復合材料與風力機葉片 zund m-1200-遮雨棚台中切割加工－駱歡禮焦點新聞熱搜

1 前言
    風能是綠色、環保、可再生能源，取之不盡，用之不竭。在當今能源短缺、供應緊張，同時又突出強調環保的情況下，大力開發利用風能，用之發電，乃是普遍的趨勢和潮流，如此，亦然。
    風力發電是目前上能源領域發展快且相對成熟的技術之一，據知大約每年以25~30％的速度遞增。表1給出2006年各國風電裝機容量前十名的情況，表2則給出2006年各國新增裝機容量前十名的情況。
    分析表1和表2的數據可見，目前風電總裝機容量已達74221MW，2006年是風電發展創記錄的一年，新增裝機容量15197MW，增幅達32%左右。目前總裝機容量已達2604MW，排名第六，亞洲第二，遠落后于印度；2006年新增容量1347MW，增幅達107％左右，增速為。

    據發改委的計劃安排，我國的裝機容量2010年達5000MW，2015年達15000MW，2020年達30000MW，擬占屆時國內總發電量的15%左右。因此風力發電在我國未來的十幾年間將有相當大的發展空間，形成了當前國內的風電熱。[-page-]
    在風電設備中風力發電機的葉片是提高其性能的關鍵部件，而制造成本在總成本中所占比重大，約為15~20％。目前大型風力發電機的葉片基本上均由各種復合材料制成，因此葉片氣動設計和結構設計技術與復合材料技術密切相關，同時復合材料還用在機艙罩、輪轂、塔架等部位。目前為降低風力發電成本，要求單機容量越來越大，葉片越來越長。理論和實踐表明，風力機捕獲風能的多少與風輪直徑的平方成正比，因此如果葉片增長6％，則捕獲的風能可增加12％以上。目前已在研發5MW以上、長達50m以上的葉片，更進一步向7~10MW、
長達60m以上的葉片發展。葉片大型化的同時還要求輕量化、低成本化和高性能化，即在滿足安全、可靠和壽命要求的前提下質量要更輕、成本更低、功率更高。為此要進行氣動及結構設計、材料體系和制造技術上的系列革新。
    目前我國風力機葉片技術已可制造1.5~2.0MW、長達35~37.5m的葉片，正在計劃研發2.5~3.0MW、長達40m以上的葉片。風力機的研制是設計空氣動力學、機械設計與制造、材料、電機、控制等的多學科的系統工程，盡管我國已引進一些國外制造技術，但從綜合技術水平上看，我們嚴重缺乏具有獨立自主知識產權的核心技術以及進行自主創新的能力，我們與的先進水平還有一定差距，急需一個綜合配套的跨越式的創新發展。
2 風力機葉片與復合材料
    風力機葉片曾用木材和金屬來制造，但隨著風力機向大型化的發展，近年來已基本用各種復合材料所代替。故風力機葉片已成為目前復合材料極重要的應用領域之一。
2.1 材料體系
    風力機葉片用主要材料體系包括各種增強材料、基體材料、夾層泡沫、膠粘劑和各種輔助材料等。
    增強材料大量使用E玻纖，其成本低(10元／公斤以下)、適用性強。當要求更高的強度和剛度時，將會使用到高強玻纖，如S2玻纖，雖然價格較高(40~50元／公斤)，但適當使用會有好處。某些新興纖維也可用作候選對象，如超高分子量聚乙烯纖維、玄武巖纖維等。玄武巖纖維是一種新型無機纖維，由宣武巖石在高溫熔融狀態下拉絲而成，其力學性能與S2玻纖相當，但有更好的耐酸堿和耐高溫性能。當葉片更長時，強度、剛度要求更高、自重更大，此時則要求采用碳纖維。各種有關纖維的主要性能見表3。

    基體材料目前大量使用不飽和聚酯樹脂(UPR)，其綜合性能優良，價格又低，國產已可滿足要求。其次還有乙烯基酯樹脂(VER)、環氧樹脂(EPR)等。以環氧樹脂為基體的復合材料力學性能更好，特別是當使用碳纖維時，樹脂多用環氧為主。上述材料均為熱固性樹脂，現在也有用熱塑性樹脂的，如Gaoth Tec Tea公司研發所謂的“綠色葉片”(Greenblade)。雖然目前成本較高，但有一系列優點，特別是可回收，從而解決了環保問題。
