第一篇：風(fēng)力發(fā)電復(fù)合材料葉片現(xiàn)在和發(fā)展

風(fēng)力發(fā)電復(fù)合材料葉片現(xiàn)在和發(fā)展

2008-3-21 23:24:14纖維復(fù)合材料

來(lái)源:張曉明(中國(guó)復(fù)合材料集團(tuán)有限公司）

葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有效捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件。在發(fā)電機(jī)功率確定的條件下，如何提高發(fā)電效率，以獲得更大的風(fēng)能，一直是風(fēng)力發(fā)電追求的目標(biāo)，而捕風(fēng)能力的提高與葉片的形狀、長(zhǎng)度和面積有著密切的關(guān)系，葉片尺寸的大小則主要依賴于制造葉片的材料。葉片的材料越輕、強(qiáng)度和剛度越高，葉片抵御載荷的能力就越強(qiáng)，葉片就可以做得越大，它的捕風(fēng)能力也就越強(qiáng)。因此，輕質(zhì)高強(qiáng)、耐久性好的復(fù)合材料成為目前大型風(fēng)力發(fā)電葉片的首選材料。

無(wú)論是陸地風(fēng)力發(fā)電，還是海上風(fēng)力發(fā)電，每千瓦時(shí)的發(fā)電成本均隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增加而下降，發(fā)電裝備的大型化已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)。近幾年，隨著全球風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)的逐漸成熟，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)相繼出現(xiàn)。目前商業(yè)化風(fēng)力發(fā)電所用的電機(jī)容量一般為1.5 2.0 MW，與之配套的復(fù)合材料葉片長(zhǎng)度大約30—40米。據(jù)報(bào)道，現(xiàn)今世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的裝機(jī)容量為5 MW，旋轉(zhuǎn)直徑可達(dá)126.3米。丹麥的LM公司為此裝備配套研制了61.5米長(zhǎng)的復(fù)合材料葉片，單片葉片的重量接近18噸，成為世界最大的復(fù)合材料葉片“巨人”。這一實(shí)例成功地體現(xiàn)了材料、結(jié)構(gòu)和工藝的三者的完美結(jié)合。

在復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電葉片的研究開(kāi)發(fā)過(guò)程中，德國(guó)、丹麥、美國(guó)等風(fēng)能資源利用較好的國(guó)家針對(duì)大型葉片的材料體系、外形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、質(zhì)量檢驗(yàn)、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和廢棄物處理作了大量的研究開(kāi)發(fā)工作，并取得了豐碩的成果。設(shè)計(jì)者和制造商已經(jīng)完全可以針對(duì)不同的地區(qū)風(fēng)力發(fā)電的需要，選擇最佳的設(shè)計(jì)方案和制造技術(shù)，生產(chǎn)適合不同需求的復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電葉片。目前正在服役的風(fēng)力發(fā)電葉片多為復(fù)合材料葉片。這些葉片基本上是由聚酯樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂等熱固性基體樹(shù)脂與E一玻璃纖維、s一玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過(guò)手工鋪放或樹(shù)脂注入等成型工藝復(fù)合而成，以滿足不同風(fēng)場(chǎng)的使用要求。由于玻璃纖維的價(jià)格僅為碳纖維價(jià)格的1/10左右，目前的葉片制造采用的增強(qiáng)材料仍以玻璃纖維為主。例如，在54米長(zhǎng)的大型復(fù)合材料葉片制造中依然以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，最輕的葉片重量?jī)H為13.4噸。隨著超大型葉片的出現(xiàn)，葉片長(zhǎng)度不斷增加，葉片對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度等性能也提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足。LM公司在制造61．5米的大型復(fù)合材料葉片時(shí)，為保證葉片能夠安全地承擔(dān)風(fēng)、溫度等外界載荷，單純的玻璃纖維增強(qiáng)材料已經(jīng)很難滿足葉片對(duì)強(qiáng)度和剛度的要求。因此，該葉片采用了玻璃纖維/碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，尤其是在翼緣等對(duì)材料強(qiáng)度和剛度要求較高的部位，則使用碳纖維作為增強(qiáng)材料。這樣，不僅可以提高葉片的承載能力，由于碳纖維具有導(dǎo)電性，也可以有效地避免雷擊對(duì)葉片造成損傷。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在工作過(guò)程中，復(fù)合材料葉片不僅要承受強(qiáng)大的風(fēng)載荷，還要經(jīng)受氣體沖刷、砂石粒子沖擊、以及強(qiáng)烈的紫外線照射等外界的侵蝕。為了充分發(fā)揮增強(qiáng)材料的增強(qiáng)作用，提高復(fù)合材料葉片的承擔(dān)載荷、耐腐蝕和耐沖刷等項(xiàng)性能，LM公司等復(fù)合材料葉片的制造商們還對(duì)樹(shù)脂基體系統(tǒng)進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)和

改進(jìn)。采用性能優(yōu)異的環(huán)氧樹(shù)脂代替不飽和聚酯樹(shù)脂，改善了玻璃纖維/樹(shù)脂界面的粘結(jié)性能，提高了葉片的承載能力，擴(kuò)大了玻璃纖維在大型葉片中的應(yīng)用范圍。為提高復(fù)合材料葉片在惡劣工作環(huán)境中的長(zhǎng)期使用性能，sP公司專門(mén)研究開(kāi)發(fā)出耐紫外線輻照的新型環(huán)氧樹(shù)脂系統(tǒng)，以滿足風(fēng)力發(fā)電葉片耐久性的要求。在風(fēng)力發(fā)電的初期階段，由于發(fā)電機(jī)的功率較小，需要的復(fù)合材料葉片尺寸也比較小，葉片質(zhì)量分布的均勻性對(duì)發(fā)電機(jī)和塔座的影響不十分顯現(xiàn)；而且，當(dāng)時(shí)人們對(duì)開(kāi)模成型工藝時(shí)苯乙烯揮發(fā)給大氣環(huán)境造成的污染，對(duì)操作人員造成的身體危害并未引起足夠的認(rèn)識(shí)。因此，最初的小型復(fù)合材料葉片制造基本采用簡(jiǎn)單易行的手糊成型工藝。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率的不斷提高，安裝發(fā)電機(jī)的塔座和捕捉風(fēng)能的復(fù)合材料葉片做的越來(lái)越大。

為了保證發(fā)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)和塔座安全，不僅要求葉片的質(zhì)量輕，也要求葉片的質(zhì)量分布必須均勻、外形尺寸精度控制準(zhǔn)確、長(zhǎng)期使用性能可靠。若要滿足上述要求，需要相應(yīng)的成型工藝來(lái)保證。另外，復(fù)合材料制造過(guò)程中苯乙烯揮發(fā)對(duì)環(huán)境和操作人員產(chǎn)生的不良影響也越來(lái)越引起人們的重視，一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)制定出相應(yīng)的法規(guī)，我國(guó)也對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的有害揮發(fā)物有明確的限制規(guī)定。因此，復(fù)合材料成型工藝隨之發(fā)生變化，逐漸由開(kāi)模工藝向閉模工藝改進(jìn)，以減少苯乙烯自然揮發(fā)對(duì)環(huán)境和人體的危害。

在大型復(fù)合材料葉片制造過(guò)程中也反映出這一成型工藝的變化：首先，葉片的制造工藝由手糊成型向著濕法鋪放工藝的轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)材料的現(xiàn)場(chǎng)浸漬逐漸轉(zhuǎn)向預(yù)先浸漬，開(kāi)始采用玻璃纖維/聚酯或玻璃纖維/環(huán)氧預(yù)浸料，大幅度的降低了成型過(guò)程中苯乙烯的揮發(fā)。這樣，不僅樹(shù)脂含量容易精確控制，保證了復(fù)合材料葉片的質(zhì)量分布均勻，而且增強(qiáng)材料鋪設(shè)角度準(zhǔn)確，可以有效地發(fā)揮增強(qiáng)材料的性能，提高復(fù)合材料的承載能力。其次，開(kāi)模成型工藝向著閉模工藝發(fā)展，為了改善成型環(huán)境，減少有害氣體的揮發(fā)，進(jìn)一步提高葉片的質(zhì)量穩(wěn)定性，大型復(fù)合材料葉片的制造開(kāi)始引入樹(shù)脂注人工藝技術(shù)。在樹(shù)脂注人工藝中，樹(shù)脂基體在真空壓力的作用下，可以更完全的浸漬增強(qiáng)材料，不僅能夠準(zhǔn)確地控制樹(shù)脂含量，充分發(fā)揮增強(qiáng)材料的作用，提高復(fù)合材料葉片的承載能力，而且無(wú)需大型專用設(shè)備，制造成本較低。

與此同時(shí)，葉片的制造模具也在悄悄地發(fā)生變化。大型復(fù)合材料葉片的外形尺寸與其制造模具有著極其密切的關(guān)系。為保證復(fù)合材料葉片設(shè)計(jì)外形和尺寸精度，葉片長(zhǎng)度越長(zhǎng)，成型時(shí)對(duì)模具剛度和強(qiáng)度的要求就越高，模具的重量和成本也會(huì)大幅度地提高。為了降低模具成本，減輕模具重量，大型復(fù)合材料葉片的制造模具也逐漸由金屬模具向著復(fù)合材料模具轉(zhuǎn)變，這也意味著復(fù)合材料葉片可以做得更長(zhǎng)。另外，由于模具與葉片采用了相同的材料，模具材料的熱膨脹系數(shù)與葉片材料基本相同，制造出的復(fù)合材料葉片的精度和尺寸穩(wěn)定性均優(yōu)于金屬模具制造的葉片產(chǎn)品。

