1、FRP在大型風力發電機葉片中的應用隨著世界石油資源的日益匱乏，風能作為一種清潔的可再生能源而逐漸被人們重視。開發和利用風能資 源不僅可以為21世紀尋找新的替代能源，而且有利于環境保護。我國風電產業發展到現在經歷了一個由小到大、由慢到快的過程。從20世紀70年代研制成功1KW小 型風力發電機組樣機，到1998年的國家乘風計劃揭開了大型風電機組國產化的序幕；從1986年我國第一 個風電場在山東榮成并網發電，到2006年底建成了 91個風電場；從1999年著批國產化600KW風電機組 在達坂城風電一場投入運行，到2005年研發MW級國產化風電機組樣機；從2004年總裝機容量76.4萬 KW到2006

2、年底總裝機量258.9KW，由此不難看出，我國風電產業在這20多年中逐漸發展、前進、壯大。近年來，風電機組技術改進的主要方向是降低制造成本、提高單機容量、提高風能轉換效率、實現自動控 制等。目前主流風電機組的單機容量為1.52.0MW,容量越大，發電效率越高，技術難度越大。而國外正在 開發、應用的機組單機容量為35MW。美國NREL （國家可再生能源實驗室）2004年的報告認為在2012 年之前，價格上有競爭力的風機產品，陸地為25MW，海上風電場（近海）為5MW以上。2003年德國 Eneroon公司安裝了第一臺4.5MW的風電機組樣機。風力發電機葉片是接受風能的最主要部件，也是風力發電機中

3、最基礎和最關鍵的部件。其良好的設計、可 靠的質量和優越的性能是保證機組正常穩定運行的決定因素。纖維增強塑料（FRP）以其輕質、耐腐蝕和高拉 伸彈性模量一直是風力發電機葉片最常用的材料，是復合材料成功應用的典型大型構件。1制造風機葉片的主要材料葉片是風力發電機組的重要構件。它將風能傳遞給發電機的轉子，使之旋轉切割磁力線而發電。為確保在 野外極其惡劣環境中長期不停、安全地運行，對葉片材料的要求是：密度小且具有最佳的疲勞強度和力學性 能，能經受住極端惡劣條件和隨機的負荷（如暴風等）的考驗，確保安全運轉20年以上；成本（精確說為 分攤到每度電的成本）低；葉片的彈性、旋轉時的慣性及其振動頻率特性曲紅都正

4、常，傳遞給整個發電系統 的負荷穩定性好；耐腐蝕、耐紫外線（UV）照射和抗雷擊性好；維護費用低。FRP完全可以滿足以上要求，是最佳的風力發電機葉片材料。1.1 GFRP目前商品化的大型風機葉片大多采用玻璃纖維增強塑料（GFRP）制造。GFRP葉片的特點為：可根據風機葉片的受力特點來設計強度與剛度 風機葉片主要是縱向受力，即氣動彎曲和離心力，氣動 彎曲載荷比離心力大得多，由剪切與扭轉產生的剪應力不大。利用玻璃纖維（GF）受力為主的受力理論，可 將主要GF布置在葉片的縱向，這樣就可使葉片輕量化。翼型容易成型，可達到最大氣動效率 為了達到最佳氣動效果，利用葉片復雜的氣動外形，在風輪的不 同半徑處設計不

5、同的葉片弦長、厚度、扭角和翼型，如用金屬制造則十分困難。同時GFRP葉片可實現批量生 產。使用時間長達20年，能經受108以上疲勞交變載荷GFRP疲勞強度較高，缺口敏感性低，內阻尼大， 抗震性能較好。耐腐蝕性好由于GFRP具有耐酸、堿、水汽的性能，可將風機安裝在戶外，特別對于近年來大力發展 的離岸風電場來說，能將風機安裝在海上，使風力機組及其葉片經受各種氣候環境的考驗。為了提高GFRP的性能，還可通過表面處理，上漿和涂覆等對GF進行改性。美國的研究表明，采用射電 頻率等離子體沉積去涂覆E-GF，其拉伸及耐疲勞性可達到碳纖維（CF）的水平。GFRP的受力特點是在GF方向能承受很高的拉應力，而其它

