材料12-2風(fēng)力發(fā)電機葉片材料的發(fā)展課件

風(fēng)力發(fā)電機葉片材料的發(fā)展材料12-2張鶴2012011606風(fēng)力發(fā)電機葉片材料的發(fā)展材料12-21葉片材料的發(fā)展沿革當(dāng)前主要使用的葉片復(fù)合材料葉片復(fù)合材料的制造工藝葉片今后的發(fā)展趨勢葉片材料的發(fā)展沿革當(dāng)前主要使用的葉片復(fù)合材料葉片復(fù)合材料的制2為什么要提高葉片材料性能？提高機組的經(jīng)濟性，葉片的尺寸增大可以改善風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟性，降低成本。葉片長度從1980年的4.5m發(fā)展到今天的61.5m，容量從當(dāng)初的55kW發(fā)展到今天的5MW比重輕且具有最佳的疲勞強度和機械性能，能經(jīng)受暴風(fēng)等極端惡劣條件和隨機負荷的考驗；葉片的彈性、旋轉(zhuǎn)時的慣性及其振動頻率特性曲線都正常，傳遞給整個發(fā)電系統(tǒng)的負荷穩(wěn)定性好；耐腐蝕、紫外線照射和雷擊的性能好；發(fā)電成本較低，維護費用最低。風(fēng)能作為一種潔凈的可再生能源，隨著技術(shù)逐步成熟，今后的運行成本會低于水電和火電，發(fā)展前景非常廣闊。目前的風(fēng)力發(fā)電機單機容量的不斷增大,

變速恒頻、變槳矩型風(fēng)力機逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。為什么要提高葉片材料性能？提高機組的經(jīng)濟性，葉片的尺寸增大可3材料12-2風(fēng)力發(fā)電機葉片材料的發(fā)展ppt課件4葉片材料的發(fā)展沿革木制葉片及布蒙皮葉片鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片鋁合金等弦長擠壓成型葉片玻璃鋼葉片玻璃鋼復(fù)合葉片碳纖維復(fù)合葉片………..

測算2007年制造的43,777枚風(fēng)輪葉片的總重量略超過20,萬,t，這使得風(fēng)輪葉片成為全世界復(fù)合材料的最大單項用途之一。在這20萬T葉片中，各種原材料的用量分別為：玻璃纖維：100,240,t；碳纖維：2,090,t；熱固性樹脂(主要是環(huán)氧和聚酯樹脂)：82,550,t；芯材（巴薩木和泡沫芯材）：8,160,t；金屬（配件和螺栓）：6,800,t。葉片材料的發(fā)展沿革木制葉片及布蒙皮葉片測算2007年制造的5木制葉片及布蒙皮葉片

近代的微、小型風(fēng)力發(fā)電機也有采用木制葉片的，但木制葉片不易做成扭曲型。大、中型風(fēng)力發(fā)電機很少用木制葉片，采用木制葉片的也是用強度很好的整體木方做葉片縱梁來承擔(dān)葉片在工作時所必須承擔(dān)的力和彎矩。

木制葉片及布蒙皮葉片

6鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片

葉片在近代采用鋼管或D型型鋼做縱梁，鋼板做肋梁，內(nèi)填泡沫塑料外覆玻璃鋼蒙皮的結(jié)構(gòu)形式，一般在大型風(fēng)力發(fā)電機上使用。葉片縱梁的鋼管及D型型鋼從葉根至葉尖的截面應(yīng)逐漸變小，以滿足扭曲葉片的要求并減輕葉片重量，即做成等強度梁。今天我們?nèi)钥煽吹浇饘僦浦鄙龣C螺旋槳、氣墊船螺旋槳、風(fēng)扇葉片、船用螺旋槳，因此不難理解也有用金屬做的風(fēng)力機葉片。實際上由于合金鋼其價格低廉，易加工成細長的形狀，因此常采用鋼管或D型型鋼做葉片縱梁，鋼板做肋梁，合金鋼也因此一度被認(rèn)為是首選的風(fēng)力機葉片材料。然而，它的密度太大，疲勞特性差，易腐蝕，加工成扭曲形狀成本高，因而慢慢被別的材料所替代。鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片

7鋁合金等弦長擠壓成型葉片

用鋁合金擠壓成型的等弦長葉片易于制造，可連續(xù)生產(chǎn)，又可按設(shè)計要求的扭曲進行扭曲加工，葉根與輪轂連接的軸及法蘭可通過焊接或螺栓連接來實現(xiàn)。鋁合金葉片重量輕、易于加工，但不能做到從葉根至葉尖漸縮的葉片，因為目前世界各國尚未解決這種擠壓工藝。玻璃鋼葉片

