葉片是風(fēng)力發(fā)電機組有效捕獲風(fēng)能的關(guān)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(fēng)能，一直是風(fēng)力發(fā)電追求的目標(biāo)，而捕風(fēng)能力的提高與葉片的形狀、長度和面積有著密切的關(guān)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(fēng)能力也就越強。因此，輕質(zhì)高強、耐久性好的復(fù)合材料成為目前大型風(fēng)力發(fā)電葉片的******材料。
無論是陸地風(fēng)力發(fā)電，還是海上風(fēng)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(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢。近幾年，隨著全球風(fēng)力發(fā)電市場的逐漸成熟，大型風(fēng)力發(fā)電機相繼出現(xiàn)。目前商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電所用的電機容量一般為 1.5 2.0 MW，與之配套的復(fù)合材料葉片長度大約30—40米。據(jù)報道，現(xiàn)今世界上******的風(fēng)力發(fā)電機的裝機容量為5 MW，旋轉(zhuǎn)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(fù)合材料葉片，單片葉片的重量接近18噸，成為世界******的復(fù)合材料葉片 “巨人”。這一實例成功地體現(xiàn)了材料、結(jié)構(gòu)和工藝的三者的完美結(jié)合。
在復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電葉片的研究開發(fā)過程中，德國、丹麥、美國等風(fēng)能資源利用較好的國家針對大型葉片的材料體系、外形設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、質(zhì)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(shè)計者和制造商已經(jīng)完全可以針對不同的地區(qū)風(fēng)力發(fā)電的需要，選擇******的設(shè)計方案和制造技術(shù)，生產(chǎn)適合不同需求的復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電葉片。
目前正在服役的風(fēng)力發(fā)電葉片多為復(fù)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(fù)合而成，以滿足不同風(fēng)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(fù)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(fù)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(fù)合材料葉片時，為保證葉片能夠安全地承擔(dān)風(fēng)、溫度等外界載荷，單純的玻璃纖維增強材料已經(jīng)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)，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(dǎo)電性，也可以有效地避免雷擊對葉片造成損傷。
風(fēng)力發(fā)電機組在工作過程中，復(fù)合材料葉片不僅要承受強大的風(fēng)載荷，還要經(jīng)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(fù)合材料葉片的承擔(dān)載荷、耐腐蝕和耐沖刷等項性能，LM公司等復(fù)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(shè)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(jié)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(yīng)用范圍。為提高復(fù)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(fēng)力發(fā)電葉片耐久性的要求。
在風(fēng)力發(fā)電的初期階段，由于發(fā)電機的功率較小，需要的復(fù)合材料葉片尺寸也比較小，葉片質(zhì)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(dāng)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(rèn)識。因此，最初的小型復(fù)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(fēng)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(fēng)能的復(fù)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(zhì)量輕，也要求葉片的質(zhì)量分布必須均勻、外形尺寸精度控制準(zhǔn)確、長期使用性能可靠。若要滿足上述要求，需要相應(yīng)的成型工藝來保證。另外，復(fù)合材料制造過程中苯乙烯揮發(fā)對環(huán)境和操作人員產(chǎn)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(jīng)制定出相應(yīng)的法規(guī)，我國也對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的有害揮發(fā)物有明確的限制規(guī)定。