纺织品在风力发电机叶片中的应用

孙根宝 陈宁凯 吕永根

(东华大学材料科学与工程学院，上海，201620)

纺织品在风力发电机叶片中的应用

孙根宝 陈宁凯 吕永根

(东华大学材料科学与工程学院，上海，201620)

介绍了风力发电机上使用的纺织复合材料种类以及成型方法。纺织复合材料特有的优异性能使其在风力发电机叶片上得到广泛应用，并使制造单机容量更大的风力发电机成为可能。单机5 MW的机组已经安装运行，7 MW的机组已经研究成功。纤维材料由玻璃纤维向碳纤维、混杂纤维发展;树脂材料逐渐采用可回收的热塑性材料;纺织品由经纬交织的机织物向多轴向编织物发展;成型工艺由手工向自动化成型发展。

风力发电，纺织品，复合材料，叶片

随着当今世界人口增长、资源短缺和环境变暖的形势日益严峻，可再生能源的开发利用已引起世界各国的高度重视。其中，风能作为清洁、安全、技术成熟的可再生能源而备受关注［1］。最新统计数据显示，截至2010年底，中国全年风力发电新增装机达1.6亿 kW，累计装机容量达到4.182 7亿kW，已跃居世界第一，大大超过之前的预期［2-3］。风力发电机组正在朝着大容量、低成本、高效率、智能控制方向发展，单机容量等级已从3.6 MW提高到10 MW。提高单机容量需要更长的叶片，目前大型风力发电机上使用的叶片长度已达到50～60 m［4］。

使用复合材料制作风力发电机叶片具有下列明显的优点［5］:①可设计性。叶片工作时主要受到纵向气动弯曲，而横向力相对较小，可以通过设计增强材料的排列与分布，使叶片具有较好的强度与刚度，同时质量较轻。②抗振性好。可设计自振频率。③可加工成复杂的外形，实现更好的气动效率。④耐疲劳、耐腐蚀、耐气候性好，需要的维护较少。这就对复合材料结构设计、制备技术及增强体、基体的研究提出了更高的要求。

1 增强纤维及其纺织制品

增强纤维作为复合材料中主要承载应力的部分，需要具有刚度好、轻质高强、耐腐蚀等特点。

1.1 玻璃纤维

玻璃纤维(GF)是风机叶片上广泛使用的增强材料，其中E玻璃纤维是主流，其优点在于成本较低，与现有树脂匹配良好，工艺成熟，但也存在密度较大、不耐酸等缺点。经过改进的S玻璃纤维比E玻璃纤维有更高的强度和模量，具有良好的发展前景［6］。美国高强玻璃纤维制造商AGY公司生产的ZenTron无捻粗纱与使用E玻璃纤维相比，可减少叶片主梁和根端部件的质量25%，减少叶片总质量 11%［7］。

1.2 碳纤维

碳纤维(CF)具有高的抗压缩强度、抗剪切强度、高模量、优异的耐蚀性和优良的耐疲劳性和阻尼特性，但受制于其较高的价格，碳纤维只在叶片的横梁和翼缘等主要受力部分得到应用，或与玻璃纤维混杂使用［8］。碳纤维增强树脂(CFRP)的比模量约是玻璃纤维增强树脂(GFRP)的3倍，比强度约是GFRP的2倍。风机叶片质量增加到一定程度时，叶片质量的增幅将超过风机能量输出的增加，这就对叶片的轻量化提出了要求，采用碳纤维增强，可使叶片减重20% ～40%。而风力发电机叶片长度增加时，在风力作用下，叶片的弯曲度增大，容易碰撞塔架而影响运转，因此叶片材料必须具有足够的刚性。采用碳纤维增强复合材料能保证叶片的强度和刚度，且质量减轻。

当风力发电机单机容量超过3 MW、叶片长度超过40 m时，在叶片制造时使用碳纤维成为必要的选择［9］。随着大丝束碳纤维生产技术的提高，产量增加，以及风力发电机的大型化，碳纤维有望在风力发电机叶片上得到更广泛的应用。