6、方向承受的力相對較小。圖1是典型葉片的截面圖。葉片由蒙皮和主梁組成，蒙皮采用夾芯結構，中間層是硬質泡沫塑料或Balsa木， 上下面層為GFRP。面層由單向層和45層組成。單向層可選用單向織物或單向GF鋪設，一般用7或4GF 布，以承受由離心力和氣動彎矩產生的軸向應力；為簡化成型工藝，可不用土45GF布層，而采用1:1GF布， 均沿軸向鋪設，以承受主要由扭矩產生的剪切應力，一般鋪放在單向層外側。梁的結構形式既可以是夾芯結構， 也可以是實心GFRP結構。但是，在蒙皮與主梁的結合部位即梁帽處必須是實心GFRP結構。這是因為此部 分梁與蒙皮相互作用，應力較大，必須保證蒙皮的強度和剛度。1.2 CFRP

7、隨著風機葉片設計技術的提高，風力發電向大功率、長葉片的方向發展。葉片長度增加勢必增加葉片的質 量。經對長度1060m的葉片進行的統計表明，葉片質量按長度的三次方增加。葉片輕量化對運行、疲勞壽 命、能量輸出有重要的影響。由于葉片運行時其重力產生交變載荷，使葉片本身及機組產生疲勞。葉片減重可 相應減少輪轂、機艙、塔架等結構的質量。對于大型葉片，剛度成為主要問題。為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。既 要減輕葉片的質量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強塑料（CFRP）。CFRP的拉伸 性模量是GFRP的23倍。大型葉片采用CF增強可充分發揮其高彈輕質的優點。據

8、分析，采用CF/GFRP 混雜增強的方案，葉片可減重20%40%。據歐洲EC公司資助的研究計劃中介紹，在C120m葉片轉子中 添加CF能有效減輕總體質量達38%，另外亦可使其設計成本費用比GF減少14%。另外一個類似的研究分 析也指出，添加CF制得的風機葉片質量會比GF減輕約32%。目前世界上最大的CF/GFRP混雜風機葉片是Nodex公司為海上風電5MW機組配套研制的長度56m的 葉片。Nodex公司還開發了 43m（9.6t）的CF/GFRP風機葉片，可用于陸上2.5MW機組。Enercon公司 開發了供4.5MW風力機組使用的CFRP葉片。對于大型葉片是否需用CF增強，目前尚有爭議。一些

9、人認為， 在風能產業中引入CF工藝是奇特和昂貴的，如果可能應盡量避免。然而許多結構方面的工程師確信，自然 的規模法則顯示，當葉片長度增加時，質量的增加要快于能量的提取。因此采用CF或CF/GF混雜纖維對抑 制質量的增大是必要的。同時為了降低風能的成本，發展具有足夠剛性的更長葉片也是必要的。能否在風機葉片上大量采用CFRP取決于CF的價格。CFRP的性能雖然遠優于GFRP，且不論葉片還是 整個風力發電機組毫玩疑問都是最輕量的，但價格也是最貴的。即使CF價格降到11美元/Kg，用CFRP制 備葉片的價格還是過高。因此現在正從原材料、工藝技術、質量控制等方面深入研究，以求降低CFRP的成本。一般較小

10、型的葉片（如長22m）選用量大價廉的E-GFRP，樹脂基體以不飽和聚酯為主，也可選用乙烯 基酯樹脂或環氧樹脂。而較大型的葉片（如長42m以上）一般采用CFRP或CF/GFRP，樹脂基體以環氧樹 脂為主。2 FRP葉片制造工藝傳統FRP風力發電機葉片多采用了、手糊工藝制造。手糊工藝生產風機葉片的主要缺點是產品質量完全 依賴于工人的操作熟練程度及環境條件，生產效率低且產品質量波動較大，產品的動靜平衡保證性差，廢品率 高。葉片在使用過程中由于手糊工藝過程中的含膠量不均勻、纖維與樹脂的浸潤性不良或固化不完全而是出現 裂紋、斷裂和變形等問題。此外，手糊工藝過程伴有大量有害物質和溶劑的釋放，存在環境污染問

