風力發電機葉片成型方法發展趨勢

【摘要】風力發電裝置最關鍵、最核心的部分之一風力發電機葉片，隨著風力發電機的大型化發展，正在向更長、更輕的方向發展。

【關鍵詞】風力發電機葉片；成型方法

風能是一種取之不盡用之不竭的無污染的可再生能源，而且在地球上風能資源極其豐富。據估算，地球上可供開發的風能總量約為200億KW，相當于全世界總發電量的8倍，比可利用開發的水能總量要大10倍左右[1]。

隨著風力發電機設備向大型化發展，風機葉片所用材料已由木質帆布等發展為玻璃纖維增強復合材料（玻璃鋼）、碳纖維增強復合材料等。由于玻璃鋼葉片材料因為其重量輕、比強度高、可設計性強、價格比較便宜等因素開始成為大中型風機葉片材料的主流[2]。目前，大型風力發電機葉片的成型方法有預浸成型和真空灌注成型兩種方法。

預浸成型是把增強纖維浸漬在樹脂基體中制成的預浸料片材產品，是復合材料的中間材料。預浸料成型方法是將鋪層按設計要求的順序，將預浸料鋪放在模具內，然后用真空袋將尚未成型的制件密封，抽真空，排除夾雜在鋪層內的氣泡、揮發氣體和袋內的空氣，按最佳的固化工藝參數固化成型，工業用預浸料固化溫度通常為80℃到120℃之間。預浸料成型法可以提高葉片性能、降低葉片質量，對于40m以上的葉片，目前仍有丹麥維斯塔斯集團、美國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材料直接鋪放在模具上，在纖維增強材料頂上鋪設一層脫模布，脫模布通常是一層很薄的低孔隙率、低滲透率的纖維織物，脫模布上鋪放導流網，導流網為高滲透率的介質，導流管分布在導流網的上，然后用真空薄膜包覆并密封。樹脂通過進料管進入整個體系，通過導流管引導樹脂流動的主方向，導流網使樹脂分布到鋪層的每個角落，固化后剝離脫模布，從而得到密實度高，含膠量低的結構鋪層[4]。

隨著海上風電的逐步推進，葉片也在逐步的向大型化發展，一些新的材料和成型的方法也被逐漸應用于風電領域。比如碳纖維、高模量纖維等新型增強材料的引入，另外各個葉片生產廠家也在竭盡所能的利用工藝方法的創新，新材料的使用，實現使葉片向輕量化、大型化發展，同時為了解決大型化帶來的運輸問題也進行了結構的創新。

1.創新的成型方法

西門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現了葉片的一體化成型的工業轉換，并已經實現批量生產。具體的方法是通過通過兩個模具型面和其中的芯模形成一個封閉的型腔，在型腔里面隨形鋪放纖維材料和芯材。通過在型腔內建立起的真空體系，基體材料通過鋪放在模具下部邊緣的導流管注入模具內。以此，當生成的流體前峰到達葉片后緣邊并從膠液溢出口中滲出時，表明灌注已經完成。該方法突破了現有葉片通過兩個半片分別成型然后使用膠黏劑粘接的傳統成型方式，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電機組發出更多的電能，客戶要求葉片盡可能的加長，因此1.5MW機組葉片已經超過43m。而葉片長度增加勢必增加葉片的重量，葉片重量對風機運行、疲勞壽命、機組的基礎要求，都有有重要的影響。而且對于大型葉片，剛度也是主要問題，葉片既要加長又要減輕重量，同時還要滿足設計的強度和剛度要求。為此，新型的增強材料就被引入葉片生產行業，比如碳纖維、OCV公司的Hepex-tex TM系列玻纖等。

碳纖維復合材料的彈性模量是玻璃鋼的2至3倍。大型葉片的生產材料采用碳纖維增強可充分發揮其高彈輕質的優點，與全玻璃鋼結構相比，采用碳纖維/玻璃鋼混雜增強復合材料，葉片可減重20%至30%；采用碳纖維/環氧樹脂復合材料，可降低葉片質量約40%。而且，碳纖維比玻璃鋼還有更重要的特點，就是可避免葉片自然頻率與塔架短頻率間發生任何共振的可能性，因為碳纖維有振動阻尼特性[5]。

由于碳纖維的制造成本高，葉片的一次性使用量大，所以在碳纖維生產規模還不夠大、價格較貴的情況下，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構上使用碳纖維但是在其他部位仍然使用E玻纖/環氧樹脂的復合材料H玻纖的性能比E玻璃強度提高30%、模量提高17%，線形熱膨脹系數低于30%、耐振動性能提高10倍，用于風電葉片時比E玻璃減重增加10%、葉片長度增加6%，關鍵是其價格較碳纖維要低很多。現在很多設計公司或是葉片生產廠家均在關注這一高性能纖維在實際運用情況，并希望在新的產品中能夠采用這一新型高性能纖維以期達到較好的減輕重量并增加性能的效果。

3.新型的設計方法

隨著葉片的長度越來越長，大型葉片的運輸已經成為一個比較棘手的問題，由于葉片本身的特性在運輸過程中已經超長、超高、超寬，而且現在的風場很多都是在山區運輸的道路高低起伏，容易使葉片在運輸途中受到損傷。如何解決這些問題，也是擺放在葉片廠家眼前的一個重要問題。目前，重慶海裝公司的實用新型專利透露，該公司發明了一種可以分段運輸的葉片，這種分段的成型方法從某種意義上來說解決了葉片運輸難的問題，但是對兩個分段連接處要求很高，而且需要在實際的工況下進行驗證。

4.前景展望

風力發電具有資源再生容量巨大、無污染、綜合治理成本低等優點，是未來新能源電力的發展的一個主要分支。而在風力發電設備中葉片屬于核心部件之一，其造價占整機造價的1/4左右。雖然這兩年風電的發展遇到了寒流，各大廠家都呈不同趨勢的業績下滑，但是隨著經濟的發展，風電必然還將迎來巨大的發展機遇。

目前，國內大多數葉片廠家不具備獨立開發的能力，仍以購買國外設計公司的設計為主，未來如果想迎來更大的發展，更多的機會，一方面需要國內整機對自主設計的產品予以更大的支持，另一方面也需要葉片廠家提升自己的研發能力，加大對技術開發上的投入和對人才的培養。

【參考文獻】

[1]劉萬琨，張志英，李銀鳳等.風能與風力發電技術[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]潘藝，周鵬展，王進等.風力發電機葉片技術發展概述[J].湖南工業大學學報，2007，3：48-51.

[3]高克強，薛忠民，陳淳，邱桂杰等.復合材料風電葉片技術的現狀與發展[J].新材料產業，2010，12：4-7.

[4]李傳勝，張錦南等.真空灌注成型工藝在大型風力機葉片中的應用[J].玻璃鋼學會第十六屆全國玻璃鋼/復合材料學術年會論文集，2006：254-256.

[5]李新梅，孫文磊.淺析風力發電機葉片關鍵技術[J].機械制造，2009，533：45-47.