風電葉片

材料介紹

風電葉片

風電葉片的組成材料很多:有玻璃纖維，樹脂，輕木等等填料的作用是改善制品的一些性能。由于用途性能要求各不相同，而後者的環氧基都是以環氧丙基醚連接在苯核或脂肪烴上、從操作要求上選擇。不需耐高溫。為了保證可靠的粘接、鏡架：鄰苯二甲酸二丁酯或鄰苯二甲酸二辛酯。

發展現狀

随着煤、石油、天然氣等傳統化石能源耗盡時間表的日益臨近，風能的開發和利用越來越得到人們的重視，已成為能源領域最具商業推廣前景的項目之一，目前在國内外發展迅速。中國2005年冬到2006年春的用電缺口達到了1500萬kW，電力增長仍有極大的潛力。而與之對應的現階段我國的電力構成中，風力發電僅占1%左右，風力的開發和利用仍有很大的空間，幾乎每個省份都有在建或拟建的風電項目[2]。據國外媒體報道，為取代“911”恐怖襲擊中倒塌的世貿雙子塔樓而設計的1776英尺高的“自由塔”的樓頂也将設置風力發電機，風力發電在當今世界之熱門程度由此可見。商業通信公司預測，今後若幹年内世界大型風力機市場将會以年20%左右的速率增長，中國的增長速率可能會更快。據估計，2006~2010年之間，我國風電葉片的需求量大約在7000多片，2011~2020年的需求量則将達到驚人的50000片[3]。巨大的市場前景使得目前風機行業的競争空前激烈。整機方面，目前國際市場格局已初步成型。2005年全球超過75%的市場份額被丹麥Vestas、西班牙Gamesa、德國Enercon和美國GE WIND四家企業占據，新進入企業的生存空間不大；國内的整機生産企業中，新疆金風、浙江運達、大連重工集團、東方汽輪機廠等幾家的市場前景被業界看好，這其中又以新疆金風科技在國内品牌中的市場份額最大。葉片市場的情況與整機基本類似，單是丹麥LM Glasfiber公司一家就占據了國際市場40%以上的份額，其産品被GE WIND、西門子（原丹麥BONUS）、SUZLON、Repower、Nordex等公司全部或部分采用[4]；另外Vestas和Enercon公司也擁有各自的葉片生産部門。國内的葉片生産企業主要有中航保定惠騰、連雲港中複連衆複合材料集團等。

複合材料風電葉片的材料體系及制造工藝

複合材料在風力發電中的應用主要是轉子葉片、機艙罩和整流罩的制造。相對而言，機艙罩和整流罩的技術門檻較低，生産開發的難度不大。而風力發電機轉子葉片則是風力發電機組的關鍵部件之一，其設計、材料和工藝決定風力發電裝置的性能和功率。在風力發電機興起100多年的曆史裡，葉片材料經曆了木制葉片、布蒙皮葉片、鋁合金葉片等。随着聯網型風力發電機的出現，風力發電進入高速發展時期，傳統材料的葉片在日益大型化的風力發電機上使用時某些性能已達不到要求，于是具有高比強度的複合材料葉片發展起來。現在，幾乎所有的商業級葉片均采用複合材料為主體制造，風電葉片已成為複合材料的重要應用領域之一。

采用複合材料葉片主要有以下優點：①輕質高強，剛度好。衆所周知複合材料性能具有可設計性，可根據葉片受力特點設計強度與剛度，從而減輕葉片重量；②葉片設計壽命按20年計，則其要經受108周次以上的疲勞交變，因此材料的疲勞性能要好。複合材料缺口敏感性低，内阻尼大，抗震性能好，疲勞強度高；③風力機安裝在戶外，近年來又大力發展海上風電場，要受到酸、堿、水汽等各種氣候環境的影響，複合材料葉片耐候性好，可滿足使用要求；④維護方便。複合材料葉片除了每隔若幹年在葉片表面進行塗漆等工作外，一般不需要大的維修。

