國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展離不開充足的電能,美國能源部信息管理局發(fā)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(fā)電、水力發(fā)電和核發(fā)電,隨著人們環(huán)保意識的增強,同時在全球能源日益緊缺的大環(huán)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(fā)電也愈來愈受到世界各國的重視。風力發(fā)電機葉片是風力發(fā)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(zhì)量輕、強度高、耐久性好的紡織復合材料成為大型風力發(fā)電機葉片的首選材料。此外,大型風力發(fā)電機葉片質(zhì)量的90%以上都是由復合材料組成,見風力發(fā)電將是紡織復合材料的一個巨大潛在市場。根據(jù)資料報道,到2020年,我國將投資2000億人民幣用于風力發(fā)電建設,新增風力發(fā)電能力將達3000MW,并要求風力發(fā)電裝備本土化。這無疑為我國紡織復合材料葉片的開發(fā)研制提供了一個不可多得的發(fā)展機遇。

1　葉片復合材料的應用和發(fā)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(chǎn)生協(xié)同效應,使復合材料的綜合性能優(yōu)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(yōu)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(yōu)良的結(jié)構用材。目前制造風力發(fā)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(huán)氧樹脂。玻璃纖維按照組成、性質(zhì)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(fā)電機葉片的主流增強材料。但E級玻璃纖維體積質(zhì)量較大,隨著葉片長度的增加,葉片的質(zhì)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(huán)境,因此E級玻璃纖維已經(jīng)逐漸不能滿足葉片發(fā)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(fā)電機葉片上的應用有著很大的潛力。但因產(chǎn)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(guī)模生產(chǎn)規(guī)劃的推出,相信在不久的將來,S級玻璃纖維作為風力發(fā)電機葉片增強材料一定會有更大的發(fā)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?zhèn)浼徔椑w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(shù)小,耐腐蝕性好,纖維的體積質(zhì)量低,X射線透過性好。與傳統(tǒng)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(fā)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(fā)揮其輕質(zhì)高強的優(yōu)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(yōu)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(guī)模應用。為此,世界各國正致力于從原材料、工藝技術、質(zhì)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(fā)展,法國Nanoledge碳納米結(jié)構材料將引領復合材料領域的一場革命。碳納米結(jié)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(fā)展提供了新的契機。由此可見,在風力發(fā)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(fā)展前景。

1.3　碳?；祀s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(zhì)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(jù)悉,Nodex公司已經(jīng)研制生產(chǎn)出長56m的海上風力發(fā)電機葉片和長43m的陸上風力發(fā)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(fā)電機葉片可以采用碳?；祀s復合材料。

2　葉片復合材料的結(jié)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(jīng)緯交織的機織物,但從承載狀態(tài)上來考慮,采用經(jīng)編軸向織物作為增強復合材料的基布比經(jīng)緯交織的機織物具有更明顯的優(yōu)勢。

       這類軸向織物由于承受載荷的紗線系統(tǒng)按要求排列并綁縛在一起,因此能夠處于最佳的承載狀態(tài)。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(jīng)編軸向織物外,還可以利用緯編綁縛系統(tǒng)開發(fā)緯編軸向織物。

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

3　結(jié)語和展望

隨著風力發(fā)電機葉片大型化趨勢的發(fā)展,葉片材料及結(jié)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(chǎn)使其價格下降后,S級玻璃纖維將在風力發(fā)電機葉片生產(chǎn)中得到大力推廣。

(2)由于風力發(fā)電日益大型化、海洋化,因此,在發(fā)展更大功率風力發(fā)電裝置和更長風力發(fā)電機葉片時,采用輕質(zhì)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(fā)展也在很大程度上給葉片材料的發(fā)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(huán)氧樹脂與紡織纖維相匹配,更符合現(xiàn)代環(huán)保的觀念,因此開發(fā)體積質(zhì)量小、質(zhì)量輕、抗沖擊性能好、生產(chǎn)周期短的熱塑性樹脂就成為未來風力發(fā)電機葉片復合材料開發(fā)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(jīng)編軸向和緯編軸向結(jié)構比經(jīng)緯交織的機織物具有更加明顯的優(yōu)勢。