于莎莎

摘 要：隨著國家對能源重視程度日益增加，在煤炭、石油等常規(guī)能源以外還在不斷的開發(fā)研究新型能源，風(fēng)能作為新興的清潔高效的可再生能源，在當(dāng)今社會受到越來越多的關(guān)注，風(fēng)機(jī)葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最重要的組成部分，對發(fā)電功率起著至關(guān)重要的作用。本文主要敘述風(fēng)機(jī)葉片的生產(chǎn)工藝及定長裁剪相關(guān)工藝。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電；葉片；定長裁剪

中圖分類號：TP391.73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）02-0086-01

傳統(tǒng)能源資源的大量使用帶來了許多的環(huán)境問題和社會問題，并且其存儲量大大降低，因而風(fēng)能作為一種清潔的可循環(huán)再生的能源，越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是接受風(fēng)能的最主要部件，其良好的設(shè)計、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證發(fā)電機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素，其成本約為整個機(jī)組成本的15%-20%。根據(jù)“風(fēng)機(jī)功價比法則”，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率與葉片長度的平方成正比，增加長度可以提高單機(jī)容量，但同時會造成發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量的增加，使其造價大幅度增加。并且，隨著葉片的增大，剛度也成為主要問題。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力的大功率發(fā)電，既要減輕葉片的重量，又要滿足強(qiáng)度與剛度要求，這就對葉片材料提出了很高的要求。

葉片材料發(fā)展經(jīng)歷了幾個階段：木質(zhì)葉片、鋁合金葉片，直到現(xiàn)在普遍應(yīng)用的纖維復(fù)合材料。纖維復(fù)合材料之所以被采納應(yīng)用，是因為其質(zhì)量比重輕，機(jī)械能效好，抗疲勞強(qiáng)度高，在惡劣環(huán)境條件下也能正常承載負(fù)荷?，F(xiàn)在市面上普遍采用的纖維材料是玻璃纖維增強(qiáng)聚酯（環(huán)氧）樹脂，風(fēng)機(jī)葉片基本上是由聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂等碳纖維與玻璃纖維與熱固性基體樹脂等增強(qiáng)材料，通過手工鋪放、樹脂注入成型等工藝制造成型。根據(jù)葉片長度的不斷增加，對同一種基體樹脂，提高玻璃纖維的模量和拉伸強(qiáng)度要求也越來越高?，F(xiàn)如今，市場上強(qiáng)度較高的增強(qiáng)材料有兩種，一是玻璃纖維材料，二是碳纖維復(fù)合材料。玻璃纖維材料主要用于大型風(fēng)機(jī)葉片方向，碳纖維復(fù)合材料主要用于翼緣等對材料強(qiáng)度和剛度要求較高的部位作為增強(qiáng)材料。因為碳纖維復(fù)合材料還具有良好的導(dǎo)電性，所以碳纖維復(fù)合材料不僅可以提高葉片的承載能力，還能夠有效的避免雷擊對葉片的傷害。

