纺织复合材料在风力发电叶片制造中的应用研究.pdf

２０１０年第４期玻璃钢／复合材料８１纺织复合材料在风力发电叶片制造中的应用研究徐进，张伟，林洪芹（盐城工学院纺织服装学院，江苏盐城２２４０５１）摘要：本文介绍了玻璃／碳纤维复合材料的性能，综述分析了纺织复合材料在风力发电叶片中的应用情况，归纳总结了叶片复合材料的组织结构及发展前景．具有一定的实际应用价值。关键词：纺织复合材料；风力发电；叶片；应用中图分类号：ＴＢ３３２；ＴＫ８文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１０）０４００８１０３１前言国民经济的持续发展离不开充足的电能，美国能源部信息管理局发布的《国际能源展望２００６））预计，２０１５年全世界的用电量将达到２．２ＰＷ，到２０３０年将达到３．ＯＰＷ。目前电能的主要来源有热力发电、水力发电和核发电，随着人们环保意识的增强，同时在全球能源日益紧缺的大环境下，一种取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源．风能倍受青睐，而风力发电也愈来愈受到世界各国的重视。风机叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件。在发电机功率一定的条件下，如何捕获更大的风能，提高发电效率，一直是风力发电追求的目标。捕风能力的高低与叶片的形状、长度和面积有着密切的关系，而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，重量轻、强度高、耐久性好的纺织复合材料成为大型风力发电叶片的首选材料。此外，大型风力发电机叶片重量的９０％以上都是由复合材料组成Ｊ。可见风力发电将是纺织复合材料的一个巨大潜在市场，而我国的风力发电产业，也将为纺织工业开拓一个新的发展机遇。２叶片复合材料的应用和发展复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。纺织复合材料是指用纺织品作为增强材料，而另一个组分作为基体材料。基体材料主要有树脂基、金属基和陶瓷基等。在复合材料中，基体起着传递载荷、均衡载荷和支持纤维的作用。只有纤维和基体两者有机地匹配协调，才能充分发挥整体作用和各自的性能。因此，在纺织复合材料设计中，首先就是选择纤维和基体的材料，并充分考虑两者之间的相互作用ｊ。现代风机的叶片大多采用纺织复合材料，由纤维和树脂组成，具有轻质、高强和各向异性的特点Ｊ。２．１玻璃纤维复合材料玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，强度高且具有很好的柔软性、绝缘性和保温性，通常作为复合材料中的增强材料，配合树脂赋予形状后可以成为优良的结构用材。目前制造风机叶片的主要材料即为玻璃纤维增强聚酯树脂和玻璃纤维增强环氧树脂Ｊ。玻璃纤维按照组成、性质和用途，可分为不同的级别，Ｅ．玻璃纤维使用最普遍，也是目前风力发电机叶片的主流增强材料，它和许多树脂的匹配性较好，目前已经开发了单轴向、双轴向、三轴向、四轴向甚至三维立体结构等多种编织形式。但Ｅ一玻纤密度较大，随着叶片长度的增加，叶片的重量也越来越大Ｊ，不利于叶片速度的提高。此外，Ｅ．玻纤极易被元机酸侵蚀，不适用于酸性环境，因此Ｅ一玻璃纤维已经逐渐不能满足叶片发展的需要。Ｓ一玻璃纤维是另一种不同级别的玻璃材质纤维，模量高达８５．５ＧＰａ，比Ｅ．玻璃纤维高１８％，且强度高出３３％ｌ。仅从技术角度上来讲，这种高强高断裂应变的Ｓ．玻纤在风力机叶片上的应用有着很大的潜力。但因产量小使其价格颇高，因此至今没能成为叶片的主流增强材料。但是，随着美国ＡＧＹ公司对Ｓ－玻纤进行大规模生产规划的推出，相信在不久的将来，Ｓ．玻璃纤维作为风力发电机叶片增强材料一定会有更大的发展空间。—收稿日期：２００９１０－０９作者简介：徐进（１９６３－），男，教授，主要从事纺织机械纺织材料教学科研工作。’Ｆ／ｃＭ¨¨２ｏｌｏｉＮ￣。４８２纺织复合材料在风力发电叶片制造中的应用研究２０１０年７月２．２碳纤维复合材料碳纤维是含碳量高于９０％的无机高分子纤维，不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代的增强纤维。碳纤维的轴向强度和模量高，具有无蠕变、耐疲劳性好、比热及导电性介于非金属和金属之间、热膨胀系数小、耐腐蚀性好、纤维的密度低、ｘ射线透过性好等优点。