此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，大型復(fù)合材料葉片的制造技術(shù)也在不斷的進(jìn)步。LM公司將機(jī)器人技術(shù)用于大型葉片的纖維鋪覆和粘結(jié)，并將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于工藝過(guò)程的實(shí)施監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄，為用戶提供可追溯的資料作為可靠性保證的依據(jù)。

選擇最佳的材料體系和制造工藝，制造出質(zhì)量最好的復(fù)合材料葉片，以滿足風(fēng)力發(fā)電快速發(fā)展的需求，未來(lái)的成型工藝將給復(fù)合材料葉片制造提供最優(yōu)的實(shí)施手段。

以最小的葉片重量獲得最大的葉片面積，使得葉片具有更高的捕風(fēng)能力，葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得十分重要，尤其是符合空氣動(dòng)力學(xué)要求的大型復(fù)合材料葉片的最佳外形設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性尤為突出，它是實(shí)現(xiàn)葉片的材料有效結(jié)合的軟件支撐。另外，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用也使得葉片的結(jié)構(gòu)與層合板設(shè)計(jì)更加細(xì)化，有利的支持了最佳工藝參數(shù)的確定。

早在1920年，德國(guó)的物理學(xué)家舢bert Betz就對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的計(jì)算?；诋?dāng)時(shí)的計(jì)算條件和對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識(shí)，Be￡z在葉片計(jì)算時(shí)采用了一些假設(shè)條件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展，計(jì)算手段的顯著提高，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片的認(rèn)識(shí)和理解也在逐步深人。尤其是近十年來(lái)，經(jīng)過(guò)研究人員對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片進(jìn)行的多次現(xiàn)場(chǎng)載荷、聲音和動(dòng)力測(cè)量以后，發(fā)現(xiàn)葉片的理論預(yù)測(cè)值與實(shí)際記錄值有較大的偏離。這可能是由于過(guò)多地相信了風(fēng)洞試驗(yàn)，而對(duì)葉片服役期間可能遇到的較強(qiáng)動(dòng)態(tài)環(huán)境和湍流條件考慮不足造成的。因此，一些相關(guān)人員對(duì)當(dāng)時(shí)的葉片計(jì)算采用的假設(shè)條件提出了質(zhì)疑。流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算和軟件的改進(jìn)使得研究人員能夠更精確地模擬葉片實(shí)際的受力狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善葉片的空氣動(dòng)力學(xué)特性，即使葉片在旋轉(zhuǎn)速度降低5%的情況下，捕風(fēng)能力仍可以提高5%；隨著葉片旋轉(zhuǎn)速度的降低，葉片運(yùn)行的噪音大約可以降低3dB。同時(shí)，較低的葉片旋轉(zhuǎn)速度要求的運(yùn)行載荷也較低，旋轉(zhuǎn)直徑可以相應(yīng)的增加。在此項(xiàng)研究的基礎(chǔ)上，德國(guó)的E~ercon公司將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)直徑由30米增加到33米，復(fù)合材料葉片也隨著相應(yīng)的增加。由于葉片長(zhǎng)度的增加，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)掃過(guò)的面積增大，捕風(fēng)能力大約提高了25%。Enercon公司還對(duì)33米葉片進(jìn)行了空氣動(dòng)力試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)精確的測(cè)定，葉片的實(shí)際氣動(dòng)效率為56%，比按照Betz計(jì)算的最大氣動(dòng)效率低約3—4個(gè)百分點(diǎn)。為此，該公司對(duì)大型葉片外形型面和結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了必要的改進(jìn)：包括為了抑制生成擾流和漩渦，在葉片端部安裝“小翼”；為改善和提高渦輪發(fā)電機(jī)主艙附近的捕風(fēng)能力，對(duì)葉片根莖進(jìn)行重新改進(jìn)，縮小葉片的外形截面，增加葉徑長(zhǎng)度；對(duì)葉片頂部與根部之間的型面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，Enercon公司開(kāi)發(fā)出旋轉(zhuǎn)直徑7l米的2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，改進(jìn)后葉片根部的捕風(fēng)能力得以提高。E~ercon公司在4．5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中繼續(xù)采用此項(xiàng)技術(shù)，旋轉(zhuǎn)直徑為112米的葉片端部仍安裝的傾斜“小翼”，使得葉片單片的運(yùn)行噪音小于3個(gè)葉片(旋轉(zhuǎn)直徑為66米)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音。

丹麥的LM公司在61.5米復(fù)合材料葉片樣機(jī)的設(shè)計(jì)中對(duì)其葉片根部固定進(jìn)行了改進(jìn)，尤其是固定螺栓與螺栓孔周?chē)鷧^(qū)域。這樣，在保持現(xiàn)有根部直徑的情況下，能夠支撐的葉片長(zhǎng)度可比改進(jìn)前增加20%。另外，LM公司的葉片預(yù)彎曲專有技術(shù)也可以進(jìn)一步降低葉片重量和提高產(chǎn)能。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)，大型復(fù)合材料的葉片也向著智能化發(fā)展。在最新一代的Enercon葉片中開(kāi)始采用葉片自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)⑷~片運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)百個(gè)電子信息自動(dòng)地傳遞給葉片的控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)每個(gè)月都會(huì)報(bào)告葉片的運(yùn)行情況、早期損傷情況，以利于使用者能夠?qū)p傷葉片進(jìn)行及時(shí)地修補(bǔ)。

LM公司將光纖控制技術(shù)用于制造智能復(fù)合材料葉片。在大型葉片制造中，尤其是近海風(fēng)場(chǎng)用的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于風(fēng)場(chǎng)的氣候條件惡劣，監(jiān)測(cè)和維護(hù)困難，對(duì)外界溫度、葉片裂紋、雷擊等對(duì)葉片損傷的早期預(yù)警顯得十分重要。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)合材料葉片的實(shí)時(shí)監(jiān)控，LM公司將光纖監(jiān)控技術(shù)用于復(fù)合材料葉片的制造，開(kāi)發(fā)出具有智能功能的復(fù)合材料葉片。在制造大型復(fù)合材料葉片時(shí)，LM公司將光纖傳感器埋設(shè)和固定于復(fù)合材料內(nèi)部。當(dāng)這種智能復(fù)合材料葉片工作時(shí)，光纖傳感器就會(huì)將葉片工作時(shí)的狀態(tài)實(shí)時(shí)反映給數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，將其反饋給風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)。一旦葉片所承受外界載荷(溫度、風(fēng)速、風(fēng)載等)超過(guò)設(shè)計(jì)載荷、葉片主體產(chǎn)生裂紋、外界雷擊等可能對(duì)葉片造成損傷時(shí)，葉片的監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出早期預(yù)警信號(hào)，此時(shí)才需要對(duì)葉片進(jìn)行必要的保養(yǎng)和維護(hù)工作，可以大大降低葉片的日常維護(hù)費(fèi)用。目前，這項(xiàng)工作正在模擬的外界環(huán)境中進(jìn)行20年服役期的可靠性加速試驗(yàn)。LM公司目前也將此系統(tǒng)安裝在40米的葉片上進(jìn)行試驗(yàn)，不久將在61.5米的葉片上進(jìn)行試驗(yàn)。目前使用的復(fù)合材料葉片屬于熱固性復(fù)合材料，很難自然降解。廢棄物處理一般采用填埋或者燃燒等方法處理，基本上不再重新利用。面對(duì)日益突出的復(fù)合材料廢棄物對(duì)環(huán)境造成的危害，一些制造商開(kāi)始探討復(fù)合材料的回收和再利用技術(shù)。

到2004年底，全世界新增的風(fēng)力發(fā)電能力接近8GW，風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)的總?cè)萘恳堰_(dá)47.4GW，正在服役的風(fēng)力發(fā)電葉片已達(dá)數(shù)千片。在未來(lái)十年間，仍以10%以上的增長(zhǎng)速度快速發(fā)展。復(fù)合材料風(fēng)力發(fā)電葉片的使用壽命一般為2030年。雖然最初的葉片為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，但絕大多數(shù)的服役葉片仍為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。在未來(lái)的十幾年間，這些葉片將陸續(xù)退役，退役后葉片如何處理也將成為材料科學(xué)家和環(huán)保工作者必須面對(duì)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。以利用風(fēng)能發(fā)電最好的德國(guó)為例，目前德國(guó)的風(fēng)力發(fā)電量約占全年總發(fā)電量的6%。如果德國(guó)實(shí)現(xiàn)由風(fēng)力發(fā)電來(lái)提供25%的電力需求的發(fā)展目標(biāo)，則該國(guó)需要安裝7500個(gè)超大型風(fēng)力發(fā)電裝置，至少需要22500個(gè)大型復(fù)合材料葉片與之配套。這些葉片在生產(chǎn)過(guò)程中將產(chǎn)生大量的苯乙烯有害氣體，也會(huì)產(chǎn)生一些固體廢棄物，而退役葉片造成的廢棄物則更是數(shù)量驚人。

