風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片成型方法發(fā)展趨勢(shì)
2012-12-31 00:00:00劉培顧從進(jìn)楊益鋒黃凱健
【摘要】風(fēng)力發(fā)電裝置最關(guān)鍵、最核心的部分之一風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)的大型化發(fā)展，正在向更長(zhǎng)、更輕的方向發(fā)展。
【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片；成型方法
風(fēng)能是一種取之不盡用之不竭的無(wú)污染的可再生能源，而且在地球上風(fēng)能資源極其豐富。據(jù)估算，地球上可供開(kāi)發(fā)的風(fēng)能總量約為200億KW，相當(dāng)于全世界總發(fā)電量的8倍，比可利用開(kāi)發(fā)的水能總量要大10倍左右[1]。
隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備向大型化發(fā)展，風(fēng)機(jī)葉片所用材料已由木質(zhì)帆布等發(fā)展為玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（玻璃鋼）、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。由于玻璃鋼葉片材料因?yàn)槠渲亓枯p、比強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、價(jià)格比較便宜等因素開(kāi)始成為大中型風(fēng)機(jī)葉片材料的主流[2]。目前，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的成型方法有預(yù)浸成型和真空灌注成型兩種方法。
預(yù)浸成型是把增強(qiáng)纖維浸漬在樹(shù)脂基體中制成的預(yù)浸料片材產(chǎn)品，是復(fù)合材料的中間材料。預(yù)浸料成型方法是將鋪層按設(shè)計(jì)要求的順序，將預(yù)浸料鋪放在模具內(nèi)，然后用真空袋將尚未成型的制件密封，抽真空，排除夾雜在鋪層內(nèi)的氣泡、揮發(fā)氣體和袋內(nèi)的空氣，按最佳的固化工藝參數(shù)固化成型，工業(yè)用預(yù)浸料固化溫度通常為80℃到120℃之間。預(yù)浸料成型法可以提高葉片性能、降低葉片質(zhì)量，對(duì)于40m以上的葉片，目前仍有丹麥維斯塔斯集團(tuán)、美國(guó)通用電氣公司以及西班牙的歌美颯在使用[3]。
真空灌注成型工藝是將纖維增強(qiáng)材料直接鋪放在模具上，在纖維增強(qiáng)材料頂上鋪設(shè)一層脫模布，脫模布通常是一層很薄的低孔隙率、低滲透率的纖維織物，脫模布上鋪放導(dǎo)流網(wǎng)，導(dǎo)流網(wǎng)為高滲透率的介質(zhì)，導(dǎo)流管分布在導(dǎo)流網(wǎng)的上，然后用真空薄膜包覆并密封。樹(shù)脂通過(guò)進(jìn)料管進(jìn)入整個(gè)體系，通過(guò)導(dǎo)流管引導(dǎo)樹(shù)脂流動(dòng)的主方向，導(dǎo)流網(wǎng)使樹(shù)脂分布到鋪層的每個(gè)角落，固化后剝離脫模布，從而得到密實(shí)度高，含膠量低的結(jié)構(gòu)鋪層[4]。
隨著海上風(fēng)電的逐步推進(jìn)，葉片也在逐步的向大型化發(fā)展，一些新的材料和成型的方法也被逐漸應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域。比如碳纖維、高模量纖維等新型增強(qiáng)材料的引入，另外各個(gè)葉片生產(chǎn)廠家也在竭盡所能的利用工藝方法的創(chuàng)新，新材料的使用，實(shí)現(xiàn)使葉片向輕量化、大型化發(fā)展，同時(shí)為了解決大型化帶來(lái)的運(yùn)輸問(wèn)題也進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。
1.創(chuàng)新的成型方法
西門(mén)子公司在其一次性成型的專利中提出，該公司利用芯模的方式實(shí)現(xiàn)了葉片的一體化成型的工業(yè)轉(zhuǎn)換，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。具體的方法是通過(guò)通過(guò)兩個(gè)模具型面和其中的芯模形成一個(gè)封閉的型腔，在型腔里面隨形鋪放纖維材料和芯材。通過(guò)在型腔內(nèi)建立起的真空體系，基體材料通過(guò)鋪放在模具下部邊緣的導(dǎo)流管注入模具內(nèi)。以此，當(dāng)生成的流體前峰到達(dá)葉片后緣邊并從膠液溢出口中滲出時(shí)，表明灌注已經(jīng)完成。該方法突破了現(xiàn)有葉片通過(guò)兩個(gè)半片分別成型然后使用膠黏劑粘接的傳統(tǒng)成型方式，不僅減少了膠黏劑的使用量，而且是葉片具有更好的性能，同時(shí)也減輕了葉片的重量。
2.新材料的投入使用
