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【摘要】风力发电装置最关键、最核心的部分之一风力发电机叶片，随着风力发电机的大型化发展，正在向更长、更轻的方向发展。
【关键词】风力发电机叶片；成型方法
风能是一种取之不尽用之不竭的无污染的可再生能源，而且在地球上风能资源极其丰富。据估算，地球上可供开发的风能总量约为200亿KW，相当于全世界总发电量的8倍，比可利用开发的水能总量要大10倍左右[1]。
随着风力发电机设备向大型化发展，风机叶片所用材料已由木质帆布等发展为玻璃纤维增强复合材料（玻璃钢）、碳纤维增强复合材料等。由于玻璃钢叶片材料因为其重量轻、比强度高、可设计性强、价格比较便宜等因素开始成为大中型风机叶片材料的主流[2]。目前，大型风力发电机叶片的成型方法有预浸成型和真空灌注成型两种方法。
预浸成型是把增强纤维浸渍在树脂基体中制成的预浸料片材产品，是复合材料的中间材料。预浸料成型方法是将铺层按设计要求的顺序，将预浸料铺放在模具内，然后用真空袋将尚未成型的制件密封，抽真空，排除夹杂在铺层内的气泡、挥发气体和袋内的空气，按最佳的固化工艺参数固化成型，工业用预浸料固化温度通常为80℃到120℃之间。预浸料成型法可以提高叶片性能、降低叶片质量，对于40m以上的叶片，目前仍有丹麦维斯塔斯集团、美国通用电气公司以及西班牙的歌美飒在使用[3]。
真空灌注成型工艺是将纤维增强材料直接铺放在模具上，在纤维增强材料顶上铺设一层脱模布，脱模布通常是一层很薄的低孔隙率、低渗透率的纤维织物，脱模布上铺放导流网，导流网为高渗透率的介质，导流管分布在导流网的上，然后用真空薄膜包覆并密封。树脂通过进料管进入整个体系，通过导流管引导树脂流动的主方向，导流网使树脂分布到铺层的每个角落，固化后剥离脱模布，从而得到密实度高，含胶量低的结构铺层[4]。
随着海上风电的逐步推进，叶片也在逐步的向大型化发展，一些新的材料和成型的方法也被逐渐应用于风电领域。比如碳纤维、高模量纤维等新型增强材料的引入，另外各个叶片生产厂家也在竭尽所能的利用工艺方法的创新，新材料的使用，实现使叶片向轻量化、大型化发展，同时为了解决大型化带来的运输问题也进行了结构的创新。
1.创新的成型方法
西门子公司在其一次性成型的专利中提出，该公司利用芯模的方式实现了叶片的一体化成型的工业转换，并已经实现批量生产。具体的方法是通过通过两个模具型面和其中的芯模形成一个封闭的型腔，在型腔里面随形铺放纤维材料和芯材。通过在型腔内建立起的真空体系，基体材料通过铺放在模具下部边缘的导流管注入模具内。以此，当生成的流体前峰到达叶片后缘边并从胶液溢出口中渗出时，表明灌注已经完成。该方法突破了现有叶片通过两个半片分别成型然后使用胶黏剂粘接的传统成型方式，不仅减少了胶黏剂的使用量，而且是叶片具有更好的性能，同时也减轻了叶片的重量。
2.新材料的投入使用
为了使同一功率的发电机组发出更多的电能，客户要求叶片尽可能的加长，因此1.5MW机组叶片已经超过43m。而叶片长度增加势必增加叶片的重量，叶片重量对风机运行、疲劳寿命、机组的基础要求，都有有重要的影响。而且对于大型叶片，刚度也是主要问题，叶片既要加长又要减轻重量，同时还要满足设计的强度和刚度要求。为此，新型的增强材料就被引入叶片生产行业，比如碳纤维、OCV公司的Hepex-tex TM系列玻纤等。
碳纤维复合材料的弹性模量是玻璃钢的2至3倍。大型叶片的生产材料采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点，与全玻璃钢结构相比，采用碳纤维/玻璃钢混杂增强复合材料，叶片可减重20%至30%；采用碳纤维/环氧树脂复合材料，可降低叶片质量约40%。而且，碳纤维比玻璃钢还有更重要的特点，就是可避免叶片自然频率与塔架短频率间发生任何共振的可能性，因为碳纤维有振动阻尼特性[5]。
