风力发电机叶片材料

风力发电机叶片材料（精选6篇）

篇1：风力发电机叶片材料

风力发电复合材料叶片现在和发展

2008-3-21 23:24:14纤维复合材料

来源:张晓明(中国复合材料集团有限公司）

叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件。在发电机功率确定的条件下，如何提高发电效率，以获得更大的风能，一直是风力发电追求的目标，而捕风能力的提高与叶片的形状、长度和面积有着密切的关系，叶片尺寸的大小则主要依赖于制造叶片的材料。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，轻质高强、耐久性好的复合材料成为目前大型风力发电叶片的首选材料。

无论是陆地风力发电，还是海上风力发电，每千瓦时的发电成本均随着发电机单机容量的增加而下降，发电装备的大型化已经成为风力发电的发展趋势。近几年，随着全球风力发电市场的逐渐成熟，大型风力发电机相继出现。目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5 2.0 MW，与之配套的复合材料叶片长度大约30—40米。据报道，现今世界上最大的风力发电机的装机容量为5 MW，旋转直径可达126.3米。丹麦的LM公司为此装备配套研制了61.5米长的复合材料叶片，单片叶片的重量接近18吨，成为世界最大的复合材料叶片“巨人”。这一实例成功地体现了材料、结构和工艺的三者的完美结合。

在复合材料风力发电叶片的研究开发过程中，德国、丹麦、美国等风能资源利用较好的国家针对大型叶片的材料体系、外形设计、结构设计、制造工艺、质量检验、在线实时监测和废弃物处理作了大量的研究开发工作，并取得了丰硕的成果。设计者和制造商已经完全可以针对不同的地区风力发电的需要，选择最佳的设计方案和制造技术，生产适合不同需求的复合材料风力发电叶片。目前正在服役的风力发电叶片多为复合材料叶片。这些叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与E一玻璃纤维、s一玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放或树脂注入等成型工艺复合而成，以满足不同风场的使用要求。由于玻璃纤维的价格仅为碳纤维价格的1/10左右，目前的叶片制造采用的增强材料仍以玻璃纤维为主。例如，在54米长的大型复合材料叶片制造中依然以玻璃纤维为增强材料，最轻的叶片重量仅为13.4吨。随着超大型叶片的出现，叶片长度不断增加，叶片对增强材料的强度和刚度等性能也提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足。LM公司在制造61．5米的大型复合材料叶片时，为保证叶片能够安全地承担风、温度等外界载荷，单纯的玻璃纤维增强材料已经很难满足叶片对强度和刚度的要求。因此，该叶片采用了玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。这样，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成损伤。

风力发电机组在工作过程中，复合材料叶片不仅要承受强大的风载荷，还要经受气体冲刷、砂石粒子冲击、以及强烈的紫外线照射等外界的侵蚀。为了充分发挥增强材料的增强作用，提高复合材料叶片的承担载荷、耐腐蚀和耐冲刷等项性能，LM公司等复合材料叶片的制造商们还对树脂基体系统进行了精心设计和

改进。采用性能优异的环氧树脂代替不饱和聚酯树脂，改善了玻璃纤维/树脂界面的粘结性能，提高了叶片的承载能力，扩大了玻璃纤维在大型叶片中的应用范围。为提高复合材料叶片在恶劣工作环境中的长期使用性能，sP公司专门研究开发出耐紫外线辐照的新型环氧树脂系统，以满足风力发电叶片耐久性的要求。在风力发电的初期阶段，由于发电机的功率较小，需要的复合材料叶片尺寸也比较小，叶片质量分布的均匀性对发电机和塔座的影响不十分显现；而且，当时人们对开模成型工艺时苯乙烯挥发给大气环境造成的污染，对操作人员造成的身体危害并未引起足够的认识。因此，最初的小型复合材料叶片制造基本采用简单易行的手糊成型工艺。随着风力发电机功率的不断提高，安装发电机的塔座和捕捉风能的复合材料叶片做的越来越大。

为了保证发电机运行平稳和塔座安全，不仅要求叶片的质量轻，也要求叶片的质量分布必须均匀、外形尺寸精度控制准确、长期使用性能可靠。若要满足上述要求，需要相应的成型工艺来保证。另外，复合材料制造过程中苯乙烯挥发对环境和操作人员产生的不良影响也越来越引起人们的重视，一些发达国家已经制定出相应的法规，我国也对生产过程中产生的有害挥发物有明确的限制规定。因此，复合材料成型工艺随之发生变化，逐渐由开模工艺向闭模工艺改进，以减少苯乙烯自然挥发对环境和人体的危害。

在大型复合材料叶片制造过程中也反映出这一成型工艺的变化：首先，叶片的制造工艺由手糊成型向着湿法铺放工艺的转变，增强材料的现场浸渍逐渐转向预先浸渍，开始采用玻璃纤维/聚酯或玻璃纤维/环氧预浸料，大幅度的降低了成型过程中苯乙烯的挥发。这样，不仅树脂含量容易精确控制，保证了复合材料叶片的质量分布均匀，而且增强材料铺设角度准确，可以有效地发挥增强材料的性能，提高复合材料的承载能力。其次，开模成型工艺向着闭模工艺发展，为了改善成型环境，减少有害气体的挥发，进一步提高叶片的质量稳定性，大型复合材料叶片的制造开始引入树脂注人工艺技术。在树脂注人工艺中，树脂基体在真空压力的作用下，可以更完全的浸渍增强材料，不仅能够准确地控制树脂含量，充分发挥增强材料的作用，提高复合材料叶片的承载能力，而且无需大型专用设备，制造成本较低。