    葉片以及機艙罩等結構多用夾層結構形式，會大量用到閉孔泡沫材料，目前國內多用瑞典戴泊(DIAB)公司的泡沫。關于膠粘劑和輔助材料等則問題不大，但多用進口材料。[-page-]
2.2 制造工藝
    葉片傳統的成型工藝多用手工鋪糊，又稱濕法成型。該法以手工勞動為主，簡便易行、成本低，但效率亦低、質量不穩定、工作環境差，多用于中小型葉片的成型；干法成型，即預浸料成型，屬新興技術。纖維先制成預浸料，現場鋪放，加溫(或常溫)加壓固化，生產效率高，現場工作環境好，由丹麥的Ves-tas首創并大量應用。應特別指出當葉片用到碳纖維時，多采用預浸料法成型。
    葉片新發展的成型方法是RTM，即樹脂轉移模塑成型法。將纖維預成型體置于模腔中，然后注人樹脂，加溫加壓成型。RTM是目前上公認的低成本制造方法，發展迅速，應用廣泛。應該指出的是RTM是該法的一個總稱，其中可有多種分支。生產大型葉片多用的是VARTM和SCRIMP法。VAR-TM即真空輔助RTM一邊抽真空一邊注入樹脂，此時只用單面模具，另一面用真空袋。SCRIMP即西曼復合材料熔塑成型法，為美國人西曼所發明，僅需單面模具且要求簡單，另一面亦為真空袋，適用于制造大型復雜制件。TPI Composites公司已用該法制造了30m長的葉片。此外也有用纏繞和拉擠法生產葉片的。
    制造涉及的另一個重要問題是模具。模具亦多由復合材料制成，以鋼架支持，由木制實體樣件為陽模，反制陰模型腔，再經嚴格的表面處理而成。模具技術亦是一個有難度的專門技術。
2.3 氣動與結構設計
    葉片的設計主要為氣動外形設計和結構設計及防雷擊系統設計等。
    葉片的氣動外形設計是風力機葉片設計的基礎，直接影響風力機的空氣動力特性和電價成本。葉片的翼型氣動外形設計一直沿用飛機的螺旋槳設計原理，在很大程度上限制了風力機性能的發揮。近來國內專家，如沈陽航空工業學院的申振華教授從航空發動機研究的獨特視角對風力機的氣動問題進行系統分析，指出其不合理性：風力機原本是風力渦輪，既是“渦輪”，卻為什么一直抄用螺旋槳（壓氣機類）的葉型？眾所周知，渦輪的功轉換能力比壓氣機大得多，在航空發動機中，一級渦輪可帶動多級壓氣機，原因就是渦輪葉片的葉型彎度比壓氣機大得多。那么，風力機是否可以照搬渦輪的葉型呢？答案是否定的，因為風力渦輪和通常的燃氣渦輪工作條件不同：①燃氣渦輪有機匣限制氣流的流動，而風力渦輪則沒有；②在燃氣渦輪情況下，渦輪葉片數目眾多，稠度很大，氣流在葉柵通道中的流動受到了相當大的約束，況且其中的流動是加速流動，氣流不易在吸力面發生分離，但是在風力機則不然，它只有2~3支葉片，基本無“稠度”可言，如果照搬渦輪的葉型，勢必在其吸力面造成嚴重的氣流分離。由此申教授提出了風力機葉片翼型“渦輪化”的新概念，得到了業內眾多專家的一致好評。為此保持葉片吸力面的螺旋槳翼型型面不變，以保持原有翼型良好的氣動性能；同時對翼型的壓力面進行大幅度改進，顯著增加其彎度。理論分析以及對原有翼型和改進翼型進行的大量風洞對比實驗證明了這一概念的正確性。幾年來，申教授等對風力機工作原理及性能改進方法進行了一系列開發研究，先后提出了風力機的槳尖噴氣推力型工作原理、風力機的翼型“渦輪化”新概念以及由Gurney襟翼改進的鈍尾緣翼型，并經原理性風洞試驗證實，每項技術均可顯著或明顯提高風力機的風能利用系數。這些技術已申請了發明專利，具有獨立的自主知識產權，可在風力機葉片的設計中推廣應用。