所謂玻璃鋼(glass

fiber

reinforced

plastic，簡稱GFRP)就是環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂等塑料滲入長度不同的玻璃纖維或碳纖維而做成的增強塑料。增強塑料強度高、重量輕、耐老化，表面可再纏玻璃纖維及涂環(huán)氧樹脂，其它部分填充泡沫塑料。玻璃纖維的質(zhì)量還可以通過表面改性、上漿和涂覆加以改進。LM玻璃纖維公司現(xiàn)致力于開發(fā)長達54m的全玻纖葉片，其單位kWh成本較低。變弦長的葉片沒辦法擠拉出來，因此其是以犧牲空氣動力效率為前提的鋁合金等弦長擠壓成型葉片

玻璃鋼葉片變弦長的葉片沒辦法擠拉8當(dāng)前主要使用的葉片復(fù)合材料據(jù)國際咨詢公司UtiliPoint總裁Bob

Bellemare稱：對于風(fēng)力發(fā)電機而言，碳纖維是即將來臨的潮流。一般較小型的葉片(如22m長)選用量大價廉的E-玻纖增強塑料，樹脂基體以不飽和聚酯為主，也可選用乙烯酯或環(huán)氧樹脂，而較大型的葉片(如42m以上)一般采用CFRP或CF與GF的混雜復(fù)合材料，樹脂基體以環(huán)氧為主。GE風(fēng)能的葉片工程的全球經(jīng)理Ramesh

Gopalakrishnan說，設(shè)計師們在尋找輕質(zhì)高強度材料的過程中，選擇了碳纖維應(yīng)用于葉片設(shè)計中。因此，玻璃纖維和碳纖維是目前葉片制造中最為重要的兩種材料。

為滿足上述要求，提高機組的經(jīng)濟性，葉片的尺寸增大可以改善風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟性，降低成本。葉片長度從1980年的4.5m發(fā)展到今天的61.5m，容量從當(dāng)初的55kW發(fā)展到今天的5MW。1970年的風(fēng)力機葉片主要有鋼材、鋁材或木材制成，今天選擇的材料以E-玻纖增強塑料(GFRP)居多，目前已開始采用碳纖維復(fù)合材料(CFRP)，葉片材料的開發(fā)順應(yīng)了葉片大型化和輕量化的方向發(fā)展當(dāng)前主要使用的葉片復(fù)合材料據(jù)國際咨詢公司UtiliPoint9復(fù)合材料制作葉片的主要優(yōu)勢可根據(jù)風(fēng)力機葉片的受力特點設(shè)計強度和剛度翼型容易成型，并達到最大氣動效率抗振性好，自振頻率可自行設(shè)計疲勞度較高耐腐蝕性和耐氣候性好維修簡便，易于修補！但并不是所有的風(fēng)力發(fā)電機葉片都要用最好的復(fù)合材料！要根據(jù)葉片的大小，所用地的地理環(huán)境及風(fēng)源的因素選擇經(jīng)濟性最好的材料！復(fù)合材料制作葉片的主要優(yōu)勢！但并不是所有的風(fēng)力發(fā)電機葉片都要10較傳統(tǒng)的E玻璃纖維復(fù)合材料E-玻璃纖維：E-glassE代表electrical，意為電絕緣玻璃。是一族鈣鋁硅酸鹽玻璃，其堿金屬氧化物含量很少（一般小于1%），故又稱無堿玻璃，具有高電阻率。性能：比強度、比模量和耐腐蝕性能，價格較低廉工藝匹配性好，廣泛用于電氣設(shè)備密度大，不適于大型葉片較傳統(tǒng)的E玻璃纖維復(fù)合材料E-玻璃纖維：E-glassE代11S玻璃纖維復(fù)合材料S-玻璃纖維：S代表Strength（強度），亦有代表Structural（結(jié)構(gòu)的）之說。是美國歐文斯科寧研發(fā)的高強度纖維玻璃。S玻璃是一種鎂鋁硅酸鹽玻璃，其新生態(tài)纖維強度一般比E玻璃纖維高25%以上，同是具有高模量，抗沖擊，耐高溫，耐疲勞和透雷達波的性能。缺點：較E-Glass價格貴。歐文斯科寧開發(fā)的WindStrand新一代增強型玻璃纖維，可在不增加葉片成本的情況下提高葉片的性能。據(jù)報道，WindStrand可以提高葉片的硬度和強度，使葉片具有良好的抗疲勞性能，從而提高葉片的抗風(fēng)性能，增長葉片的壽命，提高葉片的能量轉(zhuǎn)換率。與傳統(tǒng)的E一玻璃纖維相比，增強型WindStrand可以使葉片的重量降低10%但仍不能滿足更大葉片的生產(chǎn)！S玻璃纖維復(fù)合材料S-玻璃纖維：S代表Strength（強度12材料12-2風(fēng)力發(fā)電機葉片材料的發(fā)展ppt課件13碳纖維復(fù)合材料