与此同时，叶片的制造模具也在悄悄地发生变化。大型复合材料叶片的外形尺寸与其制造模具有着极其密切的关系。为保证复合材料叶片设计外形和尺寸精度，叶片长度越长，成型时对模具刚度和强度的要求就越高，模具的重量和成本也会大幅度地提高。为了降低模具成本，减轻模具重量，大型复合材料叶片的制造模具也逐渐由金属模具向着复合材料模具转变，这也意味着复合材料叶片可以做得更长。另外，由于模具与叶片采用了相同的材料，模具材料的热膨胀系数与叶片材料基本相同，制造出的复合材料叶片的精度和尺寸稳定性均优于金属模具制造的叶片产品。

此外，随着计算机技术和自动控制技术应用领域的扩大，大型复合材料叶片的制造技术也在不断的进步。LM公司将机器人技术用于大型叶片的纤维铺覆和粘结，并将计算机技术应用于工艺过程的实施监控和数据记录，为用户提供可追溯的资料作为可靠性保证的依据。

选择最佳的材料体系和制造工艺，制造出质量最好的复合材料叶片，以满足风力发电快速发展的需求，未来的成型工艺将给复合材料叶片制造提供最优的实施手段。

以最小的叶片重量获得最大的叶片面积，使得叶片具有更高的捕风能力，叶片的优化设计显得十分重要，尤其是符合空气动力学要求的大型复合材料叶片的最佳外形设计和结构优化设计的重要性尤为突出，它是实现叶片的材料有效结合的软件支撑。另外，计算机仿真技术的应用也使得叶片的结构与层合板设计更加细化，有利的支持了最佳工艺参数的确定。

早在1920年，德国的物理学家舢bert Betz就对风力发电叶片进行过详细的计算。基于当时的计算条件和对风力发电叶片的认识，Be￡z在叶片计算时采用了一些假设条件。随着计算机技术发展，计算手段的显著提高，风力发电技术的快速发展，人们对风力发电叶片的认识和理解也在逐步深人。尤其是近十年来，经过研究人员对风力发电叶片进行的多次现场载荷、声音和动力测量以后，发现叶片的理论预测值与实际记录值有较大的偏离。这可能是由于过多地相信了风洞试验，而对叶片服役期间可能遇到的较强动态环境和湍流条件考虑不足造成的。因此，一些相关人员对当时的叶片计算采用的假设条件提出了质疑。流体动力学计算和软件的改进使得研究人员能够更精确地模拟叶片实际的受力状态。在此基础上，进一步改善叶片的空气动力学特性，即使叶片在旋转速度降低5%的情况下，捕风能力仍可以提高5%；随着叶片旋转速度的降低，叶片运行的噪音大约可以降低3dB。同时，较低的叶片旋转速度要求的运行载荷也较低，旋转直径可以相应的增加。在此项研究的基础上，德国的E~ercon公司将风力发电机的旋转直径由30米增加到33米，复合材料叶片也随着相应的增加。由于叶片长度的增加，叶片转动时扫过的面积增大，捕风能力大约提高了25%。Enercon公司还对33米叶片进行了空气动力试验，经过精确的测定，叶片的实际气动效率为56%，比按照Betz计算的最大气动效率低约3—4个百分点。为此，该公司对大型叶片外形型面和结构都进行了必要的改进：包括为了抑制生成扰流和漩涡，在叶片端部安装“小翼”；为改善和提高涡轮发电机主舱附近的捕风能力，对叶片根茎进行重新改进，缩小叶片的外形截面，增加叶径长度；对叶片顶部与根部之间的型面进行优化设计。在此基础上，Enercon公司开发出旋转直径7l米的2MW风力发电机组，改进后叶片根部的捕风能力得以提高。E~ercon公司在4．5MW风力发电机设计中继续采用此项技术，旋转直径为112米的叶片端部仍安装的倾斜“小翼”，使得叶片单片的运行噪音小于3个叶片(旋转直径为66米)运行时产生的噪音。

丹麦的LM公司在61.5米复合材料叶片样机的设计中对其叶片根部固定进行了改进，尤其是固定螺栓与螺栓孔周围区域。这样，在保持现有根部直径的情况下，能够支撑的叶片长度可比改进前增加20%。另外，LM公司的叶片预弯曲专有技术也可以进一步降低叶片重量和提高产能。

随着计算机技术和控制技术的进步，近年来，大型复合材料的叶片也向着智能化发展。在最新一代的Enercon叶片中开始采用叶片自动监测和控制系统，监测系统能够将叶片运行状态下的数百个电子信息自动地传递给叶片的控制系统，计算机管理系统每个月都会报告叶片的运行情况、早期损伤情况，以利于使用者能够对损伤叶片进行及时地修补。

LM公司将光纤控制技术用于制造智能复合材料叶片。在大型叶片制造中，尤其是近海风场用的大型风力发电机，由于风场的气候条件恶劣，监测和维护困难，对外界温度、叶片裂纹、雷击等对叶片损伤的早期预警显得十分重要。为了能够实现对复合材料叶片的实时监控，LM公司将光纤监控技术用于复合材料叶片的制造，开发出具有智能功能的复合材料叶片。在制造大型复合材料叶片时，LM公司将光纤传感器埋设和固定于复合材料内部。当这种智能复合材料叶片工作时，光纤传感器就会将叶片工作时的状态实时反映给数据采集和处理系统，相关数据经过处理后，将其反馈给风力发电机的控制系统。一旦叶片所承受外界载荷(温度、风速、风载等)超过设计载荷、叶片主体产生裂纹、外界雷击等可能对叶片造成损伤时，叶片的监控系统就会发出早期预警信号，此时才需要对叶片进行必要的保养和维护工作，可以大大降低叶片的日常维护费用。目前，这项工作正在模拟的外界环境中进行20年服役期的可靠性加速试验。LM公司目前也将此系统安装在40米的叶片上进行试验，不久将在61.5米的叶片上进行试验。目前使用的复合材料叶片属于热固性复合材料，很难自然降解。废弃物处理一般采用填埋或者燃烧等方法处理，基本上不再重新利用。面对日益突出的复合材料废弃物对环境造成的危害，一些制造商开始探讨复合材料的回收和再利用技术。

