风力发电机叶片材料选用介绍

　　叶片是风力发电机组的重要构件。它将风能传递给发电机的转子，使之旋转切割磁力线而发电。为确保在野外极其恶劣环境中长期不停、安全地运行，对叶片材料的要求是：①密度小且具有最佳的疲劳强度和力学性能，能经受住极端恶劣条件和随机的负荷（如暴风等）的考验，确保安全运转20年以上；②成本（精确说为分摊到每度电的成本）低；③叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲红都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好；④耐腐蚀、耐紫外线（UV）照射和抗雷击性好；⑤维护费用低。 
　　FRP完全可以满足以上要求，是最佳的风力发电机叶片材料。 
　　1.1  GFRP 
　　目前商品化的大型风机叶片大多采用玻璃纤维增强塑料（GFRP）制造。GFRP叶片的特点为： 
　　①可根据风机叶片的受力特点来设计强度与刚度  风机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲和离心力，气动弯曲载荷比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用玻璃纤维（GF）受力为主的受力理论，可将主要GF布置在叶片的纵向，这样就可使叶片轻量化。 
　　②翼型容易成型，可达到最大气动效率  为了达到最佳气动效果，利用叶片复杂的气动外形，在风轮的不同半径处设计不同的叶片弦长、厚度、扭角和翼型，如用金属制造则十分困难。同时GFRP叶片可实现批量生产。 
　　③使用时间长达20年，能经受108以上疲劳交变载荷GFRP疲劳强度较高，缺口敏感性低，内阻尼大，抗震性能较好。 
　　④耐腐蚀性好  由于GFRP具有耐酸、碱、水汽的性能，可将风机安装在户外，特别对于近年来大力发展的离岸风电场来说，能将风机安装在海上，使风力机组及其叶片经受各种气候环境的考验。 
　　为了提高GFRP的性能，还可通过表面处理，上浆和涂覆等对GF进行改性。美国的研究表明，采用射电频率等离子体沉积去涂覆E-GF，其拉伸及耐疲劳性可达到碳纤维（CF）的水平。 
　　 GFRP的受力特点是在GF方向能承受很高的拉应力，而其它方向承受的力相对较小。
图1是典型叶片的截面图。叶片由蒙皮和主梁组成，蒙皮采用夹芯结构，中间层是硬质泡沫塑料或Balsa木，上下面层为GFRP。面层由单向层和±45°层组成。单向层可选用单向织物或单向GF铺设，一般用7或4GF布，以承受由离心力和气动弯矩产生的轴向应力；为简化成型工艺，可不用±45°GF布层，而采用1:1GF布，均沿轴向铺设，以承受主要由扭矩产生的剪切应力，一般铺放在单向层外侧。梁的结构形式既可以是夹芯结构，也可以是实心GFRP结构。但是，在蒙皮与主梁的结合部位即梁帽处必须是实心GFRP结构。这是因为此部分梁与蒙皮相互作用，应力较大，必须保证蒙皮的强度和刚度。