目前，復(fù)合材料廢棄物的回收和再利用多集中在廢棄物粉碎后作為填料使用，或者燃燒廢棄物利用其熱能。復(fù)合材料葉片的制造商正在探討熱固性復(fù)合材料(如預(yù)浸料)分離處理技術(shù)的可行性，試圖將未固化的復(fù)合材料進(jìn)行熱固性樹(shù)脂與增強(qiáng)纖維分離，然后分別再利用。廢棄物的回收和再利用是退役復(fù)合材料葉片最理想的處理方法，這就是為什么人們積極研究開(kāi)發(fā)熱塑性復(fù)合材料葉片——“綠色葉片”的重要原因。

與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、抗沖擊性能好、生產(chǎn)周期短等一系列優(yōu)異性能。在相同的尺寸條件下，熱塑性復(fù)合材料由于密度低，葉片的重量更輕，隨之帶來(lái)安裝塔座和發(fā)電機(jī)重量的減小，同時(shí)運(yùn)輸和安裝費(fèi)用也相應(yīng)地降低。但是，該類復(fù)合材料的制造工藝技術(shù)與傳統(tǒng)的熱固性復(fù)合材料成型工藝差異較大，制造成本較高，成為限制熱塑性復(fù)合材料用于風(fēng)力發(fā)電葉片的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著熱塑性復(fù)合材料制造工藝技術(shù)研究工作的不斷深人和相應(yīng)的新型熱塑性樹(shù)脂的開(kāi)發(fā)，制造熱塑性復(fù)合材料葉片已經(jīng)不僅僅是一個(gè)新概念，正在一步步地走向現(xiàn)實(shí)。

最近，愛(ài)爾蘭Gaoth風(fēng)能公司與日本三菱重工和美國(guó)Cyclics公司正在探討如何共同研制低成本熱塑性復(fù)合材料葉片。Gaoth公司認(rèn)為熱塑性復(fù)合材料葉片制造成本較高的主要原因是目前熱塑性復(fù)合材料的制造工藝成本較高，如果能夠開(kāi)發(fā)出一種新的低成本制造技術(shù)，就有可能使得熱塑性復(fù)合材料的制造成本低于熱固性復(fù)合材料。在愛(ài)爾蘭有關(guān)企業(yè)的資助下，Limerick大學(xué)和Galway國(guó)立大學(xué)開(kāi)展了熱塑性復(fù)合材料的先進(jìn)成型工藝技術(shù)的基礎(chǔ)研究。為了解決熱塑性復(fù)合材料葉片的纖維浸漬和大型熱塑性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件制造過(guò)程的樹(shù)脂流動(dòng)

性問(wèn)題，美國(guó)的Cyclics公司為此開(kāi)發(fā)出一種低粘度的熱塑性工程塑料基體材料——cBT 樹(shù)脂。這種像水一樣低粘度的熱塑性工程塑料CBTR樹(shù)脂流動(dòng)性好，易于浸漬增強(qiáng)材料，可以充分發(fā)揮增強(qiáng)材料的性能，賦予復(fù)合材料良好的韌性。該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施，不僅可以提高葉片的抗沖擊能力，還可以大幅度提高成型速度，具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)。Cyclics公司聲稱當(dāng)葉片退役后，平均每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可再利用的葉片材料可達(dá)19噸，這是前所未有的。

在“綠色葉片”研究的最初階段，愛(ài)爾蘭的Gaoth公司將負(fù)責(zé)12．6米長(zhǎng)的熱塑性復(fù)合材料葉片的制造，Mitsubishi(三菱)公司將負(fù)責(zé)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上進(jìn)行“綠色葉片的試驗(yàn)”。此項(xiàng)試驗(yàn)成功后，他們將繼續(xù)研究開(kāi)發(fā)30米以上的熱塑性復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)葉片。根據(jù)有關(guān)資料介紹，與環(huán)氧樹(shù)脂/玻璃纖維復(fù)合材料大型葉片相比較，如果采用熱塑性復(fù)合材料葉片，每臺(tái)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)所用的葉片重量可以降低10%，抗沖擊性能大幅度提高，制造成本至少降低1/4，制造周期至少降低1/3，而且可以完全回收和再利用。安全快捷地制造“綠色”的復(fù)合材料葉片正期待著復(fù)合材料葉片制造商去實(shí)現(xiàn)，Gaoth公司及其合作伙伴就是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的先驅(qū)。

作為可再生的清潔能源之一，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始注重風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用。在國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目和863項(xiàng)目的共同支持下，我國(guó)已基本掌握了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及復(fù)合材料葉片的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)；“十五”期間，將完成MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研制，為我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)參與常規(guī)能源市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)奠定基礎(chǔ)?！笆濉逼陂g，風(fēng)力發(fā)電事業(yè)在我國(guó)得到快速發(fā)展。根據(jù)最近的資料報(bào)道，到2020年，我國(guó)將投資2000億人民幣用于風(fēng)力發(fā)電建設(shè)，新增風(fēng)力發(fā)電能力將達(dá)3000MW，并要求風(fēng)力發(fā)電裝備本土化。這項(xiàng)舉措將對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展起到積極的促進(jìn)作用。為此，國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正在加緊研究開(kāi)發(fā)1．5MW風(fēng)力發(fā)電裝備和與之配套的大型復(fù)合材料葉片。國(guó)際上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家也看好了潛力巨大的中國(guó)風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)，丹麥、美國(guó)等國(guó)家為了降低生產(chǎn)成本，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，紛紛在中國(guó)建廠。國(guó)家對(duì)可再生清潔能源的支持，加快了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展速度，也為我國(guó)的大型復(fù)合材料葉片開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)不可多得的發(fā)展機(jī)遇。面臨著巨大的市場(chǎng)需求和強(qiáng)勁的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)大型復(fù)合材料葉片的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)共存。

第二篇：風(fēng)力發(fā)電葉片制作工藝介紹

風(fēng)力發(fā)電葉片制作工藝介紹

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(jì)、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(gè)機(jī)組成本的15%-20%。根據(jù)“風(fēng)機(jī)功價(jià)比法則”，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率與葉片長(zhǎng)度的平方成正比，增加長(zhǎng)度可以提高單機(jī)容量，但同時(shí)會(huì)造成發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量的增加，使其造價(jià)大幅度增加。1碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用

葉片材料的發(fā)展經(jīng)歷了木制、鋁合金的應(yīng)用，進(jìn)入了纖維復(fù)合材料時(shí)代。纖維材料比重輕，疲勞強(qiáng)度和機(jī)械性能好，能夠承載惡劣環(huán)境條件和隨機(jī)負(fù)荷，目前最普遍采用的是玻璃纖維增強(qiáng)聚酯（環(huán)氧）樹(shù)脂。但隨著大功率發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，葉片長(zhǎng)度不斷增加，為了防止葉尖在極端風(fēng)載下碰到塔架，就要求葉片具有更高的剛度。國(guó)外專家認(rèn)為，玻璃纖維復(fù)合材料的性能已經(jīng)趨于極限，不能滿足大型葉片的要求，因此有效的辦法是采用性能更佳的碳纖維復(fù)合材料。

1）提高葉片剛度，減輕葉片質(zhì)量

碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%，強(qiáng)度大40%，尤其是模量高3～8倍。大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。荷蘭戴爾弗理工大學(xué)研究表明，一個(gè)旋轉(zhuǎn)直徑為120m的風(fēng)機(jī)的葉片，由于梁的質(zhì)量超過(guò)葉片總質(zhì)量的一半，梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維，和采用全玻璃纖維的相比，質(zhì)量可減輕40%左右；碳纖維復(fù)合材料葉片剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的2倍。據(jù)分析，采用碳纖維／玻璃纖維混雜增強(qiáng)方案，葉片可減輕20％～30％。VestaWindSystem公司的V90型3.0MW發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構(gòu)件，葉片質(zhì)量與該公司V80型2.0MW發(fā)電機(jī)且為39m長(zhǎng)的葉片質(zhì)量相同。同樣是34m長(zhǎng)的葉片，采用玻璃纖維增強(qiáng)聚脂樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量為5800kg，采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量為5200kg，而采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量比采用玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。

2）提高葉片抗疲勞性能

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(shù)脂材料混合時(shí)，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。

3）使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡,提高風(fēng)能利用效率 使用碳纖維后，葉片質(zhì)量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，減少對(duì)塔和輪軸的負(fù)載，從而使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同時(shí)，碳纖維葉片更薄，外形設(shè)計(jì)更有效，葉片更細(xì)長(zhǎng)，也提高了能量的輸出效率。

4）可制造低風(fēng)速葉片

碳纖維的應(yīng)用可以減少負(fù)載和增加葉片長(zhǎng)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。

5）可制造自適應(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(dòng)型調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)速為13～15m/s(29～33英里/h)，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)時(shí)，則調(diào)節(jié)風(fēng)葉斜度來(lái)分散超過(guò)的風(fēng)力，防止對(duì)風(fēng)機(jī)的損害。斜度控制系統(tǒng)對(duì)逐步改變的風(fēng)速是有效的。但對(duì)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(shí)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(duì)稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設(shè)計(jì)，使葉片在強(qiáng)風(fēng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)可減少瞬時(shí)負(fù)載。美國(guó)SandiaNationalLaboratories致力于自適應(yīng)葉片研究，使1.5MW風(fēng)機(jī)的發(fā)電成本降到4.9美分/(kWh)，價(jià)格可和燃料發(fā)電相比。