由于碳纤维的制造成本高，叶片的一次性使用量大，所以在碳纤维生产规模还不够大、价格较贵的情况下，目前大多采用碳纤维和玻璃钢的混杂方式。比如在叶片的主梁结构上使用碳纤维但是在其他部位仍然使用E玻纤/环氧树脂的复合材料H玻纤的性能比E玻璃强度提高30%、模量提高17%，線形热膨胀系数低于30%、耐振动性能提高10倍，用于风电叶片时比E玻璃减重增加10%、叶片长度增加6%，关键是其价格较碳纤维要低很多。现在很多设计公司或是叶片生产厂家均在关注这一高性能纤维在实际运用情况，并希望在新的产品中能够采用这一新型高性能纤维以期达到较好的减轻重量并增加性能的效果。
3.新型的设计方法
随着叶片的长度越来越长，大型叶片的运输已经成为一个比较棘手的问题，由于叶片本身的特性在运输过程中已经超长、超高、超宽，而且现在的风场很多都是在山区运输的道路高低起伏，容易使叶片在运输途中受到损伤。如何解决这些问题，也是摆放在叶片厂家眼前的一个重要问题。目前，重庆海装公司的实用新型专利透露，该公司发明了一种可以分段运输的叶片，这种分段的成型方法从某种意义上来说解决了叶片运输难的问题，但是对两个分段连接处要求很高，而且需要在实际的工况下进行验证。
4.前景展望
风力发电具有资源再生容量巨大、无污染、综合治理成本低等优点，是未来新能源电力的发展的一个主要分支。而在风力发电设备中叶片属于核心部件之一，其造价占整机造价的1/4左右。虽然这两年风电的发展遇到了寒流，各大厂家都呈不同趋势的业绩下滑，但是随着经济的发展，风电必然还将迎来巨大的发展机遇。
目前，国内大多数叶片厂家不具备独立开发的能力，仍以购买国外设计公司的设计为主，未来如果想迎来更大的发展，更多的机会，一方面需要国内整机对自主设计的产品予以更大的支持，另一方面也需要叶片厂家提升自己的研发能力，加大对技术开发上的投入和对人才的培养。
【参考文献】
[1]刘万琨，张志英，李银凤等.风能与风力发电技术[M].北京：化学工业出版社，2007.
[2]潘艺，周鹏展，王进等.风力发电机叶片技术发展概述[J].湖南工业大学学报，2007，3：48-51.
[3]高克强，薛忠民，陈淳，邱桂杰等.复合材料风电叶片技术的现状与发展[J].新材料产业，2010，12：4-7.
[4]李传胜，张锦南等.真空灌注成型工艺在大型风力机叶片中的应用[J].玻璃钢学会第十六届全国玻璃钢/复合材料学术年会论文集，2006：254-256.
[5]李新梅，孙文磊.浅析风力发电机叶片关键技术[J].机械制造，2009，533：45-47.
【关键词】风力发电机叶片；成型方法
风能是一种取之不尽用之不竭的无污染的可再生能源，而且在地球上风能资源极其丰富。据估算，地球上可供开发的风能总量约为200亿KW，相当于全世界总发电量的8倍，比可利用开发的水能总量要大10倍左右[1]。
随着风力发电机设备向大型化发展，风机叶片所用材料已由木质帆布等发展为玻璃纤维增强复合材料（玻璃钢）、碳纤维增强复合材料等。由于玻璃钢叶片材料因为其重量轻、比强度高、可设计性强、价格比较便宜等因素开始成为大中型风机叶片材料的主流[2]。目前，大型风力发电机叶片的成型方法有预浸成型和真空灌注成型两种方法。
预浸成型是把增强纤维浸渍在树脂基体中制成的预浸料片材产品，是复合材料的中间材料。预浸料成型方法是将铺层按设计要求的顺序，将预浸料铺放在模具内，然后用真空袋将尚未成型的制件密封，抽真空，排除夹杂在铺层内的气泡、挥发气体和袋内的空气，按最佳的固化工艺参数固化成型，工业用预浸料固化温度通常为80℃到120℃之间。预浸料成型法可以提高叶片性能、降低叶片质量，对于40m以上的叶片，目前仍有丹麦维斯塔斯集团、美国通用电气公司以及西班牙的歌美飒在使用[3]。
真空灌注成型工艺是将纤维增强材料直接铺放在模具上，在纤维增强材料顶上铺设一层脱模布，脱模布通常是一层很薄的低孔隙率、低渗透率的纤维织物，脱模布上铺放导流网，导流网为高渗透率的介质，导流管分布在导流网的上，然后用真空薄膜包覆并密封。树脂通过进料管进入整个体系，通过导流管引导树脂流动的主方向，导流网使树脂分布到铺层的每个角落，固化后剥离脱模布，从而得到密实度高，含胶量低的结构铺层[4]。
随着海上风电的逐步推进，叶片也在逐步的向大型化发展，一些新的材料和成型的方法也被逐渐应用于风电领域。比如碳纤维、高模量纤维等新型增强材料的引入，另外各个叶片生产厂家也在竭尽所能的利用工艺方法的创新，新材料的使用，实现使叶片向轻量化、大型化发展，同时为了解决大型化带来的运输问题也进行了结构的创新。