到2004年底，全世界新增的风力发电能力接近8GW，风力发电装机的总容量已达47.4GW，正在服役的风力发电叶片已达数千片。在未来十年间，仍以10%以上的增长速度快速发展。复合材料风力发电叶片的使用寿命一般为2030年。虽然最初的叶片为木质结构，但绝大多数的服役叶片仍为复合材料结构。在未来的十几年间，这些叶片将陆续退役，退役后叶片如何处理也将成为材料科学家和环保工作者必须面对的现实问题。以利用风能发电最好的德国为例，目前德国的风力发电量约占全年总发电量的6%。如果德国实现由风力发电来提供25%的电力需求的发展目标，则该国需要安装7500个超大型风力发电装置，至少需要22500个大型复合材料叶片与之配套。这些叶片在生产过程中将产生大量的苯乙烯有害气体，也会产生一些固体废弃物，而退役叶片造成的废弃物则更是数量惊人。

目前，复合材料废弃物的回收和再利用多集中在废弃物粉碎后作为填料使用，或者燃烧废弃物利用其热能。复合材料叶片的制造商正在探讨热固性复合材料(如预浸料)分离处理技术的可行性，试图将未固化的复合材料进行热固性树脂与增强纤维分离，然后分别再利用。废弃物的回收和再利用是退役复合材料叶片最理想的处理方法，这就是为什么人们积极研究开发热塑性复合材料叶片——“绿色叶片”的重要原因。

与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能。在相同的尺寸条件下，热塑性复合材料由于密度低，叶片的重量更轻，随之带来安装塔座和发电机重量的减小，同时运输和安装费用也相应地降低。但是，该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大，制造成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风力发电叶片的关键问题。随着热塑性复合材料制造工艺技术研究工作的不断深人和相应的新型热塑性树脂的开发，制造热塑性复合材料叶片已经不仅仅是一个新概念，正在一步步地走向现实。

最近，爱尔兰Gaoth风能公司与日本三菱重工和美国Cyclics公司正在探讨如何共同研制低成本热塑性复合材料叶片。Gaoth公司认为热塑性复合材料叶片制造成本较高的主要原因是目前热塑性复合材料的制造工艺成本较高，如果能够开发出一种新的低成本制造技术，就有可能使得热塑性复合材料的制造成本低于热固性复合材料。在爱尔兰有关企业的资助下，Limerick大学和Galway国立大学开展了热塑性复合材料的先进成型工艺技术的基础研究。为了解决热塑性复合材料叶片的纤维浸渍和大型热塑性复合材料结构件制造过程的树脂流动

性问题，美国的Cyclics公司为此开发出一种低粘度的热塑性工程塑料基体材料——cBT 树脂。这种像水一样低粘度的热塑性工程塑料CBTR树脂流动性好，易于浸渍增强材料，可以充分发挥增强材料的性能，赋予复合材料良好的韧性。该项技术的实施，不仅可以提高叶片的抗冲击能力，还可以大幅度提高成型速度，具有技术和经济上的优势。Cyclics公司声称当叶片退役后，平均每台风力发电机组可再利用的叶片材料可达19吨，这是前所未有的。

在“绿色叶片”研究的最初阶段，爱尔兰的Gaoth公司将负责12．6米长的热塑性复合材料叶片的制造，Mitsubishi(三菱)公司将负责在风力发电机上进行“绿色叶片的试验”。此项试验成功后，他们将继续研究开发30米以上的热塑性复合材料标准叶片。根据有关资料介绍，与环氧树脂/玻璃纤维复合材料大型叶片相比较，如果采用热塑性复合材料叶片，每台大型风力发电机所用的叶片重量可以降低10%，抗冲击性能大幅度提高，制造成本至少降低1/4，制造周期至少降低1/3，而且可以完全回收和再利用。安全快捷地制造“绿色”的复合材料叶片正期待着复合材料叶片制造商去实现，Gaoth公司及其合作伙伴就是实现这一目标的先驱。

作为可再生的清洁能源之一，我国已经开始注重风能的开发和利用。在国家科技攻关项目和863项目的共同支持下，我国已基本掌握了风力发电机组及复合材料叶片的设计和制造技术；“十五”期间，将完成MW级风力发电机组的研制，为我国风电产业参与常规能源市场竞争奠定基础。“十五”期间，风力发电事业在我国得到快速发展。根据最近的资料报道，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。这项举措将对我国生态环境保护、能源结构调整、实现国民经济可持续发展起到积极的促进作用。为此，国内的一些企业和研究机构正在加紧研究开发1．5MW风力发电装备和与之配套的大型复合材料叶片。国际上风力发电技术先进的国家也看好了潜力巨大的中国风力发电市场，丹麦、美国等国家为了降低生产成本，增强竞争力，纷纷在中国建厂。国家对可再生清洁能源的支持，加快了风力发电的发展速度，也为我国的大型复合材料叶片开发提供了一个不可多得的发展机遇。面临着巨大的市场需求和强劲的国际竞争，我国大型复合材料叶片的发展机遇与挑战共存。

