復合材料風電葉片的發(fā)展現(xiàn)狀及若干問題的對策

    風力發(fā)電機葉片是一個復合材料制成的薄殼結構，一般由根部、外殼和加強筋或梁三部分組成，復合材料在整個風電葉片中的重量一般占到90%以上^[5]。
    復合材料葉片發(fā)展之初采用的是廉價的玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂體系，直到今天這仍是大部分葉片采用的材料。隨著葉片長度的不斷增大，這種體系在某些場合已不能滿足要求，于是很自然地，性能更優(yōu)異的增強材料—碳纖維進入了葉片生產(chǎn)者的視野。文獻[6,7]探討了碳纖維的添加對于復合材料葉片的影響。一般認為，22m以下的葉片采用玻璃纖維，而大于42m的葉片則采用碳纖維或碳玻混雜纖維^[8]。樹脂基體方面，聚酯樹脂價格低廉，成型工藝性好，但性能一般，環(huán)氧樹脂則剛好相反，性能較優(yōu)但價格較高且工藝操作性不好，所以目前成本和性能等介于二者之間的乙烯基樹脂被一些葉片制造商大量采用。
    鑒于目前國際上碳纖維價格居高不下，有些人認為在葉片生產(chǎn)中采用碳纖維太過昂貴，不應采用，實際上并非如此，一方面由于葉片長度的增加，其對剛度的要求也更加嚴格，在更大尺寸葉片的制造上，單純的玻璃纖維已不能滿足要求，碳纖維的剛度大約是玻纖的3倍，制成的復合材料剛度約是玻璃鋼的兩倍，從這個意義上說碳纖維的引入是必要也是必須的；另一方面，由于葉片尺寸的加大，其質(zhì)量也越來越巨大，高性能碳纖維的引入可以在很大程度上實現(xiàn)葉片的減重，而隨著葉片重量的減輕，旋翼葉殼、傳動軸、平臺及塔罩等也可以輕量化^[9]，從而可整體降低風力發(fā)電機組的成本，抵消或部分抵消碳纖維引入帶來的成本增加。隨著大型、超大型海上風力發(fā)電機的制造和陸續(xù)投入運行，碳纖維在風電葉片上大規(guī)模應用的時代已為時不遠。
2.2復合材料葉片的制造工藝
    現(xiàn)在的葉片成型工藝一般是先在各專用模具上分別成型葉片蒙皮、主梁及其他部件，然后在主模具上把兩個蒙皮、主梁及其它部件膠接組裝在一起，合模加壓固化后制成整體葉片。具體成型工藝又大致可分為七種^[10]：①手糊；②真空導入樹脂模塑(VIP)；③樹脂傳遞模塑(RTM)；④西門子樹脂浸漬工藝（SCRIMP）；⑤纖維纏繞工藝（FW）；⑥木纖維環(huán)氧飽和工藝(WEST)；⑦模壓。上述工藝中，①、④、⑤和⑥是開模成型工藝，而②、③和⑦是閉模模塑工藝。
    傳統(tǒng)的葉片生產(chǎn)一般采用開模工藝，尤其是手糊方式較多，生產(chǎn)過程中會有大量苯乙烯等揮發(fā)性有毒氣體產(chǎn)生，給操作者和環(huán)境帶來危害；另一方面，隨著葉片尺寸的增加，為保證發(fā)電機運行平穩(wěn)和塔架安全，這就必須保證葉片輕且質(zhì)量分布均勻。這就促使葉片生產(chǎn)工藝由開模向閉模發(fā)展。采用閉模工藝，如現(xiàn)在熱門的真空樹脂導入模塑法，不但可大幅度降低成型過程中苯乙烯的揮發(fā)，而且更容易精確控制樹脂含量，從而保證復合材料葉片質(zhì)量分布的均勻性，并可提高葉片的質(zhì)量穩(wěn)定性。
3當前復合材料葉片生產(chǎn)應用中存在的問題及對策