论文部分内容阅读
【摘 要】随着现代社会建设的不断推进，能源问题日益严重，人们对可再生能源越来越重视，锋利发电目前已经成为了新能源领域中最具商业化价值的项目之一，近年来在国内外发展非常迅速，其未来的前景也一片光明。在风力发电中，风机叶片是发电机的最关键部位之一。良好的叶片材料能够保证风机长期处于稳定的状态下运行。本文对兆瓦级风机叶片材料进行了简单的分析。
【关键词】风力发电；兆瓦级风机；叶片材料
在当今世界能源日益减少，同时又对环保十分重视的大背景下，风力发电地大力开发已经逐渐成为一种趋势。近年来，风力发电在全球范围内迅速发展。风机叶片是锋利发电几组的核心部件之一，其价值大概站到了整机的20%以上。近年来随着风机叶片技术的不断发展，风力发电从复合材料的边缘应用变成了复合材料的主流市场之一。
1 兆瓦级风机叶片材料发展状况
在风力发电机组中，风机叶片是进行风能捕获的关键部件，其水平高低直接影响着整个风力发电系统技术水平的高低。风机叶片从出现以来已经有超过100年的发展历史，在其发展过程中，叶片的材料经历了多个发展阶段，从最初的木制、皮制叶片发展到 如今的各种合成材料叶片。目前，风机叶片中使用最为广泛的材料是玻璃纤维复合材料，同时随着纳米技术的发展，风机叶片材料也不断向更轻的方向发展，基于纳米技术的碳纤维复合材料也被逐渐应用到风机叶片中。目前使用普遍的玻璃纤维复合材料一般采用玻璃钢及复合材料制造，该材料具有优良的性能，能够保证风机叶片长期处于恶劣工作条件下的稳定性。经过长期的实践研究表明，风机叶片低于载荷能力收到叶片质量大小、强度以及刚度的影响，同时捕风能力也受到叶片大小的直接影响。
2 风机叶片材料分析
风机叶片的制造材料的选择需要对叶片的结构特性进行考虑，在控制成本的前提下，需要材料具有较高的强度重量比、抗疲劳能力以及较强的刚度。因此，在目前的技术条件下，风机的叶片材料主要选择玻璃纤维GRP，同时也在少量使用碳纤维强化复合材料CFRP作为风机的叶片材料，在目前的兆瓦级风机中，其叶片均是由符合材料制造的。线面将主要对兆瓦级风机叶片制造中所采用的四种主体材料进行介绍，分别为玻璃纤维、环氧树脂、PVC芯材及胶粘剂四种材料。
2.1 玻璃纤维
玻璃纤维是一种无机非金属材料，其具有优异的性能，且种类繁多，其具有良好的绝缘性、耐热性、耐腐蚀性及较高的机械强度，但是脆性过高且抗磨损性也较差。玻璃纤维主要利用废旧玻璃作为原材料进行制造，其制造过程需要经过高温熔制、拉丝、络纱及织布等多个步骤。玻璃纤维的单丝的直径在几微米到二十几微米之间，直径相当于一根头发丝的1/20-1/5左右，每束纤维原丝都有数百根单丝组成。风机叶片中所采用的玻璃纤维单丝直径平均在17μm左右。
根据玻璃本身的成分划分，可以将其分为无碱、耐化学、高碱、中碱等多个种类的玻璃纤维。无碱玻璃也叫E玻璃，口前风机叶片中常用的玻璃纤维主要就是E玻璃纱线，模量在76GPa以上。目前能够符合该要求的纱线主要包括OCV的SE1500、PPG的2026等几个种类。随着风机叶片规格的变化，对玻璃纤维的模量提出了更高的要求，目前已经有多种产品能够满足叶片规格所提出的新要求，主要包括了OCV的H-glass、重庆国际的TM等。其中H-glass和TM均通过了德国的DEWI-OCC惊天和模态测试，在大功率风机叶片中得到了较广的应用。
2.2 环氧树脂
环氧树脂是以脂肪族等有机化合物为基础，利用环氧基团反应所形成的高分子低聚物，其本身至少含有两个或以上的环氧基团。同时，可以利用固化剂实现环氧树脂的固化交联反应，使其特性充分展现。环氧树脂的分子结构中的环氧基团活性较高，可以处于分子链中的多个位置。这种活性分子结构能够促进其本身与固化剂之间的交联反应，从而提高反应后生成物质的固性。
而兆瓦级风机叶片口前采用的工艺主要是真空灌注工艺，因此，对树脂的混合粘度有很高的要求，一般室温下在200～300mPa﹒s为佳，同时凝胶时间需要符合工艺要求：如果时间太长，不能满足生产效率要求；如果时间太短，则不能完成整个真空灌注工艺。目前常用的环氧灌注树脂材料主要有Hexion、Hunstman等。
另外，因为风机叶片部分区域需要进行修型及粘接，在这个过程中需要用到手糊树脂。手糊树脂受技术人员的技术水平以及外部环境等因素的影响较大，尤其对操作时间的要求极高，但是这个时间不固定，需要根据固化剂进行相应的调整。在国内，惠利树脂的质量属于较高的一种，与国际产品质量相近，其各项性能参数及工艺条件均能满足手糊工艺的要求。