11、題。目前已開發出多種較先進的工藝，如預浸料工藝、機械浸漬工藝、樹脂傳遞模塑RTM）工藝及真空輔助 灌注工藝。RTM工藝是首先在模具型腔中鋪放好按性能和結構要求設計的增強材料預成型體，采用注射設備將專用 低粘度樹脂體系注入閉合式型腔，由排氣系統保證樹脂流動順暢，排出型腔內的全部氣體和徹底浸潤纖維，由 模具的加熱系統使樹脂等加熱固化而成型為FRP構件。RTM工藝適宜于中小尺寸風機葉片的中等批量生產 （500030000片/年）。RTM工藝屬于半機械化的FRP成型工藝，特別適宜于一次整體成型的風力發電機 葉片，無需二次粘接。與手糊工藝相比，這種工藝具有節約各種工裝設備、生產效率高、生產成本低等優點。

12、 同時由于采用低粘度樹脂浸潤纖維以及加溫固化工藝，復合材料質量高，且RTM工藝生產較小依賴工人的技 術水平，工藝質量僅僅依賴于預先確定好的工藝參數，產品質量易于保證，廢品率低。RTMH藝的技術含量 高，無論是模具設計和制造、增強材料的設計和鋪放、樹脂類型的選擇與改性、工藝參數（如注塑壓力、溫度、 樹脂粘度等）的確定與實施，都需要在產品生產之前通過計算機模擬分析和實驗驗證來確定。模擬仿真作為RTM工藝的關鍵技術發展迅速。等溫和非等溫條件下一維、二維、三維的模擬仿真模型已經問世。采用RTM工藝自主開發的軟件系統，成功地實現了 RTM工藝中樹脂流動充模過程的模擬仿真。真空輔助灌注成型工藝是近幾年發展

13、起來的一種改進的RTM工藝。真空輔助灌注技術是應用薄膜包覆敞 口模具，應用真空泵抽真空，借助于鋪放在結構層表面的高滲透率的介質引導將樹脂注入到結構層中。它多用 于成型形狀復雜的大型厚壁制品，在國外已用于成型大型的GFRP葉片。大型風機葉片大多采用組裝方式制造。在兩個陰模上分別成型葉片蒙皮，而主梁及其它GFRP部件分別在 專用模具上成型，然后在主模具上把兩個蒙皮、主梁及其它部件膠接組裝在一起，合模加壓固化后制成整體葉 片。以前，我國GFRP葉片的制造廠家由于受市場、技術、材料及資金等方面的影響，大多采用濕法手湖工藝， 常溫固化。工藝相對簡單，不需要加溫加壓裝置。但于大型的MW級風力機葉片，由于葉

14、片體形龐大，最寬 處達300cm左右，最高處大于200cm，傳統的手糊成型工藝已不適用。真實輔助灌注技術是解決這一難題 的新成型工藝。但是，用真過分灌注工藝生產CFRP有一定的難度。CF比GF更細，表面積更大，更難于有效浸漬，適 用的樹脂粘度更低oSP公司的SPRNT工藝技術采用樹脂膜交替夾在CF中，經加熱和抽真空使樹脂向外滲透， 使樹脂沿鋪層的厚度方向浸漬，浸漬快且充分，同時采用抽真空加速樹脂的流動。該工藝技術也適用于鋪層較 厚的葉片根部。另外，目前常用的CF主要是小絲束（24k以下），價格較高。價格是制約CF在大型風機葉 片應用的主要因素。大絲束CF的價格相對低廉，但其應用還存在一些技術問

