大型風機葉片材料的應用和發展

　　風力發電機組在惡劣的環境中長期不停運轉，不僅要承受強大的風載荷，還要經受氣體沖刷、砂石粒子沖擊，以及強烈的紫外線照射等外界侵蝕。在風力發電初期，由于發電機功率小，所需的葉片尺寸也小，其質量分布的均勻性對發電機和塔座的影響并不明顯。葉片的類型主要有木制葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金等弦長擠壓成型葉片等。隨著風力發電機功率的不斷提高，安裝發電機的塔座和捕捉風能的葉片也越做越大,葉片的質量也越來越大,對葉片的要求也越來越高：質量輕且分布均勻，外形尺寸精度控制準確；具有最佳的疲勞強度和機械性能，能經受暴風等極端惡劣條件和隨機負荷的考驗；葉片旋轉時的振動頻率特性曲線正常，傳遞給整個發電系統的負荷穩定性好；耐腐蝕、抗紫外線照射和抗雷擊的性能好；發電成本較低，維護費用最低[7]。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,它的捕風能力也就越強。因此,輕質高強、耐蝕性好、具有可設計性的復合材料是目前大型風機葉片的首選材料。 
　　2.1 玻璃纖維復合材料葉片
　　玻璃纖維增強聚脂樹脂和玻璃纖維增強環氧樹脂是目前制造風機葉片的主要材料，E-玻纖則是主要的增強材料。美國的研究表明，采用射電頻率等離子體沉積去涂覆E-玻纖，可降低纖維間的微振磨損，其耐拉伸疲勞強度就可以達到碳纖維的水平。為了更好的發揮E-玻纖在結構中的強度和剛度作用，使其能與樹脂進行良好匹配，目前已經開發了單軸向、雙軸向、三軸向、四軸向甚至三維立體結構等編織形式，以滿足不同的需要，使靈活的結構設計得到更好的體現。但是，E-玻纖密度較大，隨著葉片長度的增加，葉片的質量也越來越重，如圖2所示，完全依靠玻璃纖維復合材料作為葉片的材料已逐漸不能滿足葉片發展的需要。例如，采用玻璃纖維增強聚酯樹脂作為葉片用復合材料，當葉片長度為19m時，其質量為1.8t；長度增加到34m時，葉片質量為5.8t；如葉片長度達到52m，則其質量高達21t[10]。葉片越重，對發電機和塔座要求就越高，同時也影響到發電機組的性能和效率，因此，需要尋找更好材料以適應大型葉片發展的要求。         
 

　　2.2 碳纖維復合材料葉片