frp在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用

1、FRP在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用在大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片中的應(yīng)用隨著世界石油資源的日益匱乏，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源而逐漸被人們重視。開發(fā)和利用風(fēng)能資源不僅可以為21世紀(jì)尋找新的替代能源，而且有利于環(huán)境保護(hù)。我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在經(jīng)歷了一個(gè)由小到大、由慢到快的過程。從20世紀(jì)70年代研制成功1KW小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組樣機(jī)，到1998年的國家“乘風(fēng)計(jì)劃”揭開了大型風(fēng)電機(jī)組國產(chǎn)化的序幕；從1986年我國第一個(gè)風(fēng)電場在山東榮成并網(wǎng)發(fā)電，到200

2、6年底建成了91個(gè)風(fēng)電場；從1999年著批國產(chǎn)化600KW風(fēng)電機(jī)組在達(dá)坂城風(fēng)電一場投入運(yùn)行，到2005年研發(fā)MW級國產(chǎn)化風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)；從2004年總裝機(jī)容量76.4萬KW到2006年底總裝機(jī)量258.9KW，由此不難看出，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在這20多年中逐漸發(fā)展、前進(jìn)、壯大。近年來，風(fēng)電機(jī)組技術(shù)改進(jìn)的主要方向是降低制造成本、提高單機(jī)容量、提高風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、實(shí)現(xiàn)自動控制等。目前主流風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量為1.5~2.0MW容量越大，發(fā)電效率越高，技

3、術(shù)難度越大。而國外正在開發(fā)、應(yīng)用的機(jī)組單機(jī)容量為3~5MW。美國NREL（國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室）2004年的報(bào)告認(rèn)為在2012年之前，價(jià)格上有競爭力的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，陸地為2~5MW，海上風(fēng)電場（近海）為5MW以上。2003年德國Eneroon公司安裝了第一臺4.5MW的風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是接受風(fēng)能的最主要部件，也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最基礎(chǔ)和最關(guān)鍵的部件。其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。纖維增強(qiáng)塑料（

4、FRP）以其輕質(zhì)、耐腐蝕和高拉伸彈性模量一直是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片最常用的材料，是復(fù)合材料成功應(yīng)用的典型大型構(gòu)件。1制造風(fēng)機(jī)葉片的主要材料制造風(fēng)機(jī)葉片的主要材料葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要構(gòu)件。它將風(fēng)能傳遞給發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，使之旋轉(zhuǎn)切割磁力線而發(fā)電。為確保在野外極其惡劣環(huán)境中長期不停、安全地運(yùn)行，對葉片材料的要求是：①密度小且具有最佳的疲勞強(qiáng)度和力學(xué)性能，能經(jīng)受住極端惡劣條件和隨機(jī)的負(fù)荷（如暴風(fēng)等）的考驗(yàn)，確保安全運(yùn)轉(zhuǎn)20年以上；②成本（精確說為分

5、攤到每度電的成本）低；③葉片的彈性、旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣性及其振動頻率特性曲紅都正常，傳遞給整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)荷穩(wěn)定性好；④耐腐蝕、耐紫外線（UV）照射和抗雷擊性好；⑤維護(hù)費(fèi)用低。FRP完全可以滿足以上要求，是最佳的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料。1.1GFRP目前商品化的大型風(fēng)機(jī)葉片大多采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）制造。GFRP葉片的特點(diǎn)為：①可根據(jù)風(fēng)機(jī)葉片的受力特點(diǎn)來設(shè)計(jì)強(qiáng)度與剛度風(fēng)機(jī)葉片主要是縱向受力，即氣動彎曲和離心力，氣動彎曲載荷比離心力大得多，

6、由剪切與扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪應(yīng)力不大。利用玻璃纖維（GF）受力為主的受力理論，類似的研究分析也指出，添加CF制得的風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量會比GF減輕約32%。目前世界上最大的CFGFRP混雜風(fēng)機(jī)葉片是Nodex公司為海上風(fēng)電5MW機(jī)組配套研制的長度56m的葉片。Nodex公司還開發(fā)了43m（9.6t）的CFGFRP風(fēng)機(jī)葉片，可用于陸上2.5MW機(jī)組。Enercon公司開發(fā)了供4.5MW風(fēng)力機(jī)組使用的CFRP葉片。對于大型葉片是否需用CF增強(qiáng)，目前尚有爭議

7、。一些人認(rèn)為，在風(fēng)能產(chǎn)業(yè)中引入CF工藝是“奇特”和昂貴的，如果可能應(yīng)盡量避免。然而許多結(jié)構(gòu)方面的工程師確信，自然的規(guī)模法則顯示，當(dāng)葉片長度增加時(shí)，質(zhì)量的增加要快于能量的提取。因此采用CF或CFGF混雜纖維對抑制質(zhì)量的增大是必要的。同時(shí)為了降低風(fēng)能的成本，發(fā)展具有足夠剛性的更長葉片也是必要的。能否在風(fēng)機(jī)葉片上大量采用CFRP取決于CF的價(jià)格。CFRP的性能雖然遠(yuǎn)優(yōu)于GFRP，且不論葉片還是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組毫玩疑問都是最輕量的，但價(jià)格也是最

8、貴的。即使CF價(jià)格降到11美元Kg，用CFRP制備葉片的價(jià)格還是過高。因此現(xiàn)在正從原材料、工藝技術(shù)、質(zhì)量控制等方面深入研究，以求降低CFRP的成本。一般較小型的葉片（如長22m）選用量大價(jià)廉的EGFRP，樹脂基體以不飽和聚酯為主，也可選用乙烯基酯樹脂或環(huán)氧樹脂。而較大型的葉片（如長42m以上）一般采用CFRP或CFGFRP，樹脂基體以環(huán)氧樹脂為主。2FRP葉片制造工藝葉片制造工藝傳統(tǒng)FRP風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片多采用了、手糊工藝制造。手糊工藝生

9、產(chǎn)風(fēng)機(jī)葉片的主要缺點(diǎn)是產(chǎn)品質(zhì)量完全依賴于工人的操作熟練程度及環(huán)境條件，生產(chǎn)效率低且產(chǎn)品質(zhì)量波動較大，產(chǎn)品的動靜平衡保證性差，廢品率高。葉片在使用過程中由于手糊工藝過程中的含膠量不均勻、纖維與樹脂的浸潤性不良或固化不完全而是出現(xiàn)裂紋、斷裂和變形等問題。此外，手糊工藝過程伴有大量有害物質(zhì)和溶劑的釋放，存在環(huán)境污染問題。目前已開發(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、樹脂傳遞模塑（RTM）工藝及真空輔助灌注工藝。RTM工藝是首先在模

10、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)備將專用低粘度樹脂體系注入閉合式型腔，由排氣系統(tǒng)保證樹脂流動順暢，排出型腔內(nèi)的全部氣體和徹底浸潤纖維，由模具的加熱系統(tǒng)使樹脂等加熱固化而成型為FRP構(gòu)件。RTM工藝適宜于中小尺寸風(fēng)機(jī)葉片的中等批量生產(chǎn)（5000~30000片年）。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