大型风力涡轮转子叶片增强材料应用现状及发展趋势

    风力发电作为一项具规模开发条件和市场发展前景的新能源技术,可有效缓解日益严峻的环境污染和能源危机问题。其中每安装1兆瓦的风电机组,年均可以减排2000吨CO2、10吨SO2和6吨NO2,因此各国积极开展能源革命,大力支持及政策激励风电“朝阳产业”的发展,使风电产业呈现出“白热化”和“井喷式”的强劲势头,并直接推动了整机市场日臻成熟和叶片、齿轮箱、轴承等配套产业渐趋完善。大型转子叶片是风电机组的关键部件之一,价格占整套机组的15% ~20%,基本上都由各种纤维增强树脂基复合材料(FRP)制成,因此不仅气动设计和翼型结构会影响捕风能力与发电效率,而且增强骨架材料、树脂基体、结构胶粘剂及表面保护性涂料等关键原材料的力学性能、抗疲劳和耐气候等特性也将决定叶片的承载能力、运行稳定性和长期使用寿命。
    1　风力涡轮转子叶片发展简况
    纵观风能技术的变革历程和发展趋势,风电叶片依然呈现出大型化、轻量化、长寿化以及低成本化的发展态势。如图1所示, 20世纪80年代,主流风电机组的单机容量和风轮直径分别小于200kW和24m; 90年代末则逐渐扩增到750kW和49m;迈入21世纪,兆瓦级机组的市场占有率迅速增大,2000年占当年新增总容量的9.7%, 2001年达到52.3%, 2003年达到71.4%,而2006年则继续扩大到87.5%。目前,陆地与海上主流风电机组分别为1~3MW和3~5MW,风轮直径分别为55~100m和100~126m,而更大单机容量的风电机组也开始进入大规模研制试装阶段,如德国EnerconGmbH的7MW E-126机组和英国Britannia计划中的7.5MW甚至10MW超大型机组。

    如图2所示,风电机组单个叶片重量的增加和额定功率分别正比于风轮直径的立方和平方,因此表现出重量的增加要明显快于额定功率的提高,叶片的重量和性能将越来越不容忽视。使用高性能的增强材料将有利于提升叶片抵御自重、离心力、弯矩等交变载荷的能力;同时又可实现配套构件的轻量化,延长机组的使用寿命。所以,具有轻质高强、耐疲劳、耐腐蚀和耐环境老化等的高性能增强材料(如表1所示)将是制造大型风电叶片的选。

    2　无机纤维增强材料
    2・1　玻璃纤维
    E玻璃纤维具有较高的强度、刚度和延伸率,并且成本低、适用性强,因此是目前商品化风电叶片采用的主流增强材料,通常编织成单、双、三轴向甚至三维立体结构,以满足主梁、腹板、蒙皮等不同部件的使用要求。然而,E玻纤的密度较大,难以适应未来风电叶片大型化发展的需要,此时S玻璃纤维由于具有更高的强度、刚度和耐热性,市场潜力巨大。[-page-] 
    美国OwensCorning(OC)继推出无氟无硼、高强度、高耐久、媲美ECR玻纤耐酸碱腐蚀性的Advan-tex(玻璃纤维后,近年来又开发了基于“高性能加强平台”HiPer-texTM的W indStrandTM直接无捻粗纱,比传统E玻纤的抗拉强度提高35%,模量提高15%,失效应变提高15%,应变能密度提高50%,疲劳性能提高10倍以上,从而可使同样翼型设计的叶片重量减轻17%,或同样叶片重量下可使长度增大6%而提高12%的发电量。
    美国匹兹堡PPG公司针对缠绕、拉挤和真空灌注等工艺而专门研制了Hybon 2002和Hybon 2026两种无捻连续直接纱,可与多种树脂体系之间具有良好的相容性、浸润性和附着力。Hybon 2002由于使用了独特的工艺方法和专用的硅烷浸润剂体系,超硬的表面性能使得原丝即使在一些极端工艺条件下也不易起毛和断丝 ;Hybon 2026比E玻纤的拉伸强度至少高出20%,抗疲劳耐久性能也高出6倍以上,因此特别适用于大型风电叶片和海上风机的制造。
    美国AGY公司推出了一种ZenTron(高强度无捻粗纱,应用于风电叶片高载荷承力构件部分,与E玻纤相比可减轻重量近50%,而与碳纤维相比可减少材料成本25%,可作为碳纤维的廉价取代品。中材科技股份有限公司特种纤维事业部自主开发了可应用于国防军工及风电叶片领域的HS2和HS4高强硅-铝-镁玻璃纤维,比E玻纤的拉伸强度提高30% ~40%,弹性模量提高16% ~20%,耐温性提高100~150℃,耐疲劳特性提高近10倍。重庆国际复合材料有限公司(CPIC)规模化工业生产了一种无硼无氟环保型的TM(粗纱,可应用于风电叶片、高压管道和高强度型材。与E玻纤和ECT(玻纤相比,TM(玻纤的拉伸强度分别提高25% ~30%和20%,模量分别高15% ~17%和10%,并且单轴和三轴织物环氧复合材料的100万次疲劳强度分别可提高30% ~40%和20% ~27%。此外,针对大型复合材料风电叶片市场,其他厂商也纷纷研制开发了各种高性能玻璃纤维,如巨石/Gibson的E6TM、法国Saint-Gobain集团的H玻纤和美国JohnsManville的StarRov 086等。
