风力发电机叶片材料选用介绍

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1、风力发电机叶片材料选用介绍叶片是风力发电机组的重要构件。它将风能传递给发电机的转子，使之旋转切割磁力线而发电。为确保在野外极其恶劣环境中长期不停、安全地运行，对叶片材料的要求是：①密度小且具有最佳的疲劳强度和力学性能，能经受住极端恶劣条件和随机的负荷（如暴风等）的考验，确保安全运转20年以上；②成本（精确说为分摊到每度电的成本）低；③叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲红都正常，传递给整个发电系统的负荷稳定性好；④耐腐蚀、耐紫外线（UV）照射和抗雷击性好；⑤维护费用低。　　FRP完全可以满足以上要求，是最佳的风力发电机叶片材料。 　　1.1 GFRP 　　目前商品化的大型风机叶片大

2、多采用玻璃纤维增强塑料（GFRP）制造。GFRP叶片的特点为： 　　①可根据风机叶片的受力特点来设计强度与刚度  　　风机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲和离心力，气动弯曲载荷比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用玻璃纤维（GF）受力为主的受力理论，可将主要GF布置在叶片的纵向，这样就可使叶片轻量化。　　②翼型容易成型，可达到最大气动效率  　　为了达到最佳气动效果，利用叶片复杂的气动外形，在风轮的不同半径处设计不同的叶片弦长、厚度、扭角和翼型，如用金属制造则十分困难。同时GFRP叶片可实现批量生产。　　③使用时间长达20年，能经受108以上疲劳交变载荷GFRP疲劳强度较高，缺

3、口敏感性低，内阻尼大，抗震性能较好。 　　④耐腐蚀性好  　　由于GFRP具有耐酸、碱、水汽的性能，可将风机安装在户外，特别对于近年来大力发展的离岸风电场来说，能将风机安装在海上，使风力机组及其叶片经受各种气候环境的考验。　　为了提高GFRP的性能，还可通过表面处理，上浆和涂覆等对GF进行改性。美国的研究表明，采用射电频率等离子体沉积去涂覆E-GF，其拉伸及耐疲劳性可达到碳纤维（CF）的水平。　　1.2 CFRP　　随着风机叶片设计技术的提高，风力发电向大功率、长叶片的方向发展。叶片长度增加势必增加叶片的质量。经对长度10~60m的叶片进行的统计表明，叶片质量按长度的三次方增加。叶片轻量

4、化对运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。由于叶片运行时其重力产生交变载荷，使叶片本身及机组产生疲劳。叶片减重可相应减少轮毂、机舱、塔架等结构的质量。　　对于大型叶片，刚度成为主要问题。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。既要减轻叶片的质量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用碳纤维增强塑料（CFRP）。CFRP的拉伸性模量是GFRP的2~3倍。大型叶片采用CF增强可充分发挥其高弹轻质的优点。据分析，采用CF/GFRP混杂增强的方案，叶片可减重20%~40%。据欧洲EC公司资助的研究计划中介绍，在￠120m叶片转子中添加CF能有效减轻总体质量达38%，另外亦可使

5、其设计成本费用比GF减少14%。另外一个类似的研究分析也指出，添加CF制得的风机叶片质量会比GF减轻约32%。　　目前世界上最大的CF/GFRP混杂风机叶片是Nodex公司为海上风电5MW机组配套研制的长度56m的叶片。Nodex公司还开发了43m（9.6t）的CF/GFRP风机叶片，可用于陆上2.5MW机组。Enercon公司开发了供4.5MW风力机组使用的CFRP叶片。对于大型叶片是否需用CF增强，目前尚有争议。一些人认为，在风能产业中引入CF工艺是“奇特”和昂贵的，如果可能应尽量避免。然而许多结构方面的工程师确信，自然的规模法则显示，当叶片长度增加时，质量的增加要快于能量的提取。因

6、此采用CF或CF/GF混杂纤维对抑制质量的增大是必要的。同时为了降低风能的成本，发展具有足够刚性的更长叶片也是必要的。　　能否在风机叶片上大量采用CFRP取决于CF的价格。CFRP的性能虽然远优于GFRP，且不论叶片还是整个风力发电机组毫玩疑问都是最轻量的，但价格也是最贵的。即使CF价格降到11美元/Kg，用CFRP制备叶片的价格还是过高。因此现在正从原材料、工艺技术、质量控制等方面深入研究，以求降低CFRP的成本。　　一般较小型的叶片（如长22m）选用量大价廉的E-GFRP，树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用乙烯基酯树脂或环氧树脂。而较大型的叶片（如长42m以上）一般采用CFRP或CF

7、/GFRP，树脂基体以环氧树脂为主。