複合材料葉片的材料體系

風力發電機葉片是一個複合材料制成的薄殼結構，一般由根部、外殼和加強筋或梁三部分組成，複合材料在整個風電葉片中的重量一般占到90%以上。複合材料葉片發展之初采用的是廉價的玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂體系，直到今天這仍是大部分葉片采用的材料。随着葉片長度的不斷增大，這種體系在某些場合已不能滿足要求，于是很自然地，性能更優異的增強材料—碳纖維進入了葉片生産者的視野。文獻[6,7]探讨了碳纖維的添加對于複合材料葉片的影響。一般認為，22m以下的葉片采用玻璃纖維，而大于42m的葉片則采用碳纖維或碳玻混雜纖維[8]。樹脂基體方面，聚酯樹脂價格低廉，成型工藝性好，但性能一般，環氧樹脂則剛好相反，性能較優但價格較高且工藝操作性不好，所以目前成本和性能等介于二者之間的乙烯基樹脂被一些葉片制造商大量采用。

鑒于目前國際上碳纖維價格居高不下，有些人認為在葉片生産中采用碳纖維太過昂貴，不應采用，實際上并非如此，一方面由于葉片長度的增加，其對剛度的要求也更加嚴格，在更大尺寸葉片的制造上，單純的玻璃纖維已不能滿足要求，碳纖維的剛度大約是玻纖的3倍，制成的複合材料剛度約是玻璃鋼的兩倍，從這個意義上說碳纖維的引入是必要也是必須的；另一方面，由于葉片尺寸的加大，其質量也越來越巨大，高性能碳纖維的引入可以在很大程度上實現葉片的減重，而随着葉片重量的減輕，旋翼葉殼、傳動軸、平台及塔罩等也可以輕量化[9]，從而可整體降低風力發電機組的成本，抵消或部分抵消碳纖維引入帶來的成本增加。随着大型、超大型海上風力發電機的制造和陸續投入運行，碳纖維在風電葉片上大規模應用的時代已為時不遠。

複合材料葉片的制造工藝

現在的葉片成型工藝一般是先在各專用模具上分别成型葉片蒙皮、主梁及其他部件，然後在主模具上把兩個蒙皮、主梁及其它部件膠接組裝在一起，合模加壓固化後制成整體葉片。具體成型工藝又大緻可分為七種[10]：①手糊；②真空導入樹脂模塑(VIP)；③樹脂傳遞模塑(RTM)；④西門子樹脂浸漬工藝（SCRIMP）；⑤纖維纏繞工藝（FW）；⑥木纖維環氧飽和工藝(WEST)；⑦模壓。上述工藝中，①、④、⑤和⑥是開模成型工藝，而②、③和⑦是閉模模塑工藝。

傳統的葉片生産一般采用開模工藝，尤其是手糊方式較多，生産過程中會有大量苯乙烯等揮發性有毒氣體産生，給操作者和環境帶來危害；另一方面，随着葉片尺寸的增加，為保證發電機運行平穩和塔架安全，這就必須保證葉片輕且質量分布均勻。這就促使葉片生産工藝由開模向閉模發展。采用閉模工藝，如現在熱門的真空樹脂導入模塑法，不但可大幅度降低成型過程中苯乙烯的揮發，而且更容易精确控制樹脂含量，從而保證複合材料葉片質量分布的均勻性，并可提高葉片的質量穩定性。