6）利用導(dǎo)電性能避免雷擊

利用碳纖維的導(dǎo)電性能，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效地避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。

7）降低風(fēng)力機(jī)葉片的制造和運(yùn)輸成本

由于減少了材料的應(yīng)用，所以纖維和樹(shù)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(huì)下降，可縮小工廠的規(guī)模和運(yùn)輸設(shè)備。

8）具有振動(dòng)阻尼特性

碳纖維的振動(dòng)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。

2葉片制造工藝及流程 2.1三維編織體/VARTM技術(shù)

2.1.1材料選擇

目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片基本上是由聚酯樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂等熱固性基體樹(shù)脂與玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過(guò)手工鋪放、樹(shù)脂注入成型工藝復(fù)合而成。對(duì)同一種基體樹(shù)脂，采用玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的強(qiáng)度和剛度的性能要差于采用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的性能。隨著葉片長(zhǎng)度不斷增加，葉片對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛性等性能也提出了新的要求，從而對(duì)玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度和模量也提出了更高的要求。為了保證葉片能夠安全的承擔(dān)風(fēng)溫度等外界載荷，大型風(fēng)機(jī)葉片可以采用玻璃纖維／碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，尤其是在翼緣等對(duì)材料強(qiáng)度和剛度要求較高的部位，則使用碳纖維作為增強(qiáng)材料。這樣，不僅可以提高葉片的承載能力，由于碳纖維具有導(dǎo)電性，也可以有效地避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。

2.1.2三維編織

增強(qiáng)材料預(yù)成型加工方法有:手工鋪層、編織法、針織法、熱成型連續(xù)原絲氈法、預(yù)成型定向纖維氈法、Comp Form法和三維編織技術(shù)等。

編織法過(guò)去大多采用經(jīng)緯交織的機(jī)織物來(lái)制作玻/碳纖維基布材料，從承載狀態(tài)上來(lái)考慮采用經(jīng)編織物作為增強(qiáng)復(fù)合材料的基布比經(jīng)緯交織的機(jī)織物具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。如圖1所示：

圖

1、經(jīng)編織物結(jié)構(gòu)圖

這類軸向織物由于承受載荷的紗線系統(tǒng)按要求排列并綁縛在一起，因此能夠處于最佳的承載狀態(tài)。另一方面，由于機(jī)織物中的紗線呈波浪形彎曲，再加上紗線自身的捻度，使其模量、拉伸強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度都有一定的損失。而軸向技術(shù)使得織物的紗線層能按照特定的方向伸直取向，故每根纖維力學(xué)理論值的利用率幾乎能達(dá)到100%。此外，軸向織物的紗線層層鋪疊，按照不同的強(qiáng)度和剛度要求，可以在織物的同一層或不同層采用不同種類的纖維材料，如玻璃纖維、碳纖維或碳/玻混雜纖維，再按照編織點(diǎn)由編織紗線將其綁縛在一起。

除了經(jīng)編軸向織物外,還可以利用緯編綁縛系統(tǒng)開(kāi)發(fā)緯編軸向織物,如圖2所示：

圖

2、緯編織物結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)經(jīng)緯編結(jié)構(gòu)的特性,緯編軸向織物較經(jīng)編綁縛結(jié)構(gòu)具有更好的可成型性,因此在風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有極好的應(yīng)用前景。

三維編織技術(shù)的發(fā)展是因?yàn)閱蜗蚧蚨蛟鰪?qiáng)材料所制得的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度低,抗沖擊性差,不能用作主受力件。采用三維編織技術(shù)不僅能直接編織復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀的不分層整體編織物,從根本上消除鋪層。三維編織復(fù)合材料采用了三維編織技術(shù),其纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在空間上呈網(wǎng)狀分布,可以定制增強(qiáng)體的形狀,制成的材料渾然一體,不存在二次加工造成的損傷,因此這種材料不僅具備傳統(tǒng)復(fù)合材料所具有的高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點(diǎn),還具有高損傷容限和斷裂韌性以及耐沖擊、不分層、抗開(kāi)裂和耐疲勞等特點(diǎn)。

按編織工藝分,常見(jiàn)的編織材料可分為四步編織法、二步編織法和多層聯(lián)鎖編織法等3類。其中四步編織法發(fā)明最早,應(yīng)用最廣。按編織預(yù)制件的橫截面形狀,三維編織方法可分為矩形編織、圓形編織和異形編織3大類,其中矩形編織工藝適合編織矩形和板狀材料的增強(qiáng)體,而圓形編織適合編織圓形和管型材料的增強(qiáng)體,異形編織則用于編織各種特殊形狀的增強(qiáng)體。只要織物的結(jié)構(gòu)形狀是由矩形組合或是圓或圓的某一部分組合而成,就可以用編織方法一次成型。

四步編織法發(fā)明之初,所有的紗線都參加編織運(yùn)動(dòng),且全部編織紗都在空間3個(gè)方向內(nèi)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),因此這種編織方法是一種真正的三維編織工藝。具體編織過(guò)程如圖3（a）所示,在一個(gè)編織周期中,編織紗沿著正交的2個(gè)方向依次進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),一個(gè)完整的編織周期中攜紗器需要完成4個(gè)動(dòng)作,因此被稱為四步法。如圖3（b）所示,由于結(jié)構(gòu)中所有紗線在空間中的分布只有4個(gè)不同的方向,因此制成的復(fù)合材料被稱為三維四向編織復(fù)合材料。

針對(duì)三維編織物的特點(diǎn),RTM工藝是三維編織復(fù)合材料成型的最有效方法。根據(jù)三維編織物的形狀制成模具,將預(yù)成型坯裝入模腔,此時(shí)同時(shí)控制了纖維體積含量和制品形狀；預(yù)成型坯中纖維束間的空隙為樹(shù)脂傳遞提供了通道,而且三維編織體很好的整體性提高了預(yù)成型坯耐樹(shù)脂沖刷的能力。

2.1.3RTM工藝

樹(shù)脂傳遞模塑法簡(jiǎn)稱RTM法，是首先在模具型腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)的增強(qiáng)材料預(yù)成型體,采用注射設(shè)備通過(guò)較低的成型壓力將專用低粘度樹(shù)脂體系注入閉合式型腔,由排氣系統(tǒng)保證樹(shù)脂流動(dòng)順暢,排出型腔內(nèi)的全部氣體和徹底浸潤(rùn)纖維,由模具的加熱系統(tǒng)使樹(shù)脂等加熱固化而成型為FRP構(gòu)件。RTM工藝屬于半機(jī)械化的FRP成型工藝,特別適宜于一次整體成型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片,無(wú)需二次粘接。與手糊工藝相比,這種工藝具有節(jié)約各種工裝設(shè)備、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于采用低粘度樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維以及加溫固化工藝,復(fù)合材料質(zhì)量高,且RTM工藝生產(chǎn)較少依賴工人的技術(shù)水平,工藝質(zhì)量?jī)H僅依賴于預(yù)先確定好的工藝參數(shù),產(chǎn)品質(zhì)量易于保證,廢品率低，工藝流程如圖4所示。

注膠壓力的選擇一直是RTM成型工藝中一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。低壓注膠可促進(jìn)樹(shù)脂對(duì)纖維表面的浸潤(rùn);高壓注膠可排出殘余空氣,縮短成型周期,降低成本。加大注膠壓力可提高充模速度和纖維滲透率。所以有人贊成在樹(shù)脂傳遞初期使用低壓以使樹(shù)脂較好地浸潤(rùn)纖維,而當(dāng)模具型腔中已基本充滿樹(shù)脂時(shí)使用較大壓力以逐出殘余空氣。但壓力不能太大,否則會(huì)引起預(yù)成型坯發(fā)生移動(dòng)或變形。

注膠溫度取決于樹(shù)脂體系的活性期和達(dá)到最低粘度的溫度。在不至于過(guò)大縮短樹(shù)脂凝膠時(shí)間的前提下,為了使樹(shù)脂能夠?qū)w維進(jìn)行充分的浸潤(rùn),注膠溫度應(yīng)盡量接近樹(shù)脂達(dá)到最低粘度的溫度。溫度過(guò)高會(huì)縮短樹(shù)脂的活性期，影響樹(shù)脂的化學(xué)性質(zhì),進(jìn)而可能影響到制品的力學(xué)性能;溫度過(guò)低會(huì)使樹(shù)脂粘度增大,壓力升高,也阻礙了樹(shù)脂正常滲入纖維的能力。注射溫度和模具預(yù)熱溫度的選擇要結(jié)合增強(qiáng)體的特性及模具中的纖維量等綜合考慮。

RTM工藝的技術(shù)含量高,無(wú)論是模具設(shè)計(jì)和制造、增強(qiáng)材料的設(shè)計(jì)和鋪放、樹(shù)脂類型的選擇與改性、工藝參數(shù)(如注塑壓力、溫度、樹(shù)脂粘度等)的確定與實(shí)施,都需要在產(chǎn)品生產(chǎn)之前通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)確定。

