复合材料风力发电叶片制造及应用现状

复合材料风力发电叶片制造技术及应用现状

杜艳

（陕西理工学院 材料成型及控制工程 0806班，陕西 汉中 723003）

指导教师：张会

[摘要]由于资源的和环境保护，人类把眼光投向风力发电，把风能作为新型能源。风力发电装置中叶

片的选材和制造技术便成为各国在风能利用方面争相研究的主要课题。本文叙述了风力发电在世界各国的发展现状以及复合材料在风力发电叶片上的应用现状。

[关键词]风力发电；风力发电叶片；制造技术；复合材料

I

陕西理工学院毕业论文

The Manufacturing Technology and Application

of Composite Wind Turbine Blade

Du Yan

（Grade 08，Class 06，material formation and control engineering，school of material science and engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong，723003，Shaanxi ）

Tutor: Zhang Hui

Abstract:Due to the limit of resource and environment protection，people have focused on wind power

generation，Wind energy as a new energy.Wind power generation device of blade material and manufacture technology becomes various countries in wind energy utilization are the main research topics.This paper describes the wind power generation in the world as well as the development of composites in wind turbine blades on the application of the status.

Key words:wind power generation; wind turbine blades ;manufacturing technology; composite material

II

陕西理工学院毕业论文

目录

1引言 ..................................................... 1

1.1课题的研究背景及意义 .................................... 1 1.2课题的研究现状及发展趋势 ................................ 1

1.2.1风力发电的发展现状 ................................. 1 1.2.2复合材料风力发电叶片的发展现状 ..................... 1

2风力发电的现状 ........................................... 1

2.1风力发电的原理 .......................................... 2 2.2风力发电的优点 .......................................... 2 2.3世界风力发电现状 ........................................ 2

2.3.1世界风力发电的简况 ................................. 2 2.2.2装机规模持续高速增长 ............................... 2 2.2.3单机容量不断扩大 ................................... 5 2.2.4主要风电设备供应商 ................................. 5 2.2.5海上风电场 ......................................... 6

3中国风能资源及其分布 ..................................... 6

3.1风能资源 ................................................ 6 3.2风能资源分布 ............................................ 6

3.2.1“三北”（东北、华北、西北）地区 ..................... 6 3.2.2东南沿海及附近岛屿 ................................. 7 3.2.3内陆局部风能丰富区 ................................. 8 3.2.4海上风能丰富区 ..................................... 8

4复合材料风力发电机叶片制备加工技术及应用 ................. 8

III

陕西理工学院毕业论文

4.1风机工作原理及叶片的作用 ................................ 9 4.2风力发电机叶片简介 ...................................... 9

4.2.1风机叶片的结构 ..................................... 9 4.2.2风机叶片叶尖的分类 ................................ 11 4.2.3风机叶片的制造工艺 ................................ 11 4.3风机叶片的发展历程和发展方向以及复合材料叶片的优点 ...... 11

4.3.1木制叶片及布蒙皮叶片 .............................. 11 4.3.2钢梁玻璃纤维蒙皮叶片 .............................. 11 4.3.3铝合金等弦长挤压成型叶片 .......................... 11 4.3.4玻璃钢叶片 ........................................ 12 4.3.5玻璃钢复合材料叶片 ................................ 12 4.3.6碳纤维复合材料 .................................... 12 4.3.7叶片材料的发展方向 ................................ 12 4.3.8复合材料叶片优点 .................................. 12 4.5复合材料风机叶片的几种主要的制造工艺 ................... 13

4.5.1手糊工艺 .......................................... 13 4.5.2空腹薄壁填充泡沫结构合模工艺 ...................... 13 4.5.3 闭模真空浸渗工艺（RTM） ........................... 13 4.5.4纤维缠绕工艺(Fw) .................................. 15 4.6 复合材料风机叶片制造的主要技术介绍 ..................... 15

4.6.1复合材料风机叶片的结构设计概要 .................... 15 4.6.2叶片铺层设计简介 .................................. 15