篇2：风力发电机叶片材料

风力发电是新能源中开发较早、应用广、技术成熟的可再生清洁能源。首个发电风场1891年建立于丹麦，随着风力发电技术的成熟、制造成本的不断下降，发电成本也逐年下降，加上各国政府的政策扶植，自上世纪70年代世界石油危机以来，风能资源的开发利用逐步得到发展。随着科学技术的进步，风力发电从可再生清洁能源中脱颖而出，成为工业开发最具价值的一种新能源，世界风电正以迅猛的速度发展。1994～ 2000年，全世界风电装机容量年平均增长率为31％。

叶片是风力发电机组中的关键部件，需要良好的设计、可靠的质量和优越的性能。恶劣的环境对叶片的要求有：很好的刚度、最佳的疲劳强度和机械性能，能经受暴风等极端恶劣条件的考验，具有好的耐腐蚀、耐紫外线和耐雷击的性能；发电成本较低，维护费用低。叶片一般是采用梁壳结构，夹心结构的肋梁，内填泡沫塑料外覆玻璃钢蒙皮的壳体结构形式。叶片的纵梁从叶根至叶尖的截面逐渐变小，以满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量，即做成等强度梁。

风力发电机组叶片使用的材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强乙烯基树脂、玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂。

在发电机功率确定的条件下，如何提高发电效率，以获得最大的风能，一直是风力发电追求的目标，而风能的利用与叶片的形状、长度和面积有着密切的关系，叶片的大小则主要依赖于制造叶片的材料。叶片的材料越轻、强度和刚度越高，叶片有效利用载荷的能力就越强，叶片就可以做得更大，它的风能利用能力也就越强。因此，轻质高强、耐久性好的复合材料是目前大型风力发电叶片的首选材料。

在复合材料风力发电叶片的研究开发过程中，德国、丹麦等风能资源利用较好的国家，针对大型叶片的材料体系、外形设计、结构设计、制造工艺等方面作了大量的研究开发工作，并取得了丰硕的成果。可以针对不同的地区风力发电的需要，选择最佳的设计方案和制造技术，生产适合不同需求的复合材料风力发电叶片。

目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5～ 2.0 MW，与之配套的复合材料叶片长度为30～ 40米。现今世界上最大的风力发电机的装机容量为5 MW，旋转直径可达126米。这是材料、结构和工艺三者完美结合的成功地体现。

在风力发电的初期阶段，由于发电机的功率较小，需要的复合材料叶片尺寸也比较小，叶片质量分布的均匀性对发电机和塔座的影响不十分显现；而且，当时人们对开模成型工艺时苯乙烯挥发给大气环境造成的污染，对操作人员造成的身体危害并未引起足够的认识。因此，最初的小型复合材料叶片制造基本采用简单易行的手糊成型工艺。随着风力发电机功率的不断提高，安装发电机的塔座和捕捉风能的复合材料叶片做的越来越大。

为了保证风力发电机运行平稳，要求叶片的质量轻，而且也要求叶片的质量分布均匀、外形尺寸准确。叶片的制造模具是保证以上要求的基础。大型叶片的外形尺寸与其模具制造有着极其密切的关系。为了保证复合材料叶片外形和尺寸精度，叶片长度越长，对模具刚度和强度的要求就越高，模具的重量和成本也会大幅度地提高。为了降低模具成本，减轻模具重量，大型叶片的模具制造也发生了很大的变化，由金属模具向复合材料模具转变。另外，模具制造的材料与叶片采用了相同的材料，模具材料的热膨胀系数与叶片材料基本相同，制造出的叶片的精度和尺寸得到了保证。

另外，生产工艺也发生了质的变化。由最初的手糊成型向着湿法铺放工艺的转变，逐渐过渡到国内现在广泛使用的增强材料的现场浸渍和预先浸渍。现在国际上最先进的生产工艺是所说的干法成型（也称为闭模成型），即按照设计铺层进行层铺，然后密封型腔，进行抽真空注射成型。真空注射成型不仅树脂含量容易控制，还保证了复合材料叶片的质量均匀分布，而且增强材料铺设准确，基体树脂在真空压力的作用下，可以更完全的浸渍增强材料，能有效地发挥增强材料的性能，提高复合材料的承载能力。增强材料在大型叶片的制造中也发生了大的变化，由传统的玻璃纤维机织物做骨架，改由用多轴向经编织物。多轴向经编织物因为没有了织造过程中的纤维弯曲变形，具有很好的强度保持率，同样的纤维含量可以得到更高的强度。可以大大减轻重量，有较低的生产成本、较高的生产效率。

通常使用的多轴向经编织物为-45 °、90 °、+45°和 0°，可以按用途任意变化，使得材料具有一定的各向异性，即材料只在受力点和受力方向上得到增强。多轴向织物是一种多层织物。纤维铺设在面内不同方向以及沿厚度方向，形成由纤维束构成的三维网络整体结构。多轴向经编织物的特点在于整体性能好、设计灵活、拉伸性能和抗撕裂性能好，特别是沿厚度方向纱线的增强，大大提高了层间性能，克服了传统层合板层间性能差的弱点。织物面内任意方向上的拉伸强度和拉伸模量可以通过缝编纱形成面内拉伸各向同性或各向异性。另外，叶片的尺寸增大可以改善风力发电的经济性，降低成本。叶片长度从10多年前的7.5m发展到今天的61m，叶片长度不断增加，增强材料的快速发展做出了很大的贡献，轻质高强度的玻璃纤维/碳纤维混杂增强结构材料会有到很大的利用空间。使用碳纤维作为增强材料，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成损伤。