2.1.4VARTM工藝

隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出多種較先進(jìn)的工藝，如預(yù)浸料工藝、機(jī)械浸漬工藝及真空輔助灌注工藝。真空輔助灌注成型工藝是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種改進(jìn)的RTM工藝。它多用于成型形狀復(fù)雜的大型厚壁制品。真空輔助是在注射樹(shù)脂的同時(shí),在排氣口接真空泵,一邊注射一邊抽真空,借助于鋪放在結(jié)構(gòu)層表面的高滲透率的介質(zhì)引導(dǎo)將樹(shù)脂注入到結(jié)構(gòu)層中。這樣不僅增加了樹(shù)脂傳遞壓力,排除了模具及樹(shù)脂中的氣泡和水分,更重要的是為樹(shù)脂在模具型腔中打開(kāi)了通道,形成了完整通路。另外,無(wú)論增強(qiáng)材料是編織的還是非編織的,無(wú)論樹(shù)脂類型及粘度如何,真空輔助都能大大改善模塑過(guò)程中纖維的浸潤(rùn)效果。所以,真空輔助RTM(VARTM)工藝能顯著減少最終制品中夾雜物和氣泡的含量,就算增大注入速度也不會(huì)導(dǎo)致孔隙含量增加,從而提高制品的成品率和力學(xué)性能。

用真空灌注工藝生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料存在困難。碳纖維比玻纖更細(xì)，表面更大，更難有效浸漬，適用的樹(shù)脂粘度更低。SP公司的SPRINT工藝技術(shù)就采用樹(shù)脂膜交替夾在碳纖維中，經(jīng)加熱和真空使樹(shù)脂向外滲透。樹(shù)脂沿鋪層的厚度方向浸漬，浸漬快且充分，同時(shí)采用真空加速樹(shù)脂的流動(dòng)。

2.2葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

2.2.1常規(guī)制備流程

1)制造外殼和主梁外殼由玻璃鋼在模具內(nèi)進(jìn)行制造，主梁在真空袋中高溫澆注而成；

2)安置模具，在模具內(nèi)噴涂膠衣樹(shù)脂，形成葉片的保護(hù)表面； 3)把外殼放入模具中，并鋪覆玻璃纖維； 4)安裝主梁，起到支撐作用； 5)安裝泡沫材料；

6)在泡沫材料上鋪覆玻璃纖維； 7)在玻璃纖維和泡沫材料上鋪放真空膜； 8)灌注樹(shù)脂，并進(jìn)行高溫真空澆注； 9)取下真空膜；

10)用相同方法制成另外一半殼體； 12)安裝腹板(腹板為夾層結(jié)構(gòu))； 13)安裝避雷裝置等；

14)安置主模具，在殼體邊緣和腹板上涂膠粘劑，粘合兩殼體； 15)加熱，使玻璃纖維更硬；

16)葉片脫模，進(jìn)行最終加工(切割和打磨)。

模具由符合材料制作而成，這樣模具更輕，剛度更高。另外，用同種材料制造的葉片和其模具在灌注樹(shù)脂時(shí)對(duì)溫升的反應(yīng)相同。2.2.2加入碳纖維改進(jìn)

隨著葉片長(zhǎng)度的增加，對(duì)材料剛度提出了更高的要求。玻璃纖維復(fù)合材料的性能已經(jīng)達(dá)到應(yīng)用極限，不能有效滿足材料要求，因此碳纖維在風(fēng)機(jī)葉片中的應(yīng)用逐年增加。但是由于碳纖維比玻璃纖維昂貴，采用100%的碳纖維制造葉片從成本上來(lái)說(shuō)是不合算的。目前國(guó)外碳纖維主要是和玻璃纖維混合使用，碳纖維只是用到一些關(guān)鍵的部分。碳纖維在葉片中應(yīng)用的主要部位有，如圖5所示：

1)橫梁，尤其是橫梁蓋。

2)前后邊緣，除了提高剛度和降低重量外，還起到避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。

3)葉片的表面，采用具有高強(qiáng)度特性的碳纖維片材。

采用三維四步編織術(shù)，主體使用GFR,在圖5所示的5、6、7、8區(qū)域軸向加入CFR,織出與模具形狀一致的預(yù)制件。將預(yù)制件固定在模具中，采用VARTM的方式注入樹(shù)脂。

第三篇：風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片工藝流程

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片制作工藝流程

傳統(tǒng)能源資源的大量使用帶來(lái)了許多的環(huán)境問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題，并且其存儲(chǔ)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(lái)越受到世界各國(guó)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(jì)、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(gè)機(jī)組成本的15%-20%。根據(jù)“風(fēng)機(jī)功價(jià)比法則”，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率與葉片長(zhǎng)度的平方成正比，增加長(zhǎng)度可以提高單機(jī)容量，但同時(shí)會(huì)造成發(fā)電機(jī)的體積和質(zhì)量的增加，使其造價(jià)大幅度增加。并且，隨著葉片的增大，剛度也成為主要問(wèn)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(duì)葉片材料提出了很高的要求。

碳纖維在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用

葉片材料的發(fā)展經(jīng)歷了木制、鋁合金的應(yīng)用，進(jìn)入了纖維復(fù)合材料時(shí)代。纖維材料比重輕，疲勞強(qiáng)度和機(jī)械性能好，能夠承載惡劣環(huán)境條件和隨機(jī)負(fù)荷，目前最普遍采用的是玻璃纖維增強(qiáng)聚酯（環(huán)氧）樹(shù)脂。但隨著大功率發(fā)電機(jī)組的發(fā)展，葉片長(zhǎng)度不斷增加，為了防止葉尖在極端風(fēng)載下碰到塔架，就要求葉片具有更高的剛度。國(guó)外專家認(rèn)為，玻璃纖維復(fù)合材料的性能已經(jīng)趨于極限，不能滿足大型葉片的要求，因此有效的辦法是采用性能更佳的碳纖維復(fù)合材料。

1）提高葉片剛度，減輕葉片質(zhì)量

碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%，強(qiáng)度大40%，尤其是模量高3～8倍。大型葉片采用碳纖維增強(qiáng)可充分發(fā)揮其高彈輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。荷蘭戴爾弗理工大學(xué)研究表明，一個(gè)旋轉(zhuǎn)直徑為120m的風(fēng)機(jī)的葉片，由于梁的質(zhì)量超過(guò)葉片總質(zhì)量的一半，梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維，和采用全玻璃纖維的相比，質(zhì)量可減輕40%左右；碳纖維復(fù)合材料葉片剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的2倍。據(jù)分析，采用碳纖維／玻璃纖維混雜增強(qiáng)方案，葉片可減輕20％～30％。Vesta Wind System 公司的V90型3.0 MW發(fā)電機(jī)的葉片長(zhǎng)44m，采用碳纖維代替玻璃纖維的構(gòu)件，葉片質(zhì)量與該公司V80 型2.0MW發(fā)電機(jī)且為39m長(zhǎng)的葉片質(zhì)量相同。同樣是34 m長(zhǎng)的葉片，采用玻璃纖維增強(qiáng)聚脂樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量為5800kg，采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量為5200kg，而采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)質(zhì)量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纖維所制得的風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量比采用玻璃纖維的輕約32%，而且成本下降約16%。

2）提高葉片抗疲勞性能

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(shù)脂材料混合時(shí)，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。

3）使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡,提高風(fēng)能利用效率

使用碳纖維后，葉片質(zhì)量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能，減少對(duì)塔和輪軸的負(fù)載，從而使風(fēng)機(jī)的輸出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同時(shí)，碳纖維葉片更薄，外形設(shè)計(jì)更有效，葉片更細(xì)長(zhǎng)，也提高了能量的輸出效率。

4）可制造低風(fēng)速葉片

碳纖維的應(yīng)用可以減少負(fù)載和增加葉片長(zhǎng)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。

5）可制造自適應(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(dòng)型調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)速為13～15m/s(29～33英里/h)，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)時(shí)，則調(diào)節(jié)風(fēng)葉斜度來(lái)分散超過(guò)的風(fēng)力，防止對(duì)風(fēng)機(jī)的損害。斜度控制系統(tǒng)對(duì)逐步改變的風(fēng)速是有效的。但對(duì)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(shí)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(duì)稱性和各向異性的材料，采用彎曲/扭曲葉片設(shè)計(jì)，使葉片在強(qiáng)風(fēng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)可減少瞬時(shí)負(fù)載。美國(guó)Sandia National Laboratories致力于自適應(yīng)葉片研究，使1.5MW風(fēng)機(jī)的發(fā)電成本降到4.9美分/(kW?h)，價(jià)格可和燃料發(fā)電相比。

6）利用導(dǎo)電性能避免雷擊 利用碳纖維的導(dǎo)電性能，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可有效地避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。

7）降低風(fēng)力機(jī)葉片的制造和運(yùn)輸成本

由于減少了材料的應(yīng)用，所以纖維和樹(shù)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(huì)下降，可縮小工廠的規(guī)模和運(yùn)輸設(shè)備。

8）具有振動(dòng)阻尼特性

碳纖維的振動(dòng)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。

葉片制造工藝及流程

2.1 三維編織體/VARTM 技術(shù)

