紡織品在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用

孫根寶 陳寧凱 呂永根

(東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海，201620)

紡織品在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用

孫根寶 陳寧凱 呂永根

(東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海，201620)

介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)上使用的紡織復(fù)合材料種類以及成型方法。紡織復(fù)合材料特有的優(yōu)異性能使其在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上得到廣泛應(yīng)用，并使制造單機(jī)容量更大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為可能。單機(jī)5 MW的機(jī)組已經(jīng)安裝運(yùn)行，7 MW的機(jī)組已經(jīng)研究成功。纖維材料由玻璃纖維向碳纖維、混雜纖維發(fā)展;樹脂材料逐漸采用可回收的熱塑性材料;紡織品由經(jīng)緯交織的機(jī)織物向多軸向編織物發(fā)展;成型工藝由手工向自動(dòng)化成型發(fā)展。

風(fēng)力發(fā)電，紡織品，復(fù)合材料，葉片

隨著當(dāng)今世界人口增長、資源短缺和環(huán)境變暖的形勢日益嚴(yán)峻，可再生能源的開發(fā)利用已引起世界各國的高度重視。其中，風(fēng)能作為清潔、安全、技術(shù)成熟的可再生能源而備受關(guān)注［1］。最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2010年底，中國全年風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)達(dá)1.6億 kW，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到4.182 7億kW，已躍居世界第一，大大超過之前的預(yù)期［2-3］。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正在朝著大容量、低成本、高效率、智能控制方向發(fā)展，單機(jī)容量等級已從3.6 MW提高到10 MW。提高單機(jī)容量需要更長的葉片，目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)上使用的葉片長度已達(dá)到50～60 m［4］。

使用復(fù)合材料制作風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片具有下列明顯的優(yōu)點(diǎn)［5］:①可設(shè)計(jì)性。葉片工作時(shí)主要受到縱向氣動(dòng)彎曲，而橫向力相對較小，可以通過設(shè)計(jì)增強(qiáng)材料的排列與分布，使葉片具有較好的強(qiáng)度與剛度，同時(shí)質(zhì)量較輕。②抗振性好?？稍O(shè)計(jì)自振頻率。③可加工成復(fù)雜的外形，實(shí)現(xiàn)更好的氣動(dòng)效率。④耐疲勞、耐腐蝕、耐氣候性好，需要的維護(hù)較少。這就對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備技術(shù)及增強(qiáng)體、基體的研究提出了更高的要求。

1 增強(qiáng)纖維及其紡織制品

增強(qiáng)纖維作為復(fù)合材料中主要承載應(yīng)力的部分，需要具有剛度好、輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕等特點(diǎn)。

1.1 玻璃纖維

玻璃纖維(GF)是風(fēng)機(jī)葉片上廣泛使用的增強(qiáng)材料，其中E玻璃纖維是主流，其優(yōu)點(diǎn)在于成本較低，與現(xiàn)有樹脂匹配良好，工藝成熟，但也存在密度較大、不耐酸等缺點(diǎn)。經(jīng)過改進(jìn)的S玻璃纖維比E玻璃纖維有更高的強(qiáng)度和模量，具有良好的發(fā)展前景［6］。美國高強(qiáng)玻璃纖維制造商AGY公司生產(chǎn)的ZenTron無捻粗紗與使用E玻璃纖維相比，可減少葉片主梁和根端部件的質(zhì)量25%，減少葉片總質(zhì)量 11%［7］。