1.3 混杂纤维

碳纤维/玻璃纤维与轻木/PVC混杂已被许多叶片公司用于制造复合材料叶片［1，10］。轻木和碳纤维的工作应变相似，因此当需要轻木/环氧叶片的时候，这种材料是获得高强高刚以及控制成本的有效手段。轻木不仅能提供破坏容差，还可以防护外来冲击。采用轻木和PVC作为芯材，可以更方便地进行结构设计，从而提高纤维的效能，使叶片的整体质量减轻，刚度和强度增加。

1.4 纤维纺织制品

可见玻璃纤维和碳纤维是风力发电叶片主要采用的增强纤维，而且在使用前需要制备成纺织品。过去玻璃纤维和碳纤维增强材料大多使用经纬交织的机织物，但由于经纬交织的机织物纤维呈波浪形，在受力时容易对纤维产生剪切作用，导致力学性能较纤维的实际值低，因此逐渐发展为经编轴向针织物。经编织物可以保证径向纤维处于伸直状态，在受力时不受剪切作用，从而最大限度发挥增强纤维的效能，具有更明显的优势［11-12］。其编织形式有单轴向、双轴向、三轴向、四轴向以及三维立体结构等，可满足不同需要，有利于实现复合材料的可设计性［13］。多轴向织物还具有尺寸稳定、延伸率较小等特点，并可以根据不同的强度和刚度要求在织物的同一层或不同层采用不同类型的纤维材料，如轴向材料用高强纤维，而起固定作用的纤维采用其他低成本纤维［14］。

2 基体材料

风机叶片使用时需要承受强大的风载荷、气体冲刷、砂石粒子冲击、紫外线照射等外界因素的作用。为了提高复合材料叶片的承担载荷、耐腐蚀和耐冲刷等性能，要求基体材料具有较好的性能。

2.1 热固性树脂

不饱和聚酯树脂(UPR)综合性能优良，价格低廉，成型工艺性好，在叶片中得到大量应用，但其性能不及环氧树脂;环氧树脂(EPR)力学性能和耐腐蚀性能较好，当使用碳纤维时基体材料多以环氧树脂为主，应用中正逐步取代聚酯树脂，但其价格较高;乙烯基树脂(VER)的成本和性能介于二者之间，也被一些叶片制造商大量采用。

目前叶片中最普遍使用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂，并局部采用碳纤维增强环氧树脂作为主承力结构。叶片长度增加，叶片体积和质量相应呈级数增长，但使用高性能的环氧树脂可相应减轻叶片质量，如使用聚酯时，19、34和52 m叶片的质量分别为1 800、5 800和21 000 kg，而采用环氧树脂时，19 m长度叶片的质量为1 000 kg，可比玻璃纤维增强聚酯树脂减少800 kg［15］。

实际生产中根据叶片的长度而选用不同的复合材料。一般较小型的叶片(如22 m以下)以不饱和聚酯树脂基体为主，选用成本较低的E玻璃纤维增强树脂，也有选用乙烯基树脂或环氧树脂;而较大型的叶片(如42 m以上)以环氧树脂基体为主，常采用CFRP或CF/GF混杂复合材料［16］。

2.2 热塑性树脂

目前叶片上使用的主要是热固性复合材料，不易降解，叶片的使用寿命一般为20～30年，废弃后采用填埋或者燃烧等办法处理，基本不能重新利用。风能是清洁的可再生能源，但退役后的风机叶片却会污染环境。针对这一矛盾，提出了“绿色叶片”的概念，即叶片退役后，废弃的材料可以回收再利用，而热塑性复合材料正满足这一要求。除此之外，热塑性树脂还有质量轻、抗冲击性好、成型快的优点，但由于热塑性树脂是通过加热到一定温度使黏度降低而成型并与纤维复合的，制造工艺比较复杂，对设备要求较高，导致其目前使用量还不大［1］。随着热塑性复合材料制造工艺的进步，其在风力发电机上的应用将会得到发展。

事实上，世界上有些大公司已就热塑性复合材料树脂在风力叶片上的应用进行了合作研究，制造出了12.6 m长的可再利用的风机叶片，这样风力发电机在报废后，可再回收19 t左右树脂材料。这是史无前例的［17］。这种热塑性复合材料成型更快捷安全、可提高叶片性能、废料可回收利用及再成型，是目前叶片技术的显著进步［15］。但其缺点是易于发生蠕变，而且用胶粘剂胶接热塑性树脂基复合材料壳体较为困难。

