风机叶片制备先进材料

1    世界风力发电现状
    随着国际原油价格持续高涨及京都议定书的实施，产业化条件最为成熟的风力发电成为欧美等发达国家推动可再生能源发展的首选项目。风能不仅充沛和廉价，而且也是目前最有开发利用前景的一种可再生能源。20世纪80年代风电的成本为40美分/kW·h，现在降为3~5美分/kW·h，随着技术设备的改善，成本还可在目前的基础上再降低30~50%。正因为此，全世界风力发电每年以30％左右的速度增长。
    世界上很多国家尤其是发达国家，已充分认识到风电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要性，对风电的开发给予了高度重视，装机规模持续高速增长。2006年累计风电装机最多的10个国家占世界风电装机的85％，与2005年相比，德国、美国和西班牙保持了前3名的地位，中国则从第八名升到第六名。中国新增装机容量（不包含台湾省装机）为1.347GW，处于亚洲第二，2006年风力发电市场较2005年成长超过3倍，累计装机容量达2.604GW，排行全球第六大市场。其市场驱动力主要源自2006年1月1日生效的“可再生能源法”。
    单机容量是风电机组技术水平的标志。全球兆瓦级机组的市场份额明显增大，1997年及以前还不到10%，2001年则超过50%，2002年达到62.1％，2003年达到71.4％。2003年安装的风电机组平均单机容量达到1.2MW。2006年安装的机组增均单机容量约为1.5MW，而10年前只有500kW。我国风电机组单机容量也从600kW逐步走向兆瓦级转变。更大型、性能更好的机组也已经开发出来，并投入生产试运行。由于更多国家致力于风能的开发利用，预计这种世界范围的快速增长将持续下去。除了风电大国丹麦、德国、西班牙和美国外，很多其它国家包括英国、法国、巴西和中国也制定了雄心勃勃的风电发展计划。
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2.1  风机叶片材料
    风机叶片材料的强度和刚度是决定风力发电机组性能优劣的关键。目前，风机叶片所用材料已由木质、帆布等发展为金属（铝合金）、玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料等。玻璃钢叶片材料因为重量轻、比强度高、可设计性强、价格比较便宜等因素，成为大中型风机叶片材料的首选。然而，随着风机叶片朝着超大型化和轻量化的方向发展，玻璃钢复合材料开始达到其使用性能的极限，碳纤维维复合材料（CFRP）逐渐开始应用到超大型风机叶片中。
    具体而言，由于应用场合的不同，风机叶片材料的选择也会有所不同。一般较小型的叶片（如22m以下）选用量大价廉的E-玻纤增强塑料（GFRP)，树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用乙烯酯或环氧树脂；而较大型的叶片（如42m以上）一般采用CFRP或CF与GF混杂的复合材料，树脂基体以环氧树脂为为主。目前商品化的大型风力机叶片大多采用玻璃纤维复合材料（GRP）。长度大于40m叶片可以采用碳/玻混杂复合材料，但由于碳纤维的价格较高，未能推广应用。
2.2  风机叶片设计
    风机叶片结构设计的目的是要通过空气动力学分析，充分利用复合材料的性能，使大型叶片以最小的质量获得最大的扫风面积，从而使叶片具有更高的捕捉风的能力。随着风力发电机额定功率的增大，风机叶片的质量和费用随着长度的增加也迅速增加，如何通过新的结构设计方案和提高材料的性能来降低叶片的质量至关重要。
    在玻璃钢叶片的结构形式中，叶片剖面及根端构造的设计最为重要。选择叶剖面及根端形式，要考虑玻璃钢叶片的结构性能、材料性能及成型工艺。风机叶片要承受较高的载荷，通常要考虑50~60m/s的极限风载。为提高叶片的强度和刚度，防止局部失稳，玻璃钢叶片大都采用主梁加气动外型的结构形式。主梁承担大部分弯曲载荷，而外壳除满足气动性能外，也承担部分弯曲载荷。主梁常用D型、0型、矩形和双拼槽钢等形式。
    随着叶片尺寸的不断增加，其生产和制造过程中产生了一些在以往中小型中片生产中未曾碰到过的新问题，大型模具问题便是其一。大型复合材料叶片的外形尺寸与其制造模具有着极其密切的关系。为保证复合材料叶片设计外形和尺寸精度，叶片长度越长，成型时对模具刚度和强度的要求就越高，模具的重量和成本也会大幅度提高。为减轻模具重量，降低模具成本，大型复合材料叶片的制造模具基本是用复合材料模具，这意味着叶片可以做得更长。