風機葉片材料、設計與工藝簡介

    復合材料風機葉片是風力發電系統的關鍵動部件，直接影響著整個系統的性能，并要具有長期在戶外自然環境條件下使用的耐候性和合理的價格。因此，葉片的材料、設計和制造質量水平十分重要，被視為風力發電系統的關鍵技術和技術水平代表。影響風機葉片相關性能的因素主要有原材料、風機葉片設計及葉片的制造工藝三種。
    一  風機葉片的原料
    目前的風力發電機葉片基本上是由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環氧樹脂等熱固性基體樹脂與E－玻璃纖維、S－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合而成。
    對于同一種基體樹脂來講，采用玻璃纖維增強的復合材料制造的葉片的強度和剛度的性能要差于采用碳纖維增強的復合材料制造的葉片的性能。但是，碳纖維的價格目前是玻璃纖維的10左右。由于價格的因素，目前的葉片制造采用的增強材料主要以玻璃纖維為主。隨著葉片長度不斷增加，葉片對增強材料的強度和剛性等性能也提出了新的要求，玻璃纖維在大型復合材料葉片制造中逐漸出現性能方面的不足。為了保證葉片能夠安全的承擔風溫度等外界載荷，風機葉片可以采用玻璃纖維/碳纖維混雜復合材料結構，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，由于碳纖維具有導電性，也可以有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。
    風電機組在工作過程中，風機葉片要承受強大的風載荷、氣體沖刷、砂石粒子沖擊、紫外線照射等外界的作用。為了提高復合材料葉片的承擔載荷、耐腐蝕和耐沖刷等性能，必須對樹脂基體系統進行精心設計和改進，采用性能優異的環氧樹脂代替不飽和聚酯樹脂，改善玻璃纖維/樹脂界面的粘結性能，提高葉片的承載能力，擴大玻璃纖維在大型葉片中的應用范圍。同時，為了提高復合材料葉片在惡劣工作環境中長期使用性能，可以采用耐紫外線輻射的新型環氧樹脂系統。
    二  風機葉片的設計
    以最小的葉片重量獲得最大的葉片面積，使得葉片具有更高的捕風能力，葉片的優化設計顯得十分重要，尤其是符合空氣動力學要求的大型復合材料葉片的最佳外形設計和結構優化設計的重要性尤為突出，它是實現葉片的材料/工藝有效結合的軟件支撐。另外，計算機仿真技術的應用也使得葉片的結構與層合板設計更加細化，有力的支持了最佳工藝參數的確定。
    早在1920年，德國的物理學家Albert Betz 就對風力發電葉片進行過詳細的計算。基于當時的計算條件和對風力發電葉片的認識，Betz 在葉片計算時采用了一些假設條件。隨著計算機技術發展，計算手段的顯著提高，風力發電技術的快速發展，人們對風力發電葉片的認識和理解也在逐漸深入。尤其是近十年來，經過研究人員對風力發電葉片進行的多次現場載荷、聲音和動力測量以后，發現葉片的理論預測值與實際記錄值有較大的偏離。這可能是由于過多的相信了風洞實驗，而對葉片服役期間可能遇到的較強動態環境和湍流條件考慮不足造成的。因此，一些相關人員對當時的葉片計算采用假設條件提出了質疑。
    流體動力學計算和軟件的改進使得研究人員能夠更精確的模擬葉片實際的受力狀態。在此基礎上，進一步改善葉片的空氣動力學特征，即使葉片在旋轉速度降低5％的情況下，捕風能力仍可以提高5％；隨著葉片旋轉速度的降低，葉片運行的噪音大約可以降低3dB。同時，較低的葉片旋轉速度要求的運行載荷也較低，旋轉直徑可以相應的增加。在此項研究的基礎上，德國的Enercon 公司將風力發電機的旋轉直徑由30米增加到33米，復合材料葉片也隨著相應的增加。由于葉片長度的增加，葉片轉動時掃過的面積增大，捕風能力大約提高25％。