萬 佳,鐘智麗,張 肖,石若星

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院,天津300387)

隨著人口的增長,能源危機(jī)愈加嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境不斷惡化。風(fēng)能作為一種綠色環(huán)?？稍偕茉?極具開發(fā)潛力,風(fēng)力發(fā)電作為一種綠色環(huán)保技術(shù)在開發(fā)可再生能源中倍受關(guān)注。風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件,良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量以及優(yōu)越的性能是其保持正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵,是獲得更大經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)[1]。我國對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的研究比發(fā)達(dá)國家起步晚,且進(jìn)展緩慢,在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)技術(shù)方面與起步較早的國家存在一定差距。隨著風(fēng)能這種可再生清潔能源的開發(fā),風(fēng)機(jī)葉片的研發(fā)也開始引起關(guān)注和重視,并將復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片列入重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目,怎樣合理設(shè)計(jì)葉片結(jié)構(gòu)以提高其機(jī)械性能和減輕質(zhì)量已成為研究的熱點(diǎn)。目前,世界上最大單機(jī)容量為7 MW的海上風(fēng)電機(jī)組已建成并投入生產(chǎn),其中,單機(jī)容量達(dá)到1.5 MW和2 MW的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)占據(jù)絕大部分市場(chǎng)[2-3]。我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展遲緩的原因在于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)技術(shù)落后以及不能自主研發(fā)出高強(qiáng)、大尺寸的葉片[4]。由于風(fēng)電機(jī)組長期在極其惡劣的環(huán)境中運(yùn)作,要求葉片材料具有高強(qiáng)度、耐疲勞、耐氣候等特性。如何減輕其質(zhì)量,增加抗疲勞強(qiáng)度和機(jī)械性能成為研究風(fēng)機(jī)葉片的焦點(diǎn)。

1 風(fēng)機(jī)葉片性能要求

目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片基本上是由復(fù)合材料構(gòu)成,復(fù)合材料占比通常超過90%。

每臺(tái)發(fā)電機(jī)一般有3支葉片,1.5 M W的發(fā)電機(jī)單支葉片使用復(fù)合材料達(dá)6 t,而3 MW以上的風(fēng)機(jī)葉片單支重量在10 t以上。近20年來,風(fēng)電發(fā)電在國內(nèi)迅猛發(fā)展,風(fēng)機(jī)葉片作為風(fēng)力發(fā)電的核心部件,其使用量逐年增長,由于風(fēng)機(jī)單機(jī)裝機(jī)容量越來越大,風(fēng)機(jī)葉片的直徑也在逐漸上升,因此對(duì)材料的要求很高。一般來講,風(fēng)機(jī)葉片材料需要滿足以下性能要求:

(1)材料要求密度小、質(zhì)輕;

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與受力要合理,穩(wěn)定性好,要求其表面打磨光滑來減小阻力,同時(shí)防止葉片損壞;

(4)耐腐蝕、抗紫外、耐氣候變化能力強(qiáng),葉片安裝在戶外,在極度惡劣的環(huán)境中還能保持良好的工作狀態(tài);

(5)抗疲勞強(qiáng)度高,使用壽命達(dá)到20～30年,能承受1～10億次循環(huán)負(fù)載,而且抗震性能要好;

(6)易加工成型,生產(chǎn)成本低,維護(hù)方便。

2 風(fēng)機(jī)葉片主要材料

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,再由機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能。而風(fēng)機(jī)葉片則是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部件之一,可用來制造加工風(fēng)機(jī)葉片的材料很多,如木材、鋁材、鋼材,但這些材料因?yàn)榉N種原因沒有得到廣泛應(yīng)用[5]。

2.1 傳統(tǒng)材料

(1)木制葉片。早期小型發(fā)電系統(tǒng)采用木制葉片,一般在真空條件下用樹脂將木材浸透后層壓固化。其制品撓性和扭轉(zhuǎn)性較好,但其加工形狀單一,不易扭曲,且木制葉片耐腐蝕較差,強(qiáng)度低,耐疲勞能力差,壽命短,在強(qiáng)風(fēng)作用下容易發(fā)生變形和破壞,不易在中大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中使用。