    2.2　碳纤维
    当风电叶片发展到超过一定的临界长度后,玻璃钢力学性能已经趋于极限,使用高弹轻质的碳纤维复合材料将势在必行。碳纤维的比强度和比模量分别为E玻纤的40%和3倍以上,并且还具有良好的疲劳特性、导电性和振动阻尼特性,因此预计3~5年后,碳纤维在风电叶片的应用将成为继宇航军工领域后的第二大应用,并成为下一代叶片材料的主导发展趋势。
    然而,碳纤维的价格十分昂贵,再加上树脂体系对小丝束碳纤维浸润困难这一技术瓶颈,限制了它在风电产业的广泛应用。近年来, 24K以上大丝束碳纤维的出现及其价格的大幅度下降,成为超大型叶片的理想增强材料。但是,碳纤维的价格仍比玻璃纤维要高15~20倍,因而通常与玻璃纤维混杂使用,其中3TEX公司开发了一种碳纤维/玻璃纤维三维混杂结构的UniGirderTM单轴向织物,具有高强度、高模量、树脂灌注速度极快且不易产生干斑等特性。目前,一般采用碳纤维制造风电叶片中高强度和高刚度的关键部件,如横梁(US
7377752)、前后边缘(US 6457943和EP 1485611)和表面(JP 2003214322)等。美国Zoltek公司研制了民用工业级大丝束碳纤维Panex 33(48K)和Panex 35(50K),性能接近宇航级碳纤维,可使风电叶片的重量减轻40%,成本降低14%,并使机组总成本降低4.5%。Zoltek同丹麦Vestas和西班牙Gamesa叶片公司签订了长期供货合同,其中Vestas在44m长、V-90 3.0MW风电叶片的主梁采用了碳纤维,减轻后的叶片总重量与39m长、V-
80 2.0MW玻璃钢叶片的质量相同;Gamesa使用碳纤维/环氧预浸料制造了风轮直径为87m和90m的2MW叶片。此外,丹麦LM和德国Nordex也分别在其61.5m和56m长、5MW风电叶片的主梁构件使用了碳纤维,制造成本并不显著高于要用了玻璃纤维的制造成本。E. C.公司资助的研究计划中也说明了在直径为120m的叶片中加入碳纤维能有效减轻总重量达38%,并可减少14%的设计成本。
    2・3　玄武岩纤维
    连续玄武岩纤维(Continuous BasaltFiber,CBF)的拉伸强度和模量均与S玻纤相当,耐高温性能显著优于玻璃纤维、碳纤维、芳纶以及聚乙烯纤维,经过半个多世纪的开发、改进和应用,已广泛应用于航空航天、国防军工、车船制造、环境防护、风电叶片、民用基础设施等工程领域。
    俄罗斯KamennyVek公司正在与芬兰Ahlstrom玻纤制造商开展合作,以便将其产品Basfiber(推向风电市场,其中Basfiber(的拉伸强度和弹性模量分别比E玻纤高25%和15%。工程设计人员采用计算机系统分析了不同材料和施加浸润剂带来的优缺点,并进行了一系列工艺试验,从而研制出适用于风电叶片的特种CBF单向带和双轴向织物。乌克兰Technobasalt公司推出了单丝直径为13~20μm,粗纱线密度范围为60~4800tex的玄武岩纤维,可用作大型风电叶片的增强材料。蔡正杰设计了一种使用单径向CBF织物(300g/m2)的风电叶片及其制造技术,将E玻纤织物(包括平纹方格布、短切毡与多轴向织物层)、单径向CBF和碳纤维织物通过干法或湿法铺层以及真空辅助RTM闭模工艺复合成型,可以有效传递蒙皮的载荷,减少铺层,提高生产效率并降低生产成本。 [-page-]

   3　有机纤维增强材料
    3・1　芳纶纤维
    芳纶纤维是一种可媲美无机纤维物理性能的高强轻质有机增强材料,比强度和比模量都要远高于玻璃纤维,并且还具有优异的耐疲劳性能、尺寸稳定性、耐高温性和耐化学腐蚀性。用作增强材料的高强高模芳纶主要是对位(PPTA)芳香族聚酰胺纤维,有Kevlar((DuPont)、Twaron((AkzoNobel)、Techno-ra((Teijin)、俄罗斯的Apmoc(以及国内的芳纶14(芳纶Ⅰ)与芳纶1414(芳纶Ⅱ)等品种。据报道,Kevlar(纤维可以提供给叶片更高的抗扭强度、更轻的重量和更好的热稳定性,从而显著提高风电转化效率。M. Jureczko等利用ANSYS有限元设计分析软件对NACA 63-212翼型的风电叶片建立了FEM模型,并评价了各种复合材料对叶片气动性能的影响。同E和S玻纤相比,低密度芳纶纤维(Techno-ra 和Kevlar 149)增强的叶片具有更高的自然频率和特征值。李健等申请了一项可用于风电叶片的芳纶/环氧树脂及其制备方法的发明,通过马来酸酐接枝改性处理后,纤维重量含量为10%的复合材料的拉伸强度可从160MPa提高到175MPa。