2.1.1 材料選擇

目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片基本上是由聚酯樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂等熱固性基體樹(shù)脂與玻璃纖維、碳纖維等增強(qiáng)材料，通過(guò)手工鋪放、樹(shù)脂注入成型工藝復(fù)合而成。對(duì)同一種基體樹(shù)脂，采用玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的強(qiáng)度和剛度的性能要差于采用碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料制造的葉片的性能。隨著葉片長(zhǎng)度不斷增加，葉片對(duì)增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛性等性能也提出了新的要求，從而對(duì)玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度和模量也提出了更高的要求。為了保證葉片能夠安全的承擔(dān)風(fēng)溫度等外界載荷，大型風(fēng)機(jī)葉片可以采用玻璃纖維／碳纖維混雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，尤其是在翼緣等對(duì)材料強(qiáng)度和剛度要求較高的部位，則使用碳纖維作為增強(qiáng)材料。這樣，不僅可以提高葉片的承載能力，由于碳纖維具有導(dǎo)電性，也可以有效地避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。華東理工大學(xué)華昌聚合物有限公司與上海玻璃鋼研究院有限公司合作，成功研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、適用于大型風(fēng)機(jī)葉片的復(fù)合材料——高性能環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂。高性能環(huán)氧乙烯基酯樹(shù)脂黏結(jié)性能良好，力學(xué)性能優(yōu)異，收縮率低，成本較低。2.1.2 三維編織

增強(qiáng)材料預(yù)成型加工方法有: 手工鋪層、編織法、針織法、熱成型連續(xù)原絲氈法、預(yù)成型定向纖維氈法、CompForm 法和三維編織技術(shù)等。

編織法過(guò)去大多采用經(jīng)緯交織的機(jī)織物來(lái)制作玻/碳纖維基布材料，從承載狀態(tài)上來(lái)考慮采用經(jīng)編織物作為增強(qiáng)復(fù)合材料的基布比經(jīng)緯交織的機(jī)織物具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。如圖1所示：

圖

1、經(jīng)編織物結(jié)構(gòu)圖

這類軸向織物由于承受載荷的紗線系統(tǒng)按要求排列并綁縛在一起，因此能夠處于最佳的承載狀態(tài)。另一方面，由于機(jī)織物中的紗線呈波浪形彎曲，再加上紗線自身的捻度，使其模量、拉伸強(qiáng)度和抗沖擊強(qiáng)度都有一定的損失。而軸向技術(shù)使得織物的紗線層能按照特定的方向伸直取向，故每根纖維力學(xué)理論值的利用率幾乎能達(dá)到100%。此外，軸向織物的紗線層層鋪疊，按照不同的強(qiáng)度和剛度要求，可以在織物的同一層或不同層采用不同種類的纖維材料，如玻璃纖維、碳纖維或碳/?；祀s纖維，再按照編織點(diǎn)由編織紗線將其綁縛在一起。

除了經(jīng)編軸向織物外, 還可以利用緯編綁縛系統(tǒng)開(kāi)發(fā)緯編軸向織物, 如圖2所示：

圖

2、緯編織物結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)經(jīng)緯編結(jié)構(gòu)的特性, 緯編軸向織物較經(jīng)編綁縛結(jié)構(gòu)具有更好的可成型性, 因此在風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有極好的應(yīng)用前景。

三維編織技術(shù)的發(fā)展是因?yàn)閱蜗蚧蚨蛟鰪?qiáng)材料所制得的復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度低,抗沖擊性差, 不能用作主受力件。采用三維編織技術(shù)不僅能直接編織復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀的不分層整體編織物,從根本上消除鋪層。三維編織復(fù)合材料采用了三維編織技術(shù),其纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在空間上呈網(wǎng)狀分布,可以定制增強(qiáng)體的形狀,制成的材料渾然一體,不存在二次加工造成的損傷, 因此這種材料不僅具備傳統(tǒng)復(fù)合材料所具有的高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點(diǎn),還具有高損傷容限和斷裂韌性以及耐沖擊、不分層、抗開(kāi)裂和耐疲勞等特點(diǎn)。按編織工藝分,常見(jiàn)的編織材料可分為四步編織法、二步編織法和多層聯(lián)鎖編織法等3類。其中四步編織法發(fā)明最早,應(yīng)用最廣。按編織預(yù)制件的橫截面形狀,三維編織方法可分為矩形編織、圓形編織和異形編織3大類, 其中矩形編織工藝適合編織矩形和板狀材料的增強(qiáng)體, 而圓形編織適合編織圓形和管型材料的增強(qiáng)體, 異形編織則用于編織各種特殊形狀的增強(qiáng)體。只要織物的結(jié)構(gòu)形狀是由矩形組合或是圓或圓的某一部分組合而成,就可以用編織方法一次成型。樹(shù)脂傳遞模塑法簡(jiǎn)稱RTM法，是首先在模具型腔中鋪放好按性能和結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)的增強(qiáng)材料預(yù)成型體,采用注射設(shè)備通過(guò)較低的成型壓力將專用低粘度樹(shù)脂體系注入閉合式型腔, 由排氣系統(tǒng)保證樹(shù)脂流動(dòng)順暢, 排出型腔內(nèi)的全部氣體和徹底浸潤(rùn)纖維, 由模具的加熱系統(tǒng)使樹(shù)脂等加熱固化而成型為 FRP構(gòu)件。RTM 工藝屬于半機(jī)械化的 FRP成型工藝, 特別適宜于一次整體成型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片,無(wú)需二次粘接。與手糊工藝相比,這種工藝具有節(jié)約各種工裝設(shè)備、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于采用低粘度樹(shù)脂浸潤(rùn)纖維以及加溫固化工藝,復(fù)合材料質(zhì)量高, 且 RTM工藝生產(chǎn)較少依賴工人的技術(shù)水平,工藝質(zhì)量?jī)H僅依賴于預(yù)先確定好的工藝參數(shù), 產(chǎn)品質(zhì)量易于保證,廢品率低，工藝流程如圖4所示。

圖

4、RTM工藝流程圖

注膠壓力的選擇一直是 RTM 成型工藝中一個(gè)有爭(zhēng)議的問(wèn)題。低壓注膠可促進(jìn)樹(shù)脂對(duì)纖維表面的浸潤(rùn);高壓注膠可排出殘余空氣,縮短成型周期,降低成本。加大注膠壓力可提高充模速度和纖維滲透率。所以有人贊成在樹(shù)脂傳遞初期使用低壓以使樹(shù)脂較好地浸潤(rùn)纖維, 而當(dāng)模具型腔中已基本充滿樹(shù)脂時(shí)使用較大壓力以逐出殘余空氣。但壓力不能太大, 否則會(huì)引起預(yù)成型坯發(fā)生移動(dòng)或變形。

注膠溫度取決于樹(shù)脂體系的活性期和達(dá)到最低粘度的溫度。在不至于過(guò)大縮短樹(shù)脂凝膠時(shí)間的前提下, 為了使樹(shù)脂能夠?qū)w維進(jìn)行充分的浸潤(rùn),注膠溫度應(yīng)盡量接近樹(shù)脂達(dá)到最低粘度的溫度。溫度過(guò)高會(huì)縮短樹(shù)脂的活性期，影響樹(shù)脂的化學(xué)性質(zhì),進(jìn)而可能影響到制品的力學(xué)性能;溫度過(guò)低會(huì)使樹(shù)脂粘度增大,壓力升高,也阻礙了樹(shù)脂正常滲入纖維的能力。注射溫度和模具預(yù)熱溫度的選擇要結(jié)合增強(qiáng)體的特性及模具中的纖維量等綜合考慮。

RTM 工藝的技術(shù)含量高, 無(wú)論是模具設(shè)計(jì)和制造、增強(qiáng)材料的設(shè)計(jì)和鋪放、樹(shù)脂類型的選擇與改性、工藝參數(shù)(如注塑壓力、溫度、樹(shù)脂粘度等)的確定與實(shí)施,都需要在產(chǎn)品生產(chǎn)之前通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)確定。

2.1.4 VARTM工藝

隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出多種較先進(jìn)的工藝，如預(yù)浸料工藝、機(jī)械浸漬工藝及真空輔助灌注工藝。真空輔助灌注成型工藝是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種改進(jìn)的 RTM工藝。它多用于成型形狀復(fù)雜的大型厚壁制品。真空輔助是在注射樹(shù)脂的同時(shí), 在排氣口接真空泵,一邊注射一邊抽真空, 借助于鋪放在結(jié)構(gòu)層表面的高滲透率的介質(zhì)引導(dǎo)將樹(shù)脂注入到結(jié)構(gòu)層中。這樣不僅增加了樹(shù)脂傳遞壓力,排除了模具及樹(shù)脂中的氣泡和水分,更重要的是為樹(shù)脂在模具型腔中打開(kāi)了通道, 形成了完整通路。另外, 無(wú)論增強(qiáng)材料是編織的還是非編織的,無(wú)論樹(shù)脂類型及粘度如何, 真空輔助都能大大改善模塑過(guò)程中纖維的浸潤(rùn)效果。所以, 真空輔助RTM(VARTM)工藝能顯著減少最終制品中夾雜物和氣泡的含量, 就算增大注入速度也不會(huì)導(dǎo)致孔隙含量增加,從而提高制品的成品率和力學(xué)性能。