(2)鋁合金葉片。鋁合金密度較小,工藝簡單,易成型,通常采用擠壓成型生產(chǎn)等弦長葉片,還可進(jìn)行扭曲加工。但是鋁合金耐酸堿能力差,易被氧化,且抗疲勞性能較差[6]。

(3)合金鋼葉片。合金鋼密度較大,采用鋼材制造葉片通常在其內(nèi)部填充泡沫以減輕重量,可加工成細(xì)長形狀和翼型。但是,風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)表面要求也比較高,這對(duì)于合金鋼加工來說比較困難,其主要應(yīng)用在大型風(fēng)力機(jī)上。

2.2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

復(fù)合材料是有兩種或兩種以上采用物理和化學(xué)手段得到的一種新性能材料。目前,風(fēng)機(jī)葉片朝著質(zhì)輕、大型化的方向發(fā)展,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料成為風(fēng)機(jī)葉片的主要材料,其材質(zhì)包括增強(qiáng)體材料、樹脂基體材料、夾芯材料、涂料等[7]。

“進(jìn)博會(huì)彰顯了中國政府對(duì)貿(mào)易自由化和經(jīng)濟(jì)全球化的堅(jiān)定支持以及主動(dòng)向世界開放市場(chǎng)的決心。”瓦克集團(tuán)董事賀達(dá)博士從德國總部趕來參加進(jìn)博會(huì)并表示，“作為一家積極支持自由貿(mào)易和經(jīng)濟(jì)全球化的公司，我們是最早決定參展的幾家德國公司之一。中國是瓦克全球最大的單一市場(chǎng)，公司在華12億歐元銷售額中的一半來自進(jìn)口產(chǎn)品，與此同時(shí)，瓦克在華生產(chǎn)的產(chǎn)品中20%也會(huì)出口國際市場(chǎng)，自由貿(mào)易對(duì)瓦克來說意義重大。”

2.2.1 增強(qiáng)體材料

隨著葉片的大型化,質(zhì)輕化,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料漸漸取代傳統(tǒng)材料,其中,玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料質(zhì)輕高強(qiáng),易加工成型,具有較好的抗疲勞、耐腐蝕、耐氣候性及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在新能源葉片材料加工中也有廣泛應(yīng)用。此外,玄武巖作為新型無機(jī)纖維,其耐酸堿腐蝕、耐高溫性能優(yōu)異,加之成本低廉,有望成為風(fēng)機(jī)葉片生產(chǎn)的新型材料。各種纖維性能見表1。

表1 纖維性能比較

(1)玻璃纖維。E-玻璃纖維和S-玻璃纖維是生產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片最常用的增強(qiáng)材料,由表1可知,S-玻璃纖維力學(xué)性能優(yōu)于E-玻璃纖維,但是其價(jià)格較高,而E-玻璃纖維實(shí)用性較好,能與許多基體樹脂搭配,且加工工藝成熟,被廣泛應(yīng)用在加工葉片的增強(qiáng)材料。當(dāng)生產(chǎn)高強(qiáng)度、高剛度的風(fēng)機(jī)葉片時(shí),E-玻璃纖維不能滿足要求,而S-玻璃纖維作為增強(qiáng)材料可極大地提高復(fù)合材料的性能,但因其造價(jià)較高,不能成為制造風(fēng)機(jī)葉片的主要增強(qiáng)材料。

(2)碳纖維。碳纖維密度小,使風(fēng)機(jī)葉片朝質(zhì)輕化的方向發(fā)展。碳纖維力學(xué)性能優(yōu)于玻璃纖維,其剛度約為玻纖的3倍,是生產(chǎn)高強(qiáng)度、高鋼度,承載能力強(qiáng)的大型葉片的首選材料,且導(dǎo)電性好,可有效避免雷擊[8]。但是碳纖維較脆,受力過大容易直接斷裂,而且造價(jià)較高,極大地限制了碳纖維在葉片中的使用。目前,國內(nèi)外只是在某些關(guān)鍵部位使用碳纖維或碳/?；祀s纖維。

(3)玄武巖纖維。玄武巖力學(xué)性能與S-玻璃纖維相當(dāng),耐高溫,能長期使用在高溫環(huán)境中[9],耐酸堿腐蝕性能好,化學(xué)性能穩(wěn)定,有利于長期戶外工作。玄武巖纖維作為風(fēng)機(jī)葉片增強(qiáng)材料部分取代玻璃纖維和碳纖維,會(huì)使葉片性能更高,具有深遠(yuǎn)的研究意義。