當前複合材料葉片生産應用中存在的問題

随着葉片尺寸的不斷增加，其生産和制造過程中産生了一些在以往的中小型葉片生産中未曾碰到過的新問題。

大型模具問題

大型複合材料葉片的外形尺寸與其制造模具有着極其密切的關系。為保證複合材料葉片設計外形和尺寸精度，葉片長度越長，成型時對模具剛度和強度的要求就越高，模具的重量和成本也會大幅度提高。為減輕模具重量，降低模具成本，大型複合材料葉片的制造模具也逐漸由金屬模具向複合材料模具轉變，這也意味着葉片可以做得更長。采用複合材料模具主要有以下優點：①為達到最佳氣動效果，葉片具有複雜的氣動外形，在風輪的不同半徑處，葉片的弦長、厚度、扭角和翼型都是不同的，如用金屬來制造，要在模具上實現這些變化，其加工難度很高，實現代價高昂，采用複合材料模具可大大降低其工藝難度；②由于模具與葉片采用同質的材料，模具的熱膨脹系數與葉片材料基本相同，故制造出的複合材料葉片的精度和尺寸穩定性均優于金屬模具制造的葉片産品；③采用複合材料模具亦可大大縮短模具的制作周期，提高生産效率。

真空樹脂導入模塑法中的樹脂固化時間問題

真空樹脂導入模塑法(VIP)在衆多葉片成型工藝中的優越性逐漸顯現，具有投入少、操作簡單、工作環境好、制品性能好等諸多優點，目前在葉片制造領域正獲得越來越廣泛地應用。傳統VIP工藝中，一般先把樹脂、促進劑、固化劑等按比例混合好，然後開始真空吸注。隻要控制好促進劑和固化劑的用量，這種方法用在一般尺寸的制件上沒有問題。但在制造例如葉片等大尺寸複合材料構件時，由于吸膠注膠的時間較長，如控制不好很容易出現樹脂未注完即凝膠的現象。另外在用膠量較大時，桶中配好的膠液還可能發生爆聚。為防止此類情況發生，可考慮設計一種樹脂和固化劑的混合裝置，吸注前樹脂和固化劑分别在不同的容器内，吸注時樹脂與固化劑實時混合實時吸注，從而可避免爆聚和過快凝膠，即增加了生産安全性，同時也節省了原材料的用量。

葉片的固化問題

在葉片的生産過程中，由于模具尺寸巨大，一般無法采用烘箱等傳統的外部加熱方式對其進行升溫固化，生産一般隻是在室溫下進行，這就造成葉片固化周期較長，難以進行較連續化的生産。解決辦法是葉片在模具上基本成型後即脫模，然後在室外利用光照進行後固化處理。當前很多企業采用的都是這種葉片生産方式，如國内葉片的領軍企業中航保定惠騰等。但這種方式也有其先天不足，生産受制于天氣并且制品脫模前存在模具中的時間較長，會影響生産效率。為此，可考慮在模具中内置熱源，如鋪設流體加熱管路或電熱布等，通過内置熱源對模具的加熱來實現葉片的快速固化，從而達到不受自然條件制約的、可連續進行的生産。而且，由于光照後固化方式受氣候因素制約嚴重，目前的葉片生産基地多建在光照較充足的北方。采用内置熱源的葉片模具後大大放寬了葉片生産對氣候的要求，可以謀求在南方建立葉片生産基地，從而在全國構建起更加合理的葉片産業格局。

葉片的長途運輸問題

目前，世界上所有風電葉片都是采用整體模具生産的，這種模具尺寸、重量巨大，葉片生産隻能在生産基地進行，于是葉片的運輸問題便日益突出起來：一方面，出于安全考慮，世界各國鐵路、公路管理部門對運載貨物的長度、高度等都是有限制的，風力發電機組的葉片和塔架長度在幾十米或更長，機艙罩一般在三米或更高，塔架下法蘭直徑超過三米，這些都屬于超限範圍；另一方面，我國風電場分布非常廣泛，很多位置偏遠、交通不便，建造風電場時大型葉片運輸成本非常高昂，有些地區甚至根本無法送達。可以說，長途運輸問題已經越來越成為制約風電發展的一個瓶頸。在這方面，可以考慮采用組合模具來制造葉片，即把風電葉片成型模具設計成可拆裝、易運輸的組合模具，通過普通公路或鐵路運輸把模具、工裝、重要部件和原材料運抵大型風電場附近，快速搭建簡易工房，在風電場現場進行葉片制造；還有一種思路就是采用組合葉片，即把葉片分成幾段來制造，使其尺度在公路運輸最大許可範圍内，運送到風電場後再進行葉片的組裝，但這種構想能否在實踐中應用還有待實驗驗證，目前尚未有這方面的報道。