因此，復(fù)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(fù)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(zhuǎn)變，增強材料的現(xiàn)場浸漬逐漸轉(zhuǎn)向預(yù)先浸漬，開始采用玻璃纖維/聚酯或玻璃纖維/環(huán)氧預(yù)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(fù)合材料葉片的質(zhì)量分布均勻，而且增強材料鋪設(shè)角度準(zhǔn)確，可以有效地發(fā)揮增強材料的性能，提高復(fù)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(zhì)量穩(wěn)定性，大型復(fù)合材料葉片的制造開始引入樹脂注人工藝技術(shù)。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(zhǔn)確地控制樹脂含量，充分發(fā)揮增強材料的作用，提高復(fù)合材料葉片的承載能力，而且無需大型專用設(shè)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(fù)合材料葉片的外形尺寸與其制造模具有著極其密切的關(guān)系。為保證復(fù)合材料葉片設(shè)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(fù)合材料葉片的制造模具也逐漸由金屬模具向著復(fù)合材料模具轉(zhuǎn)變，這也意味著復(fù)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(shù)與葉片材料基本相同，制造出的復(fù)合材料葉片的精度和尺寸穩(wěn)定性均優(yōu)于金屬模具制造的葉片產(chǎn)品。
此外，隨著計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，大型復(fù)合材料葉片的制造技術(shù)也在不斷的進步。LM公司將機器人技術(shù)用于大型葉片的纖維鋪覆和粘結(jié)，并將計算機技術(shù)應(yīng)用于工藝過程的實施監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄，為用戶提供可追溯的資料作為可靠性保證的依據(jù)。
選擇******的材料體系和制造工藝，制造出************的復(fù)合材料葉片，以滿足風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展的需求，未來的成型工藝將給復(fù)合材料葉片制造提供最優(yōu)的實施手段。
以最小的葉片重量獲得******的葉片面積，使得葉片具有更高的捕風(fēng)能力，葉片的優(yōu)化設(shè)計顯得十分重要，尤其是符合空氣動力學(xué)要求的大型復(fù)合材料葉片的******外形設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要性尤為突出，它是實現(xiàn)葉片的材料有效結(jié)合的軟件支撐。另外，計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用也使得葉片的結(jié)構(gòu)與層合板設(shè)計更加細(xì)化，有利的支持了******工藝參數(shù)的確定。
早在1920年，德國的物理學(xué)家舢bert Betz就對風(fēng)力發(fā)電葉片進行過詳細(xì)的計算。基于當(dāng)時的計算條件和對風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識，Be￡z在葉片計算時采用了一些假設(shè)條件。隨著計算機技術(shù)發(fā)展，計算手段的顯著提高，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，人們對風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識和理解也在逐步深人。尤其是近十年來，經(jīng)過研究人員對風(fēng)力發(fā)電葉片進行的多次現(xiàn)場載荷、聲音和動力測量以后，發(fā)現(xiàn)葉片的理論預(yù)測值與實際記錄值有較大的偏離。這可能是由于過多地相信了風(fēng)洞試驗，而對葉片服役期間可能遇到的較強動態(tài)環(huán)境和湍流條件考慮不足造成的。因此，一些相關(guān)人員對當(dāng)時的葉片計算采用的假設(shè)條件提出了質(zhì)疑。
流體動力學(xué)計算和軟件的改進使得研究人員能夠更精確地模擬葉片實際的受力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，進一步改善葉片的空氣動力學(xué)特性，即使葉片在旋轉(zhuǎn)速度降低5%的情況下，捕風(fēng)能力仍可以提高5%；隨著葉片旋轉(zhuǎn)速度的降低，葉片運行的噪音大約可以降低3dB。同時，較低的葉片旋轉(zhuǎn)速度要求的運行載荷也較低，旋轉(zhuǎn)直徑可以相應(yīng)的增加。在此項研究的基礎(chǔ)上，德國的E~ercon公司將風(fēng)力發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)直徑由30米增加到 33米，復(fù)合材料葉片也隨著相應(yīng)的增加。由于葉片長度的增加，葉片轉(zhuǎn)動時掃過的面積增大，捕風(fēng)能力大約提高了25%。Enercon公司還對33米葉片進行了空氣動力試驗，經(jīng)過精確的測定，葉片的實際氣動效率為56%，比按照Betz計算的******氣動效率低約3—4個百分點。