2.2.2 樹脂基體材料

風(fēng)機(jī)葉片復(fù)合材料主要是由增強(qiáng)體與乙烯基酯樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂等基體復(fù)合加工而成型。乙烯基樹脂是由雙酚A環(huán)氧樹脂與甲基丙烯酸反應(yīng)合成,兼具環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯的優(yōu)點(diǎn),具有較高的強(qiáng)度,較好的耐腐蝕性,室溫下可固化。環(huán)氧樹脂是分子中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的環(huán)氧基團(tuán)的一種有機(jī)化合物,由于其中的環(huán)氧基團(tuán)較為活潑,因此機(jī)械和粘結(jié)性能較好。但是其耐氣候性較差,柔韌性也不好,極大地限制其在風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用。聚氨酯改性環(huán)氧樹脂不僅粘結(jié)強(qiáng)度好,同時(shí)還有較強(qiáng)的防腐性能和較好的柔韌性。聚酯是由多元酸和多元醇經(jīng)過縮聚反應(yīng)而得的一類聚合物,具有高強(qiáng)高模高硬度、耐腐蝕耐疲勞抗蠕變等優(yōu)良性能,可二次利用,但是不耐高溫且剛性較差。

2.2.3 夾芯材料

風(fēng)電機(jī)組在滿足高發(fā)電效率和降低度電成本的條件下,其大型化已成為大勢(shì)所趨,這就要求風(fēng)機(jī)葉片的長度更長、掃風(fēng)面積更大。同時(shí),為了減輕葉片自身重量,增加葉片結(jié)構(gòu)剛度,提高整個(gè)葉片抵抗載荷的能力,一般在風(fēng)電葉片相關(guān)部位都會(huì)大量采用夾芯材料。夾芯材料是層壓在復(fù)合材料中間的一個(gè)整體,通過固化成型,應(yīng)滿足高強(qiáng)度、高剛度、阻燃、優(yōu)良的耐腐蝕性且與樹脂能夠良好地結(jié)合,其材料一般為泡沫或者木材[10],目前市場(chǎng)上常用的夾芯材料主要是PVC結(jié)構(gòu)泡沫和Balsa輕木,其中Balsa輕木主要應(yīng)用于葉根部位,PVC結(jié)構(gòu)泡沫則應(yīng)用于葉片蒙皮和腹板部位。夾芯材料不僅要提高風(fēng)機(jī)葉片的機(jī)械強(qiáng)度,還要有效地減輕葉片的質(zhì)量。

2.2.4 涂料

涂料是為了使葉片獲得更好的氣動(dòng)性能而使葉片變得更加光滑的一類材料,同時(shí)也能夠防止沙塵、雨水對(duì)葉片的損害,有效地延長葉片的使用壽命。其常用材料有聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂、氟樹脂、有機(jī)硅樹脂和環(huán)氧樹脂等[11]。

聚氨酯樹脂是風(fēng)機(jī)葉片中使用最多的樹脂,其耐磨性、柔韌性較好。丙烯酸樹脂在汽車和航空領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用,是由丙烯酸酯和甲基丙烯酸以及其他烯類單體共聚而制成,作為一種性能優(yōu)異的戶外材料,其耐氣候性較好,并具有保光保色的特性。氟樹脂的分子結(jié)構(gòu)中含有氟原子,屬于熱塑性樹脂,具有優(yōu)越的耐高溫低溫性、耐氣候性,化學(xué)性能相對(duì)比較穩(wěn)定。有機(jī)硅樹脂耐高溫,也具有穩(wěn)定的化學(xué)性能,但是其機(jī)械性能較差,粘結(jié)強(qiáng)度低,制備工藝復(fù)雜且生產(chǎn)成本較高。由于風(fēng)機(jī)葉片長期在比較惡劣的環(huán)境中工作,經(jīng)受雨水腐蝕、紫外照射、強(qiáng)風(fēng)沖擊、大氣氧化等作用,為提高葉片的整體性能,需要對(duì)普通樹脂進(jìn)行改性,使得改性后樹脂的綜合性能得到改進(jìn),進(jìn)而延長葉片使用壽命。

