复合材料风电叶片的研究与发展

李炜等：复合材料风电叶片的研究与发展复合材料风电叶片的研究与发展李炜罗永康（东华大学纺织学院，上海，２０００５１）

ｌ风电行业的现状与发展在当前能源供应极为紧张的情况下，可再生能源的发展利用，已成为世界各国解决能源紧缺问题的重要选择。风能是当今世界上发展最快的行业之一，２００１．２００７年的平均增长率约为２４％。风电的电量占全世界总电量的比例从２０００年的０．２５％增加到２００７年的ｌ％。根据预测，２０１５年可能占到３％。，２０２０年风电的装机容量将达到１２亿千瓦，年发电量约２．５．３万亿千瓦，相当于１０％的全球用电量。据国外机构最新发布的研究报告预计，全球风电发展正进入一个迅速扩张的阶段，到２０１５年时，该产业的总产值将增至目前水平的５倍。风电场建设已从陆地向海上发展、额定功率从３０ｋＷ发展到５ＭＷ、风轮直径从１２米发展到１２６米、塔架高度从１５米发展到１２０米。在各类可再生能源中，从目前的技术成熟程度和经济可行性来看，风能最具竞争力。风电成本持续下降，１９８１．２００２年间，风电成本由１５．８欧分／ｋＷｈ下降到４．０欧分／ｋＷｈ，预计２０１０年度电成本将下降至３欧分／ｋＷｈ。全球风能产业的前景相

当乐观，各国政府不断出台的可再生能源鼓励政策，将为该产业未来几年的迅速发展提供巨大的动力。根据最新风能资源评价，中国风能资源技术可开发达７．１２亿千瓦，其中，陆上６—１０亿千瓦，近海１．２亿千瓦。我国２００７年颁布的《可再生能源中长期发展规划》指出，到２０１０年，全国风电总装机容量达Ｎｓｏｏ万千瓦。重点在东部沿海和“三北＂地区，建设３０个左右１０万千瓦等级的大型风电项目，形成江苏、河北、内蒙古３个１００万千瓦级的风电基地。建成１～２个１０万千瓦级海上风电试点项目。Ｎ２０２０年，全国风电总装机容量达Ｎ３０００万千瓦，建成６个百万千瓦级大型风电基地和ｌｏｏ万千瓦海上风电。截至２００８年底，中国风电总装机容量约占世界风电总装机容量的一成左右，在世界排名第四，亚洲排名第一。２００８年，全球新增风电装机容量２７００万千瓦，累计装机容量已达１．２亿千瓦，其中中国新增风电装机容量１２００万千瓦，居全球第二。来自中国可再生能源学会风能专业委员会的最新数据显示：截止２００８年底，我国风电装机容量累计约１２１５．３万千瓦，Ｌ匕２００７年增长１０６％，超过印度，成为全球第四大风电市场。至２０１０年风电总装机容量有望跃居世界第二位，并提前１０年实现２０２０年风电装机容量３０００万千瓦的目标。尽管近年来我国新增风电装机容量以年均１００％的速度高速发展，但目前我国风电２７２００９年全国经编技术交流会论文集开发主要集中在陆上，海上风电资源开发则刚刚起步。到目前为止，全球海上风电场也只有在大西洋东岸（欧洲）有海上风电场建成；太平洋东案只有我国东海大桥项目在建。我国沿海２０米水深以内风电可开发量约７．５亿千瓦，为我国陆上风电可开发量的３倍。２风电叶片成型工艺叶片是一个大型的复合材料结构。复合材料风机叶片是风力发电系统的关键动部件，直接影响着整个系统的性能，被视为风力发电系统的关键技术和技术水平代表。风力发电转子叶片占风力发电整个装置成本的１５％一２０％，制造叶片的材料、工艺对其成本起决定性影响。２００４年中国仅能制造很少的６００千瓦的机组，目前已经生产出３兆瓦风电机组。据不完全统计，至Ｕ２００８年，中国境内的风电机组叶片厂商共有３０余家，整机厂４０多家。２００８年，已经批量生产的叶片公司生产能力为４６０万千瓦。预计２０１０年，这些叶片公司全部进入批量生产阶段后，综合生产能力将达Ｎ９００万千瓦。风机叶片要承受较大荷载，通常要考虑５０．７０ｍ／ｓ的极端风载。为提高叶片的强度和刚度，防止局部失稳，大型风力机的叶片剖面采用壳结构（蒙皮）与梁结构（主梁）的构造形式。蒙皮的功能主要提供叶片的气动外形，同时承担部分弯曲荷载和剪切荷载，以ＧＲＰ夹层板为主。主梁为主要承力结构，承载叶片的大部分弯曲荷载，主梁常用Ｄ型、Ｏ型、矩形及双拼槽钢等形式，如图１所示。