    3・2　高强高模聚乙烯纤维
    高强高模聚乙烯纤维(HSHMPE或UHMWPE)是20世纪90年代初继碳纤维、芳纶纤维之后出现的第三代高性能纤维,由于具有低密度、极高的分子量(100~600万)、线性直链结构、高度取向性和结晶性等特性,因此比强度比碳纤维高2倍,比芳纶纤维高40%。典型品种有Dyneema((DSM)、Spec-tra((Honeywell)、Tekmilon(Mitsui)以及国内的强纶(宁波大成)、ZTX99(湖南中泰)和SurrepeTM(上海斯瑞)。PovlBr(ndsted等认为性能指标值Mb=E1/2/ρ(其中E和ρ分别为材料的模量和密度)为0.003~0.006、刚度为15GPa以上的复合材料可用于承力主梁的制造,并指出芳纶和UHMWPE由于其低密度和高性能而将成为大型风电叶片的理想增强材料。Suzuki等申请的中涉及了用芳纶、维尼纶、尼龙、聚酯和UHMWPE等有机纤维增强材料制造风电叶片,指出有机纤维可以提高叶片的弹性和挠度,然而一般不单独使用,而是与无机纤维混合使用。
    4　生物质增强材料
    玻璃纤维或碳纤维复合材料风电叶片废弃品极不易化学分解和生物降解,采用堆积或掩埋将会占用大量土地并污染地下含水层,而采用焚烧处理又将会产生有害气体。因而,有必要开发一种可回收利用的新型环保叶片(Recycling blades),这就要求所使用的原材料具有可持续使用或可生物降解而不污染环境的特性。先进生物质增强材料作为一种通过径向分级、密实化、蒸汽氧化等性能改进和防虫、防霉及防腐处理后的复合材料,具有刚度高、稳定性好、低温阻尼好、成本低、加工时间短以及废弃物易处理等优点。2008年,无锡瑞尔竹风自主研制成功了800kW、25m长的竹质复合材料风电叶片,所使用的增强材料为杭州大庄地板有限公司提供的高性能竹层积材,顺纹拉伸和抗压强度分别大于250MPa和140MPa,弹性模量大于27GPa。低密度竹层积材占到叶片总重量的50%以上,从而比玻璃钢叶片减轻10%,机组发电效率提高8%。黄晓东等研究得出一、二级杉木/环氧层积材的拉伸强度分别为123MPa和89MPa,模量分别为18GPa和10GPa,一级杉木/环氧层积材的顺纹拉伸强度和模量均高于桃花心木与桦木的环氧层积材,可满足风电叶片在自然频率状态下的使用要求[21]。
    5　纳米增强材料
    纳米增强材料具有结构单元尺寸小、表面非配对原子多、比表面积大和表面能高等特性,可以在纳米介观尺度上实现与基体材料良好的界面结合,协同发挥纳米增强材料的刚性、尺寸稳定性及热稳定性和基体材料的韧性、延展性及可加工性等各自的优异性能。德国Bayer公司向市场推出了一类新型碳纳米管Baytubes(包括C 150 P和C 150HP两种不同纯度的产品),组份主要为管径小、直径分布均一、长径比极高的多层碳纳米管,纯度超过95%,具有优异的抗拉强度、模量、热传导性和导电性,性能相当稳定且拥有再现性。据称 Baytubes可以使风电叶片超过60多m的极限长度,重量减轻10% ~30%,冲击性能增强20% ~30%,耐疲劳性提高
50% ~200%。美国Huntsman公司研发了一种纳米填料改性的风电叶片用结构胶粘剂,与未改性的相比,新体系的断裂韧性(G1c)提高了3倍以上,苛刻条件下100万次循环后的疲劳微裂缝数量至少减少一半,耐疲劳性提高了400%。
    6　结　语
    复合材料风电叶片向大型化、轻量化、海洋化、长寿化以及低成本化发展已势在必行,对增强材料的选用指标将会更加苛刻,因而也将会出现一些瓶颈性技术难题,对此我们提出以下几点看法和建议:
    (1)持续改进现有多轴向织物增强材料的经编针织方式、质量控制技术和性能检测方法,保证规模化产品的批次稳定性;
    (2)开发新型先进复合材料及其工艺技术,涉及超高强高模材料、混杂复合材料、智能多功能材料、生物质环保材料、纳米结构材料以及无损检测控制技术和自动化制造技术等,从而提高叶片的性能质量并降低制造成本;
    (3)完善气动翼型设计和结构力学分析,改进设计校核准则,精确气动载荷分析,优化织物铺层工艺,从而使增强材料的结构形式大程度符合叶片的设计趋势,使其优异特性得到充分发挥。
    可以预料,大型轻质高强风电叶片将在新能源开发中发挥更加显著的作用,并进一步推进风电产业的成熟和壮大。