復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用

　　復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵動(dòng)部件，直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能，并要具有長期在戶外自然環(huán)境條件下使用的耐候性和合理的價(jià)格。因此，葉片的材料、設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量水平十分重要，被視為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)水平代表。影響風(fēng)機(jī)葉片相關(guān)性能的因素主要有原材料、風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)及葉片的制造工藝三種。
    一 風(fēng)機(jī)葉片的原料
    目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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－玻璃纖維、S－玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過手工鋪放或樹脂注入等成型工藝復(fù)合而成。
    對(duì)于同一種基體樹脂來講，采用玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的強(qiáng)度和剛度的性能要差于采用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的性能。但是，碳纖維的價(jià)格目前是玻璃纖維的10左右。由于價(jià)格的因素，目前的葉片制造采用的增強(qiáng)材料主要以玻璃纖維為主。隨著葉片長度不斷增加，葉片對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛性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出現(xiàn)性能方面的不足。為了保證葉片能夠安全的承擔(dān)風(fēng)溫度等外界載荷，風(fēng)機(jī)葉片可以采用玻璃纖維/碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，尤其是在翼緣等對(duì)材料強(qiáng)度和剛度要求較高的部位，則使用碳纖維作為增強(qiáng)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(duì)葉片造成的損傷。
    風(fēng)電機(jī)組在工作過程中，風(fēng)機(jī)葉片要承受強(qiáng)大的風(fēng)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(fù)合材料葉片的承擔(dān)載荷、耐腐蝕和耐沖刷等性能，必須對(duì)樹脂基體系統(tǒng)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和改進(jìn)，采用性能優(yōu)異的環(huán)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(jié)性能，提高葉片的承載能力，擴(kuò)大玻璃纖維在大型葉片中的應(yīng)用范圍。同時(shí)，為了提高復(fù)合材料葉片在惡劣工作環(huán)境中長期使用性能，可以采用耐紫外線輻射的新型環(huán)氧樹脂系統(tǒng)。
    二 風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)
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(fēng)能力，葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得十分重要，尤其是符合空氣動(dòng)力學(xué)要求的大型復(fù)合材料葉片的最佳外形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性尤為突出，它是實(shí)現(xiàn)葉片的材料/工藝有效結(jié)合的軟件支撐。另外，計(jì)算機(jī)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(jì)更加細(xì)化，有力的支持了最佳工藝參數(shù)的確定。
    早在1920年，德國的物理學(xué)家Albert Betz 就對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行過詳細(xì)的計(jì)算。基于當(dāng)時(shí)的計(jì)算條件和對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識(shí)，Betz 在葉片計(jì)算時(shí)采用了一些假設(shè)條件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，計(jì)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(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識(shí)和理解也在逐漸深入。尤其是近十年來，經(jīng)過研究人員對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行的多次現(xiàn)場載荷、聲音和動(dòng)力測量以后，發(fā)現(xiàn)葉片的理論預(yù)測值與實(shí)際記錄值有較大的偏離。這可能是由于過多的相信了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，而對(duì)葉片服役期間可能遇到的較強(qiáng)動(dòng)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(duì)當(dāng)時(shí)的葉片計(jì)算采用假設(shè)條件提出了質(zhì)疑。
    流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算和軟件的改進(jìn)使得研究人員能夠更精確的模擬葉片實(shí)際的受力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善葉片的空氣動(dòng)力學(xué)特征，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(yùn)行的噪音大約可以降低3dB。同時(shí)，較低的葉片旋轉(zhuǎn)速度要求的運(yùn)行載荷也較低，旋轉(zhuǎn)直徑可以相應(yīng)的增加。在此項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，德國的Enercon 公司將風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)時(shí)掃過的面積增大，捕風(fēng)能力大約提高25％。