IV

陕西理工学院毕业论文

4.6.3制造工艺简介 ...................................... 15 4.7碳纤维复合材料与风机叶片 ............................... 16

4.7.1碳纤维在风力发电机叶片中的应用 .................... 16 4.7.2碳纤维在风力发电机叶片中应用的主要部位 ............. 16 4.7.3碳纤维在风力发电机叶片中的应用优势................. 16 4.7.4碳纤维应用的主要问题和解决途径 .................... 17 4.8纺织复合材料在风力发电叶片制造中的应用研究 ........... 18 4.8.1纺织复合材料简介 .................................. 18 4.8.2纺织复合材料常见类型介绍 .......................... 18 4.9多轴向经编针织物在风力发电中的应用现状 ................. 18

4.9.1多轴向经编针织物 .................................. 19 4.9.2多轴向经编增强复合材料叶片 ........................ 20

5风机叶片设计流程简介 .................................... 21

5.1确定总体参数 ........................................... 21 5.2叶片外形设计 ........................................... 22 5.3风机载荷计算 ........................................... 22 5.4风机空气动力试验 ....................................... 22

6风机叶片的市场分析 ...................................... 22

6.1我国大型风力发电叶片产业的现状分析 ..................... 22

6.1.1大型风力发电叶片的市场分析 ........................ 22 6.1.2大型风力发电叶片的技术状况分析及其质量控制 ......... 23 6.2市场发展前景 ........................................... 23

V

陕西理工学院毕业论文

7结论 .................................................... 24 致谢 ..................................................... 25 参考文献 ................................................. 26

VI

陕西理工学院毕业论文

1引言

1.1课题的研究背景及意义

电能的主要来源是热力发电、核发电及水力发电。但随着社会的逐步发展，经济的持续增长，能源消耗不断增加，化工燃料日益枯竭，全球范围能源紧张，全球正面对日益严峻的能源形势。然而，工农业的持续发展必需有充足的电能来支持。鉴于资源的和环境保护，这就迫使世界各国不得不讨论其他再生能源发电问题。一般再生能源发电有风力发电、光电能、地热发电、地质能发电四种形式。其中，风力发电是新能源中最具规模开发条件和商业化发展前景的可再生能源技术，在远期有可能成为世界重要的替代能源。因为，风能资源不仅是一种可再生能源，而且是一种绿色

[1]

环保能源，每生产100万千瓦时的风电能就少排放约600吨二氧化碳。 1.2课题的研究现状及发展趋势 1.2.1风力发电的发展现状

人类利用风能已有几千年历史，“荷兰风车”世人皆知，但那只是对风产生的机械能的利用。人类利用风能发电只是近几十年的事情。当风力发电机单机容量小于200kW时，其发电成本不具优势。当单机容量超过200kW，尤其是达到450kw以上时，其成本出现优势。据钟方国、赵鸿汉在文献[2]中记载的，美国目前风力发电含建风场造价为1000美元/kW，上网电价为5美分/度，与水电成本相当。在中国，大型水电站造价7000～8000元/kW，中型水电站造价12000～15000元/kW，上网电价0.85～1.02元/度，大亚湾核电站上网电价为7美分/度。目前，中国发展风力发电造价可以低于水电或核电。

目前美国年风力发电达1500～1600MW，约占全世界风力发电总量的二分之一，丹麦年风力发电450MW，荷兰年风力发电150MW，印度80MW，中国只有50MW(5万kW)。而且几乎全是由小型风力发电机发出的。

风力发电在各国所占比例还不大。丹麦占3%，规划至2000年占5%；美国占1.5%，但加州所占比例大约为7%，规划至2000年占10%。美国、德国、西班牙、法国、日本、加拿大、印度、以色列

[3]

等国都有相应的风电发展规划。

1.2.2复合材料风力发电叶片的发展现状

叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件。其设计与选材决定着风力发电装置的性能与功

[2]