15、題。例如大絲束CF較粗，且不 易展開，有粘連、斷絲現象，使強度及剛度等性能受到影響，性能的分散性相應較大。3 FRP葉片的發展趨勢3.1向大功率、長葉片方向發展由于風力發電每千瓦成本隨風力發電的單機功率的增大而降低，因此風力發電的單機功率一直在不斷增 長，葉片的長度也在不斷增加。19921999年，歐洲風力發電的單機功率從200KW增加到700KW，葉片 的長度則由12m增加到22m。19992000年，風力發電的單機功率平均增長到900KW。目前國內風力 發電機單機功率為1.5MW左右，葉片長度為3437m；在國外，2035MW的風機已經成功裝機，長度為 5060m的葉片已研制成功并準備大規

16、模安裝。世界上風力發電葉片最大的制造商LM Glasfiber公司關閉 了一個位于丹麥Jutland的葉片生產廠，而該廠是專業生產長度小于24m的風機葉片的廠家。宣布關閉廠房 的原因是市場對風機葉片的需求已經不再是24m以下的小葉片，而是大功率的葉片。更大型、性能更好的機 組也已開發出來并投入生產運行，如丹麥新建的幾個風電場，單機容量都在2MW以上；摩洛哥在北方脫萊斯建造的風電場采用的風電機組功率達到2.1MW。隨著海上風電場的建設，需要單機容量更大的機組。預計2010年將開發出10MW的風電機組。3.2 FRP葉片不斷更新設計由于風力發電向大功率、長葉片方向發展，除了要求提高材料的性能之外，

17、葉片結構更要不斷地更新設計。 比如，為了保證葉片與塔柱的間隙，除了提高葉片材料的剛度外，從設計角度可以在風力作用的反方向將葉片 設計成預彎曲外形，然后在風力作用下使預彎曲葉片變直。又如，在葉片結構設計中采用彎曲扭轉耦合效 應，實現控制載荷和應力，最終達到降低載荷峰值并減少疲勞破壞的目的。目前市場上的風機葉片基本上是預扭結構，這樣可以使葉片在工作時能使所有旋轉部位都較大的升阻比 （升力系數與阻力系數之比）。同時為了工藝方便，基本上都是沿著葉片軸向鋪設纖維。彎扭耦合是當今風力發電機FRP葉片結構設計的主要思想。為了提高葉片的性能，很多人提出了沿葉 片長度方向偏置一定角度鋪設單向CF層，稱之為偏軸C

18、F，這樣可以通過彎扭耦合效應使結構的最大應 力方向與CF的鋪層方向一致，發揮CF拉抻強度高的優點，提高結構的安全性。但是這種結構設計也帶來了 一定問題：其一是偏軸纖維鋪層比較困難；其二是偏軸纖維會在蒙皮的結合部位發生斷層和扭曲，這會大大降 低蒙皮粘合后結構的強度，很容易在鋪設纖維時產生剪切，這可能會在樹脂內產生附加應力，從而使疲勞極限 載荷降低。為了克服偏軸纖維的不利因素，在保留彎扭耦合效應、避免纖維斷層的基礎上，M Zuteck提出一種 新穎的葉片結構形式，采用掃略式的結構使葉片尖部在弦線方向有一定扭轉角度，使葉片看起來像個彎刀 狀結構。這種結構可在工作時產生彎矩引起一定扭轉，以實現控制載荷和應力，最終達到降低載荷峰值并減少 疲勞破壞的目的。最近，美國Sandia國家實驗室與圣地亞哥Knight&Carver公司合作，研發設計出一種新型風機葉片。 研究人員承諾這種設計將會比目前的設計更有效，而且可以大幅度降低低風速地區的風機能源成本。這種名為 、STAR的葉片的最大特點是葉尖逐漸彎曲。這不同于目前使用的大多數巨大的葉片，是專門為低風速地區設 計的。這些低風速地區高空10m處所測的年均風速約為5.8m/s。美國低風速地區很廣，這些地區對風