国民经济的持续发展离不开充足的电能,美国能源部信息管理局发布的《国际能源展望2006》预计,2015年全世界的用电量将达到2.2PW,到2030年将达到3.0PW。目前电能的主要来源有热力发电、水力发电和核发电,随着人们环保意识的增强,同时在全球能源日益紧缺的大环境下,一种取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源--风能倍受青睐,而风力发电也愈来愈受到世界各国的重视。风力发电机叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件,叶片的材料越轻、强度和刚度越高,叶片抵御载荷的能力就越强,叶片就可以做得越大,它的捕风能力也就越强。因此,质量轻、强度高、耐久性好的纺织复合材料成为大型风力发电机叶片的首选材料。此外,大型风力发电机叶片质量的90%以上都是由复合材料组成,见风力发电将是纺织复合材料的一个巨大潜在市场。根据资料报道,到2020年,我国将投资2000亿人民币用于风力发电建设,新增风力发电能力将达3000MW,并要求风力发电装备本土化。这无疑为我国纺织复合材料叶片的开发研制提供了一个不可多得的发展机遇。
1 叶片复合材料的应用和发展
复合材料是以一种材料为基体,另一种材料为增强体组成的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。在纺织复合材料设计中,用纺织品作为增强材料,而另一个组分作为基体材料。因此,选择纤维和基体的材料,并充分考虑两者之间的相互作用是关键。
1.1 玻璃纤维复合材料
玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料,强度高且具有很好的柔软性、绝缘性和保温性,通常作为复合材料中的增强材料,配合树脂赋予形状后可以成为优良的结构用材。目前制造风力发电机叶片的主要材料即为玻璃纤维增强聚酯树脂和玻璃纤维增强环氧树脂。玻璃纤维按照组成、性质和用途,可分为不同的级别,E级玻璃纤维使用最普遍,也是目前风力发电机叶片的主流增强材料。但E级玻璃纤维体积质量较大,随着叶片长度的增加,叶片的质量也越来越大,不利于叶片速度的提高。此外,E级玻璃纤维极易被无机酸侵蚀,不适用于酸性环境,因此E级玻璃纤维已经逐渐不能满足叶片发展的需要。
S级玻璃纤维是另一种不同级别的玻璃纤维,模量高达85.5GPa,比E级玻璃纤维高18%,且强度高出33%。仅从技术角度上来讲,这种高强高断裂应变的S级玻璃纤维在风力发电机叶片上的应用有着很大的潜力。但因产量小使其价格颇高,因此至今没能成为叶片的主流增强材料。但是,随着美国AGY公司对S级玻璃纤维进行大规模生产规划的推出,相信在不久的将来,S级玻璃纤维作为风力发电机叶片增强材料一定会有更大的发展空间。
1.2 碳纤维复合材料
碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。碳纤维的轴向强度和模量高,无蠕变,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小,耐腐蚀性好,纤维的体积质量低,X射线透过性好。与传统的玻璃纤维相比,碳纤维复合材料叶片的刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍~3倍,且同样长度的碳纤维叶片比玻璃纤维叶片要轻得多。随着风力发电机叶片长度的增加,碳纤维作为叶片增强材料更能充分发挥其轻质高强的优点。
碳纤维复合材料价格取决于碳纤维价格,碳纤维复合材料虽然在性能上明显优于玻璃纤维复合材料,但在价格上也是远远高于玻璃纤维复合材料,这在很大程度上限制了它的大规模应用。为此,世界各国正致力于从原材料、工艺技术、质量控制等方面深入研究,以期降低复合材料的成本,从而使碳纤维复合材料的价格大幅度下降。此外,随着纳米技术的发展,法国Nanoledge碳纳米结构材料将引领复合材料领域的一场革命。碳纳米结构材料具有更好的抗冲击性、抗弯强度、防裂纹扩展性和导电性等多种功能,给叶片材料的发展提供了新的契机。由此可见,在风力发电机叶片大型化趋势的推动下,采用碳纤维复合材料叶片将有着非常广阔的发展前景。
1.3 碳玻混杂复合材料
随着叶片长度的增加,对其刚度提出了更高的要求,同时考虑到碳纤维比玻璃纤维具有更高的价格,因此既能减轻叶片质量,提高叶片刚度和强度,同时又能兼顾叶片价格的一种有效方法就是采用碳玻混杂增强方案,其叶片可减重20%~30%。据悉,Nodex公司已经研制生产出长56m的海上风力发电机叶片和长43m的陆上风力发电机叶片,其材料就是碳玻混杂增强复合材料。通常情况下,长度大于40m的风力发电机叶片可以采用碳玻混杂复合材料。
2 叶片复合材料的结构设计
过去用于增强的玻璃纤维和碳纤维基布材料大多采用经纬交织的机织物,但从承载状态上来考虑,采用经编轴向织物作为增强复合材料的基布比经纬交织的机织物具有更明显的优势。
这类轴向织物由于承受载荷的纱线系统按要求排列并绑缚在一起,因此能够处于最佳的承载状态。另一方面,轴向技术使得织物的纱线层能按照特定的方向伸直取向,故每根纤维力学理论值的利用率几乎能达到100%。此外,轴向织物的纱线层层铺叠,按照不同的强度和刚度要求,可以在织物的同一层或不同层采用不同种类的纤维材料,如玻璃纤维、碳纤维或碳玻混杂纤维,再按照编织点由编织纱线将其绑缚在一起。除了经编轴向织物外,还可以利用纬编绑缚系统开发纬编轴向织物。
根据经编和纬编结构的特性,纬编轴向织物较经编绑缚结构具有更好的可成形性,因此在风力发电机叶片结构设计中具有极好的应用前景。
3 结语和展望
随着风力发电机叶片大型化趋势的发展,叶片材料及结构设计也需要不断地改进,可以从以下几方面着手:
(1)S级玻璃纤维弹性模量和强度明显高于E级玻璃纤维,因此未来在进行大量生产使其价格下降后,S级玻璃纤维将在风力发电机叶片生产中得到大力推广。
(2)由于风力发电日益大型化、海洋化,因此,在发展更大功率风力发电装置和更长风力发电机叶片时,采用轻质高强、性能更好的碳纤维复合材料将势在必行。另外,纳米技术的发展也在很大程度上给叶片材料的发展提供了新的契机,为叶片的长度增加提供了更大的空间。
(3)用可回收的热塑性树脂代替聚酯树脂和环氧树脂与纺织纤维相匹配,更符合现代环保的观念,因此开发体积质量小、质量轻、抗冲击性能好、生产周期短的热塑性树脂就成为未来风力发电机叶片复合材料开发的一大热点。
(4)叶片复合材料中用于增强的纺织纤维基布材料,从模量、刚度和强度方面考虑,采用经编轴向和纬编轴向结构比经纬交织的机织物具有更加明显的优势。
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