為此，該公司對大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進行了必要的改進：包括為了抑制生成擾流和漩渦，在葉片端部安裝“小翼”；為改善和提高渦輪發(fā)電機主艙附近的捕風(fēng)能力，對葉片根莖進行重新改進，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長度；對葉片頂部與根部之間的型面進行優(yōu)化設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，Enercon公司開發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑7l米的2MW風(fēng)力發(fā)電機組，改進后葉片根部的捕風(fēng)能力得以提高。E~ercon公司在4．5MW風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計中繼續(xù)采用此項技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為112米的葉片端部仍安裝的傾斜“ 小翼”，使得葉片單片的運行噪音小于3個葉片(旋轉(zhuǎn)直徑為66米)運行時產(chǎn)生的噪音。
丹麥的LM公司在61.5米復(fù)合材料葉片樣機的設(shè)計中對其葉片根部固定進行了改進，尤其是固定螺栓與螺栓孔周圍區(qū)域。這樣，在保持現(xiàn)有根部直徑的情況下，能夠支撐的葉片長度可比改進前增加20%。另外，LM公司的葉片預(yù)彎曲專有技術(shù)也可以進一步降低葉片重量和提高產(chǎn)能。
隨著計算機技術(shù)和控制技術(shù)的進步，近年來，大型復(fù)合材料的葉片也向著智能化發(fā)展。在最新一代的 Enercon葉片中開始采用葉片自動監(jiān)測和控制系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)⑷~片運行狀態(tài)下的數(shù)百個電子信息自動地傳遞給葉片的控制系統(tǒng)，計算機管理系統(tǒng)每個月都會報告葉片的運行情況、早期損傷情況，以利于使用者能夠?qū)p傷葉片進行及時地修補。
LM公司將光纖控制技術(shù)用于制造智能復(fù)合材料葉片。在大型葉片制造中，尤其是近海風(fēng)場用的大型風(fēng)力發(fā)電機，由于風(fēng)場的氣候條件惡劣，監(jiān)測和維護困難，對外界溫度、葉片裂紋、雷擊等對葉片損傷的早期預(yù)警顯得十分重要。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)合材料葉片的實時監(jiān)控，LM 公司將光纖監(jiān)控技術(shù)用于復(fù)合材料葉片的制造，開發(fā)出具有智能功能的復(fù)合材料葉片。在制造大型復(fù)合材料葉片時，LM公司將光纖傳感器埋設(shè)和固定于復(fù)合材料內(nèi)部。當(dāng)這種智能復(fù)合材料葉片工作時，光纖傳感器就會將葉片工作時的狀態(tài)實時反映給數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，將其反饋給風(fēng)力發(fā)電機的控制系統(tǒng)。一旦葉片所承受外界載荷(溫度、風(fēng)速、風(fēng)載等)超過設(shè)計載荷、葉片主體產(chǎn)生裂紋、外界雷擊等可能對葉片造成損傷時，葉片的監(jiān)控系統(tǒng)就會發(fā)出早期預(yù)警信號，此時才需要對葉片進行必要的保養(yǎng)和維護工作，可以大大降低葉片的日常維護費用。目前，這項工作正在模擬的外界環(huán)境中進行20年服役期的可靠性加速試驗。LM公司目前也將此系統(tǒng)安裝在40米的葉片上進行試驗，不久將在61.5米的葉片上進行試驗。
目前使用的復(fù)合材料葉片屬于熱固性復(fù)合材料，很難自然降解。廢棄物處理一般采用填埋或者燃燒等方法處理，基本上不再重新利用。面對日益突出的復(fù)合材料廢棄物對環(huán)境造成的危害，一些制造商開始探討復(fù)合材料的回收和再利用技術(shù)。
到2004年底，全世界新增的風(fēng)力發(fā)電能力接近8GW，風(fēng)力發(fā)電裝機的總?cè)萘恳堰_47.4GW，正在服役的風(fēng)力發(fā)電葉片已達數(shù)千片。在未來十年間，仍以10%以上的增長速度快速發(fā)展。復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電葉片的使用壽命一般為2030年。雖然最初的葉片為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，但絕大多數(shù)的服役葉片仍為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。在未來的十幾年間，這些葉片將陸續(xù)退役，退役后葉片如何處理也將成為材料科學(xué)家和環(huán)保工作者必須面對的現(xiàn)實問題。以利用風(fēng)能發(fā)電最好的德國為例，目前德國的風(fēng)力發(fā)電量約占全年總發(fā)電量的6%。如果德國實現(xiàn)由風(fēng)力發(fā)電來提供25%的電力需求的發(fā)展目標(biāo)，則該國需要安裝7500個超大型風(fēng)力發(fā)電裝置，至少需要22500個大型復(fù)合材料葉片與之配套。這些葉片在生產(chǎn)過程中將產(chǎn)生大量的苯乙烯有害氣體，也會產(chǎn)生一些固體廢棄物，而退役葉片造成的廢棄物則更是數(shù)量驚人。