為了使同一功率的發(fā)電機(jī)組發(fā)出更多的電能，客戶要求葉片盡可能的加長(zhǎng)，因此1.5MW機(jī)組葉片已經(jīng)超過(guò)43m。而葉片長(zhǎng)度增加勢(shì)必增加葉片的重量，葉片重量對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行、疲勞壽命、機(jī)組的基礎(chǔ)要求，都有有重要的影響。而且對(duì)于大型葉片，剛度也是主要問(wèn)題，葉片既要加長(zhǎng)又要減輕重量，同時(shí)還要滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和剛度要求。為此，新型的增強(qiáng)材料就被引入葉片生產(chǎn)行業(yè)，比如碳纖維、OCV公司的Hepex-tex TM系列玻纖等。
碳纖維復(fù)合材料的彈性模量是玻璃鋼的2至3倍。大型葉片的生產(chǎn)材料采用碳纖維增強(qiáng)可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，與全玻璃鋼結(jié)構(gòu)相比，采用碳纖維/玻璃鋼混雜增強(qiáng)復(fù)合材料，葉片可減重20%至30%；采用碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，可降低葉片質(zhì)量約40%。而且，碳纖維比玻璃鋼還有更重要的特點(diǎn)，就是可避免葉片自然頻率與塔架短頻率間發(fā)生任何共振的可能性，因?yàn)樘祭w維有振動(dòng)阻尼特性[5]。
由于碳纖維的制造成本高，葉片的一次性使用量大，所以在碳纖維生產(chǎn)規(guī)模還不夠大、價(jià)格較貴的情況下，目前大多采用碳纖維和玻璃鋼的混雜方式。比如在葉片的主梁結(jié)構(gòu)上使用碳纖維但是在其他部位仍然使用E玻纖/環(huán)氧樹(shù)脂的復(fù)合材料H玻纖的性能比E玻璃強(qiáng)度提高30%、模量提高17%，線形熱膨脹系數(shù)低于30%、耐振動(dòng)性能提高10倍，用于風(fēng)電葉片時(shí)比E玻璃減重增加10%、葉片長(zhǎng)度增加6%，關(guān)鍵是其價(jià)格較碳纖維要低很多?，F(xiàn)在很多設(shè)計(jì)公司或是葉片生產(chǎn)廠家均在關(guān)注這一高性能纖維在實(shí)際運(yùn)用情況，并希望在新的產(chǎn)品中能夠采用這一新型高性能纖維以期達(dá)到較好的減輕重量并增加性能的效果。
3.新型的設(shè)計(jì)方法
隨著葉片的長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，大型葉片的運(yùn)輸已經(jīng)成為一個(gè)比較棘手的問(wèn)題，由于葉片本身的特性在運(yùn)輸過(guò)程中已經(jīng)超長(zhǎng)、超高、超寬，而且現(xiàn)在的風(fēng)場(chǎng)很多都是在山區(qū)運(yùn)輸?shù)牡缆犯叩推鸱?，容易使葉片在運(yùn)輸途中受到損傷。如何解決這些問(wèn)題，也是擺放在葉片廠家眼前的一個(gè)重要問(wèn)題。目前，重慶海裝公司的實(shí)用新型專利透露，該公司發(fā)明了一種可以分段運(yùn)輸?shù)娜~片，這種分段的成型方法從某種意義上來(lái)說(shuō)解決了葉片運(yùn)輸難的問(wèn)題，但是對(duì)兩個(gè)分段連接處要求很高，而且需要在實(shí)際的工況下進(jìn)行驗(yàn)證。
4.前景展望
風(fēng)力發(fā)電具有資源再生容量巨大、無(wú)污染、綜合治理成本低等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)新能源電力的發(fā)展的一個(gè)主要分支。而在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中葉片屬于核心部件之一，其造價(jià)占整機(jī)造價(jià)的1/4左右。雖然這兩年風(fēng)電的發(fā)展遇到了寒流，各大廠家都呈不同趨勢(shì)的業(yè)績(jī)下滑，但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，風(fēng)電必然還將迎來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇。
目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)葉片廠家不具備獨(dú)立開(kāi)發(fā)的能力，仍以購(gòu)買國(guó)外設(shè)計(jì)公司的設(shè)計(jì)為主，未來(lái)如果想迎來(lái)更大的發(fā)展，更多的機(jī)會(huì)，一方面需要國(guó)內(nèi)整機(jī)對(duì)自主設(shè)計(jì)的產(chǎn)品予以更大的支持，另一方面也需要葉片廠家提升自己的研發(fā)能力，加大對(duì)技術(shù)開(kāi)發(fā)上的投入和對(duì)人才的培養(yǎng)。
【參考文獻(xiàn)】
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[5]李新梅，孫文磊.淺析風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片關(guān)鍵技術(shù)[J].機(jī)械制造，2009，533：45-47.