叶片的设计和采用的材料决定风力发电叶片的性能和功率，也决定风力发电机组的价格。因此，叶片材料的选择、制造工艺优化对风力发电装置十分重要。环境保护在工业生产中越来越受到各国政府的重视，复合材料制造过程中苯乙烯等有机溶剂的挥发对环境和操作人员产生的不良影响更是越来越引起人们的重视，各国对生产过程中产生的有害挥发物有了明确的限制规定。可以说，是环保的要求促进了生产工艺的发展，开模工艺向闭模工艺的改进，可以大幅度的减少苯乙烯等有机溶剂的挥发对环境和人体的危害，改善了生产环境，保护了大气环境。

篇3：风力发电机的叶片材料与制造工艺

风力发电装置的关键是转子, 转子的关键则是叶片, 风力发电转子叶片涉及气动、复合材料结构、工艺等领域, 其成本占风力发电整个装置成本的15%~20%。因此, 材料以及制备工艺的选择对风力发电转子叶片十分重要。叶片的设计形状和采用的材料决定着风力发电装置的性能和功率。依据“风机功价比法则”, 风力发电机的输出功率与叶片长度的平方成正比, 因而增加叶片长度是提高风力发电机单机容量的基本方法, 但是, 风力发电机的体积和质量与叶片长度的立方成正比, 这就意味着随着叶片长度的增加, 风力发电机造价的增长幅度比它的输出功率增加的幅度要快。也就是说, 风力发电机的单机容量在理论上, 在技术、经济上都比较可以接受的情况下有一个基本确定的值, 这个数值目前尚没有人计算出来。在兆瓦级风电机组中, 如1MW的叶片长度为31m, 每片重约4t~5t;1.5MW主力机型风力机叶片长度为34m~37m, 每片重约6t;目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5MW~2.0MW, 与之配套的复合材料叶片长度大约为32m~40m, 重6t~8t;现代的54m大型叶片重13t。2009年, 75m长的叶片被制造出来, 目前也有人在研究、设计100m长的风力发电机叶片。

2 叶片材料和制造工艺

2.1 叶片材料

一般对叶片的要求有:比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能, 能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验;叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常, 传递给整个发电系统的负荷稳定性好;耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好;发电成本较低, 维护费用最低。为了满足以上要求, 目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂和碳纤维增强环氧树脂。据中国环氧树脂行业协会专家介绍:一般较小型的叶片 (如22m长) 选用量大价廉的E-玻纤增强塑料, 树脂基体以不饱和聚酯为主, 也可选用乙烯酯或环氧树脂, 而较大型的叶片 (如42m以上) , 一般采用CFRP或CF与GF的混杂复合材料, 树脂基体以环氧为主。GE风能的叶片工程的全球经理Ramesh Gopalakrishnan说, 设计师们在寻找轻质高强度材料的过程中, 选择了碳纤维应用于叶片设计中。因此玻璃纤维和碳纤维, 是目前叶片制造中最为重要的两种材料。据专家介绍, 研究表明碳纤维 (carbon fiber, 简称CF) 复合材料叶片, 刚度是玻璃钢复合叶片的2~3倍。虽然碳纤维复合材料的性能大大优于玻璃纤维复合材料, 但价格昂贵, 影响了它在风力发电上的大范围应用。因此全球各大复合材料公司, 正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究, 以求降低成本。昨天, 我们用的是木制或金属材料;今天, 我们用的是玻璃钢;明天, 我们用的是碳纤维;那么明天的明天, 我们用的会不会是纳米材料?市场专家表示, 完全可能, 原因一是其成本可能降低, 二是性能优越、使用寿命长, 长期看似乎更经济。

2.2 叶片制造工艺

叶片的结构设计与实际生产制造方法息息相关, 两者都需要兼顾生产成本和叶片的可靠性。两种主要的叶片制造方法有预浸料法和灌注法。尽管两种方法都适用于两种常见设计的叶片结构, 但预浸料主要用于箱式粱的叶片结构。

2.2.1 树脂灌注技术

灌注工艺的基本原则就是通过真空压力将树脂吸入预先铺好的增强纤维或纤维布中, 真空操作降低纤维一面的压力后, 大气压力会驱使树脂浸润增强纤维, 纤维灌注的速度和距离取决于以下因素:树脂系统的黏度、增强纤维的渗透性、灌注树脂的压力梯度。风机叶片因为叶片壳体的几何形状中不存在复杂的结构, 而非常适合采用灌注工艺制造。

2.2.2 预浸料技术

预浸料指的是纤维束或纤维布经过树脂浸润后形成的均匀预固化材料, 预固化材料可直接用于复合材料结构如风电叶片的制造。预浸料树脂通常粘度较高, 在室温下呈固态, 便于操作、切割和在模具中铺层, 且不需要导入树脂, 减小树脂污染。在模具中铺层完成后, 预浸料即可在真空下高温固化, 工业用预浸料固化温度通常为80℃~120℃之间。预浸料的制造遵循和树脂灌注一样的基本原则:注意工艺温度下树脂体系的粘度、纤维网纱和纤维布的浸润性、压力控制。因此, 要浸润纤维布和纤维网纱, 必须先降低树脂粘度, 再施加一定的压力, 同时还要考虑纤维的浸润性。由于预浸料树脂在室温下通常呈半固态, 要得到浸润能力好的低粘度树脂有两种基本方法:添加溶剂法和热熔法。风能用预浸料材料一般采用第二种方法。

