兆瓦级风机叶片主体材料的应用分析

       能是一种无污染的可再生能源，它取之不尽，用之不竭，分布广泛。随着人类对生态环境的要求和能源的需要，风能的开发日益受到重视，风力发电将成为21世纪大规模开发的一种可再生清洁能源。风力机是将风的动能转换为另一种形式能的旋转机械。而风机叶片是决定风力发电机转化效率的部件。因此，风机叶片的质量、结构、气动效率等直接影响风机的输出功率。

1　风机叶片主体材料

制造叶片的理想材料要综合必需的结构特性，在低成本及形成期望的翼型形状的能力下具有很高的强度同重量比率、疲劳寿命和刚度 。因此，风机的叶片主要用玻璃纤维GRP制造，新近也用碳纤维强化的复合材料CFRP粘压成型，兆瓦级风机的叶片都是用复合材料制造的。在本文中将主要介绍兆瓦级风机叶片中的四种主体材料，分别为复合材料中的玻璃纤维、环氧树脂、PVC芯材和胶粘剂。

      1.1　玻璃纤维

　　玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的，其单丝的直径为几个微米到二十几米个微米，相当于一根头发丝的1／20～1／5，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。在风机叶片中主要采用单丝直径在17 m左右的玻璃纤维丝。

　　按玻璃成分，可分为无碱、耐化学、高碱、中碱、高强度、高弹性模量和抗碱玻璃纤维等。无碱玻璃也叫E玻璃，目前风机叶片中常用的玻璃纤维主要就是E玻璃纱线，模量在76 GPa以上。符合要求的纱线主要有OCV的SE1500、PPG的2026、巨石的E6以及重庆国际的ECT。随着叶片长度的增加，玻璃纤维模量的要求越来越高，新型的高模量纱线随即问世，主要体现在OCV的H—glass、重庆国际的TM和浙江巨石的E7。目前在大功率叶片上成功使用的主要是H—glass和TM，叶片均通过德国DEWI—OCC静态和模态测试。除疲劳测试以外，此纱线符合叶片设计要求。

       1.2　环氧树脂

　　环氧树脂是指含有两个或两个以上环氧基团，以脂肪族、脂环族或芳香族等有机化合物为骨架，并能通过环氧基团反应形成有用的热固性产物的高分子低聚体，它的固化交联反应是通过固化剂来完成的，变为交联的体型结构以后，才能显示其固有的优良性能 。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。

　　而兆瓦级风机叶片目前采用的工艺主要是真空灌注工艺，因此，对树脂的混合粘度有很高的要求，一般室温下在200～300 mPa·S为佳，同时凝胶时间需要符合工艺要求：如果时间太长，不能满足生产效率要求；如果时间太短，则不能完成整个真空灌注工艺。目前比较具有代表性的环氧灌注树脂主要有：瀚森(Hexion)、亨斯迈(Huntsman)。
　　风机叶片中必须提到一种手糊树脂，因为叶片需要修型、粘接部分区域，需要用到手糊树脂。而手糊树脂受员工操作水平、环境温度等影响比较大。特别对可操作时间的要求很高，没有一个固定的时间，此产品需要具有系列化的固化剂来调整操作时间。除进口以外，国产惠利树脂比较理想，无论是性能参数还是工艺条件均能满足手糊工艺要求。
     
       1.3　PVC芯材

　　叶片蒙皮主要采用三明治结构在不增加重量的前提下增加叶片的刚度。因此，在整个叶片中，使用到的PVC芯材量很大，PVC芯材的使用方式和质量好坏，直接决定叶片的疲劳性能。PVC芯材有不同的密度，一般在40～250 kg／m3之间任意选择。而风机叶片选择的密度范围为55～65 kg／m3之间。
　　目前市场上提供的PVC泡沫比较杂乱，性能层次不齐，甚至有直接导致叶片产品报废的事例。因此，选择性能参数高，工艺稳定性强的PVC芯材是叶片厂家必须认真对待的事情，特别是海上风机叶片，无论是长度、性能要求还是售后维护方面，都是一个新的挑战。目前比较可靠的芯材主要是戴铂(Diab)生产的系列化PVC泡沫，质量稳定、性能参数均高于叶片设计值。

       1.4　胶粘剂

　　风机叶片的胶粘剂主要是用来粘接叶片两部分壳体的一种环氧类粘接剂。它在叶片中具有非常重要的作用，叶片的使用寿命和胶粘剂的性能、粘接强度和疲劳强度息息相关。

　　胶粘剂和环氧树脂在性能上有很多的相似性，它们的反应机理相同。但环氧树脂主要和玻璃纤维增强材料结合成玻璃钢，而胶粘剂主要是在环氧树脂中增加短玻纤、硅微粉或Al2O3等填充、改性材料而成。

　　胶粘剂目前都靠进口，但国产材料也在陆续的投入到叶片生产中，目前经测试符合要求的国产胶粘剂主要是北京天山研发的TS821／831。

2　主要材料的比重及成本比例

风机叶片中使用的材料除上述三种主体材料以外，还有金属螺栓、涂料、金属法兰、电缆、金属接闪器等。由于其它材料的比重很小，将不再一一阐述，我们将以某一种2.0 MW叶片为例，列出各种材料的所占比例，如表1所示。

从表1可以看出，玻璃纤维、环氧树脂、PVC泡沫和胶粘剂占主体材料重量的94.38％，成本的89.1％。因此，四大主体材料的质量、价格都是决定风机叶片未来的走向。

3　结论

我国风能资源丰富，根据国家气象局的资料，我国离地10米高的风能资源总储量约为32.26亿kW，可开发利用的风能储量约10亿kW。其中，陆地上风能储量约2.53亿kW(按陆地上离地10 m高度资料计算)，海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW。因此，风电开发才刚刚起步，未来的风电前景更广阔。但是，作为风机配套产品的叶片，未来的发展道路任重而道远，新型叶片的开发、材料的优化和国产化工作、性价比高的新型材料等，都将是制约和影响未来风机叶片发展的瓶颈。