2.3 PVC芯材
PCV芯材在风机叶片中的使用量加大，其主要用于叶片蒙皮结构，能够在叶片蒙皮结构在重量不变的情况下提升叶片的刚度。PVC芯材的使用工艺及本身质量，会对叶片的抗疲劳能力产生直接影响。PVC芯材有不同的密度，一般在40～250kg/m3之间任意选择。而风机叶片选择的密度范围为55～65kg/m3之间。
目前，在市场中的PVC泡沫种类颇多，且性能参差不齐，其中性能较差的PVC泡沫甚至出现了导致风机叶片发生直接报废的情况。因此，针对各类PVC泡沫材料，叶片生产厂家需要进行认真选择，从而保证风机叶片具备优良的性能。尤其是生产海上风机叶片的厂家，应该对PVC泡沫材料的各项参数进行严格选择。目前，市场中质量较好的PVC芯材主要是戴铂（Diab）公司生产的系列PVC泡沫，该PVC泡沫质量稳定、各项参数均超出叶片的设计要求。
2.4 胶粘剂
风机叶片中所使用的胶粘剂主要用于叶片两部分壳体的粘接。胶粘剂在风机叶片的制造过程中有着非常重要的作用。其性能、粘接强度及抗疲劳强度会直接影响风机叶片的使用寿命。
胶粘剂的性能与环氧树脂存在较多的相似点，且存在相同的反应机理。但环氧树脂主要和玻璃纤维增强材料结合成玻璃钢，而胶粘剂主要是在环氧树脂中增加短玻纤、硅微粉或Al2O3等填充、改性材料而成。
目前，国内的胶粘剂材料均靠进口，对胶粘剂材料的研究工作也取得了一定的成绩，其中北京天山研发的TS821/831胶粘剂已经通过测试达到了风机叶片制造的要求。
3 结论
我国的风能资源十分丰富，根据国家气象局的统计数据显示，我国离地面10米高的风能资源总储量约为32.26亿kW，可以进行开发利用的大约占到了其中的1/3左右。其中，陆地上风能储量约为2.5亿kW，海上可开发利用的风能储量约为7.5亿kW。因此，风能发电还具有十分广阔的发展前景。同时新型风机叶片材料的开发和优化研究，都将对未来风机的发展产生关键性的作用。
参考文献：
[1]谢晓芳.国外风力机叶片材料的新进展田[J].玻璃钢，2006 （4）.
[2]钟方国.风力发电发展现状及复合材料在风力发电上的应用[J].纤维复合材料，2006（3）.
[3]戴春晖，刘钧，曾竟成.等.复合材料风电叶片的发展现状及若干问题的对策[J].玻璃钢/复合材料，2008（1）.
【关键词】风力发电；兆瓦级风机；叶片材料
在当今世界能源日益减少，同时又对环保十分重视的大背景下，风力发电地大力开发已经逐渐成为一种趋势。近年来，风力发电在全球范围内迅速发展。风机叶片是锋利发电几组的核心部件之一，其价值大概站到了整机的20%以上。近年来随着风机叶片技术的不断发展，风力发电从复合材料的边缘应用变成了复合材料的主流市场之一。
1 兆瓦级风机叶片材料发展状况
在风力发电机组中，风机叶片是进行风能捕获的关键部件，其水平高低直接影响着整个风力发电系统技术水平的高低。风机叶片从出现以来已经有超过100年的发展历史，在其发展过程中，叶片的材料经历了多个发展阶段，从最初的木制、皮制叶片发展到 如今的各种合成材料叶片。目前，风机叶片中使用最为广泛的材料是玻璃纤维复合材料，同时随着纳米技术的发展，风机叶片材料也不断向更轻的方向发展，基于纳米技术的碳纤维复合材料也被逐渐应用到风机叶片中。目前使用普遍的玻璃纤维复合材料一般采用玻璃钢及复合材料制造，该材料具有优良的性能，能够保证风机叶片长期处于恶劣工作条件下的稳定性。经过长期的实践研究表明，风机叶片低于载荷能力收到叶片质量大小、强度以及刚度的影响，同时捕风能力也受到叶片大小的直接影响。
2 风机叶片材料分析
风机叶片的制造材料的选择需要对叶片的结构特性进行考虑，在控制成本的前提下，需要材料具有较高的强度重量比、抗疲劳能力以及较强的刚度。因此，在目前的技术条件下，风机的叶片材料主要选择玻璃纤维GRP，同时也在少量使用碳纤维强化复合材料CFRP作为风机的叶片材料，在目前的兆瓦级风机中，其叶片均是由符合材料制造的。线面将主要对兆瓦级风机叶片制造中所采用的四种主体材料进行介绍，分别为玻璃纤维、环氧树脂、PVC芯材及胶粘剂四种材料。
2.1 玻璃纤维