2.2.5 復(fù)合材料成型工藝

傳統(tǒng)葉片多為手糊成型(又稱濕法成型),該法主要是手工勞動(dòng),操作簡單方便,成本較低,但是質(zhì)量極其不穩(wěn)定,依賴工人操作熟練程度,生產(chǎn)效率低,不適用大型葉片的生產(chǎn)加工[12]。

樹脂傳遞模塑(RTM)是一種成本低、效率高,可生產(chǎn)精度高的尺寸和復(fù)雜的外形。其原理是將增強(qiáng)材料預(yù)制件在模具中鋪放好,樹脂通過注射設(shè)備流入封閉的模具浸漬增強(qiáng)體后加熱固化成型,脫模后獲得構(gòu)件。其制品表面光滑度高、孔隙率低、生產(chǎn)周期短且生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境污染小,但是其模具設(shè)計(jì)復(fù)雜、加工困難。

真空輔助樹脂傳遞模塑(VART M)是對(duì)RT M工藝的一種改進(jìn),通過真空泵抽真空引導(dǎo)樹脂流入薄膜包覆的模具中浸漬預(yù)制件[13]。該方法可生產(chǎn)大型風(fēng)機(jī)葉片,但要求工藝參數(shù)達(dá)到最優(yōu),樹脂黏度最佳且流動(dòng)性要好,模具設(shè)計(jì)合理,保證增強(qiáng)材料能夠完全均勻浸漬樹脂。

3 結(jié)語

未來風(fēng)機(jī)葉片將朝著大型化、輕質(zhì)化、重載化的方向發(fā)展。這不僅要求風(fēng)機(jī)葉片具有高強(qiáng)高模,還要滿足在更加惡劣的環(huán)境中正常工作。除了具有優(yōu)良的機(jī)械性能外,還必須具有優(yōu)越的耐疲勞、耐腐蝕性能,能夠面臨環(huán)境的侵蝕并大大提高葉片的使用壽命。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料比強(qiáng)度高,力學(xué)性能優(yōu)良,具有耐氣候,耐腐蝕,密度小、質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn),在減輕葉片重量的同時(shí)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度,目前我國雖然從國外引進(jìn)先進(jìn)制造技術(shù),但仍然缺乏自主研發(fā)能力。大型葉片質(zhì)輕化,機(jī)械強(qiáng)度、抗疲勞性能的提升,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),材料體系以及制造技術(shù)有待深入研究。

[1] 周紅麗,王 紅,羅 振,等.風(fēng)力發(fā)電復(fù)合材料葉片的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2012,26(3):65-68.

[2] 梁 廣.淺談復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片科技進(jìn)展[J].中國建材,2014,(9):94-97.

[3] 徐 林.新型復(fù)合材料在風(fēng)機(jī)葉片中的應(yīng)用[J].科學(xué)時(shí)代,2014,(2):18-21.

[4] 吳 濤.復(fù)合材料風(fēng)電葉片技術(shù)現(xiàn)狀及趨向[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2017,(10):44-45.

[5] 尚寶月.風(fēng)機(jī)葉片用玄武巖纖維復(fù)合材料的改性研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2011.

[6] 趙渠森.先進(jìn)復(fù)合材料手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[7] 馬祥林,任 婷,徐衛(wèi)平.大型碳纖維復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片成型工藝與發(fā)展[J].纖維復(fù)合材料,2011,(3):26-29.

[8] 趙稼祥.復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電上的應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用,2003,28(4):1-4.

[9] 黃根來,孫志杰,王明超,等.玄武巖纖維及其復(fù)合材料基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2006,(1):24-27.

[10]馮消冰,王 偉.2 MW風(fēng)機(jī)復(fù)合材料葉片材料及工藝研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2010,(4):84-88.

[11]王 曉,王華進(jìn),趙 薇,等.風(fēng)電葉片涂料用樹脂研究進(jìn)展[J].表面技術(shù),2016,45(6):28-35.

[12]陳紹杰,申振華,徐鶴山.復(fù)合材料與風(fēng)力機(jī)葉片[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2008,26(2):42-46.

[13]高會(huì)煥.纖維增強(qiáng)材料風(fēng)機(jī)葉片發(fā)展概述[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2009,207(4):104-108.