1.2 碳纖維

碳纖維(CF)具有高的抗壓縮強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度、高模量、優(yōu)異的耐蝕性和優(yōu)良的耐疲勞性和阻尼特性，但受制于其較高的價(jià)格，碳纖維只在葉片的橫梁和翼緣等主要受力部分得到應(yīng)用，或與玻璃纖維混雜使用［8］。碳纖維增強(qiáng)樹脂(CFRP)的比模量約是玻璃纖維增強(qiáng)樹脂(GFRP)的3倍，比強(qiáng)度約是GFRP的2倍。風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量增加到一定程度時(shí)，葉片質(zhì)量的增幅將超過風(fēng)機(jī)能量輸出的增加，這就對葉片的輕量化提出了要求，采用碳纖維增強(qiáng)，可使葉片減重20% ～40%。而風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片長度增加時(shí)，在風(fēng)力作用下，葉片的彎曲度增大，容易碰撞塔架而影響運(yùn)轉(zhuǎn)，因此葉片材料必須具有足夠的剛性。采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料能保證葉片的強(qiáng)度和剛度，且質(zhì)量減輕。

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量超過3 MW、葉片長度超過40 m時(shí)，在葉片制造時(shí)使用碳纖維成為必要的選擇［9］。隨著大絲束碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的提高，產(chǎn)量增加，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的大型化，碳纖維有望在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上得到更廣泛的應(yīng)用。

1.3 混雜纖維

碳纖維/玻璃纖維與輕木/PVC混雜已被許多葉片公司用于制造復(fù)合材料葉片［1，10］。輕木和碳纖維的工作應(yīng)變相似，因此當(dāng)需要輕木/環(huán)氧葉片的時(shí)候，這種材料是獲得高強(qiáng)高剛以及控制成本的有效手段。輕木不僅能提供破壞容差，還可以防護(hù)外來沖擊。采用輕木和PVC作為芯材，可以更方便地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而提高纖維的效能，使葉片的整體質(zhì)量減輕，剛度和強(qiáng)度增加。

1.4 纖維紡織制品

可見玻璃纖維和碳纖維是風(fēng)力發(fā)電葉片主要采用的增強(qiáng)纖維，而且在使用前需要制備成紡織品。過去玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)材料大多使用經(jīng)緯交織的機(jī)織物，但由于經(jīng)緯交織的機(jī)織物纖維呈波浪形，在受力時(shí)容易對纖維產(chǎn)生剪切作用，導(dǎo)致力學(xué)性能較纖維的實(shí)際值低，因此逐漸發(fā)展為經(jīng)編軸向針織物。經(jīng)編織物可以保證徑向纖維處于伸直狀態(tài)，在受力時(shí)不受剪切作用，從而最大限度發(fā)揮增強(qiáng)纖維的效能，具有更明顯的優(yōu)勢［11-12］。其編織形式有單軸向、雙軸向、三軸向、四軸向以及三維立體結(jié)構(gòu)等，可滿足不同需要，有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性［13］。多軸向織物還具有尺寸穩(wěn)定、延伸率較小等特點(diǎn)，并可以根據(jù)不同的強(qiáng)度和剛度要求在織物的同一層或不同層采用不同類型的纖維材料，如軸向材料用高強(qiáng)纖維，而起固定作用的纖維采用其他低成本纖維［14］。

2 基體材料

風(fēng)機(jī)葉片使用時(shí)需要承受強(qiáng)大的風(fēng)載荷、氣體沖刷、砂石粒子沖擊、紫外線照射等外界因素的作用。為了提高復(fù)合材料葉片的承擔(dān)載荷、耐腐蝕和耐沖刷等性能，要求基體材料具有較好的性能。

2.1 熱固性樹脂

不飽和聚酯樹脂(UPR)綜合性能優(yōu)良，價(jià)格低廉，成型工藝性好，在葉片中得到大量應(yīng)用，但其性能不及環(huán)氧樹脂;環(huán)氧樹脂(EPR)力學(xué)性能和耐腐蝕性能較好，當(dāng)使用碳纖維時(shí)基體材料多以環(huán)氧樹脂為主，應(yīng)用中正逐步取代聚酯樹脂，但其價(jià)格較高;乙烯基樹脂(VER)的成本和性能介于二者之間，也被一些葉片制造商大量采用。

