紡織品在風力發電機葉片中的應用

孫根寶 陳寧凱 呂永根

(東華大學材料科學與工程學院，上海，201620)

紡織品在風力發電機葉片中的應用

孫根寶 陳寧凱 呂永根

(東華大學材料科學與工程學院，上海，201620)

介紹了風力發電機上使用的紡織復合材料種類以及成型方法。紡織復合材料特有的優異性能使其在風力發電機葉片上得到廣泛應用，并使制造單機容量更大的風力發電機成為可能。單機5 MW的機組已經安裝運行，7 MW的機組已經研究成功。纖維材料由玻璃纖維向碳纖維、混雜纖維發展;樹脂材料逐漸采用可回收的熱塑性材料;紡織品由經緯交織的機織物向多軸向編織物發展;成型工藝由手工向自動化成型發展。

風力發電，紡織品，復合材料，葉片

隨著當今世界人口增長、資源短缺和環境變暖的形勢日益嚴峻，可再生能源的開發利用已引起世界各國的高度重視。其中，風能作為清潔、安全、技術成熟的可再生能源而備受關注［1］。最新統計數據顯示，截至2010年底，中國全年風力發電新增裝機達1.6億 kW，累計裝機容量達到4.182 7億kW，已躍居世界第一，大大超過之前的預期［2-3］。風力發電機組正在朝著大容量、低成本、高效率、智能控制方向發展，單機容量等級已從3.6 MW提高到10 MW。提高單機容量需要更長的葉片，目前大型風力發電機上使用的葉片長度已達到50～60 m［4］。

使用復合材料制作風力發電機葉片具有下列明顯的優點［5］:①可設計性。葉片工作時主要受到縱向氣動彎曲，而橫向力相對較小，可以通過設計增強材料的排列與分布，使葉片具有較好的強度與剛度，同時質量較輕。②抗振性好。可設計自振頻率。③可加工成復雜的外形，實現更好的氣動效率。④耐疲勞、耐腐蝕、耐氣候性好，需要的維護較少。這就對復合材料結構設計、制備技術及增強體、基體的研究提出了更高的要求。

1 增強纖維及其紡織制品

增強纖維作為復合材料中主要承載應力的部分，需要具有剛度好、輕質高強、耐腐蝕等特點。

1.1 玻璃纖維

玻璃纖維(GF)是風機葉片上廣泛使用的增強材料，其中E玻璃纖維是主流，其優點在于成本較低，與現有樹脂匹配良好，工藝成熟，但也存在密度較大、不耐酸等缺點。經過改進的S玻璃纖維比E玻璃纖維有更高的強度和模量，具有良好的發展前景［6］。美國高強玻璃纖維制造商AGY公司生產的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量25%，減少葉片總質量 11%［7］。

1.2 碳纖維

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

當風力發電機單機容量超過3 MW、葉片長度超過40 m時，在葉片制造時使用碳纖維成為必要的選擇［9］。隨著大絲束碳纖維生產技術的提高，產量增加，以及風力發電機的大型化，碳纖維有望在風力發電機葉片上得到更廣泛的應用。

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合材料葉片［1，10］。輕木和碳纖維的工作應變相似，因此當需要輕木/環氧葉片的時候，這種材料是獲得高強高剛以及控制成本的有效手段。輕木不僅能提供破壞容差，還可以防護外來沖擊。采用輕木和PVC作為芯材，可以更方便地進行結構設計，從而提高纖維的效能，使葉片的整體質量減輕，剛度和強度增加。

1.4 纖維紡織制品

可見玻璃纖維和碳纖維是風力發電葉片主要采用的增強纖維，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材料大多使用經緯交織的機織物，但由于經緯交織的機織物纖維呈波浪形，在受力時容易對纖維產生剪切作用，導致力學性能較纖維的實際值低，因此逐漸發展為經編軸向針織物。經編織物可以保證徑向纖維處于伸直狀態，在受力時不受剪切作用，從而最大限度發揮增強纖維的效能，具有更明顯的優勢［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構等，可滿足不同需要，有利于實現復合材料的可設計性［13］。多軸向織物還具有尺寸穩定、延伸率較小等特點，并可以根據不同的強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