2.2.3 S P R I N T技术

SPRINT是预浸料的一个产品门类, 是专门针对大尺寸结构部件进行研发设计的。随着部件尺寸的增大, 铺层厚度也逐步提高, 如何去除预浸料层中包含的气泡成为了重要的课题。我们可以采用分层制造的方法去除气泡, 即每完成3~4层铺层后就覆盖真空袋施加真空并加热到40℃。然而, 当建造大量的部件时, 这种方法无疑会造成成本的提高和时间的浪费。因此为了能够去除临近纤维布层间的气泡, SPRINT产品便应运而生了。SPRINT在纤维和树脂的结合方式上不同于传统的预浸料。在传统的预浸料中, 纤维被树脂完全浸润, 而SPRINT则是尽量保持纤维层尤其是外层纤维尽量不被浸润。SPRINT是综合了灌注工艺和预浸料工艺的技术优势的一个产品门类。灌注工艺可以制备厚度大, 质量高的玻璃钢部件。但是针对大尺寸部件, 因为产品尺寸较长存在一定的困难。预浸料工艺采用高性能树脂体系, 可以精确控制纤维的排布走向和树脂含量, 但在制备较厚的部件时存在难于排气的问题。SPRINT是SP树脂灌注技术的缩写, 它采用了先进的预浸料树脂技术去灌注层合板结构。因为树脂层已经被其他材料增强了, 大型部件几乎可以在瞬间被灌注成功。在铺层上直接加以真空辅助可以加速灌注过程。真空可以将增强纤维层中的空气排除, 并保证所有的SPRINT都已经完全结合, 再通过升温过程使树脂溶化完成对纤维的浸润。

3 市场发展前景

风力发电被认为是最有希望, 能够大规模利用的可再生能源发电项目。作为洁净能源, 风力能源的开发利用受到世界各国越来越大的重视。全球风力理事会宣称, 2009年中国风力发电量达到了25.8亿瓦, 超过了德国的25.77亿瓦, 仅次于美国的35亿瓦, 成为世界第二大风力发电国。该协会认为, 风力发电量只占据中国电力消耗总量的1%, 中国的风力发电市场潜力巨大。可以断定, 未来几年内, 国内风电机组及风机叶片将打破基本上完全依赖进口的局面, 叶片制造领域将会出现数家具有竞争力的企业, 结束国外叶片制造企业垄断国内市场的局面。

摘要：风力发电装置最关键、最核心的部分是转子阶叶片, 目前风力发电正向大功率、长叶片方向发展。碳纤维复合材料和sprint技术是材料工艺的主要方向。

篇4：浅析复合材料风力发电机叶片

【关键词】复合材料；风机叶片；风力发电

1.风机的原理及叶片的作用

目前国内外的风力发电机普遍应用的是水平轴和垂直轴两大类，其中，水平轴风力发电机是旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行的，旋转轴处于水平的风力发电机。垂直轴风力发电机则是旋转轴与叶片平行的，一般与地面垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。目前，大型的风力发电机大多数属于水平轴的，所以市场以水平轴升力型居多。一部典型的现代化水平轴升力型风力发电机主要包括叶片、轮毂（与叶片合称叶轮）、齿轮箱、基座、机舱罩、塔架、发电机、控制系统、制动系统、液压装置、偏航系统等。其工作原理是：当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮通过主轴连接齿轮箱，经过齿轮箱（或增速机）加速后带动发电机发电。风力发电机不能将所有流经的风能转换成电能，理论上最高转换效率约为59%左右，但实际上大多数风力叶片的转换效率约在30%～50%之间，经过机电设备之后转换成电能的总输出效率约在20%～45%之间。风机叶片从风的流动获得的能量与风速的3次方成正比，与叶轮的直径平方成正比，叶轮直径决定了可撷取风能的多寡。叶片的数量的多少也会影响到风机的输出。一般来说，2叶、3叶的风机效率较高，力矩较低，适用于发电。现代风机叶片一般采用机翼翼型。

2.风机叶片设计流程简介

2.1确定总体参数。（1）确定风轮直径。通过运用给定的公式和参数来进行风轮直径的计算。（2）叶尖速比λ0和叶片数B。风轮的叶片数和叶尖的速比系数及风轮的转速有着密切的联系，风轮叶片数越多，风轮的阻力就越大，风轮的转速也就越慢。对于高速风力发电机来说，叶尖速比在5到8范围内时，风力发电机具有相对较高的风能利用系数。目前国内外的大型风力发电机采用三叶片的较多，三叶片风力机的运行和输出功率方面较为平稳，并且具有很好的旋转特性及视觉效果。（3）选择翼型。翼型的选型对风力发电机的效率十分重要，较好的翼型应该是在某一攻角范围内且升力系数较高，而相应的阻力系数较小；它所适应的雷诺数与风力机实际运行情况的雷诺数相近；并且具有较好的制造工艺性。由于风力发电机叶片的气动性能对其气动外形要求较高，每个叶片都有属于自己不同型号的翼型，这些翼型对风力发电机的效率有着重要影响，因此翼型的选择对叶片的设计有着至关重要的作用。

2.2叶片外形设计。叶片的设计包括外形设计（气动设计）和结构设计，外形设计就是叶展形状的设计，结构设计就是铺层结构的设计。叶展形状与风力发电机的空气动力性密切相关，叶展形状的设计即是叶素弦长和安装角的设计。关于叶展形状有多种设计模型，基于涡流理论的Sc知mltz设计模型、葛涝涡（Glauert）设计模型和Wilson设计模型；葛涝涡模型有两种计算过程：一种和Schmitz模型类似，未明确引进干扰系数；另一种和Wilson模型类似，明确引入了干扰系数。

2.3风机载荷计算。风机载荷计算是风力机设计和认证的重要依据，用于风力机的静强度和疲劳强度分析。国际电工协会制定的IEC61400-1标准、德国船级社制定的GL规范和丹麦制定的DS472标准等对风力机的载荷进行了详细的规定。