目前葉片中最普遍使用的是玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂、玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，并局部采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂作為主承力結(jié)構(gòu)。葉片長度增加，葉片體積和質(zhì)量相應(yīng)呈級數(shù)增長，但使用高性能的環(huán)氧樹脂可相應(yīng)減輕葉片質(zhì)量，如使用聚酯時(shí)，19、34和52 m葉片的質(zhì)量分別為1 800、5 800和21 000 kg，而采用環(huán)氧樹脂時(shí)，19 m長度葉片的質(zhì)量為1 000 kg，可比玻璃纖維增強(qiáng)聚酯樹脂減少800 kg［15］。

實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)葉片的長度而選用不同的復(fù)合材料。一般較小型的葉片(如22 m以下)以不飽和聚酯樹脂基體為主，選用成本較低的E玻璃纖維增強(qiáng)樹脂，也有選用乙烯基樹脂或環(huán)氧樹脂;而較大型的葉片(如42 m以上)以環(huán)氧樹脂基體為主，常采用CFRP或CF/GF混雜復(fù)合材料［16］。

2.2 熱塑性樹脂

目前葉片上使用的主要是熱固性復(fù)合材料，不易降解，葉片的使用壽命一般為20～30年，廢棄后采用填埋或者燃燒等辦法處理，基本不能重新利用。風(fēng)能是清潔的可再生能源，但退役后的風(fēng)機(jī)葉片卻會(huì)污染環(huán)境。針對這一矛盾，提出了“綠色葉片”的概念，即葉片退役后，廢棄的材料可以回收再利用，而熱塑性復(fù)合材料正滿足這一要求。除此之外，熱塑性樹脂還有質(zhì)量輕、抗沖擊性好、成型快的優(yōu)點(diǎn)，但由于熱塑性樹脂是通過加熱到一定溫度使黏度降低而成型并與纖維復(fù)合的，制造工藝比較復(fù)雜，對設(shè)備要求較高，導(dǎo)致其目前使用量還不大［1］。隨著熱塑性復(fù)合材料制造工藝的進(jìn)步，其在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用將會(huì)得到發(fā)展。

事實(shí)上，世界上有些大公司已就熱塑性復(fù)合材料樹脂在風(fēng)力葉片上的應(yīng)用進(jìn)行了合作研究，制造出了12.6 m長的可再利用的風(fēng)機(jī)葉片，這樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)在報(bào)廢后，可再回收19 t左右樹脂材料。這是史無前例的［17］。這種熱塑性復(fù)合材料成型更快捷安全、可提高葉片性能、廢料可回收利用及再成型，是目前葉片技術(shù)的顯著進(jìn)步［15］。但其缺點(diǎn)是易于發(fā)生蠕變，而且用膠粘劑膠接熱塑性樹脂基復(fù)合材料殼體較為困難。

3 成型工藝

手糊成型是制造復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的傳統(tǒng)工藝。主要特點(diǎn)是手工操作、開模成型、生產(chǎn)效率低以及樹脂固化程度較低，適用于較小批量、對質(zhì)量均勻性要求較低的制品生產(chǎn)。