退役葉片的處理問題

風力發電是可持續的産業之一，但目前使用的複合材料葉片則屬于不可回收材料，這已成為複合材料葉片最大的隐憂。采用熱固性樹脂生産的複合材料葉片，目前的工藝水平難以對其回收再利用，一般的處理僅僅是在露天堆放，随着風電葉片的尺寸越來越大，數量激增，這些葉片退役後給環境造成的影響不可忽視，這與我們目前倡導可持續發展的宗旨也是相違背的。

針對這一問題，目前的發展趨勢：是對葉片的增強材料進行改進，如采用生物質材料，即采用木材與樹脂複合，通過積層制作葉片。有文獻稱，目前的分級竹篾層積材料比模量已超過玻纖增強的複合材料，比強度也達到與其相同的數量級，但竹篾積層材料雖減少了樹脂用量，仍需要使用熱固性樹脂，隻能治标而不能治本。最徹底的解決方式還是發展可回收利用的熱塑性複合材料葉片，這方面的研究目前也取得了一定成果。愛爾蘭Gaoth Tec Teo公司、日本三菱重工、美國Cyclics公司簽署了合作協議開發熱塑性複合材料葉片，并已采用玻璃纖維增強Cyclics公司的低粘度熱塑性CBT®樹脂制造出世界上首個12.6m可循環利用風電葉片。據稱，這種葉片退役後，每套葉片回收的材料平均可達到19t，這是一個史無前例的數據。但在更大尺寸葉片的制造上，這種熱塑性樹脂目前的性能可能還不是很理想。據稱，目前上述幾家公司正在研制30米以上的葉片。這種“綠色葉片”究竟能否在大型風力發電機上獲得廣泛應用還有待時間來驗證。

其他問題

目前總體上看風力發電的形勢一片大好，但也有反對的聲音存在，如有的動物保護主義者認為風力發電機會危及一些動物的生存，也有人認為風力發電存在噪聲污染并影響景觀，另外雖然目前風力發電機以每年3~5%的速度在降價，但我國風力發電的上網電價仍然偏高[14]。應該指出的是，任何一種技術都不是完美無缺的，都可能存在瑕疵。作為一項可惠及子孫的事業，風力發電總體上來說是利大于弊的。在這個問題上，一方面政府需要加大宣傳力度，糾正公衆對風力發電若幹問題的看法；另一方面政府也可考慮在政策上增加對風電的扶持和指導，提高風電的價格競争力，以實現我國風電事業又好又快的發展。

總結與展望

風力發電的發展依賴于生産制造大量的風力發電機，風力發電機離不開葉片，而制造葉片則需要複合材料産業的支撐。對我國的複合材料産業來說，風力發電是一個難得的機遇。選擇最佳的材料體系和制造工藝，制造出質量上乘的複合材料葉片，滿足快速發展的風力發電的需求，這是我們追求的目标。目前來看，内置熱源的大型複合材料組合模具、改進的真空導入樹脂模塑工藝以及可回收利用的熱塑性葉片樹脂基體等新設想、新工藝可能在今後會發展成為引領風電葉片研究和制造的新熱點。

最新成果

2021年11月22日，東方電氣集團自主研制、擁有完全自主知識産權的B1030A型風電葉片在山東制造基地下線。該葉片長度103米，是目前中國已下線的最長風電葉片，同時标志着東方電氣集團已完全具備百米級大功率海上風電葉片研發設計、生産制造能力，将有力推動中國海上風電發展。^[1]

參考資料

[1] 我國最長風電葉片下線 · 今日頭條[引用日期2021-11-24]