隨著風(fēng)機葉片長度的增加，單純使用玻璃纖維，其剛度已經(jīng)不能滿足大型風(fēng)機葉片的要求，因此碳纖維也逐漸被引人。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(DelftUniversityofTechnology,Netherlands)研究表明，碳纖維復(fù)合材料葉片的剛度是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的兩倍。碳纖維取代玻璃纖維不僅可以減輕葉片質(zhì)量，而且性能更優(yōu)異。但是碳纖維過于昂貴，一定程度上限制了其廣泛使用。折中的方案：玻纖與碳纖混雜。42m以上的葉片采用碳纖維或碳/?；祀s纖維碳纖維復(fù)合材料折中的方案：玻纖與碳纖混雜。42m以上的葉片14Discontinuousfiber-reinforcedcompositeshavelowerstrengthandmodulusthancontinuousfibercomposites.However,withrandomorientationoffibers(Figure3.1e),itispossibletoobtainequalmechanicalandphysicalpropertiesinalldirectionsintheplaneofthelamina.本文針對9米長的復(fù)合材料葉片進行了有限元計算，分析了材料特性、疊層、厚度等要素的影響。在現(xiàn)有的葉片截面上，使用不同厚度的NREL剖面，基于層疊理論和多層結(jié)構(gòu)原理進行復(fù)合材料葉片研究，并完成了二個設(shè)計實例。通過具有相同外部幾何要素、二種不同材料層壓的對比分析可以發(fā)現(xiàn)，碳纖維玻璃復(fù)合材料可以減低11%的重量。Discontinuousfiber-reinforced15玻璃纖維（ＧＦ）／環(huán)氧樹脂（ＥＰ）復(fù)合材料是目前研究比較成熟、應(yīng)用最廣的一種環(huán)氧復(fù)合材料，具有比強度高、比模量高、耐疲勞、耐腐蝕、電性能優(yōu)異等特點，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，并且用量不斷增加。碳纖維（ＣＦ）／ＥＰ復(fù)合材料具有比強度、比模量、耐疲勞強度較高以及耐燒蝕性能好等一系列優(yōu)點，還具有密度小、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕和抗蠕變性能優(yōu)異及整體性好、抗分層、抗沖擊等特點.GF/EP與CF/EP性能比較玻璃纖維（ＧＦ）／環(huán)氧樹脂（ＥＰ）復(fù)合材料是目前研究比較成熟16實驗材料：碳纖維:T700S,12K，日本東麗;玻璃纖維:E玻璃纖維實驗材料：17CF/EP材料在碳纖維未經(jīng)表面改性時浸潤度降低，存在氣孔較多，造成的材料整體性能會有所下降。CF/EP材料在碳纖維未經(jīng)表面改性時浸潤度降低，存在氣孔較多18經(jīng)表面氧化處理后，碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能隨碳纖維含量的增加呈拋物線狀變化，先上升，達到最大值后下降；碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能提高，其中最大拉伸強度比未處理碳纖維復(fù)合材料提高了23.37%，最大抗壓強度提高了11.73%經(jīng)表面氧化處理后，碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能隨碳纖19一般認(rèn)為小型風(fēng)機葉片(22m以下)選用玻璃纖維增強，樹脂基體以不飽和聚醋樹脂為主，也可選用乙烯基樹脂和環(huán)氧樹脂較大型葉片(42m以上)選用碳纖維增強或碳纖維和玻璃纖維混合增強，樹脂基體以環(huán)氧樹脂為主。從聚酯樹脂到環(huán)氧樹脂一般認(rèn)為小型風(fēng)機葉片(22m以下)選用玻璃纖維增強，樹脂基體20葉片復(fù)合材料的制造工藝隨著風(fēng)機葉片的尺寸不斷增加，為了保證發(fā)電機的平穩(wěn)運行和塔架安全，要求葉片質(zhì)量輕、外形尺寸精度高、質(zhì)量分布均勻、長期使用性能可靠。因此風(fēng)機葉片的生產(chǎn)工藝也在不斷改進。

手糊成型傳統(tǒng)復(fù)合材料風(fēng)機葉片多采用手糊成型。由于手糊成型是開模工藝，生產(chǎn)過程中會有大量的苯乙烯等揮發(fā)性有毒氣體產(chǎn)生，給操作者和環(huán)境帶來危害;另外，手糊成型生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性差，因此手糊成型通常只用于生產(chǎn)葉片長度比較短和批量比較小的場合葉片復(fù)合材料的制造工藝隨著風(fēng)機葉片的尺寸不斷增加，為了保證21