    葉片的結構設計與復合材料的設計技術密切相關，結構設計在滿足強度、剛度、壽命和可靠性的前提下質量要輕。葉片多采用梁式結構，泡沫夾層結構蒙皮，梁可有I形梁、C形梁、D形梁、矩形梁、圓形梁等之分，且多為單梁式結構。葉片根部的設計重要而復雜，與輪轂的連接設計尤為關鍵，因為這是集中傳力的主接頭。結構設計中具特色的是復合材料的鋪層設計，特別是當采用碳纖維復合材料時。一般講葉片要有20~30年的使用壽命，大約要經過1~10億次的載荷循環。目前提高結構效率的主要方法有精確計算氣動載荷、適當降低安全系數、合理增加相對厚度t/c（翼型厚度與平均氣動弦之比）、合理選用混雜復合材料等。
    葉片設計中要注意氣動與結構的綜合，實現氣動／結構的優化組合。[-page-]
2.4 力學的計算分析與試驗驗證
    葉片主要受氣動力、重力和離心力。這三種力對葉片形成拉、壓、彎、扭載荷。計算分析主要是獲取應力及其分布、結構變形（大撓度）和疲勞壽命，其中包括屈曲分析、連接計算、頻率、模態和動響應分析等。校核結構的強度、剛度，給出疲勞壽命，保證結構的安全、可靠和有效地使用。
    計算分析中要用到復合材料層壓板理論、復合材料連接計算、穩定性計算方法和理論、有限元建模和計算分析方法、專門的計算分析程序和軟件等。根部的計算分析還會用到三維非線性有限元分析等。進行疲勞壽命分析時要事先建立疲勞載荷譜。
    對復合材料結構進行有限元計算分析，當前比較好的軟件是ANSYS程序。該程序提供一種特殊的復合材料單元-層合板單元，用以模擬各種復合材料結構，鋪層可達250層以上。對每一鋪層可先定義材料性質、鋪層角、鋪層厚度等，然后通過由下到上的順序逐層疊加組合為復合材料層合板結構；也可通過直接輸入材料本構矩陣來定義復合材料性質。對于板殼和梁單元，ANSYS利用截面形狀工具可定義矩形、I字型、槽型等各種形式，還可以定義各種函數曲線以模擬變厚度截面。ANSYS程序中的殼單元有SHELL91、SHELL99、SHELL188、SHELL191等，可用于復合材料層合板結構分析。這些層合板單元支持各種靜強度、非線性、穩定性（屈曲）、接觸、模態、動力響應、疲勞斷裂等結構分析。ANSYS程序中預定義了三種復合材料失效準則，分別為大應力準則分別為(Maximum stress theory)、大應變準則(Maximum strain theory)及蔡-吳準則(Tsai-Wu theory)，另外用戶也可自定義六種失效準則，以評價復合材料結構的安全性。總之，對于風電葉片復合材料結構計算分析，完全可以用ANSYS程序來實現。
    除計算分析外葉片還要進行必要的試驗驗證，應包括典型結構件試驗以及全尺寸試驗甚至雷擊防護試驗等，如LM Glasfiber就在一個35m長的葉片上進行了全尺寸防雷擊試驗。國際公認的IEC88/102/CD設計標準，要求做靜力和疲勞試驗，丹麥標準也要求既做靜力又做疲勞試驗，但德國有的公司認為只做靜力就可以了。靜力試驗主要驗證葉片承受設計載荷的能力和應力應變分布，有的直到破壞以驗證破壞位置、破壞模式和安全余度。疲勞試驗主要驗證疲勞壽命和疲勞薄弱環節。隨葉片越來越大，全尺寸試驗經費越來越高，此時可能強調詳細分析、縮比試驗、有些只做靜力不做疲勞、試驗也不一定做到破壞，以節省經費。
3 先進復合材料技術與風力機葉片
3.1 碳纖維與風力機葉片
    此處所言先進復合材料主要是指以碳纖維為增強相的復合材料。如上述葉片一個重要發展趨勢是大型化，當裝機容量4MW以上時葉片可長達50m、重達十幾噸，此時強度、剛度要求越來越高、自重越來越大，以至玻纖不能承受，被迫轉向碳纖，使葉片既能承載又可減重，適應葉片發展輕量化的趨勢。當然目前碳纖維價格較高，限制了其應用，但近年來大絲束(24K以上)碳纖維出現，價格明顯較低，給葉片的應用提供了良好的機遇。