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图１叶片剖面形式由于风力发电叶片的成本较高，约占整机成本的３０％，如何在保证质量的情况下降低制造成本，是叶片工艺研究的重点。表１是目前生产叶片的几种制造工艺比较。李炜等：复合材料风电叶片的研究与发展表１几种主要叶片制造工艺比较比较项目预浸料成型手糊成型拉挤成型ＶＡＲＴＭ成型层合板性能好较好中较好产品一致性好较好较差较好生产效率较高中较高好质量控制由较好中中工作条件较好差差好

成模具设备投入局低低高制造基础设备投入呙低低中本

综合较高较低低较低

真空辅助树脂转移成型（ＶＡＲＴＭ）是目前叶片生产常用的方法。该工艺产品性能优良，制品纤维含量高、孔隙率低（１％．１．５％）、比手糊制品的强度、刚度及其它的物理特性可提高３０％．５０％以上、树脂用量减少３０％；加工过程环境友善，是一种闭模工艺，ＶＯＣ排放不超过５ＰＰｍ；可同时成形加强筋、夹芯结构及其它嵌件，提高了产品的整体性，适合制造风机叶片、机罩、船体及其上层建筑等大型制品；产品的尺寸精度（厚度）优于手糊制品。在同样的铺层下，一般真空树脂扩散技术产品的厚度为手糊制品的２／３。产品厚度偏差约为士１０％，而手糊工艺一般为士２０％。３风电叶片的研究与开发３．１碳纤维在风电叶片上的应用确定叶片材料时应考虑三个原则：（１）材料应有足够的强度、刚度和寿命；（２）必须有良好的可成型性和可加工性；（３）材料的来源和成本。目前叶片常用的纤维材料主要有玻璃纤维和碳纤维。玻璃纤维作为一种成熟的叶片材料被现在的大多数叶片生产厂家所采用。常用的玻璃纤维增强材料有玻纤单向布、平纹布、玻纤双轴向／多轴向织物、玻纤复合毡等。当叶片长度增加时，其重量的增加和风叶长度的立方成正比，而风机产生的电能只和风叶长度的平方成正比；同时随着叶片长度的增加，对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足。为了减轻叶片自重，又满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维。国外专家认为，由于现有材料性不能很好满足大功率风力发电装置的需求，玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限。一般认为当风力机超过３ＭＷ、叶片长度超过４０米时，在叶片制造时采用碳纤维已成为必要的选择。由于碳纤维比玻纤昂贵，采用百分之百的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前国外碳纤维主要是和玻纤混和使用，碳纤维只是用在一些关键的部分。碳纤维２９２００９４仝田＊螭技￥女＆☆＊』＊在叶片中应增的扛要部付包括横粱（Ｓｐａｒ）、横粱盖（ＳｐａｒＣａｐｓ）、日口＾ｊ边缘、月｝片表面等如图２所示。ＵｓｅＨｉｇｈＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＦｉｂｅｒｓｉｎＳｐａｒＣａｐｓ