真空澆灌成型對于長度超過40m的葉片，一般采用真空灌注成型。真空灌注成型工藝是將纖維增強材料直接鋪放在模具上，在纖維增強材料上鋪放剝離層和高滲透介質(zhì)，然后用真空薄膜包覆及密封，利用真空負壓將樹脂注人并浸透增強材料。由于真空灌注成型是閉模成型，因此在成型過程中苯乙烯揮發(fā)少，改善了工作環(huán)境，簡化了工藝操作。同時真空輔助可充分消除氣泡，降低制品的孔隙率，能有效控制產(chǎn)品的含膠量，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性高。真空灌注成型工藝被認(rèn)為一種效率高。成本低、質(zhì)量好的生產(chǎn)工藝，已經(jīng)被廣泛使用。真空澆灌成型22葉片整體成型(IntegralBlade)技術(shù)較真空灌注成型工藝相比，西門子風(fēng)力發(fā)電集團研發(fā)的葉片整體成型(IntegralBlade)技術(shù)，更簡化了生產(chǎn)過程，能使葉片正真達到一次成型。其原理是玻璃纖維增強材料的干燥通過一個封閉的外部模具和一個擴展的內(nèi)部模具的特殊組合完成鑄造，完成玻璃纖維增強材料的層壓之后，環(huán)氧樹脂材料在真空環(huán)境中注人，此后，葉片在封閉的模具中經(jīng)高溫固化，一步完成完整、無縫的葉片制造。與其它制造商所采用的傳統(tǒng)葉片制造方法相比，整體成型所具有的優(yōu)點包括:該方法節(jié)省人力和空間，制造過程中僅需一個模具組;在外殼和承重桿之間沒有公差，使最終的葉片結(jié)構(gòu)完整，不存在膠水粘連部件，從而避免了裂縫、水分侵人、雷電對這些潛在威脅對葉片薄弱環(huán)節(jié)的不利因素。由于IntegralBlade制造過程的封閉性，葉片制造工廠提供了一個干凈、漂亮的工作環(huán)境。葉片整體成型(IntegralBlade)技術(shù)23葉片今后的發(fā)展趨勢葉片廠家制造大型葉片所面臨的問題新模具的開發(fā)固化的問題運輸?shù)膯栴}葉片的技術(shù)問題葉片今后的發(fā)展趨勢葉片廠家制造大型葉片所面臨的問題241、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)合材料槳葉設(shè)計外形和尺寸精度，葉片越長，成形時對模具剛度和強度的要求就越高，而模具的重量和成本也會大幅度提高。近年來，為減輕模具重量，降低模具成本，大型復(fù)合材料葉片的制造模具也逐漸由金屬模具向復(fù)合材料模具轉(zhuǎn)變?？紤]到內(nèi)資廠商處在風(fēng)電葉片生產(chǎn)的初期，需要較長時間進行模具開發(fā)、樣品開發(fā)、樣品測試工藝調(diào)試以及流程優(yōu)化，因此一般新進入的風(fēng)電葉片生產(chǎn)廠商都需要較長時間的摸索。2、葉片存在固化問題。一般而言，復(fù)合材料制品在固化過程中放熱不易控制，特別是在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)局部厚度較大處，放熱峰溫度過高，局部熱量不易散去，易產(chǎn)生焦化。為了避免發(fā)生放熱過多，固化過程通常分階段進行，但延長了固化周期。為了縮短整個固化周期，Hexcel研發(fā)了一種專門用于葉片根部的低放熱預(yù)混料HexPlyM19。據(jù)介紹HexPlyM19是一種低毒性，環(huán)境友好型預(yù)混料其最大的優(yōu)點就是容易控制固化反應(yīng)過程中的放熱。HexPlyM19與玻璃纖維和碳纖維一起使用，比同樣條件下的一般預(yù)混料固化快巧-20%。由于固化反應(yīng)放熱易控制，因此較傳統(tǒng)預(yù)浸料在高溫條件下固化時間短，從而縮短了固化周期。隨著固化周期的縮短，模具成本和加工成本也相應(yīng)地降低。據(jù)估算其模具成本可降低10%，模具使用壽命可延長30%。1、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25總的趨勢向輕質(zhì)、高強度、長使用壽命、大型化發(fā)展

風(fēng)力機裝機功率增大不斷增加，更長的葉片將會出現(xiàn)葉片的設(shè)計將不斷更新碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電上的應(yīng)用會不斷擴大碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用推廣，關(guān)鍵看價格的降低新的增強材料制造技術(shù)進一步發(fā)展，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)量增強材料和基體材料表面性能研究，提高葉片使用壽命總的趨勢向輕質(zhì)、高強度、長使用壽命、大型化發(fā)展26綠色葉片：各國制造商正在研究開發(fā)“綠色葉片”，發(fā)展可回收利用的熱塑性復(fù)合材料葉片。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。目前，愛爾蘭Gaoth風(fēng)能公司、日本三菱重工和美國Cyclics公簽署了合作協(xié)議開發(fā)熱塑性復(fù)合材料葉片，并已采用玻璃纖維增強Cyclics公司的低粘