    如丹麥的Vestas在其V90 3MW，44m長的葉片上用碳纖維取代玻纖結果其質量與V80，2MW,39m長的葉片一樣，西班牙的Gamesa在其G87和G90 2MW的葉片上采用了碳纖維，其G90長44m、重達7t，為此其與大絲束碳纖維供應商Zoltek簽了一個長期供貨協議，價值達7500萬美元。據Zoltek預估，2007年用于葉片的碳纖維可達6000t，也有的估計到2008年達4536t，即便按后者計算，其用量已可占到年碳纖維產量的1/4~1/5左右，情形相當可觀。風力機葉片大量應用碳纖維亦是導致目前性的碳纖維危機的重要因素之一，為此各大碳纖維生產廠家均在大規模擴產，以滿足應用的需求，如主要為風力機葉片提供纖維的廠家Zoltek已計劃從2005年的1900t/年的產能擴至9100t/年，是擴產快的廠家。應該指出，目前碳纖維價格畢竟較高，所以全碳纖維的葉片應用較少，多以混雜復合材料應用為主，如主承力梁是碳纖維的，蒙皮則仍為玻纖的。國內風力機葉片上碳纖維應用幾乎還是空白，只在局部結構上有所應用，與國外比差距較大。國內應啟動該領域的研發工作，因碳纖維復合材料葉片的設計和成型工藝與玻纖的尚有許多不同之處。至于碳纖維目前供應緊張的問題，據筆者估計，2~3
年內當會解決。
3.2 先進復合材料技術與風力機葉片
    國際上正在發展各種先進的葉片技術，這些技術均與復合材料技術密切相關。設計上要革新葉片的氣動外形、改進設計準則、精確載荷分析、發展專用的設計分析軟件，采用混雜復合材料等。制造工藝上開始采用自動下料機、自動鋪帶技術、加速制造的自動化進程，降低生產制造成本。近國際上提出了葉片新的研發理念，叫作“未來葉片的概念”（Future Blade Concept），集中在要捕獲更多的風能，并使之智能化，更可靠更耐久。如在葉片上采用智能材料、智能結構技術。LM公司首先在葉片上采用了結構健康監控技術，埋入光導纖維系統，監控結構完整性和雷擊情況等，希望以此提高可靠性，降低風電成本。還有的要將復合材料氣動彈性剪裁技術用于風力機葉片上，所謂氣動彈性剪裁（aeroelastic tailoring）是指利用復合材料的非對稱非均衡鋪層產生的偶合效應，實現葉片有利的變形，增加氣動效率。
    上述這些葉片新技術據長期從事航空復合材料技術研究的筆者看來，多半是由航空復合材料技術向葉片應用轉移而來，盡管對風力機葉片來講技術是新的，但在航空領域，特別是在翼面結構設計上已多有應用。國內復合材料技術研究應用已有30多年的歷史，有些技術已有一定基礎，可為風力機葉片的發展研究提供一定的參考和借鑒。[-page-]
4 結語
    風力機葉片的大型化、輕量化、低成本化已是必然的發展趨勢。綜觀葉片國際發展態勢，可以斷言，葉片技術近期會有較快、較大的發展。面對這一國際化競爭發展的格局，巨大潛在的市場商機，我們應如何應對，這是值得認真思考的問題。為此，我們建議：①應盡早規劃裝機容量5MW、葉片長50m以上大型葉片發展的技術問題。除上述問題外，葉片大型化還會引發一系列問題，如大功率機組的配套、道路交通運輸、風場安裝并網等問題，這些問題必須協調配套解決，否則大型化就無從談起；②發展風力機葉片技術應注意整合國內復合材料的技術力量。國內在玻璃鋼和先進復合材料領域已有多年的研究發展，在設計、材料及制造方面已有一定經驗和基礎，適當借鑒利用，實現跨越式發展是完全可能的；③目前國外大的風力機葉片廠家已積極搶灘，如LM、Vestas、Gamesa、Suzlon等均已入住天津，就地生產葉片，占據了很大的市場份額。國內的主要廠家如中復連眾、保定惠騰等均有引進技術，這對加速發展我國葉片產業是必要的。但今后應強調在引進消化的基礎上，有所發展、有所創新，進一步擁有自主知識產權，增加風電設備國產化份額，走出國門，參加新興市場的爭奪。
                    參考文獻
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