用真空灌注工藝生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料存在困難。碳纖維比玻纖更細(xì)，表面更大，更難有效浸漬，適用的樹(shù)脂粘度更低。SP公司的SPRINT工藝技術(shù)就采用樹(shù)脂膜交替夾在碳纖維中，經(jīng)加熱和真空使樹(shù)脂向外滲透。樹(shù)脂沿鋪層的厚度方向浸漬，浸漬快且充分，同時(shí)采用真空加速樹(shù)脂的流動(dòng)。

2.2 葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

2.2.1 常規(guī)制備流程

1)制造外殼和主梁外殼由玻璃鋼在模具內(nèi)進(jìn)行制造，主梁在真空袋中高溫澆注而成；

2)安置模具，在模具內(nèi)噴涂膠衣樹(shù)脂，形成葉片的保護(hù)表面；

3)把外殼放入模具中，并鋪覆玻璃纖維；

4)安裝主梁，起到支撐作用；

5)安裝泡沫材料；

6)在泡沫材料上鋪覆玻璃纖維；

7)在玻璃纖維和泡沫材料上鋪放真空膜； 8)灌注樹(shù)脂，并進(jìn)行高溫真空澆注；

9)取下真空膜；

10)用相同方法制成另外一半殼體；

12)安裝腹板(腹板為夾層結(jié)構(gòu))；

13)安裝避雷裝置等；

14)安置主模具，在殼體邊緣和腹板上涂膠粘劑，粘合兩殼體；

15)加熱，使玻璃纖維更硬；

16)葉片脫模，進(jìn)行最終加工(切割和打磨)。

模具由符合材料制作而成，這樣模具更輕，剛度更高。另外，用同種材料制造的葉片和其模具在灌注樹(shù)脂時(shí)對(duì)溫升的反應(yīng)相同。

2.2.2 加入碳纖維改進(jìn)

隨著葉片長(zhǎng)度的增加，對(duì)材料剛度提出了更高的要求。玻璃纖維復(fù)合材料的性能已經(jīng)達(dá)到應(yīng)用極限，不能有效滿足材料要求，因此碳纖維在風(fēng)機(jī)葉片中的應(yīng)用逐年增加。但是由于碳纖維比玻璃纖維昂貴，采用100%的碳纖維制造葉片從成本上來(lái)說(shuō)是不合算的。目前國(guó)外碳纖維主要是和玻璃纖維混合使用，碳纖維只是用到一些關(guān)鍵的部分。碳纖維在葉片中應(yīng)用的主要部位有，如圖5所示：

1)橫梁，尤其是橫梁蓋。

2)前后邊緣，除了提高剛度和降低重量外，還起到避免雷擊對(duì)葉片造成的損傷。

3)葉片的表面，采用具有高強(qiáng)度特性的碳纖維片材。

采用三維四步編織術(shù)，主體使用GFR,在圖5所示的5、6、7、8區(qū)域軸向加入CFR,織出與模具形狀一致的預(yù)制件。將預(yù)制件固定在模具中，采用VARTM的方式注入樹(shù)脂。市場(chǎng)投資區(qū)域選擇

1）位于長(zhǎng)江三角洲東北翼的如東，東枕黃海，南臨長(zhǎng)江，西接蘇中腹地，北連歐亞大陸橋，沿途一百多公里海岸線，灘涂廣袤，擁有豐富的風(fēng)能，如東近海岸帶70米高處平均風(fēng)速每秒7.2米，淺海灘涂70米高處平均風(fēng)速每秒7.5米，灘涂廣闊，環(huán)境空曠，把風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電流，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的條件得天獨(dú)厚。

2）江蘇省如東風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)是亞洲最大的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、中國(guó)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域第一個(gè)國(guó)家特許示范項(xiàng)目。如東的綠色能源產(chǎn)業(yè)正不斷做大，已獲得國(guó)家發(fā)改委授予的“綠色能源示范縣”榮譽(yù)稱號(hào)。

3）港口帶動(dòng)濱江臨海新經(jīng)濟(jì)

目前，洋口港開(kāi)發(fā)建設(shè)已正式啟動(dòng)，隨著大港經(jīng)濟(jì)的推動(dòng)以及如東綠色能源的吸引，石化產(chǎn)業(yè)，冶金及鐵礦石、煤炭中轉(zhuǎn)儲(chǔ)運(yùn)，造船、物流等一大批沿海投資熱點(diǎn)項(xiàng)目將逐一實(shí)現(xiàn)，大港的巨大優(yōu)勢(shì)勢(shì)必引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)風(fēng)潮，而風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)也必然會(huì)給江蘇乃至整個(gè)沿海經(jīng)濟(jì)新一輪騰飛帶來(lái)巨大的支撐。

（a）四步編織過(guò)程（b）材料結(jié)構(gòu)

圖

3、四步編織法

四步編織法發(fā)明之初, 所有的紗線都參加編織運(yùn)動(dòng),且全部編織紗都在空間 3個(gè)方向內(nèi)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng), 因此這種編織方法是一種真正的三維編織工藝。具體編織過(guò)程如圖3（a）所示,在一個(gè)編織周期中,編織紗沿著正交的2個(gè)方向依次進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng), 一個(gè)完整的編織周期中攜紗器需要完成 4個(gè)動(dòng)作, 因此被稱為四步法。如圖3（b）所示,由于結(jié)構(gòu)中所有紗線在空間中的分布只有4 個(gè)不同的方向,因此制成的復(fù)合材料被稱為三維四向編織復(fù)合材料。

針對(duì)三維編織物的特點(diǎn), RTM 工藝是三維編織復(fù)合材料成型的最有效方法。根據(jù)三維編織物的形狀制成模具,將預(yù)成型坯裝入模腔,此時(shí)同時(shí)控制了纖維體積含量和制品形狀;預(yù)成型坯中纖維束間的空隙為樹(shù)脂傳遞提供了通道, 而且三維編織體很好的整體性提高了預(yù)成型坯耐樹(shù)脂沖刷的能力。

2.1.3 RTM工藝

第四篇：發(fā)展風(fēng)力發(fā)電具有什么優(yōu)勢(shì)

發(fā)展風(fēng)力發(fā)電具有什么優(yōu)勢(shì)？

風(fēng)電技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品質(zhì)量可靠，可用率已達(dá)95%以上，已是一種安全可靠的能源，風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性日益提高，發(fā)電成本已接近煤電，低于油電與核電，若計(jì)及煤電的環(huán)境保護(hù)與交通運(yùn)輸?shù)拈g接投資，則風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性將優(yōu)于煤電。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)建設(shè)工期短，單臺(tái)機(jī)組安裝調(diào)試僅需幾周，從土建、安裝到投產(chǎn)，只需半年至一年時(shí)間，是煤電、核電無(wú)可比擬的。投資規(guī)模靈活，有多少錢(qián)裝多少容量。對(duì)沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場(chǎng)，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆來(lái)說(shuō)，可作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種有效途徑，因此顯得更加重要。

為什么說(shuō)風(fēng)能是一種綠色能源？

風(fēng)能是一種干凈的自然能源，沒(méi)有常規(guī)能源（如煤電，油電）與核電（裂變）會(huì)造成環(huán)境污染的問(wèn)題。平均每裝一臺(tái)單機(jī)容量為1.5MW的風(fēng)能發(fā)電機(jī)，每年可以減排3,000噸二氧化碳（相當(dāng)于種植1.5平方英里的樹(shù)木）、15噸二氧化硫、9噸二氧化氮。風(fēng)能產(chǎn)生1,000度的電量可以減少0.8到0.9噸的溫室氣體，相當(dāng)于煤或礦物燃料一年產(chǎn)生的氣體量。除了部分鳥(niǎo)類，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不會(huì)危害其它野生動(dòng)物。在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為一種高效清潔的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

我國(guó)風(fēng)能總量有多少？

我國(guó)10米高度層的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為32.26億千瓦，其中實(shí)際可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能資源儲(chǔ)量為2.53億千瓦。而據(jù)估計(jì)，中國(guó)近海風(fēng)能資源約為陸地的3倍，所以，中國(guó)可開(kāi)發(fā)風(fēng)能資源總量約為10億千瓦。其中青海、甘肅、新疆和內(nèi)蒙可開(kāi)發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量分別為1,143萬(wàn)千瓦、2,421萬(wàn)千瓦、3,433萬(wàn)千瓦和6,178萬(wàn)千瓦，是中國(guó)大陸風(fēng)能儲(chǔ)備最豐富的地區(qū)。

什么是風(fēng)能？

風(fēng)能就是空氣的動(dòng)能,是指風(fēng)所負(fù)載的能量，風(fēng)能的大小決定于風(fēng)速和空氣的密度。

風(fēng)能來(lái)源于何處？

風(fēng)的能量是由太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化來(lái)的，太陽(yáng)每小時(shí)輻射地球的能量是174,423,000,000,000千瓦，換句話說(shuō)，地球每小時(shí)接受了1.74 x 10^17 瓦的能量。風(fēng)能大約占太陽(yáng)提供總能量的百分之一、二，太陽(yáng)輻射能量中的一部分被地球上的植物轉(zhuǎn)換成生物能，而被轉(zhuǎn)化的風(fēng)能總量大約是生物能的50～100倍。

