國民經濟的持續發展離不開充足的電能,美國能源部信息管理局發布的《國際能源展望2006》預計,2015年全世界的用電量將達到2.2PW,到2030年將達到3.0PW。目前電能的主要來源有熱力發電、水力發電和核發電,隨著人們環保意識的增強,同時在全球能源日益緊缺的大環境下,一種取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源--風能倍受青睞,而風力發電也愈來愈受到世界各國的重視。風力發電機葉片是風力發電機組有效捕獲風能的關鍵部件,葉片的材料越輕、強度和剛度越高,葉片抵御載荷的能力就越強,葉片就可以做得越大,它的捕風能力也就越強。因此,質量輕、強度高、耐久性好的紡織復合材料成為大型風力發電機葉片的首選材料。此外,大型風力發電機葉片質量的90%以上都是由復合材料組成,見風力發電將是紡織復合材料的一個巨大潛在市場。根據資料報道,到2020年,我國將投資2000億人民幣用于風力發電建設,新增風力發電能力將達3000MW,并要求風力發電裝備本土化。這無疑為我國紡織復合材料葉片的開發研制提供了一個不可多得的發展機遇。

1　葉片復合材料的應用和發展

復合材料是以一種材料為基體,另一種材料為增強體組成的材料。各種材料在性能上互相取長補短,產生協同效應,使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。在紡織復合材料設計中,用紡織品作為增強材料,而另一個組分作為基體材料。因此,選擇纖維和基體的材料,并充分考慮兩者之間的相互作用是關鍵。

1.1　玻璃纖維復合材料

玻璃纖維是一種性能優異的無機非金屬材料,強度高且具有很好的柔軟性、絕緣性和保溫性,通常作為復合材料中的增強材料,配合樹脂賦予形狀后可以成為優良的結構用材。目前制造風力發電機葉片的主要材料即為玻璃纖維增強聚酯樹脂和玻璃纖維增強環氧樹脂。玻璃纖維按照組成、性質和用途,可分為不同的級別,E級玻璃纖維使用最普遍,也是目前風力發電機葉片的主流增強材料。但E級玻璃纖維體積質量較大,隨著葉片長度的增加,葉片的質量也越來越大,不利于葉片速度的提高。此外,E級玻璃纖維極易被無機酸侵蝕,不適用于酸性環境,因此E級玻璃纖維已經逐漸不能滿足葉片發展的需要。

S級玻璃纖維是另一種不同級別的玻璃纖維,模量高達85.5GPa,比E級玻璃纖維高18%,且強度高出33%。僅從技術角度上來講,這種高強高斷裂應變的S級玻璃纖維在風力發電機葉片上的應用有著很大的潛力。但因產量小使其價格頗高,因此至今沒能成為葉片的主流增強材料。但是,隨著美國AGY公司對S級玻璃纖維進行大規模生產規劃的推出,相信在不久的將來,S級玻璃纖維作為風力發電機葉片增強材料一定會有更大的發展空間。

1.2　碳纖維復合材料

碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維,不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼備紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維。碳纖維的軸向強度和模量高,無蠕變,耐疲勞性好,比熱及導電性介于非金屬和金屬之間,熱膨脹系數小,耐腐蝕性好,纖維的體積質量低,X射線透過性好。與傳統的玻璃纖維相比,碳纖維復合材料葉片的剛度是玻璃纖維復合材料葉片的2倍~3倍,且同樣長度的碳纖維葉片比玻璃纖維葉片要輕得多。隨著風力發電機葉片長度的增加,碳纖維作為葉片增強材料更能充分發揮其輕質高強的優點。

碳纖維復合材料價格取決于碳纖維價格,碳纖維復合材料雖然在性能上明顯優于玻璃纖維復合材料,但在價格上也是遠遠高于玻璃纖維復合材料,這在很大程度上限制了它的大規模應用。為此,世界各國正致力于從原材料、工藝技術、質量控制等方面深入研究,以期降低復合材料的成本,從而使碳纖維復合材料的價格大幅度下降。此外,隨著納米技術的發展,法國Nanoledge碳納米結構材料將引領復合材料領域的一場革命。碳納米結構材料具有更好的抗沖擊性、抗彎強度、防裂紋擴展性和導電性等多種功能,給葉片材料的發展提供了新的契機。由此可見,在風力發電機葉片大型化趨勢的推動下,采用碳纖維復合材料葉片將有著非常廣闊的發展前景。

1.3　碳玻混雜復合材料

隨著葉片長度的增加,對其剛度提出了更高的要求,同時考慮到碳纖維比玻璃纖維具有更高的價格,因此既能減輕葉片質量,提高葉片剛度和強度,同時又能兼顧葉片價格的一種有效方法就是采用碳玻混雜增強方案,其葉片可減重20%~30%。據悉,Nodex公司已經研制生產出長56m的海上風力發電機葉片和長43m的陸上風力發電機葉片,其材料就是碳玻混雜增強復合材料。通常情況下,長度大于40m的風力發電機葉片可以采用碳玻混雜復合材料。

2　葉片復合材料的結構設計

過去用于增強的玻璃纖維和碳纖維基布材料大多采用經緯交織的機織物,但從承載狀態上來考慮,采用經編軸向織物作為增強復合材料的基布比經緯交織的機織物具有更明顯的優勢。

       這類軸向織物由于承受載荷的紗線系統按要求排列并綁縛在一起,因此能夠處于最佳的承載狀態。另一方面,軸向技術使得織物的紗線層能按照特定的方向伸直取向,故每根纖維力學理論值的利用率幾乎能達到100%。此外,軸向織物的紗線層層鋪疊,按照不同的強度和剛度要求,可以在織物的同一層或不同層采用不同種類的纖維材料,如玻璃纖維、碳纖維或碳玻混雜纖維,再按照編織點由編織紗線將其綁縛在一起。除了經編軸向織物外,還可以利用緯編綁縛系統開發緯編軸向織物。

根據經編和緯編結構的特性,緯編軸向織物較經編綁縛結構具有更好的可成形性,因此在風力發電機葉片結構設計中具有極好的應用前景。

3　結語和展望

隨著風力發電機葉片大型化趨勢的發展,葉片材料及結構設計也需要不斷地改進,可以從以下幾方面著手:

(1)S級玻璃纖維彈性模量和強度明顯高于E級玻璃纖維,因此未來在進行大量生產使其價格下降后,S級玻璃纖維將在風力發電機葉片生產中得到大力推廣。

(2)由于風力發電日益大型化、海洋化,因此,在發展更大功率風力發電裝置和更長風力發電機葉片時,采用輕質高強、性能更好的碳纖維復合材料將勢在必行。另外,納米技術的發展也在很大程度上給葉片材料的發展提供了新的契機,為葉片的長度增加提供了更大的空間。

(3)用可回收的熱塑性樹脂代替聚酯樹脂和環氧樹脂與紡織纖維相匹配,更符合現代環保的觀念,因此開發體積質量小、質量輕、抗沖擊性能好、生產周期短的熱塑性樹脂就成為未來風力發電機葉片復合材料開發的一大熱點。

(4)葉片復合材料中用于增強的紡織纖維基布材料,從模量、剛度和強度方面考慮,采用經編軸向和緯編軸向結構比經緯交織的機織物具有更加明顯的優勢。