    Enercon 公司還對(duì)33米葉片進(jìn)行了空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過精確的測定，葉片的實(shí)際氣動(dòng)效率為56％，比按照Betz 計(jì)算的最大氣動(dòng)效率低約3～4個(gè)百分點(diǎn)。為此，該公司對(duì)大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了必要的改進(jìn)：包括為了抑制生成擾流和旋渦，在葉片端部安裝“小翼”；為改善和提高渦輪發(fā)電機(jī)主艙附近的捕風(fēng)能力，對(duì)葉片根莖進(jìn)行重新改進(jìn)，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長度；對(duì)葉片頂部和根部之間的型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，Enercon 公司開發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑71米的2MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，改進(jìn)后葉片根部的捕風(fēng)能力得異提高。
    Enercon 公司在4.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中繼續(xù)采用此項(xiàng)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(yùn)行噪音小于3個(gè)葉片(旋轉(zhuǎn)直徑為66米)運(yùn)行使產(chǎn)生的噪音。
    丹麥的LM公司在61.5米復(fù)合材料葉片樣機(jī)的設(shè)計(jì)中對(duì)其葉片根部固定進(jìn)行了改進(jìn)，尤其是固定螺栓與螺栓空周圍區(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(jìn)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(jìn)一步降低葉片重量和提高產(chǎn)能。
    三 風(fēng)機(jī)葉片的制造工藝
隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的不斷提高，安裝發(fā)電機(jī)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(jī)運(yùn)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。
    傳統(tǒng)復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片多采用手糊工藝（Hand Lay-up） 制造。手糊工藝的主要特點(diǎn)在于手工操作、開模成型（成型工藝中樹脂和增強(qiáng)纖維需完全暴露于操作者和環(huán)境中）、生產(chǎn)效率低以及樹脂固化程度（樹脂的化學(xué)反應(yīng)程度）往往偏低，適合產(chǎn)品批量較小、質(zhì)量均勻性要求較低復(fù)合材料制品的生產(chǎn)。因此手糊工藝生產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片的主要缺點(diǎn)是產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)工人的操作熟練程度及環(huán)境條件依賴性較大，生產(chǎn)效率低和產(chǎn)品的而且產(chǎn)品質(zhì)量均勻性波動(dòng)較大，產(chǎn)品的動(dòng)靜平衡保證性差，廢品率較高。特別是對(duì)高性能的復(fù)雜氣動(dòng)外型和夾芯結(jié)構(gòu)葉片，還往往需要粘接等二次加工，粘接工藝需要粘接平臺(tái)或型架以確保粘接面的貼合，生產(chǎn)工藝更加復(fù)雜和困難。手糊工藝制造的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在使用過程中出現(xiàn)問題往往是由于工藝過程中的含膠量不均勻、纖維/樹脂浸潤不良及固化不完全等引起的裂紋、斷裂和葉片變形等。此外，手糊工藝往往還會(huì)伴有大量有害物質(zhì)和溶劑的釋放，有一定的環(huán)境污染問題。因此，目前國外的高質(zhì)量復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片往往采用RIM、RTM、纏繞及預(yù)浸料/熱壓工藝制造。其中RIM工藝投資較大，適宜中小尺寸風(fēng)機(jī)葉片的大批量生產(chǎn)（>50,000片/年）；RTM工藝適宜中小尺寸風(fēng)機(jī)葉片的中等批量生產(chǎn)（5,000-30,000片/年）；纏繞及預(yù)浸料/熱壓工藝適宜大型風(fēng)機(jī)葉片批量生產(chǎn)。
    RTM工藝主要原理為首先在模腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)好的增強(qiáng)材料預(yù)成型體，采用注射設(shè)備將專用低粘度注射樹脂體系注入閉合模腔，模具具有周邊密封和緊固以及注射及排氣系統(tǒng)以保證樹脂流動(dòng)順暢并排出模腔中的全部氣體和徹底浸潤纖維，并且模具有加熱系統(tǒng)可進(jìn)行加熱固化而成型復(fù)合材料構(gòu)件。其主要特點(diǎn)有：
    閉模成型，產(chǎn)品尺寸和外型精度高，適合成型高質(zhì)量的復(fù)合材料整體構(gòu)件（整個(gè)葉片一次成型）；初期投資小(與SMC及RIM相比)；制品表面光潔度高；成型效率高（與手糊工藝相比），適合成型年產(chǎn)20，000件左右的復(fù)合材料制品；環(huán)境污染小(有機(jī)揮發(fā)份小于50ppm，是唯一符合國際環(huán)保要求的復(fù)合材料成型工藝)。
    由此可看出，RTM工藝屬于半機(jī)械化的復(fù)合材料成型工藝，工人只需將設(shè)計(jì)好的干纖維預(yù)成型體放到模具中并合模，隨后的工藝則完全靠模具和注射系統(tǒng)來完成和保證，沒有任何樹脂的暴露，并因而對(duì)工人的技術(shù)和環(huán)境的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于手糊工藝并可有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量。RTM工藝采用閉模成型工藝，特別適宜一次成型整體的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片（纖維、夾芯和接頭等可一次模腔中共成型），而無需二次粘接。與手糊工藝相比，不但節(jié)約了粘接工藝的各種工裝設(shè)備，而且節(jié)約了工作時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)由于采用了低粘度樹脂浸潤纖維以及采用加溫固化工藝，大大提高了復(fù)合材料質(zhì)量和生產(chǎn)效率。RTM工藝生產(chǎn)較少的依賴工人的技術(shù)水平，工藝質(zhì)量僅僅依賴確定好的工藝 參數(shù)，產(chǎn)品質(zhì)量易于保證，產(chǎn)品的廢品率低于手糊工藝。
    RTM工藝與手糊工藝的區(qū)別還在于，RTM工藝的技術(shù)含量高于手糊工藝。無論是模具設(shè)計(jì)和制造、增強(qiáng)材料的設(shè)計(jì)和鋪放、樹脂類型的選擇與改性、工藝參數(shù)（如注射壓力、溫度、樹脂粘度等）的確定與實(shí)施，都需要在產(chǎn)品生產(chǎn)前通過計(jì)算機(jī)模擬分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來確定，從而有效保證質(zhì)量的一致性。這對(duì)生產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片這樣的動(dòng)部件十分重要。