与传统的玻璃纤维相比，碳纤维复合材料叶片的刚度是玻璃纤维复合材料叶片的２～３倍，且同样长度的碳纤维叶片比玻璃纤维叶片要轻得多【６ｊ。随着风力发电机叶片长度的增加，碳纤维作为叶片增强材料更能充分发挥其轻质高强的优点。碳纤维复合材料的价格取决于碳纤维的价格，碳纤维复合材料不仅在性能上大大优于玻纤复合材料，在价格上也远远贵于玻纤复合材料，这在很大程度上限制了它的大规模应用。为此，世界多个国家正致力于从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究，以期降低成本，从而使碳纤复合材料的价格大幅度的下降。美国卓尔泰克公司生产的ＰＡＮ．ＥＸ３３（４８Ｋ）大丝束碳纤增强环氧树脂复合材料，具有良好的长期抗疲劳性能，同时叶片质量减轻４０％，叶片成本降低１４％，并使整个风力发电装置成本降低４．５％ｊ。日本东丽工业公司作为碳纤维市场领先的生产商，已与东京大学等高校研究机构合作开发成本相对较低的碳纤维复合材料，并计划在２０１５年前后使这一材料技术达到商品化阶段。此外，随着纳米技术的发展，法国Ｎａｎｏｌｅｄｇｅ碳纳米结构材料将引起复合材料领域的一场革命。碳纳米结构材料具有更好的抗冲击性、抗弯强度、防裂纹扩展性和导电性等多种功能，给叶片材料的发展提供了新的契机＿６Ｊ。由此可见，在风力发电机叶片大型化趋势的推动下，采用碳纤维复合材料叶片将有着非常广阔的发展前景。２．３碳／玻混杂复合材料随着叶片长度的增加，对其刚度提出了更高的要求，同时考虑到碳纤维比玻璃纤维具有更高的价格，因此既能减轻叶片重量，提高叶片刚度和强度，同时又能兼顾叶片价格的一种有效方法就是采用碳／玻混杂增强方案，其叶片可减重２０％～３０％。据悉，Ｎｏｄｅｘ公司已经研制生产出了长５６ｍ的海上风电叶片和长４３ｍ的陆上风电叶片，其材料即为碳／玻混杂增强复合材料¨…。通常情况下，长度大ＦＰＪ＇／ｅＭ２０ｉｏ于４０ｍ的风电叶片可以采用碳／玻混杂复合材料。３叶片复合材料的结构设计过去用于增强的玻／碳纤维基布材料大多采用经纬交织的机织物¨¨，但从承载状态上来考虑，采用经编织物作为增强复合材料的基布比经纬交织的机织物具有更明显的优势，如图１所示这类轴向织物由于承受载荷的纱线系统按要求排列并绑缚在一起，因此能够处于最佳的承载状态。另一方面，由于机织物中的纱线呈波浪形弯曲，再加上纱线自身的捻度，使其模量、拉伸强度和抗冲击强度都有一定的损失。而轴向技术使得织物的纱线层能按照特定的方向伸直取向，故每根纤维力学理论值的利用率几乎能达到１００％［３ｊ。此外，轴向织物的纱线层层铺叠，按照不同的强度和刚度要求，可以在织物的同一层或不同层采用不同种类的纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维或碳／玻混杂纤维，再按照编织点由编织纱线将其绑缚在一起。（ａ）单轴向经编织物结构（ｂ）职轴向经编织物结构（ｃ）多轴向经编织物结构图１经编织物结构图除了经编轴向织物外，还可以利用纬编绑缚系统开发纬编轴向织物，如图２所示。根据经／纬编结构的特性，纬编轴向织物较经编绑缚结构具有更好的可成型性¨，因此在风电叶片结构设计中具有极好的应用前景。一一图２纬编织物结构图４结语和展望作为可再生能源中最有发展前景的一种清洁能源，风能必将推动风力发电产业的迅速发展。根据资料报道ｌ２Ｊ，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。这无疑为２０１０年第４期玻璃钢／复合材料８３我国纺织复合材料叶片的开发研制提供了一个不可多得的发展机遇。随着风电叶片大型化趋势的发展，叶片材料及结构设计也需要不断地改进，可以从以下几方面着手：（１）Ｓ．玻璃纤维弹性模量和强度明显高于Ｅ一玻璃纤维，因此未来在进行大量生产使其价格下降后，ｓ一玻纤将在风电叶片生产中得到大力推广；（２）由于风力发电机日益大型化、海洋化，玻璃纤维复合材料将不能满足大功率风力发电装置的需求，因此，在发展更大功率风力发电装置和更长风电叶片时，采用轻质高强、性能更好的碳纤维复合材料将势在必行。为了降低碳纤维价格，研制和开发低成本碳纤维，美国已建成了采用微波碳化的试验线，使制备碳纤维的成本降低约２０％Ｊ。