現(xiàn)如今風(fēng)機(jī)生產(chǎn)制造材料不僅僅為樹脂纖維復(fù)合材料，越來越多的采用碳纖維復(fù)合材料，碳纖維的密度比玻璃纖維的優(yōu)勢有：密度比玻璃纖維小約百分之三十， 比玻璃纖維強(qiáng)度大百分之四十，尤其是模量高三到八倍。大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)是可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)。有國外科學(xué)家研究表明，一個旋轉(zhuǎn)直徑為120m的風(fēng)機(jī)的葉片，采用全碳纖維材料與采用全玻璃纖維材料相比，質(zhì)量能減輕百分之四十左右；而且作為葉片材料，碳纖維復(fù)合材料的剛度是玻璃纖維復(fù)合材料剛度葉片的2倍。據(jù)分析，如采用碳纖維于玻璃纖維混和增強(qiáng)方案，葉片可減輕百分之二十-百分之三十。如葉片采用碳纖維與玻璃纖維混合材料作為構(gòu)件那么，3.0 MW發(fā)電機(jī)的葉片長44m的葉片質(zhì)量與常規(guī)材料作為構(gòu)件的2.0MW發(fā)電機(jī)且為39m長的葉片質(zhì)量相同。同樣，研究表明長約34m的葉片，采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時質(zhì)量、采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂時質(zhì)量及采用玻璃纖維增強(qiáng)聚脂樹脂時質(zhì)量分別為3800kg、5200kg及5800kg。可以看出在質(zhì)量方面，在同等強(qiáng)度的情況下碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂質(zhì)量比其它兩種材料的質(zhì)量要輕的多。還有一些研究表明，采用碳纖維所制得的風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量比采用玻璃纖維制得的風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量輕約百分之三十二，而且成本下降約百分之十六。風(fēng)機(jī)總是處在條件惡劣的環(huán)境中，并且24h處于工作狀態(tài)。這就使材料易于受到損害。相關(guān)研究表明，碳纖維合成材料具有良好的抗疲勞特性，當(dāng)與樹脂材料混合時，則成為了風(fēng)力機(jī)適應(yīng)惡劣氣候條件的最佳材料之一。碳纖維的應(yīng)用可以減少負(fù)載和增加葉片長度，從而制造適合于低風(fēng)速地區(qū)的大直徑風(fēng)葉，使風(fēng)能成本下降?？芍圃熳赃m應(yīng)葉片。葉片裝在發(fā)電機(jī)的輪軸上，葉片的角度可調(diào)。目前主動型調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的設(shè)計風(fēng)速為13～15m/s（29～33英里/h），當(dāng)風(fēng)速超過時，則調(diào)節(jié)風(fēng)葉斜度來分散超過的風(fēng)力，防止對風(fēng)機(jī)的損害。斜度控制系統(tǒng)對逐步改變的風(fēng)速是有效的。但對狂風(fēng)的反應(yīng)太慢了，自適應(yīng)的各向異性葉片可幫助斜度控制系統(tǒng)，在突然的、瞬間的和局部的風(fēng)速改變時保持電流的穩(wěn)定。自適應(yīng)葉片充分利用了纖維增強(qiáng)材料的特性，能產(chǎn)生非對稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設(shè)計，使葉片在強(qiáng)風(fēng)中旋轉(zhuǎn)時可減少瞬時負(fù)載。由于減少了材料的應(yīng)用，所以纖維和樹脂的應(yīng)用都減少了，葉片變得輕巧，制造和運(yùn)輸成本都會下降，可縮小工廠的規(guī)模和運(yùn)輸設(shè)備。碳纖維的振動阻尼特性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。

當(dāng)前，葉片生產(chǎn)使用的是整卷的玻纖布，在葉片生產(chǎn)時根據(jù)葉片形狀現(xiàn)場修剪。其中輔梁是很規(guī)則的，可以提前裁剪。之前一直是人工使用卷尺測量，剪刀裁剪，裁剪效率低，尺寸誤差大。因此，很有必要設(shè)計研發(fā)一種結(jié)構(gòu)合理，操作方便，自動化程度高的裁剪設(shè)備，提高生產(chǎn)效率，減少尺寸誤差。和山東理工大學(xué)合作開發(fā)輔梁裁剪機(jī)，根據(jù)鋪層數(shù)據(jù)編制輔梁裁剪程序，用電機(jī)放布和收卷，提高輔梁裁剪效率，且尺寸精確（誤差正負(fù)5cm），裁剪效率提高了1倍，大大提高了輔梁布裁剪效率。如圖1所示。

隨著國家節(jié)能減排工作的開展，新能源利用率在逐年提高，風(fēng)電裝機(jī)容量在我國也是逐年遞增的趨勢。葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最為重要的部件，作為風(fēng)力葉片制造企業(yè)，其材料工藝與制作工藝的選擇直接決定了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。