2.4风机空气动力试验。风机空气动力试验是风机设计和研究的重要环节，除了在风洞中进行试验外，还可以在风电场中进行风机空气动力试验。

3.大型风力发电叶片的技术状况分析及其质量控制

风力发电叶片技术在国外已经经历了将近十年的市场考验，所开发出的系列叶片也经历了多次设计修改，综合性能趋于完善。而在风力发电叶片开发技术方面我国与国外之间存有一定的差距，因此在我国兆瓦级的叶片技术主要是通过委托设计、生产许可证、联合设计等方式来引进的。叶片的制造工艺主要有干法预浸料成型工艺、湿法预浸料成型工艺、手糊成型工艺和真空灌注成型工艺等。以目前来看，大型风力发电叶片制造工艺已以真空灌注成型工艺居多，此工艺性能稳定，产品质量好，投资成本适中，所以被广泛应用。但该工艺对制作要求严格，如果质量控制不严，工艺条件控制不足，，叶片将很易报废。叶片质量的高低是通过控制过程来实现的。保证叶片生产质量的重要手段是以运行良好的质量保证体系来实现的。在制造风力发电叶片的过程中，需要纤维铺设、树脂固化、胶接、表面涂装等关键过程。生产现场管理要实施规范化，保证和维持生产现场的干净、整齐、美观和规范。在制造过程中，特殊工序和关键工序一定按照要求严格遵守，执行“三定一确认”的原则，保证每个要素都处于受控状态。在成型过程中每一步骤都要做好记录，建立完整的成型过程档案，保证每片叶片的质量有有效的技术档案，和质量的可追溯性。避免主要成型过程中出现大的缺陷，这些要求是过程质量控制的关键。产品寿命内的全过程取决于风力发电叶片的质量，所以要建立完善的风力发电叶片制造技术档案，建立面向现场的生产管理，保证产品质量的可追溯性。风力发电叶片的运行寿命为20年左右，运行过程中，不可避免的会发生裂纹、碰伤等情况，甚至需要更换叶片。这就需要完整有效的的风力发电叶片档案。叶片的档案是正确维护、维修叶片的基础。档案记录要从原材料的编号、批号，到叶片成型过程中每个工序的质量状况，再到出厂检验情况都要客观，准却的记录在案，叶片档案与叶片同保存。以方便叶片的运行中的维护与维修，准确分析发生破坏的原因等。

4.结论

作为可再生清洁能源之一的风能，我国现已开始注重风能的开发与利用。在国际上，一些有着先进风力发电技术的国家看好了拥有巨大潜力的中国风力发电市场，更有一些国家如丹麦、美国为了降低生产成本，提高国际市场竞争力，纷纷在中国建厂。而我国对可再生清洁能源的重视与支持，促使风力发电的发展更为快速，这些机遇成为我国开发与发展大型复合材料叶片的前进力与推动力，也是一个不可多得的发展机遇。同时我国大型复合材料叶片的发展也面临着强劲的国际竞争和巨大的市场需求，这对我国来说也是巨大的挑战。

参考文献

[1]李祖华.风力发电发展现状和复合材料在风机叶片上的应用[A].高科技纤维与应用，2008，（3）：117-136.

[2]张晓明《纤维复合材料》，2006，23（2）：60-63

篇5：风力发电机叶片材料

风力发电是风能利用的主要方式，叶片是用来转换风能的关键部件。风力发电机叶片的外形决定了风能转换的效率，因而风力发电机叶片气动外形设计关系到风力发电机的性能，是风力发电机设计着重考虑的部件之一。

Glauert理论、Schmitz理论和动量―叶素理论是叶片设计的基础理论，现代叶片设计方法都是在这些理论上进一步发展起来的。到目前为止，Glauert理论和动量―叶素理论仍在广泛的使用。分别介绍了三种理论如何求解叶片的弦长和来流角并运用C#语言对以上三种方法进行编程，实现对叶片弦长和来流角的求解，并对这三种方法求解出来的结果进行比较和分析。

1 理论方法介绍 1.1 Glauert理论

G1auert设计方法是考虑风轮后涡流流动的叶素理论(即考虑轴向诱导因子a和切向诱导因子b);但在另一方面，该方法忽略了叶片翼型阻力和叶梢损失的作用，这两者对叶片外形设计的影响较小，仅对风轮的效率Cp影响较大。[4]

由一系列的推导知道[1]，对于在给定半径r处的尖速比 ，当

时，即

而 ，则

即 ，由此可得：

(3)将上式代入(1)，便可求得a值。 根据

便可求得b，进而可求出如图1所示给定半径处的来流角

(a)速度 (b)作用力

图1 翼型在气流中的运动分析及受力分析

(4)

便可求出 (5) 1.2 Schmitz理论

很多基本理论是在风力发电机假设叶片无限长的情况下建立的，对于有限长度的叶片当风轮旋转时，升力翼的下表面压力大于大气压力，上表面压力小于大气压

时，CP有最大值。令 (1)式中： ―中间变量

在等式两边同除以 ，得

(2)

Scienti? c Research科学研究

截面号1

3345678910

(a)弦长 (b)来流角

图6 动量―叶素理论得到的弦长和来流角

表1 三种方法计算出来的结果

Glaurt 理论计算结果

弦长距离叶根距离r(m)

(m) 0.12750.3700.2550.3590.38250.2960.510.2420.63750.203 0.7650.1730.89250.151 1.020.1331.14750.119 1.2750.108Schmitz 理论计算结果距离叶根距离距离r 弦长

(m) (m)

0.12750.3700.2550.3590.38250.2960.510.2420.63750.203 0.7650.1730.89250.151 1.020.1331.14750.119 1.2750.108

动量―叶素 理论计算结果

弦长来流角距离叶根距离r(m)

(m) (°)

0.12750.36539.860.2550.35227.410.38250.28920.270.51 0.236 15.96 0.63750.19713.070.7650.172 10.790.89250.1429.751.020.1308.271.14750.1097.601.2750.099 6.21