纳米技术的发展也在很大程度上给叶片材料的发展提供了新的契机，为叶片的长度增加提供了更大的空间；（３）用可回收的热塑性树脂代替聚酯树脂和环氧树脂与纺织纤维相匹配，更符合现代环保的观念，因此开发密度小、质量轻、抗冲击性能好、生产周期短的热塑性树脂就成为未来风电叶片复合材料开发的一大热点；（４）叶片复合材料中用于增强的纺织纤维基布材料，从模量、刚度和强度方面考虑，采用轴向纬编结构比经纬交织的机织物具有更加明显的优势。参考文献［１１王文燕，姜亚明，刘良森．纬编双轴向多层衬纱织物增强复合材料的弯曲性能研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，２０４（１）：５１－５３．［２］李成良，王继辉，薛忠民，李军向．基于ＡＮＳＹＳ的大型风机叶片建模研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，２０５（２）：５２－５５．［３］高会焕，纤维增强材料风机叶片发展概述［Ｊ］．玻璃钢／复合材—料，２００９，２０７（４）：１０４１０８．［４］覃芮．风力发电产业与碳纤维增强叶片［Ｊ］．高科技纤维与应用，２００８，３３（２）：２４也７．［５］张晓明．风力发电复合材料叶片的现状与未来［Ｊ］．纤维复合材料，２００６，６（２）：６Ｏ＿６４．［６］邱冠雄，刘良森，姜亚明．纺织复合材料与风力发电［Ｊ］．纺织导报，２００６，５：５６－６１．［７］刘爱平，赵书林．纺织复合材料的应用和发展［Ｊ］．天津纺织科技，２００８，３：１－３．［８］廖子龙，乌云其其格．环氧树脂／玻璃纤维复合材料性能研究与应用［Ｊ］．工程塑料应用，２００８，３６（９）：４７－４９．［９］李成良，王继辉，薛忠民．大型风机叶片材料的应用和发展［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００８，（４）：４９－５２．［１０］谢晓芳，卞子罕．国外风力机叶片材料的新进展［Ｊ］．玻璃钢，２００６，（４）：２１－２５．［１１］赵稼祥．复合材料在风力发电上的应用［Ｊ］．高科技纤维与应用，２００３，２８（４）：１－４．［１２］钱伯章．碳纤维复合材料面临发展契机［Ｊ］．合成纤维，２００８，（１１）：５３－５５．［１３］陈宗来，陈余岳．大型风力机复合材料叶片技术及进展［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００５，（３）：５３－５７．［１４］李祖华．风力发电现状和复合材料在风机叶片上的应用［Ｊ］．高科技纤维与应用，２００８，３３（３）：３０－３３．［Ｊ５ｊＢＲＡＤＡＩＧＨＣＯＮＣＨＵＲ０．ｒｓｔｒｅｃｙｃｌａｂｌｅｗｉｎｄｂｌａｄｅｔｏｂｅｄｅ－ｖｅＩｏｐｅｄ［Ｊ］．Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｓ，２００４，４８（１０）：８．’ｌＨＥＡＰＰＬｌＣＡＴ１０ＡＮＤＤＥＶＥＬｏＰＭＥＮＴＦｏＲＥＧＲｏＵＮＤｏＦＴＥＸＴＩＬＥＣｏＭＰｏＳＩＴＥＳＩＮＷＩＮＤＴＵＲＢＩＮＥＢＬＡＤＥＳＸＵＪｉｎ，ＺＨＡＮＧＷｅｉ，ＬＩＮＨｏｎｇ－ｑｉｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＴｅｘｔｉｌｅｓａｎｄＣｌｏｔｈｅｓ，ＹａｎｃｈｅｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｙａｎｅｈｅｎｇ２２４０５１，Ｃｈｉｎａ）—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆｇｌａｓｓ／ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅａｐｐｌｉ—ｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｅｘｔｉｌｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｉｎｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄｏｆｂｌａｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｘｔｉｌｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅ；ｂｌａｄｅ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＦＩ江＇／ＣＭｊ¨２０１０・Ｎ０．４