，目前叶片增强材料仍以玻璃纤维为主。在制造大型叶片时，采用玻纤、轻木和PVC相结合的方法可以在保证刚度和强度的同时减轻叶片的质量。中材科技风电叶片股份有限公司研制的40m、1.5MW叶片的质量只有6t，在满足强度的情况下，质量大大降低。LM公司在《2004碳纤维展望》的报告中指出：在风力机叶片中采用碳纤维，应注意它和玻璃纤维混合时所增加的重量；其进一步开发的以玻璃钢为主的61m大型叶片，只在横梁和叶片端部选用少量碳纤维，以配套5MW的风力机[7]。结构工程师认为，当叶片长度增加时，质量的增加要高于能量的取得，因此碳纤维或碳/玻混杂纤维的使用对抑制质量的增大是必要的。采用碳/玻混杂增强的方案,叶片可减重20~30%。德国Nodex公司为海上5MW风电机组配套研制的碳/玻混杂风机叶片长达56m,同时,Nodex公司还开发了43m(9.6t)碳/玻叶片,可用于陆上2.5MW机组。目前，碳纤维/玻璃纤维与轻木/PVC混杂使用制造复合材料叶片已被各大叶片公司所采用，轻木/PVC作为填充材料，不仅增加了叶片的结构刚度和承受载荷的能力，而且还大程度地减轻了叶片的质量，为叶片向长且轻的方向发展提供了有利的条件。
2.4 热塑性复合材料叶片
风能是清洁无污染的可再生能源，但退役后的风机叶片却是环境的一大杀手。目前叶片使用的复合材料主要是热固性复合材料，不易降解，而且叶片的使用寿命一般为20~30年，其废弃物处理的成本比较高，一般采用填埋或者燃烧等方法处理，基本上不再重新利用。面对日益突出的复合材料废弃物对环境造成的危害，一些制造商也开始探讨叶片的回收和再利用技术。随着人类环保意识的与日俱增，研究开发“绿色叶片”成为摆在人们面前的一大课题。所谓的“绿色叶片”，就是在叶片退役后，其废弃材料可以回收再利用，因此热塑性复合材料成为选材料。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有密度小、质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优点,但该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大,制造成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风力机叶片的关键问题。随着热塑性复合材料制造工艺技术研究工作的不断深入和相应的新型热塑性树脂的开发，制造热塑性复合材料叶片正在一步步地走向现实。
在“绿色叶片”研究的初阶段，爱尔兰Gaoth公司负责12.6m长的热塑性复合材料叶片的制造，日本Mitsubishi公司负责在风力发电机上进行“绿色叶片的实验”，这项实验成功后，他们继续研究开发30m以上的热塑性复合材料标准叶片[6]。为降低热塑性复合材料的成本，爱尔兰Limerick大学和国立Galway大学开展了热塑性复合材料的先进成型工艺技术的基础研究。为了解决热塑性复合材料叶片的纤维浸润和大型热塑性复合材料结构件制造过程的树脂流动性问题，美国Cyclics公司为此开发出一种低粘度的热塑性工程塑料基体材料-CBT树脂，这种树脂粘度低、流动性好、易于浸润增强材料，可以更充分地发挥增强材料的性能和复合材料良好的韧性。与玻璃纤维／环氧树脂复合材料大型叶片相比较，如果采用热塑性复合材料叶片，每台大型风力发电机所用的叶片重量可降低10%左右，抗冲击性能大幅度提高，制造成本至少降低1/4，制造周期至少降低1/3，而且可以完全回收和再利用[6]。美国Cyclics公司利用CBT树脂体系制作了12.6m可循环风力机叶片，该叶片退役后,平均每台风力发电机组可回收的叶片材料达19t,此项开发更有利于环境保护,其前景也将非常乐观。
3 展望
叶片尺寸的不断增大，使得材料也在不断改进，未来叶片材料的发展，应该从以下几个方面着手：
(1)玻璃纤维中S-玻纤的弹性模量比E-玻纤高18%，强度高33%，在叶片应用上有很大空间，但由于其高昂的价格未能推广其在叶片上的应用，如果S-玻纤的生产成本能降下来，那么其在风能市场上份额将不容忽视。目前美国AGY公司已决定加强S-2玻纤的生产规划和研发投资；
(2)对碳纤维来说，价格同样是制约其大规模应用的关键因素。目前上宇航级小丝束碳纤维的生产主要被日本的东丽、东邦和三菱公司所垄断，但为了争夺碳纤维市场份额，很多单位以低于成本价倾销碳纤维，大丝束碳纤维和小丝束碳纤维互相争夺市场，这在一定程度上加快了制备碳纤维新技术的研究。为了降低碳纤维价格，研制低成本碳纤维，美国已建成了采用微波碳化的试验线，使制备碳纤维的成本降低约20%；
(3)加快发展热塑性叶片，降低热塑性复合材料的生产工艺成本，是当前叶片材料应用研究的一个热点。由于某些性能方面的不足，如耐热性和刚性较差，易于发生蠕变，且用胶粘剂胶接热塑性树脂基复合材料壳体较困难，GEC公司认为它不适用于大型风机叶片的开发，但其可回收利用、利于环保的优点足以让更多的开发商热衷于对热塑性复合材料叶片进行开发研究；
(4)纳米技术的进步，给叶片发展带来了新的机遇。法国Nanoledge Asia公司在第十三届国际复合材料工业技术展览会的“技术创新与复合材料发展”专题高层研讨会上指出，Nanoledge碳纳米结构材料将引领复合材料领域的一场革命，纳米技术能够增加产品的抗冲击性、抗弯强度、防裂纹扩展性、导电性等多种功能，可以使新产品的发展成倍增加。碳纳米结构材料给叶片材料的发展提供了新的契机，为叶片的长度增加提供了更大空间。
参考文献
[1] M. Jureczko，M. Pawlak，A. Mezyk. Optimization of wind turbine blade[J]．Journal of Mater-ials Processing Technology,2005,(6):463-471．
[2] Mr. Thibaud VAUGIEN. A revolution of composite field-Carbon Nanostructured materials with Nanoledge[J]．Nanoledge Asia，12th September,2007．
[3] 太阳能光伏产业和风能发电仍是2006年具投资价值产业.能源发展与研究,http://www.chinase.gov.cn/.
[4] 赵稼祥.碳纤维的现状与进展[J].玻璃钢/复合材料,2003,(02)．
[5] 刘清,张军,李桂菊.2006年风电市场的发展状况[R].科学院武汉文献情报中心,2007.
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[8] 陈宗来.大型玻风力机复合材料叶片技术及进展[J].玻璃钢/复合材料,2005,(03)．
[9] 张晓明.风力发电复合材料叶片的现状和未来[J].纤维复合材料,2006,(02)．
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[12] 谢晓芳,卞子罕.国外风力机叶片的新进展[J].玻璃钢,2006,(04)．
