風機葉片制備先進材料

1    世界風力發電現狀
    隨著國際原油價格持續高漲及京都議定書的實施，產業化條件最為成熟的風力發電成為歐美等發達國家推動可再生能源發展的首選項目。風能不僅充沛和廉價，而且也是目前最有開發利用前景的一種可再生能源。20世紀80年代風電的成本為40美分/kW·h，現在降為3~5美分/kW·h，隨著技術設備的改善，成本還可在目前的基礎上再降低30~50%。正因為此，全世界風力發電每年以30％左右的速度增長。
    世界上很多國家尤其是發達國家，已充分認識到風電在調整能源結構、緩解環境污染等方面的重要性，對風電的開發給予了高度重視，裝機規模持續高速增長。2006年累計風電裝機最多的10個國家占世界風電裝機的85％，與2005年相比，德國、美國和西班牙保持了前3名的地位，中國則從第八名升到第六名。中國新增裝機容量（不包含臺灣省裝機）為1.347GW，處于亞洲第二，2006年風力發電市場較2005年成長超過3倍，累計裝機容量達2.604GW，排行全球第六大市場。其市場驅動力主要源自2006年1月1日生效的“可再生能源法”。
    單機容量是風電機組技術水平的標志。全球兆瓦級機組的市場份額明顯增大，1997年及以前還不到10%，2001年則超過50%，2002年達到62.1％，2003年達到71.4％。2003年安裝的風電機組平均單機容量達到1.2MW。2006年安裝的機組增均單機容量約為1.5MW，而10年前只有500kW。我國風電機組單機容量也從600kW逐步走向兆瓦級轉變。更大型、性能更好的機組也已經開發出來，并投入生產試運行。由于更多國家致力于風能的開發利用，預計這種世界范圍的快速增長將持續下去。除了風電大國丹麥、德國、西班牙和美國外，很多其它國家包括英國、法國、巴西和中國也制定了雄心勃勃的風電發展計劃。
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2.1  風機葉片材料
    風機葉片材料的強度和剛度是決定風力發電機組性能優劣的關鍵。目前，風機葉片所用材料已由木質、帆布等發展為金屬（鋁合金）、玻璃纖維增強復合材料、碳纖維增強復合材料等。玻璃鋼葉片材料因為重量輕、比強度高、可設計性強、價格比較便宜等因素，成為大中型風機葉片材料的首選。然而，隨著風機葉片朝著超大型化和輕量化的方向發展，玻璃鋼復合材料開始達到其使用性能的極限，碳纖維維復合材料（CFRP）逐漸開始應用到超大型風機葉片中。
    具體而言，由于應用場合的不同，風機葉片材料的選擇也會有所不同。一般較小型的葉片（如22m以下）選用量大價廉的E-玻纖增強塑料（GFRP)，樹脂基體以不飽和聚酯為主，也可選用乙烯酯或環氧樹脂；而較大型的葉片（如42m以上）一般采用CFRP或CF與GF混雜的復合材料，樹脂基體以環氧樹脂為為主。目前商品化的大型風力機葉片大多采用玻璃纖維復合材料（GRP）。長度大于40m葉片可以采用碳/玻混雜復合材料，但由于碳纖維的價格較高，未能推廣應用。
2.2  風機葉片設計
    風機葉片結構設計的目的是要通過空氣動力學分析，充分利用復合材料的性能，使大型葉片以最小的質量獲得最大的掃風面積，從而使葉片具有更高的捕捉風的能力。隨著風力發電機額定功率的增大，風機葉片的質量和費用隨著長度的增加也迅速增加，如何通過新的結構設計方案和提高材料的性能來降低葉片的質量至關重要。
    在玻璃鋼葉片的結構形式中，葉片剖面及根端構造的設計最為重要。選擇葉剖面及根端形式，要考慮玻璃鋼葉片的結構性能、材料性能及成型工藝。風機葉片要承受較高的載荷，通常要考慮50~60m/s的極限風載。為提高葉片的強度和剛度，防止局部失穩，玻璃鋼葉片大都采用主梁加氣動外型的結構形式。主梁承擔大部分彎曲載荷，而外殼除滿足氣動性能外，也承擔部分彎曲載荷。主梁常用D型、0型、矩形和雙拼槽鋼等形式。
    隨著葉片尺寸的不斷增加，其生產和制造過程中產生了一些在以往中小型中片生產中未曾碰到過的新問題，大型模具問題便是其一。大型復合材料葉片的外形尺寸與其制造模具有著極其密切的關系。為保證復合材料葉片設計外形和尺寸精度，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提高。為減輕模具重量，降低模具成本，大型復合材料葉片的制造模具基本是用復合材料模具，這意味著葉片可以做得更長。