目前，復(fù)合材料廢棄物的回收和再利用多集中在廢棄物粉碎后作為填料使用，或者燃燒廢棄物利用其熱能。復(fù)合材料葉片的制造商正在探討熱固性復(fù)合材料(如預(yù)浸料)分離處理技術(shù)的可行性，試圖將未固化的復(fù)合材料進行熱固性樹脂與增強纖維分離，然后分別再利用。廢棄物的回收和再利用是退役復(fù)合材料葉片最理想的處理方法，這就是為什么人們積極研究開發(fā)熱塑性復(fù)合材料葉片——“綠色葉片”的重要原因。
與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、抗沖擊性能好、生產(chǎn)周期短等一系列優(yōu)異性能。在相同的尺寸條件下，熱塑性復(fù)合材料由于密度低，葉片的重量更輕，隨之帶來安裝塔座和發(fā)電機重量的減小，同時運輸和安裝費用也相應(yīng)地降低。但是，該類復(fù)合材料的制造工藝技術(shù)與傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料成型工藝差異較大，制造成本較高，成為限制熱塑性復(fù)合材料用于風(fēng)力發(fā)電葉片的關(guān)鍵問題。隨著熱塑性復(fù)合材料制造工藝技術(shù)研究工作的不斷深人和相應(yīng)的新型熱塑性樹脂的開發(fā)，制造熱塑性復(fù)合材料葉片已經(jīng)不僅僅是一個新概念，正在一步步地走向現(xiàn)實。
最近，愛爾蘭Gaoth風(fēng)能公司與日本三菱重工和美國Cyclics公司正在探討如何共同研制低成本熱塑性復(fù)合材料葉片。Gaoth公司認(rèn)為熱塑性復(fù)合材料葉片制造成本較高的主要原因是目前熱塑性復(fù)合材料的制造工藝成本較高，如果能夠開發(fā)出一種新的低成本制造技術(shù)，就有可能使得熱塑性復(fù)合材料的制造成本低于熱固性復(fù)合材料。在愛爾蘭有關(guān)企業(yè)的資助下，Limerick大學(xué)和Galway國立大學(xué)開展了熱塑性復(fù)合材料的先進成型工藝技術(shù)的基礎(chǔ)研究。為了解決熱塑性復(fù)合材料葉片的纖維浸漬和大型熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造過程的樹脂流動性問題，美國的Cyclics公司為此開發(fā)出一種低粘度的熱塑性工程塑料基體材料——cBT 樹脂。這種像水一樣低粘度的熱塑性工程塑料CBTR樹脂流動性好，易于浸漬增強材料，可以充分發(fā)揮增強材料的性能，賦予復(fù)合材料良好的韌性。該項技術(shù)的實施，不僅可以提高葉片的抗沖擊能力，還可以大幅度提高成型速度，具有技術(shù)和經(jīng)濟上的優(yōu)勢。Cyclics公司聲稱當(dāng)葉片退役后，平均每臺風(fēng)力發(fā)電機組可再利用的葉片材料可達19噸，這是前所未有的。
在“綠色葉片”研究的最初階段，愛爾蘭的Gaoth公司將負(fù)責(zé)12．6米長的熱塑性復(fù)合材料葉片的制造，Mitsubishi(三菱)公司將負(fù)責(zé)在風(fēng)力發(fā)電機上進行“綠色葉片的試驗”。此項試驗成功后，他們將繼續(xù)研究開發(fā)30米以上的熱塑性復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)葉片。根據(jù)有關(guān)資料介紹，與環(huán)氧樹脂/玻璃纖維復(fù)合材料大型葉片相比較，如果采用熱塑性復(fù)合材料葉片，每臺大型風(fēng)力發(fā)電機所用的葉片重量可以降低10%，抗沖擊性能大幅度提高，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。安全快捷地制造“綠色”的復(fù)合材料葉片正期待著復(fù)合材料葉片制造商去實現(xiàn)，Gaoth公司及其合作伙伴就是實現(xiàn)這一目標(biāo)的先驅(qū)。
作為可再生的清潔能源之一，我國已經(jīng)開始注重風(fēng)能的開發(fā)和利用。在國家科技攻關(guān)項目和863項目的共同支持下，我國已基本掌握了風(fēng)力發(fā)電機組及復(fù)合材料葉片的設(shè)計和制造技術(shù)；“十五”期間，將完成MW級風(fēng)力發(fā)電機組的研制，為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)參與常規(guī)能源市場競爭奠定基礎(chǔ)。“十五”期間，風(fēng)力發(fā)電事業(yè)在我國得到快速發(fā)展。根據(jù)最近的資料報道，到2020年，我國將投資2000億人民幣用于風(fēng)力發(fā)電建設(shè)，新增風(fēng)力發(fā)電能力將達3000MW，并要求風(fēng)力發(fā)電裝備本土化。這項舉措將對我國生態(tài)環(huán)境保護、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、實現(xiàn)國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展起到積極的促進作用。為此，國內(nèi)的一些企業(yè)和研究機構(gòu)正在加緊研究開發(fā)1．5MW風(fēng)力發(fā)電裝備和與之配套的大型復(fù)合材料葉片。國際上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)先進的國家也看好了潛力巨大的中國風(fēng)力發(fā)電市場，丹麥、美國等國家為了降低生產(chǎn)成本，增強競爭力，紛紛在中國建廠。國家對可再生清潔能源的支持，加快了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展速度，也為我國的大型復(fù)合材料葉片開發(fā)提供了一個不可多得的發(fā)展機遇。面臨著巨大的市場需求和強勁的國際競爭，我國大型復(fù)合材料葉片的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)共存。
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