由于手糊成型的制造方式精度差，動(dòng)靜平衡難以保證，質(zhì)量不穩(wěn)定，而且工人勞動(dòng)環(huán)境差。生產(chǎn)高質(zhì)量的風(fēng)力葉片必需采用自動(dòng)成型工藝，而且隨著葉片規(guī)格和生產(chǎn)規(guī)模的不同可采取不同的工藝。年產(chǎn)5 000～30 000片中小尺寸葉片規(guī)模工廠適用樹脂轉(zhuǎn)移注射成型(RTM)工藝路線，年產(chǎn)大于50 000片中小尺寸葉片規(guī)模工廠一般采用低壓反應(yīng)注射成型(RIM)工藝路線，大型葉片批量生產(chǎn)適用纏繞預(yù)漬浸料熱壓工藝制造。RTM法的原理是在一個(gè)耐壓的密閉模腔內(nèi)先填滿纖維增強(qiáng)材料，再用壓力將液態(tài)樹脂注入使其浸透增強(qiáng)纖維，然后固化成型。其主要特點(diǎn)有:①閉模成型。產(chǎn)品尺寸和外型精度高，適用于成型高質(zhì)量的復(fù)合材料整體構(gòu)件，整個(gè)葉片可一次成型。②初期投資小。③制品表面光潔度高，成型效率高，適于成型年產(chǎn)量20 000件左右的復(fù)合材料制品。④環(huán)境污染小，有機(jī)揮發(fā)份小于 50×10－6，符合國際環(huán)保要求。RTM屬于半機(jī)械化成型工藝，特別適宜于一次整體成型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，無需二次粘接，具有節(jié)約各種工裝設(shè)備、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于采用低粘度樹脂浸潤纖維和加溫固化工藝，成品質(zhì)量好，其工藝質(zhì)量僅依賴于預(yù)先確定的工藝參數(shù)，工人技術(shù)水平的影響較小，易于保證產(chǎn)品質(zhì)量，廢品率低。

RTM工藝路線采用低粘度樹脂轉(zhuǎn)移、模具成型，可以實(shí)現(xiàn)較高的機(jī)械化，生產(chǎn)效率高，而且產(chǎn)品質(zhì)量較好。在RTM基礎(chǔ)上加入真空系統(tǒng)(VARTM)模具內(nèi)腔處于真空狀態(tài)，在高滲透介質(zhì)作用下，樹脂均勻地滲入模具內(nèi)各點(diǎn)間，由此方法制得得產(chǎn)品孔隙少，密度均勻。溶劑揮發(fā)亦少。制造大型復(fù)雜葉片常用此種工藝方法。由于CF直徑細(xì)、表面積大，要求樹脂粘度更低些。該工藝也適用于成型鋪層較厚的葉片根部。

復(fù)合材料熔塑成型法(SCRIHP)是由RTM發(fā)展而來的另一種工藝，僅使用較簡單的單面模具，另一面亦為真空袋，適用于制造大型復(fù)雜制件［18］。TPI Composites公司已用該法制造了30 m長的葉片。

之后西門子公司研發(fā)了葉片整體成型(Intergral Blade)技術(shù)，采用一個(gè)葉片外殼模具和一個(gè)擴(kuò)展內(nèi)模層壓纖維，在真空作用下，滲透樹脂，樹脂在高溫下固化成型。

4 結(jié)語

目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢是從陸地到海洋，葉片大型化，更高的塔架，使用可回收材料等。隨著技術(shù)的發(fā)展和人們對可再生能源的重視，風(fēng)力發(fā)電相對于傳統(tǒng)發(fā)電將更具競爭力，風(fēng)電裝機(jī)容量將進(jìn)一步增長，并由此帶動(dòng)復(fù)合材料行業(yè)的發(fā)展。由于碳纖維有其獨(dú)特的性能，隨著生產(chǎn)技術(shù)提高，生產(chǎn)成本降低，將會(huì)在風(fēng)電葉片中被廣泛應(yīng)用。

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The fabric used in windmill blades

Sun Genbao，Chen Ningkai，Lü Yonggen
(College of Materials Science＆ Engeering，Donghua University)

The fabric composites on windmills as types and constructions are reviewed.Light weight and high strength make fabric composites a rapid development on windmill blades for higher and higher unit capacity.Generators of 5.0 MW have been installed here and there，and that of 7.0 MW are under development.The reinforcing fibers are developing into hybrid of carbon fiber，glass fiber and organic fibers from glass fiber.Recyclable thermoplastic resins are used gradually instead of thermoset ones.Woven fabrics are being taken place by multiaxial warp knitted fabric.Automatic molding technologies are developed more and more rather than hand molding.

windmill，fabric，composite，blade

TB332

A

1004－7093(2011)10－0031－04

2011－07－12

孫根寶，男，1952年生，工程師。主要從事化學(xué)纖維研制和在紡織工程中的應(yīng)用。