紡織復合材料在風力發電機葉片制造中的應用

　　國民經濟的持續發展離不開充足的電能,美國能源部信息管理局發布的《國際能源展望2006》預計,2015年全世界的用電量將達到2.2PW,到 2030年將達到3.0PW。目前電能的主要來源有熱力發電、水力發電和核發電,隨著人們環保意識的增強,同時在全球能源日益緊缺的大環境下,一種取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源--風能倍受青睞,而風力發電也愈來愈受到世界各國的重視。風力發電機葉片是風力發電機組有效捕獲風能的關鍵部件,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,質量輕、強度高、耐久性好的紡織復合材料成為大型風力發電機葉片的首選材料。此外,大型風力發電機葉片質量的90%以上都是由復合材料組成,見風力發電將是紡織復合材料的一個巨大潛在市場。根據資料報道,到2020年,我國將投資2000億人民幣用于風力發電建設,新增風力發電能力將達3000MW,并要求風力發電裝備本土化。這無疑為我國紡織復合材料葉片的開發研制提供了一個不可多得的發展機遇。

　　1　葉片復合材料的應用和發展

　　復合材料是以一種材料為基體,另一種材料為增強體組成的材料。各種材料在性能上互相取長補短,產生協同效應,使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。在紡織復合材料設計中,用紡織品作為增強材料,而另一個組分作為基體材料。因此,選擇纖維和基體的材料,并充分考慮兩者之間的相互作用是關鍵。

　　1.1　玻璃纖維復合材料

　　玻璃纖維是一種性能優異的無機非金屬材料,強度高且具有很好的柔軟性、絕緣性和保溫性,通常作為復合材料中的增強材料,配合樹脂賦予形狀后可以成為優良的結構用材。目前制造風力發電機葉片的主要材料即為玻璃纖維增強聚酯樹脂和玻璃纖維增強環氧樹脂。玻璃纖維按照組成、性質和用途,可分為不同的級別,E級玻璃纖維使用最普遍,也是目前風力發電機葉片的主流增強材料。但E級玻璃纖維體積質量較大,隨著葉片長度的增加,葉片的質量也越來越大,不利于葉片速度的提高。此外,E級玻璃纖維極易被無機酸侵蝕,不適用于酸性環境,因此E級玻璃纖維已經逐漸不能滿足葉片發展的需要。

　　S級玻璃纖維是另一種不同級別的玻璃纖維,模量高達85.5GPa,比E級玻璃纖維高18%,且強度高出33%。僅從技術角度上來講,這種高強高斷裂應變的S級玻璃纖維在風力發電機葉片上的應用有著很大的潛力。但因產量小使其價格頗高,因此至今沒能成為葉片的主流增強材料。但是,隨著美國AGY公司對S級玻璃纖維進行大規模生產規劃的推出,相信在不久的將來,S級玻璃纖維作為風力發電機葉片增強材料一定會有更大的發展空間。

　　1.2　碳纖維復合材料