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复合材料与风力机叶片 1 前言 风能是绿色、环保、可再生能源，取之不尽，用之不竭。在当今世界能源短 缺、供应紧张，同时又突出强调环保的情况下，大力开发利用风能，用之发电， 乃是普遍的趋势和潮流，世界如此，中国亦然。 风力发电是目前世界上能源领域发展最快且相对成熟的技术之一，据知大约 每年以25~30 ％的速度递增。表1 给出2006 年世界各国风电装机容量前十名的 情况，表2 则给出2006 年各国新增装机容量前十名的情况。 分析表1 和表2 的数据可见，目前世界风电总装机容量已达74221MW，2006 年是世界风电发展创记录的一年，新增装机容量 15197MW，增幅达32%左右。 中国目前总装机容量已达2604MW，世界排名第六，亚洲第二，远落后于印度； 2006 年新增容量1347MW，增幅达107％左右，增速为世界第一。 据国家发改委的计划安排，我国的装机容量2010 年达5000MW，2015 年达 15000MW，2020 年达30000MW，拟占届时国内总发电量的15%左右。因此风力 发电在我国未来的十几年间将有相当大的发展空间，形成了当前国内的风电热。 在风电设备中风力发电机的叶片是提高其性能的关键部件，而制造成本在总 成本中所占比重最大，约为15~20％。目前大型风力发电机的叶片基本上均由各 种复合材料制成，因此叶片气动设计和结构设计技术与复合材料技术密切相关， 同时复合材料还用在机舱罩、轮毂、塔架等部位。目前为降低风力发电成本，要 求单机容量越来越大，叶片越来越长。理论和实践表明，风力机捕获风能的多少 与风轮直径的平方成正比，因此如果叶片增长6 ％，则捕获的风能可增加12％以 上。目前已在研发5MW 以上、长达50m 以上的叶片，更进一步向7~10MW、 长达 60m 以上的叶片发展。叶片大型化的同时还要求轻量化、低成本化和 高性能化，即在满足安全、可靠和寿命要求的前提下质量要更轻、成本更低、功 率更高。为此要进行气动及结构设计、材料体系和制造技术上的系列革新。 目前我国风力机叶片技术已可制造1.5~2.0MW、长达35~37.5m 的叶片，正 在计划研发 2.5~3.0MW、长达40m 以上的叶片。风力机的研制是设计空气动力 学、机械设计与制造、材料、电机、控制等的多学科的系统工程，尽管我国已引 进一些国外制造技术，但从综合技术水平上看，我们严重缺乏具有独立自主知识 产权的核心技术以及进行自主创新的能力，我们与世界的先进水平还有一定差距， 急需一个综合配套的跨越式的创新发展。 2 风力机叶片与复合材料 风力机叶片曾用木材和金属来制造，但随着风力机向大型化的发展，近年来 已基本用各种复合材料所代替。故风力机叶片已成为目前复合材料极重要的应用 领域之一。 2.1 材料体系 风力机叶片用主要材料体系包括各种增强材料、基体材料、夹层泡沫、胶粘 剂和各种辅助材料等。 增强材料大量使用E 玻纤，其成本低(10 元／公斤以下)、适用性强。当要求 更高的强度和刚度时，将会使用到高强玻纤，如 S2 玻纤，虽然价格较高(40~50 元／公斤)，但适当使用会有好处。某些新兴纤维也可用作候选对象，如超高分 子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维等。玄武岩纤维是一种新型无机纤维，由宣武岩石 在高温熔融状态下拉丝而成，其力学性能与S2 玻纤相当，但有更好的耐酸碱和 耐高温性能。当叶片更长时，强度、刚度要求更高、自重更大，此时则要求采用 碳纤维。各种有关纤维的主要性能见表3 。 基体材料目前大量使用不饱和聚酯树脂(UPR)，其综合性能优良，价格又低， 国产已可满足要求。其次还有乙烯基酯树脂(VER)、环氧树脂(EPR)等。以环氧树 脂为基体的复合材料力学性能更好，特别是当使用碳纤维时，树脂多用环氧为主。 上述材料均为热固性树脂，现在也有用热塑性树脂的，如Gaoth Tec Tea 公司研 发所谓的“绿色叶片”(Greenblade) 。虽然目前成本较高，但有一系列优点，特 别是可回收，从而解决了环保问题。 叶片以及机舱罩等结构多用夹层结构形式，会大量用到闭孔泡沫材料，目前 国内多用瑞典戴泊(DIAB)公司的泡沫。关于胶粘剂和辅助材料等则问题不大，但 多用进口材料。 2.2 制造工艺 叶片传统的成型工艺多用手工铺糊，又称湿法成型。该法以手工劳动为主， 简便易行、成本低，但效率亦低、质量不稳定、工作环境差，多用于中小型叶片 的成型；