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关于如何制造好的风机叶片的几点共识(上)

2012-07-16 17:13
野明月
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  叶片带来的风险

  1.1 叶片质量尚需时间检验

  国内企业生产的 1.5mw 叶片开始装机运行约在 3 年前,叶片的设计寿命为20 年,因此检验时间尚短。一旦发生质量事故,企业维持付出的维修成本会很大。

  1.2 竞争导致利润率下滑

  风电机组的市场价已经由 2008 年的 6200 元/KW 降低到 2010 年的 4000 元/KW,叶片成本占比为风电整机的 20-25%

  左右,必然遭到整机厂商的压价。2010 年叶片的降价压力仍然很大,降价对于叶片企业而言,将是个长期的趋势。

  1.3 叶片制造技术和工艺复杂

  叶片的生产制造工艺非常复杂,要求也很高,设备和模具投资都很大。由于风轮的转速是通过叶片进行调控,叶片在不同风速情况下的变形和切入角都有很严格的要求,所以叶片的设计和制造难度非常高。特别是叶片承受的风载非常大,叶片在强风状态下所受风载可达几百吨以上,这对叶片的强刚性能要求很高,虽然叶片用了大量的高强材料,但任何一点质量缺陷都会造成叶片的损毁。

  如何制造好的风机叶片

  在风电设备风力发电机的叶片是极为重要的关键部件,约占总成本的15%~20%。目前,风力发电是世界上能源领域发展最快的技术之一,而当今多数大型风力发电机的叶片已经基本上由各种复合材料制成,应用在机舱罩,轮毂,塔架等部位。据知世界风能产业大约每年以25%~30%的速度递增,这必然对,叶片的长度提出了更高的要求,据说叶片每增长6%,捕获的风能可增加l2%。此外,叶片大型化的同时还要求轻量化,低成本化和高性能化,即在满足安全,可靠和寿命的前提下质量要轻,成本要低,功率要高。为此要进行设计,材料体系和制造技术上的系列革新。

  目前我国的风机叶片技术已可制造1.5~20Mw,长达37.3米,甚至42.5米的叶片(目前仅中材科技一家)。但从设计材料体系和制造工艺的综合技术水平上看,从自主知识产权和自主创新能力上看,我们与世界的先进水平还有相当大的差距。

  2.1 叶片材料的选择

  风机叶片与复合材料制造风机叶片的材料曾用过木材和金属,但近年来已基本上采用各种复合材料。故风机叶片已成为目前复合材料极重要的应用领域之一。叶片主要用材体系包括各种增强材料,基体材料,夹层泡沫,胶粘剂以及各种辅助材料等。

  2.1.1 增强材料

  增强材料大量使用E玻纤,固其成本低和适用性强。当要求叶片更高的强度和刚度时,将会使用到高强玻纤,如S2玻纤,虽然价格较高,但适当使用会有好处。某些新兴纤维也可用作候选对象,如超高相对分子质量聚乙烯纤维,连续玄武岩纤维等。连续玄武岩纤维是一种新型无机纤维,由玄武岩石在高温熔融状态下拉丝而成,其力学性能与S玻纤相当,但有更好的耐酸碱和耐高温性能。当叶片更长时其强度,刚度要求更高,自身质量也会更大,此时则要求采用碳纤维。

  2.1.2基体材料

  基体材料目前则大量使用不饱和聚酯树脂(UPR),其综合性能优良,价格又低,国产产品已可满足要求。其次还有乙烯基酯树脂(VER),环氧树脂(PER)等。以环氧树脂为基体的复合材料力学性能更好,特别是当使用碳纤维时,树脂都以环氧为主。上述均为热固性树脂,现在也有用热塑树脂的,如GatTce公司,研发所谓的“绿色叶片”虽然目前成本较高,但有一系列优点,特别是可回收解决环保问题。

  2.1.3 加芯材料和胶粘剂

  叶片以及机舱罩等结构都用夹层结构形式,此时会大量用到闭孔泡沫材料,目前国内大多用瑞典DIAB公司的泡沫,致使其供不应求,据知DIAB正在美国建厂扩产以进一步满足需求。关于胶粘剂,辅助材料等问题不大,但多用进口材料。

  叶片材料经历了木质叶片、合金钢叶片、铝合金叶片等阶段。目前,随着风机叶片的大型化,具有体重轻,比强度高等优点的复合材料,是风机叶片材料的首选,其中玻璃纤维增强聚酯树脂、玻璃纤维增强环氧树脂和炭纤维增强环氧树脂是普遍使用的材料,碳纤维增强环氧树脂性能较好,但是考虑到乙烯基树脂可降低叶片成本、工艺性好的特点,随着对乙烯基树脂在叶片上应用研究的深入,在不久的将来乙烯基树枝将逐步取代环氧树脂,成为风机叶片材料的首选。但是随着人们对环境要求的严格,以及对更多性能好、无污染的叶片新材料的探索及研究,大规模使用这些词那材料是指日可待的。

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