基于兆瓦級風(fēng)機(jī)葉片主體材料的應(yīng)用研究

王彤兵

摘要：本文主要介紹了目前在風(fēng)機(jī)葉片的制造中主要采用的四種復(fù)合材料，即玻璃纖維、PVC芯材、環(huán)氧樹脂與膠粘劑，分析了不同材料在風(fēng)機(jī)葉片中占有的比重與成本比例，以供廣大同行探討。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)葉片；玻璃纖維；環(huán)氧樹脂；PVC芯材

前言

風(fēng)能是近些年才得以廣泛開發(fā)的一種清潔且可再生能源，風(fēng)能地域分布廣泛，并且擁有取之不盡，用之不竭的優(yōu)點。隨著我國提出“資源節(jié)約型，環(huán)境友好型”經(jīng)濟(jì)增長模式以及對于新型能源的需求，國家越來越重視對于風(fēng)能的開發(fā)，在當(dāng)前社會中，風(fēng)能將作為最主要的清潔能源使用于發(fā)電中。風(fēng)力機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，風(fēng)的動能能夠通過風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)化為另一種形式的能源。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，風(fēng)機(jī)葉片是一個不可或缺的關(guān)鍵性元件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率較大程度上取決于風(fēng)機(jī)葉片的氣動效率、質(zhì)量以及結(jié)構(gòu)等因素。

1.風(fēng)機(jī)葉片的主體材料

用于制造風(fēng)機(jī)葉片的材料需要較好地滿足葉片結(jié)構(gòu)的特性，制造材料的成本不能過高，在具有期望中翼型形狀能力的同時，還需要較高強(qiáng)度的剛度、疲勞壽命以及強(qiáng)度同重量比率。因此，風(fēng)機(jī)葉片通常采用玻璃纖維GRP板材制造，近年來隨著科技的發(fā)展，碳纖維強(qiáng)化的CFRP也在風(fēng)機(jī)葉片制造領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，這種復(fù)合材料是通過粘壓的方式制造成為風(fēng)機(jī)葉片的。兆瓦級風(fēng)機(jī)葉片通常采用復(fù)合材料作為主體材料，在本節(jié)中主要介紹了玻璃纖維、PVC芯材、環(huán)氧樹脂與膠粘劑四種復(fù)合材料。

1.1.玻璃纖維

玻璃纖維是一種非金屬性質(zhì)的無機(jī)材料，這種復(fù)合材料種類繁多且性能優(yōu)異，同時還具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的抗腐蝕性與絕緣性、較強(qiáng)的耐熱性等優(yōu)點，但是玻璃纖維材料的耐磨性較差，材料性質(zhì)較脆。玻璃纖維按照玻璃的成分可以分為高堿、中堿、無堿、抗堿、耐化學(xué)、高強(qiáng)度玻璃纖維等。就目前情況而言，用于制造風(fēng)機(jī)葉片的玻璃纖維材料主要為模量在76GPa以上的無堿玻璃，這種玻璃纖維又稱E玻璃。對于玻璃纖維的模量要求隨著風(fēng)機(jī)葉片長度增加也越來越高，新的高模量玻璃纖維紗線得到了應(yīng)用，主要表現(xiàn)為重慶國際研制的TM紗、OCV的H-glass等，這兩種高模量玻璃纖維紗均在大功率電機(jī)葉片中成功應(yīng)用，這種紗線經(jīng)測試后能夠滿足除疲勞測試以外的電機(jī)葉片設(shè)計要求。

1.2.PVC芯材

為了在葉片的重量不增加的同時增強(qiáng)其剛度，葉片蒙皮往往使用三明治結(jié)構(gòu)，因而葉片中會用到大量的PVC芯材，PVC芯材的質(zhì)量與使用方式直接關(guān)系到電機(jī)葉片疲勞性能。用于風(fēng)機(jī)葉片中的PVC芯材的密度一般而言約在60kg/m?左右。當(dāng)前市場上的PVC泡沫種類較多，性能良莠不齊，電機(jī)葉片生產(chǎn)廠家需要細(xì)心挑選高質(zhì)量的PVC芯材，以避免低質(zhì)量的PVC芯材影響葉片整體質(zhì)量。經(jīng)過對市面上的PVC泡沫性能進(jìn)行綜合考察后，筆者認(rèn)為Diab生產(chǎn)的PVC泡沫能夠較好地滿足葉片的設(shè)計要求。

1.3.環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂是分子結(jié)構(gòu)中含有環(huán)氧基團(tuán)的一種高分子化合物，在其固化后具有優(yōu)異的化學(xué)性能與物理性能。由于目前通常使用真空灌注工藝進(jìn)行兆瓦級風(fēng)機(jī)的葉片制造，因而需要性能優(yōu)異的樹脂，混合粘度在室溫下在250mPa·s左右，同時，樹脂凝膠時間需要與設(shè)計要求相符合，時間過短則不能順利完成真空灌注，時間過長則影響生產(chǎn)效率。在目前市場上瀚森（Hexion）與亨斯邁（Huntsman）公司生產(chǎn)的環(huán)氧灌注樹脂具有較強(qiáng)的代表性。

1.4.膠粘劑

膠粘劑是環(huán)氧類粘接劑的一種，它主要用于葉片兩部分殼體的粘接，它的作用在風(fēng)機(jī)葉片中極其重要，直接影響著葉片的使用壽命。膠粘劑與環(huán)氧樹脂的性能較為相似，但是環(huán)氧樹脂的主要作用是結(jié)合玻璃纖維材料形成玻璃鋼，膠粘劑是在環(huán)氧樹脂中添加填充材料與改進(jìn)材料而成。目前用于風(fēng)機(jī)葉片生產(chǎn)的膠粘劑絕大多數(shù)靠進(jìn)口，國產(chǎn)材料也正逐漸得到應(yīng)用，經(jīng)測試后符合設(shè)計要求的國產(chǎn)膠粘劑有北京天山的TS821/831等。

2.風(fēng)機(jī)葉片中主要材料所占比重與成本比例

風(fēng)機(jī)葉片的主要材料為玻璃纖維、PVC泡沫、環(huán)氧樹脂與膠粘劑，金屬螺栓、電纜、涂料、金屬接閃器等材料在風(fēng)機(jī)葉片中所占比例較小，在本節(jié)中，以某種2.0兆瓦風(fēng)機(jī)葉片為例，將葉片材料與成本的比重列舉，如下表所示。

從上表中能夠看出，玻璃纖維、PVC泡沫、環(huán)氧樹脂與膠粘劑四種主要材料所占重量的比重為94.73%，所占總成本的比重為88.29%，因此，以上四種主要材料對風(fēng)機(jī)葉片的整體質(zhì)量與價格起到?jīng)Q定性作用。

結(jié)束語

在我國，對于風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)正處于起步階段，風(fēng)力發(fā)電具有廣闊的發(fā)展空間，葉片作為風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵配套產(chǎn)品，需要不斷在其材料、性能方面進(jìn)行優(yōu)化，提高其性價比，此舉對于我國的風(fēng)能開發(fā)以及建設(shè)環(huán)境友好型社會具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王允.對我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及其現(xiàn)狀進(jìn)行研究探討[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2013（02）

[2]劉瑞霞，尚呈元，趙曉娟等.兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片用環(huán)氧樹脂[J].熱固性樹脂，2011（05）

[3]趙鴻漢，趙玨，鐘方國.我國風(fēng)電市場機(jī)遇和兆瓦級玻璃鋼風(fēng)機(jī)葉片[J].電氣制造，2009（09）