風機葉片使用時需要承受強大的風載荷、氣體沖刷、砂石粒子沖擊、紫外線照射等外界因素的作用。為了提高復合材料葉片的承擔載荷、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)綜合性能優良，價格低廉，成型工藝性好，在葉片中得到大量應用，但其性能不及環氧樹脂;環氧樹脂(EPR)力學性能和耐腐蝕性能較好，當使用碳纖維時基體材料多以環氧樹脂為主，應用中正逐步取代聚酯樹脂，但其價格較高;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聚酯樹脂、玻璃纖維增強環氧樹脂，并局部采用碳纖維增強環氧樹脂作為主承力結構。葉片長度增加，葉片體積和質量相應呈級數增長，但使用高性能的環氧樹脂可相應減輕葉片質量，如使用聚酯時，19、34和52 m葉片的質量分別為1 800、5 800和21 000 kg，而采用環氧樹脂時，19 m長度葉片的質量為1 000 kg，可比玻璃纖維增強聚酯樹脂減少800 kg［15］。

實際生產中根據葉片的長度而選用不同的復合材料。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玻璃纖維增強樹脂，也有選用乙烯基樹脂或環氧樹脂;而較大型的葉片(如42 m以上)以環氧樹脂基體為主，常采用CFRP或CF/GF混雜復合材料［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。風能是清潔的可再生能源，但退役后的風機葉片卻會污染環境。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，而熱塑性復合材料正滿足這一要求。除此之外，熱塑性樹脂還有質量輕、抗沖擊性好、成型快的優點，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合的，制造工藝比較復雜，對設備要求較高，導致其目前使用量還不大［1］。隨著熱塑性復合材料制造工藝的進步，其在風力發電機上的應用將會得到發展。

事實上，世界上有些大公司已就熱塑性復合材料樹脂在風力葉片上的應用進行了合作研究，制造出了12.6 m長的可再利用的風機葉片，這樣風力發電機在報廢后，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，是目前葉片技術的顯著進步［15］。但其缺點是易于發生蠕變，而且用膠粘劑膠接熱塑性樹脂基復合材料殼體較為困難。

3 成型工藝

手糊成型是制造復合材料風力發電機葉片的傳統工藝。主要特點是手工操作、開模成型、生產效率低以及樹脂固化程度較低，適用于較小批量、對質量均勻性要求較低的制品生產。

由于手糊成型的制造方式精度差，動靜平衡難以保證，質量不穩定，而且工人勞動環境差。生產高質量的風力葉片必需采用自動成型工藝，而且隨著葉片規格和生產規模的不同可采取不同的工藝。年產5 000～30 000片中小尺寸葉片規模工廠適用樹脂轉移注射成型(RTM)工藝路線，年產大于50 000片中小尺寸葉片規模工廠一般采用低壓反應注射成型(RIM)工藝路線，大型葉片批量生產適用纏繞預漬浸料熱壓工藝制造。RTM法的原理是在一個耐壓的密閉模腔內先填滿纖維增強材料，再用壓力將液態樹脂注入使其浸透增強纖維，然后固化成型。其主要特點有:①閉模成型。產品尺寸和外型精度高，適用于成型高質量的復合材料整體構件，整個葉片可一次成型。②初期投資小。③制品表面光潔度高，成型效率高，適于成型年產量20 000件左右的復合材料制品。④環境污染小，有機揮發份小于 50×10－6，符合國際環保要求。RTM屬于半機械化成型工藝，特別適宜于一次整體成型的風力發電機葉片，無需二次粘接，具有節約各種工裝設備、生產效率高、生產成本低等優點。由于采用低粘度樹脂浸潤纖維和加溫固化工藝，成品質量好，其工藝質量僅依賴于預先確定的工藝參數，工人技術水平的影響較小，易于保證產品質量，廢品率低。

RTM工藝路線采用低粘度樹脂轉移、模具成型，可以實現較高的機械化，生產效率高，而且產品質量較好。在RTM基礎上加入真空系統(VARTM)模具內腔處于真空狀態，在高滲透介質作用下，樹脂均勻地滲入模具內各點間，由此方法制得得產品孔隙少，密度均勻。溶劑揮發亦少。制造大型復雜葉片常用此種工藝方法。由于CF直徑細、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。

復合材料熔塑成型法(SCRIHP)是由RTM發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了葉片整體成型(Intergral Blade)技術，采用一個葉片外殼模具和一個擴展內模層壓纖維，在真空作用下，滲透樹脂，樹脂在高溫下固化成型。

4 結語

目前風力發電機的發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。隨著技術的發展和人們對可再生能源的重視，風力發電相對于傳統發電將更具競爭力，風電裝機容量將進一步增長，并由此帶動復合材料行業的發展。由于碳纖維有其獨特的性能，隨著生產技術提高，生產成本降低，將會在風電葉片中被廣泛應用。

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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。主要從事化學纖維研制和在紡織工程中的應用。