来流角

(°)40.6127.9620.6216.1313.18 11.129.60 8.447.536.79 来流角(°)40.6127.9620.6216.1313.18 11.129.60 8.447.536.79 截面号13345678910截面号12345678910

通过对比以上数据可以得出

(1)Glauert理论和Schmitz理论计算出来的.弦长和来流角偏大。主要是动量―叶素理论考虑较为全面，考虑了叶尖损失和轮毂损失(在本算例中影响很小)，而Glauert理论和Schmitz理论考虑不够全面，只考虑了某一方面。

(2)此实例中，尽管Glauert理论和Schmitz理论考虑的方面不尽相同，但在此算例中计算出来的弦长和来流角一样。从理论上Glauert理论应该更合理，[11]

因为Glauert理论还考虑了了叶轮后涡流流动损失。 (3)对比已经设计出来的1kW的叶片，以上三种方法设计出来的叶片还需要进一步修型，以满足加工、工艺和气动性能方面的的要求 3 结论

(1)比较Glauert理论、Schmitz理论和动量―叶素理论设计出的叶片，可以发现用动量―叶素理论设计出来的弦长和来流角较Glauert理论和Schmitz理论更小。 (2)运用以上三种理论设计的出来的弦长和来流角在叶跟处都偏大，与实际的叶片有较大的偏差。

(3)叶片设计的过程是比较复杂的，叶片初步设计出来以后，为了满足其结构、成本、加工条件和气动性能还需要大量的修型。

参考文献

[1] 王凡. 风力发电机的叶片设计方法研究[D].南京：南京理工大学，[2] 贺德馨,等.风工程与工业空气动力学[M].北京：国防工业出版社，

[3] 田德.浓缩风能型风力发电机三与四叶片叶轮的风洞实验研究.太阳能学报.2007,28(1):74-80[4] 刘雄，陈严，叶枝全.水平轴风力机气动性能计算模型[J].太阳能学报，,26(6):792-799[5] 陈云程，陈孝耀，朱成名.风力机设计与应用[M].上海：上海科学技术出版社,1990

[6] 时燕.小型风力发电机失速调节型叶轮的实验研究[D]. 呼和浩特：内蒙古农业大学，[7] S.S.雷欧.工程优化原理及应用[M].北京：北京理工大学出版社，1990

[8] 刘雄，陈严，叶枝全.风力机桨叶总体优化的复合形法[J].太阳能学报.,22(2):157-161[9] 刘翠.风力机叶片的优化设计及其动力学特性分析[D].长春：吉林大学，2005[10] Tony Burton 等.风能技术[M].武鑫等译.北京:科学出版社，2007.9

[11] 张果宇,冯卫民，刘长陆，俞剑锋.风力发电机叶片设计与气动性能仿真研究[J].能源研究与利用.2009(1)

篇6：风力发电机叶片材料

北京汇智联恒咨询有限公司

定价：两千元

〖目 录〗

第一章 全球风力发电机叶片发展状况综述

第一节 风力发电机叶片简介

第二节 风力发电机叶片制造工艺

第三节 风力发电机叶片相关政策展望

第二章 世界风力发电机叶片外部发展环境展望

第一节 全球宏观经济历史运行情况

第二节 全球宏观经济发展环境展望

第三节 固定资产投资影响因素研究

第三章 世界风电发展情况

第一节 世界风电情况

第二节 主要的风电国家发展情况

第三节 全球风能产业发展现状

第四章 中外风力发电机叶片发展状况比较

第一节 国际风力发电机叶片发展轨迹综述

第二节 中国风力发电机叶片发展状况构成第三节 主要国家风力发电机叶片发展的借鉴

第五章 国际风力发电机叶片生产格局分析

第一节 丹麦风力发电机叶片发展情况

第二节 德国风力发电机叶片发展情况

第三节 美国风力发电机叶片发展情况

第四节 西班牙风力发电机叶片发展情况

第五节 日本风力发电机叶片发展情况

第六章 全球风力发电机叶片供需态势

第一节 风力发电机叶片整体供给态势展望

第二节 风力发电机叶片需求态势展望

第七章 复合材料行业发展的影响展望

第一节 复合材料行业发展态势综述

第二节 影响复合材料行业发展的主要因素

第三节 复合材料行业发展态势展望

第四节 我国复合材料行业发展的影响展望

第八章 风电行业影响展望

第一节 风电行业发展态势综述

第二节 影响风电行业发展的主要因素

第三节 风电行业发展态势展望

第四节 风能利用发展的影响展望

第九章 风力发电机叶片国际重点企业分析（排名不分先后）

第一节 维斯塔斯

第二节 西班牙Gamesa

第三节 丹麦LM叶片公司

第十章 风力发电机叶片国内重点企业（排名不分先后）

第一节 SINOI公司

第二节 保定惠腾

第三节 天津东汽风电叶片工程公司

第四节 中复连众

第五节 上海玻璃钢研究院

第六节 新疆金风

第七节 恩德东营

第八节 华翼风电叶片研发中心

第十一章 风力发电机叶片行业发展展望

第一节 全球风力发电机叶片发展规模预测

第二节 全球风力发电机叶片成长速度预测

第三节 全球风力发电机叶片发展格局展望

第十二章 风力发电机叶片投资机会与风险

第一节 风力发电机叶片投资机会

第二节 风力发电机叶片投资风险

第三节 风力发电机叶片投资策略

第十三章 风力发电机叶片行业SWOT分析

第一节 当前风力发电机叶片企业发展的优劣势分析

第二节 我国风力发电机叶片企业的机会与威胁分析

一、风力发电机叶片企业发展的市场机会分析