3 成型工艺

手糊成型是制造复合材料风力发电机叶片的传统工艺。主要特点是手工操作、开模成型、生产效率低以及树脂固化程度较低，适用于较小批量、对质量均匀性要求较低的制品生产。

由于手糊成型的制造方式精度差，动静平衡难以保证，质量不稳定，而且工人劳动环境差。生产高质量的风力叶片必需采用自动成型工艺，而且随着叶片规格和生产规模的不同可采取不同的工艺。年产5 000～30 000片中小尺寸叶片规模工厂适用树脂转移注射成型(RTM)工艺路线，年产大于50 000片中小尺寸叶片规模工厂一般采用低压反应注射成型(RIM)工艺路线，大型叶片批量生产适用缠绕预渍浸料热压工艺制造。RTM法的原理是在一个耐压的密闭模腔内先填满纤维增强材料，再用压力将液态树脂注入使其浸透增强纤维，然后固化成型。其主要特点有:①闭模成型。产品尺寸和外型精度高，适用于成型高质量的复合材料整体构件，整个叶片可一次成型。②初期投资小。③制品表面光洁度高，成型效率高，适于成型年产量20 000件左右的复合材料制品。④环境污染小，有机挥发份小于 50×10－6，符合国际环保要求。RTM属于半机械化成型工艺，特别适宜于一次整体成型的风力发电机叶片，无需二次粘接，具有节约各种工装设备、生产效率高、生产成本低等优点。由于采用低粘度树脂浸润纤维和加温固化工艺，成品质量好，其工艺质量仅依赖于预先确定的工艺参数，工人技术水平的影响较小，易于保证产品质量，废品率低。

RTM工艺路线采用低粘度树脂转移、模具成型，可以实现较高的机械化，生产效率高，而且产品质量较好。在RTM基础上加入真空系统(VARTM)模具内腔处于真空状态，在高渗透介质作用下，树脂均匀地渗入模具内各点间，由此方法制得得产品孔隙少，密度均匀。溶剂挥发亦少。制造大型复杂叶片常用此种工艺方法。由于CF直径细、表面积大，要求树脂粘度更低些。该工艺也适用于成型铺层较厚的叶片根部。

复合材料熔塑成型法(SCRIHP)是由RTM发展而来的另一种工艺，仅使用较简单的单面模具，另一面亦为真空袋，适用于制造大型复杂制件［18］。TPI Composites公司已用该法制造了30 m长的叶片。

之后西门子公司研发了叶片整体成型(Intergral Blade)技术，采用一个叶片外壳模具和一个扩展内模层压纤维，在真空作用下，渗透树脂，树脂在高温下固化成型。

4 结语

目前风力发电机的发展趋势是从陆地到海洋，叶片大型化，更高的塔架，使用可回收材料等。随着技术的发展和人们对可再生能源的重视，风力发电相对于传统发电将更具竞争力，风电装机容量将进一步增长，并由此带动复合材料行业的发展。由于碳纤维有其独特的性能，随着生产技术提高，生产成本降低，将会在风电叶片中被广泛应用。

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The fabric used in windmill blades

Sun Genbao，Chen Ningkai，Lü Yonggen
(College of Materials Science＆ Engeering，Donghua University)

The fabric composites on windmills as types and constructions are reviewed.Light weight and high strength make fabric composites a rapid development on windmill blades for higher and higher unit capacity.Generators of 5.0 MW have been installed here and there，and that of 7.0 MW are under development.The reinforcing fibers are developing into hybrid of carbon fiber，glass fiber and organic fibers from glass fiber.Recyclable thermoplastic resins are used gradually instead of thermoset ones.Woven fabrics are being taken place by multiaxial warp knitted fabric.Automatic molding technologies are developed more and more rather than hand molding.

windmill，fabric，composite，blade

TB332

A

1004－7093(2011)10－0031－04

2011－07－12

孙根宝，男，1952年生，工程师。主要从事化学纤维研制和在纺织工程中的应用。