玻璃纤维是一种无机非金属材料，其具有优异的性能，且种类繁多，其具有良好的绝缘性、耐热性、耐腐蚀性及较高的机械强度，但是脆性过高且抗磨损性也较差。玻璃纤维主要利用废旧玻璃作为原材料进行制造，其制造过程需要经过高温熔制、拉丝、络纱及织布等多个步骤。玻璃纤维的单丝的直径在几微米到二十几微米之间，直径相当于一根头发丝的1/20-1/5左右，每束纤维原丝都有数百根单丝组成。风机叶片中所采用的玻璃纤维单丝直径平均在17μm左右。
根据玻璃本身的成分划分，可以将其分为无碱、耐化学、高碱、中碱等多个种类的玻璃纤维。无碱玻璃也叫E玻璃，口前风机叶片中常用的玻璃纤维主要就是E玻璃纱线，模量在76GPa以上。目前能够符合该要求的纱线主要包括OCV的SE1500、PPG的2026等几个种类。随着风机叶片规格的变化，对玻璃纤维的模量提出了更高的要求，目前已经有多种产品能够满足叶片规格所提出的新要求，主要包括了OCV的H-glass、重庆国际的TM等。其中H-glass和TM均通过了德国的DEWI-OCC惊天和模态测试，在大功率风机叶片中得到了较广的应用。
2.2 环氧树脂
环氧树脂是以脂肪族等有机化合物为基础，利用环氧基团反应所形成的高分子低聚物，其本身至少含有两个或以上的环氧基团。同时，可以利用固化剂实现环氧树脂的固化交联反应，使其特性充分展现。环氧树脂的分子结构中的环氧基团活性较高，可以处于分子链中的多个位置。这种活性分子结构能够促进其本身与固化剂之间的交联反应，从而提高反应后生成物质的固性。
而兆瓦级风机叶片口前采用的工艺主要是真空灌注工艺，因此，对树脂的混合粘度有很高的要求，一般室温下在200～300mPa﹒s为佳，同时凝胶时间需要符合工艺要求：如果时间太长，不能满足生产效率要求；如果时间太短，则不能完成整个真空灌注工艺。目前常用的环氧灌注树脂材料主要有Hexion、Hunstman等。
另外，因为风机叶片部分区域需要进行修型及粘接，在这个过程中需要用到手糊树脂。手糊树脂受技术人员的技术水平以及外部环境等因素的影响较大，尤其对操作时间的要求极高，但是这个时间不固定，需要根据固化剂进行相应的调整。在国内，惠利树脂的质量属于较高的一种，与国际产品质量相近，其各项性能参数及工艺条件均能满足手糊工艺的要求。
2.3 PVC芯材
PCV芯材在风机叶片中的使用量加大，其主要用于叶片蒙皮结构，能够在叶片蒙皮结构在重量不变的情况下提升叶片的刚度。PVC芯材的使用工艺及本身质量，会对叶片的抗疲劳能力产生直接影响。PVC芯材有不同的密度，一般在40～250kg/m3之间任意选择。而风机叶片选择的密度范围为55～65kg/m3之间。
目前，在市场中的PVC泡沫种类颇多，且性能参差不齐，其中性能较差的PVC泡沫甚至出现了导致风机叶片发生直接报废的情况。因此，针对各类PVC泡沫材料，叶片生产厂家需要进行认真选择，从而保证风机叶片具备优良的性能。尤其是生产海上风机叶片的厂家，应该对PVC泡沫材料的各项参数进行严格选择。目前，市场中质量较好的PVC芯材主要是戴铂（Diab）公司生产的系列PVC泡沫，该PVC泡沫质量稳定、各项参数均超出叶片的设计要求。
2.4 胶粘剂
风机叶片中所使用的胶粘剂主要用于叶片两部分壳体的粘接。胶粘剂在风机叶片的制造过程中有着非常重要的作用。其性能、粘接强度及抗疲劳强度会直接影响风机叶片的使用寿命。
胶粘剂的性能与环氧树脂存在较多的相似点，且存在相同的反应机理。但环氧树脂主要和玻璃纤维增强材料结合成玻璃钢，而胶粘剂主要是在环氧树脂中增加短玻纤、硅微粉或Al2O3等填充、改性材料而成。
目前，国内的胶粘剂材料均靠进口，对胶粘剂材料的研究工作也取得了一定的成绩，其中北京天山研发的TS821/831胶粘剂已经通过测试达到了风机叶片制造的要求。
3 结论
我国的风能资源十分丰富，根据国家气象局的统计数据显示，我国离地面10米高的风能资源总储量约为32.26亿kW，可以进行开发利用的大约占到了其中的1/3左右。其中，陆地上风能储量约为2.5亿kW，海上可开发利用的风能储量约为7.5亿kW。因此，风能发电还具有十分广阔的发展前景。同时新型风机叶片材料的开发和优化研究，都将对未来风机的发展产生关键性的作用。
参考文献：
[1]谢晓芳.国外风力机叶片材料的新进展田[J].玻璃钢，2006 （4）.
[2]钟方国.风力发电发展现状及复合材料在风力发电上的应用[J].纤维复合材料，2006（3）.
[3]戴春晖，刘钧，曾竟成.等.复合材料风电叶片的发展现状及若干问题的对策[J].玻璃钢/复合材料，2008（1）.