大型风机叶片材料的应用和发展

　　作为提高风能利用率和发电效益的有效途径，风力机单机容量不断向大型化发展，兆瓦级风力机已经成为风电市场的主流产品。目前，欧洲3.6MW机组已批量安装，4.2MW、4.5MW和5MW机组也已安装运行；美国已经成功研制7MW风力机；英国正在研制10MW的巨型风力机[3]。风电机组沿着增大单机容量和提高风能转换效率的方向发展，对叶片提出了更高的要求，叶片长度的增加使得碳纤维在风力发电上的应用不断扩大，研究表明，碳纤维(CF)复合材料叶片的刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2~3倍，大型叶片采用碳纤维作为增强材料更能充分发挥其轻质高强的优点。丹麦Vestas的V-90型风力机容量为3.0MW，叶片长44m，其样品试验采用了碳纤维制造；西班牙Gamesa在其直径为90m叶轮的叶片制造中使用了碳纤维；丹麦NEG-Micon正在制造碳纤维增强环氧树脂的40m叶片。碳纤维叶片的性能优于玻璃纤维叶片，同样长度的碳纤维叶片比玻璃纤维叶片轻很多，如图2所示，但由于其价格昂贵，限制了它在风力发电上的大规模应用。因此，全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面进行深入研究，以求降低成本。美国Zoltek公司生产的PANEX33(48K)大丝束碳纤维具有良好的抗疲劳性能，可使叶片质量减轻40%，叶片成本降低14%，并使整个风力发电装置成本降低4.5%[12]。现在碳纤维轴已广泛应用于转动叶片根部，因为制动时比相应的钢轴要轻得多，但在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时，采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。
　　2.3 碳纤维/轻木/玻纤混杂复合材料叶片
　　由于碳纤维的价格是玻璃纤维的10倍左右，目前叶片增强材料仍以玻璃纤维为主。在制造大型叶片时，采用玻纤、轻木和PVC相结合的方法可以在保证刚度和强度的同时减轻叶片的质量。中材科技风电叶片股份有限公司研制的40m、1.5MW叶片的质量只有6t，在满足强度的情况下，质量大大降低。LM公司在《2004全球碳纤维展望》的报告中指出：在风力机叶片中采用碳纤维，应注意它和玻璃纤维混合时所增加的重量；其进一步开发的以玻璃钢为主的61m大型叶片，只在横梁和叶片端部选用少量碳纤维，以配套5MW的风力机[7]。结构工程师认为，当叶片长度增加时，质量的增加要高于能量的取得，因此碳纤维或碳/玻混杂纤维的使用对抑制质量的增大是必要的。采用碳/玻混杂增强的方案,叶片可减重20~30%。德国Nodex公司为海上5MW风电机组配套研制的碳/玻混杂风机叶片长达56m,同时,Nodex公司还开发了43m(9.6t)碳/玻叶片,可用于陆上2.5MW机组。目前，碳纤维/玻璃纤维与轻木/PVC混杂使用制造复合材料叶片已被各大叶片公司所采用，轻木/PVC作为填充材料，不仅增加了叶片的结构刚度和承受载荷的能力，而且还最大程度地减轻了叶片的质量，为叶片向长且轻的方向发展提供了有利的条件。
　　2.4 热塑性复合材料叶片