ＳｐａｒｃＨ…●Ｇｉｌｄｅｌ

罔２碳纤维用于叶Ｈ横粱盖制造３．２复合材料叶片加工工艺研究目前叶片企ｑｋ舟采用ＶＡＲＴＭ牛产过程中还存在着些刚题，给产品带来诸多的缺陷，由于叶片生产ｔ｝ｉ使用不透明模具，树脂在纤维中的流动过程不可见，导致以上缺陷只能在产品脱模之后发现，有时甚全无法发现。叶Ｈ生产缺乏科学的指导，叶Ｈ１．产商

Ｈ能凭经验或反复试验以确定１‘艺参数和设ｉｌ＿模具来尽堵避免缺陷，提高产品质量。近年来，围内外主耍从几个方面柬减少ｖＡＲＴＭ制件的缺陷产生：（１１采取树脂流动充模／固化模拟分析技术，优化ＶＡＲＴＭ工艺参数和注模／同化方案；ｒ２１对预成型体铺层及其渗透率进行研究，以求更好地摔制大尺寸件的加上成型：（３）在允模／固化过程中进行在线监控，为复合材料加工工艺提供实时反馈；ｆ４）健康监测，监测加在材料上的应力、应变、温度、超负荷及由于疲劳产生的内部损伤等。１）模拟分析技术：采用液体模塑成型（ＬＣＭ）数值模拟软件，如：ＬＩＭＳ、ＲＴＭＦＬＯＴ、ＰＡＭ—ＲＩＭ、ＰＯＬＹ－ＷＯＫＸ等进行树脂的冲模模拟。在实际生产Ｌ｝ｌ的影响因素十分复杂，如：织物材料巾铺层顺序、边缘的裁剪及在模具巾的铺敷等引起局部渗透率、纤维体秘含量的变化以及膜腔壁与预成型体之间的优先通道等，准确地模拟这些因素的影响是相当困难的。因此预成型体渗透率的研究和在线监测技术所获得的参数对开展正确的模拟有着非常重要的意义。２）增强体的渗透率研究：预成型体的渗透率决定了树脂在增强体中的流动形式。渗透率是综合反映纤维体渗透特性的参数，用来表征树脂流过多孔介质纤维织物的难易程度，往往决定ＬＣＭ复合材料部件的质量和生产效率。如：叶片的成型中会遇到多达１５０层铺层的超厚铺层结构。系统地研究真空吸注Ｔ艺中所采用织物的开乏缩、回弹行为、织牛炜等堑☆材牛ＩＭｎ『Ｈ的¨ｆＨ‘Ｉ班Ｍ物的渗透牢以及４；同注射¨功ｒ、织物小蚓铺层方向、不『一Ｊ纤维体秘古付的渗透牢，对』艺拧制硐】优化十分重壁。３）成型过程的在线榆洲：通过柃删、ｒ台，可以获得在＿Ｌ艺过程中树脂所达到的预制什采Ｉ且ｉ和厚度方向的位置和所需川的时间。闰３巾币Ｈ的颜色表示树脂达到增强材料的不同侍置的时问。从罔中诅窖易看出ＶＡＲＴＭ上艺的特点，即树脂由于岛渗透介质的作川，快速“｝增强体的表晰扩张，然历冉“｝着增强体的厚度方向渗透。

图３埘骺仵纵物¨ｇ鹰方向）中浸涮过程４１健康榆测：由Ｊ：叶片的超长尺、Ｊ，存ｑ－，“加１．中的表小相当复朵，结构内部的／Ｊ学和温度等参数在应用过程巾需要实时地检测和控制：同时山Ｆ叶片柏：使＿ＬＩｊ巾的王ｆ境条件十分复杂，研究苔们已绎发现，叶片在Ｋ期惶Ｈｊ中表现的情况与目前现冉的理论预测有较人的Ｈ｛入。Ｉ！！＿界上蛀蕲私的叶Ｈ生』。企、ｋ，丹麦的ＬＭ公刊摊出，“ＬＭＢｌａｄｅ

Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ”的概念，通过埋入光纤传感器对叶片存使用巾提供即时的检测与反馈。