第五篇：我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展

在我國(guó)，發(fā)展風(fēng)能具有很大現(xiàn)實(shí)意義，不僅是環(huán)保原因，我國(guó)確實(shí)具有巨大的風(fēng)能資源。我國(guó)幅員遼闊，海岸線長(zhǎng)，風(fēng)能資源非常豐富，既有陸地的、也有海上的。據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)研究院測(cè)算，我國(guó)東南沿海及其附近島嶼是風(fēng)能資源非常豐富的地區(qū)，有效風(fēng)能密度大于或等于 200W/m2的等值線平行于海岸線，沿海島嶼有效風(fēng)能密度在 300W/m2以上，全年風(fēng)速大于或等于 3m/s 的時(shí)數(shù)約為 7000～8000h，大于或等于 6m/s 的時(shí)數(shù)為 4000h。新疆北部、內(nèi)蒙古、甘肅北部是風(fēng)能資源豐富地區(qū)，有效風(fēng)能密度為 200～300W/m2，全年風(fēng)速大于或等于 3m/s 的時(shí)數(shù)為 5000h 以上，全年風(fēng)速大于或等于 6m/s 的時(shí)數(shù)為 3000h 以上，黑龍江、吉林東部、河北北部及遼東半島的風(fēng)能資源也較好，有效風(fēng)能密度為 200W/m2以上，全年風(fēng)速大于和等于 3m/s 的時(shí)數(shù)為 5000h，全年風(fēng)速大于和等于 6m/s 的時(shí)數(shù)為3000h。青藏高原北部有效風(fēng)能密度在 150～220W/m2之間，全年風(fēng)速大于和等于3m/s 的時(shí)數(shù)為 4000～5000h，全年風(fēng)速大于和等于 6m/s 的時(shí)數(shù)為 3000h。目前探明全國(guó)陸地風(fēng)能理論儲(chǔ)量為 32.26 億 kW，可開(kāi)發(fā)利用的儲(chǔ)量為 2.53 億 kW，近海7.5 億 kW，合計(jì)風(fēng)能可達(dá) 10.03 億 kW，居世界前列[6]。

1.3.1 小型風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的現(xiàn)狀

我國(guó)于 20 世紀(jì) 50 年代后期開(kāi)始風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究工作，1957—1958 年在江蘇、吉林、遼寧、新疆等地建造了一些功率在 10kW 以下、風(fēng)輪直徑在 10 米以下的小型風(fēng)力發(fā)電裝置，但由于受當(dāng)時(shí)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件限制，其后處于停滯狀態(tài)。我國(guó)較大規(guī)模地開(kāi)發(fā)和應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電始于 20 世紀(jì) 70 年代。我國(guó)自主開(kāi)發(fā)研制生產(chǎn)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，解決了居住分散的農(nóng)、牧、漁民的生產(chǎn)生活用電。20 世紀(jì) 80 年代初，我國(guó)把小型風(fēng)力發(fā)電作為農(nóng)村電氣化的措施之一，供農(nóng)村一家一戶使用。特別是在內(nèi)蒙古地區(qū)由于風(fēng)自然資源豐富和當(dāng)?shù)厝罕姷男枨?，并得到了政府的支持，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究和推廣得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，對(duì)于解決邊遠(yuǎn)地區(qū)居住分散的農(nóng)牧民群眾的生活用電和部分生產(chǎn)用電起了很大作用。我國(guó)目前生產(chǎn)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)按額定功率從100W 到 10kW 共十種。其主要技術(shù)特點(diǎn)是：2～3 個(gè)葉片，側(cè)偏調(diào)速、上風(fēng)向，配套高效永磁發(fā)電機(jī)，再配以尾翼、立桿、底座、地錨和拉線。其中以戶用微型機(jī)組技術(shù)最為成熟，有 50，100，150，200，300，500W 微型機(jī)組系列定型產(chǎn)品，并進(jìn)行批量生產(chǎn)，不但滿足了國(guó)內(nèi)需求，還遠(yuǎn)銷(xiāo)國(guó)外。

到 2006 年底，我國(guó)從事小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其配套件開(kāi)發(fā)、研制、生產(chǎn)的單位達(dá)到 78 家，其中：大專院校、科研院所 15 家，生產(chǎn)制造單位 38 家，配套件生產(chǎn)單位 25 家，目前我國(guó)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年生產(chǎn)能力達(dá) 8 萬(wàn)臺(tái)。從 1983—2006 年底，全國(guó)各生產(chǎn)廠家累計(jì)生產(chǎn)各種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組達(dá) 37.6 萬(wàn)余臺(tái)，總?cè)萘繛?6.52 萬(wàn) kW，預(yù)計(jì)年發(fā)電量約

1.33 億 kWh。所生產(chǎn)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，除滿足國(guó)內(nèi)用戶需要外，還出口遠(yuǎn)銷(xiāo)到 25 個(gè)國(guó)家和我國(guó)臺(tái)灣、香港地區(qū)，累計(jì)出口各種小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)近1.7萬(wàn)余臺(tái)。我國(guó)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)保有量、年產(chǎn)量、生產(chǎn)能力均列世界之首

自 20 世紀(jì)的最后兩年以來(lái)，全世界風(fēng)力發(fā)電的裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)，特別是在歐洲，為了實(shí)現(xiàn)減排溫室氣體的目標(biāo)，對(duì)風(fēng)電執(zhí)行較高收購(gòu)電價(jià)的激勵(lì)政策促進(jìn)了風(fēng)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，風(fēng)電成本繼續(xù)下降。由于海上風(fēng)能資源比陸地豐富，海上風(fēng)電場(chǎng)在歐洲已經(jīng)從可行性示范進(jìn)入商業(yè)化示范階段。風(fēng)電機(jī)組技術(shù)繼續(xù)向著增大單機(jī)容量的方向發(fā)展，正在研制風(fēng)輪直徑超過(guò) 100m 的 5MW 機(jī)組，預(yù)計(jì) 2013 年，單機(jī)容量達(dá)到 15MW。1996 年至 2000 年世界上風(fēng)電增長(zhǎng)率 5 年平均達(dá)到 31%，2000 年末裝機(jī)總?cè)萘繛?1770 萬(wàn) MW，2001 年末達(dá)到 2447 萬(wàn) MW，一年增加 677 萬(wàn) kW，增長(zhǎng)率為32%，說(shuō)明風(fēng)電高增率趨勢(shì)仍然繼

續(xù)。2004 年全世界新增裝機(jī)容量為 8000MW，2004年底全世界風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘繛?47000MW，并作了 2020 年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量的12%的規(guī)劃藍(lán)圖（即風(fēng)力 12）。2005 年世界各國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量排在前十名的國(guó)家是德國(guó)、西班牙、美國(guó)、丹麥、印度、意大利、荷蘭、英國(guó)、日本和中國(guó)。

世界上，在小型風(fēng)力發(fā)電方面，中國(guó)和美國(guó)主要生產(chǎn)制造功率為 300W 到 3kW風(fēng)力機(jī)，其中美國(guó)在 3kW 到 10kW 小型風(fēng)力機(jī)上占明顯優(yōu)勢(shì)。在歐洲，主要生產(chǎn)制造功率為 300W 到 100kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)。到 2020 年，美國(guó)預(yù)計(jì)安裝小型風(fēng)力機(jī)容量為50000MW，可解決 10000 人就業(yè)。英國(guó)正在研制屋頂用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。世界各國(guó)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)正在努力向著：運(yùn)動(dòng)部件少、維護(hù)少、壽命長(zhǎng)、采用新的電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等方向發(fā)展

我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電事業(yè)始于 20 世紀(jì) 50 年代，目前已經(jīng)形成一定的規(guī)模。在大型風(fēng)電方面，擁有 750kW 以下各類風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的制造能力，2006 年 1 月 28 日，首臺(tái)兆瓦級(jí)變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)及控制裝置研制成功，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。2006 年 1月 10 日，1.2MW 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在哈爾濱試制成功，它是我國(guó)自主創(chuàng)新研制的容量最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。到 2005 年，全國(guó) 15 個(gè)省(自治區(qū))已建風(fēng)電場(chǎng) 62 座，累計(jì)運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 1864 臺(tái)，總?cè)萘?126.6 萬(wàn) kW。2010 年目標(biāo)為總?cè)萘?500 萬(wàn) kW，2020 年目標(biāo)為總?cè)萘?3000 萬(wàn) kW，2050 年預(yù)計(jì)達(dá)到 3-5 億 kW 裝機(jī)容量。但是，目前我國(guó)自行研制和開(kāi)發(fā)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)力量與國(guó)外相比相差很多，繼續(xù)加大對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的投入，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化是保證我國(guó)風(fēng)電事業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。

設(shè)計(jì)了風(fēng)力機(jī)電動(dòng)變槳距系統(tǒng)方案，變槳距機(jī)構(gòu)采用單片機(jī)控制，并搭建好電動(dòng)變槳距風(fēng)力機(jī)的試驗(yàn)樣機(jī)。通過(guò)對(duì)風(fēng)力樣機(jī)做測(cè)試，得出風(fēng)力機(jī)組的力矩與風(fēng)速比的一些重要數(shù)據(jù)。并通過(guò)Matlab51mu11nk軟件分別在風(fēng)速低于額定風(fēng)速和在額定風(fēng)速左右兩種情況下進(jìn)行仿真，最終提出的控制規(guī)律進(jìn)行的變槳距調(diào)節(jié)能滿足風(fēng)力機(jī)的功率控制要求，為后續(xù)研究做好鋪墊工作。

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