1.创新的成型方法
西门子公司在其一次性成型的专利中提出，该公司利用芯模的方式实现了叶片的一体化成型的工业转换，并已经实现批量生产。具体的方法是通过通过两个模具型面和其中的芯模形成一个封闭的型腔，在型腔里面随形铺放纤维材料和芯材。通过在型腔内建立起的真空体系，基体材料通过铺放在模具下部边缘的导流管注入模具内。以此，当生成的流体前峰到达叶片后缘边并从胶液溢出口中渗出时，表明灌注已经完成。该方法突破了现有叶片通过两个半片分别成型然后使用胶黏剂粘接的传统成型方式，不仅减少了胶黏剂的使用量，而且是叶片具有更好的性能，同时也减轻了叶片的重量。
2.新材料的投入使用
为了使同一功率的发电机组发出更多的电能，客户要求叶片尽可能的加长，因此1.5MW机组叶片已经超过43m。而叶片长度增加势必增加叶片的重量，叶片重量对风机运行、疲劳寿命、机组的基础要求，都有有重要的影响。而且对于大型叶片，刚度也是主要问题，叶片既要加长又要减轻重量，同时还要满足设计的强度和刚度要求。为此，新型的增强材料就被引入叶片生产行业，比如碳纤维、OCV公司的Hepex-tex TM系列玻纤等。
碳纤维复合材料的弹性模量是玻璃钢的2至3倍。大型叶片的生产材料采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点，与全玻璃钢结构相比，采用碳纤维/玻璃钢混杂增强复合材料，叶片可减重20%至30%；采用碳纤维/环氧树脂复合材料，可降低叶片质量约40%。而且，碳纤维比玻璃钢还有更重要的特点，就是可避免叶片自然频率与塔架短频率间发生任何共振的可能性，因为碳纤维有振动阻尼特性[5]。
由于碳纤维的制造成本高，叶片的一次性使用量大，所以在碳纤维生产规模还不够大、价格较贵的情况下，目前大多采用碳纤维和玻璃钢的混杂方式。比如在叶片的主梁结构上使用碳纤维但是在其他部位仍然使用E玻纤/环氧树脂的复合材料H玻纤的性能比E玻璃强度提高30%、模量提高17%，線形热膨胀系数低于30%、耐振动性能提高10倍，用于风电叶片时比E玻璃减重增加10%、叶片长度增加6%，关键是其价格较碳纤维要低很多。现在很多设计公司或是叶片生产厂家均在关注这一高性能纤维在实际运用情况，并希望在新的产品中能够采用这一新型高性能纤维以期达到较好的减轻重量并增加性能的效果。
3.新型的设计方法
随着叶片的长度越来越长，大型叶片的运输已经成为一个比较棘手的问题，由于叶片本身的特性在运输过程中已经超长、超高、超宽，而且现在的风场很多都是在山区运输的道路高低起伏，容易使叶片在运输途中受到损伤。如何解决这些问题，也是摆放在叶片厂家眼前的一个重要问题。目前，重庆海装公司的实用新型专利透露，该公司发明了一种可以分段运输的叶片，这种分段的成型方法从某种意义上来说解决了叶片运输难的问题，但是对两个分段连接处要求很高，而且需要在实际的工况下进行验证。
4.前景展望
风力发电具有资源再生容量巨大、无污染、综合治理成本低等优点，是未来新能源电力的发展的一个主要分支。而在风力发电设备中叶片属于核心部件之一，其造价占整机造价的1/4左右。虽然这两年风电的发展遇到了寒流，各大厂家都呈不同趋势的业绩下滑，但是随着经济的发展，风电必然还将迎来巨大的发展机遇。
目前，国内大多数叶片厂家不具备独立开发的能力，仍以购买国外设计公司的设计为主，未来如果想迎来更大的发展，更多的机会，一方面需要国内整机对自主设计的产品予以更大的支持，另一方面也需要叶片厂家提升自己的研发能力，加大对技术开发上的投入和对人才的培养。
【参考文献】
[1]刘万琨，张志英，李银凤等.风能与风力发电技术[M].北京：化学工业出版社，2007.
[2]潘艺，周鹏展，王进等.风力发电机叶片技术发展概述[J].湖南工业大学学报，2007，3：48-51.
[3]高克强，薛忠民，陈淳，邱桂杰等.复合材料风电叶片技术的现状与发展[J].新材料产业，2010，12：4-7.
[4]李传胜，张锦南等.真空灌注成型工艺在大型风力机叶片中的应用[J].玻璃钢学会第十六届全国玻璃钢/复合材料学术年会论文集，2006：254-256.
[5]李新梅，孙文磊.浅析风力发电机叶片关键技术[J].机械制造，2009，533：45-47.