率，是保证机组正常稳定运行的重要因素，其成本也占到了风机设备的20~30%。因此，提高叶片

[4]

的综合性能、降低发电成本对叶片的设计和选材提出了更高的要求。陈绍杰等人认为，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、具有可设计性的复合材料成为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、美国、英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。

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1.15～2.0MW，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5MW，

[5]

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。

2风力发电的现状

第 1 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

2.1风力发电的原理

风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大

[3]

气为工作介质的热能利用发动机。 2.2风力发电的优点

（1）风力发电是一种绿色能源。用矿物燃料发电每千瓦要产生0.681公斤的CO2，而风力发电不会产生CO2。

（2）风力发电机技术成熟，故障率低，可用率高达98%。大型并网风力发电机自动化程度高，无人值班，可远程控制。

（3）发电成本低。在可再生能源中，风力发电的成本最低。随着风力发电机的单机容量的不断提高，技术的不断完善，风力发电成本可与常规能源相竞争。 2.3世界风力发电现状

2.3.1世界风力发电的简况

国际原油价格持续高涨及京都议定书的实施，产业化条件最为成熟的风力发电成为欧美发达国家推动可再生能源发展的首选项目。风能不仅充沛和廉价，而且也是目前最有开发利用前景的一种可再生能源。李祖华在文献[7]中提到，风力发电成本低廉，20世纪80年代为40美分/（kW²h），现在为3～5美分/（kW²h），随着技术设备的改善，成本还可以在目前的基础上再减少30%～50%。正因为此，全世界风力发电每年以30%左右的速度增长。

2005年世界风电市场，仍以欧美发达国家为主，亚洲地区目前尚处于开发状态，潜力不容小觑。亚洲的风电市场领头羊印度，2005年的累计容量为4.430GW，超越丹麦成为全世界第4大风力发电国家。中国（不包括省装机）及日本所安装的风机容量皆突破1GW大关。

2006年世界风电市场仍以欧美发达国家为主，亚洲地区目前依然处于逐步开发状态，速度相当可观。过去10年中，风能已经成为世界上增长最快的能源。根据丹麦BTM咨询公司对世界风力发电的装机容量、产业的销售量等的统计，2006年新增风电约15.197GW，刷新了2005年8.321GW的记录，截至2006年底，全球风能累计装机容量达到74.223GW，大约是1997年的10倍。2001～2006年的平均增长率约为24%。风电发电量占全世界总发电量的比例已从2000年的0.25%增加到2006年的0.7%。预计2015年可能占到3%，2020年风力发电将占世界电量的20%。 2.2.2装机规模持续高速增长

世界上很多国家，尤其是发达国家，已充分认识到风电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要性，对风电的开发给予了高度重视及激励，装机规模持续高速增长。而在2006年，累计风电装机最多的10个国家占世界风电装机的85%，与2005年相比，德国、美国和西班牙保持了前3

[7]

名的地位，中国则从第八名升到第六名。从图2.1、图2.2、图2.3可见一般。

第 2 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

20000累计装机容量/MW150001000050000德国西班牙美国印度丹麦中国意大利英国葡萄牙法国国别

图2.1 2006年风电机组累计安装量前10名国家

2500 2006年新增装机容量 2005年新增装机容量2000150010005000美国德国印度西班牙中国法国加拿大葡萄牙英国意大利国别

新增装机容量/MV（a）

第 3 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

80 2006年增长率60年增长率/%40200-20美国德国印度西班牙中国法国加拿大葡萄牙英国意大利国别（b）

图2.2 2006年新增风电机组前10名国家（a）、（b）

800004070000累计装机容量年增长率35累计装机容量/MW6000030500002540000203000015200002000200120022003200420052006102007时间/年

图2.3 2001-2006年全球累计装机容量

由图和往年的相关数据资料可以看出： （1）欧美现状

在欧洲以法国成长最快，2005年较2004年成长1.6倍。德国风力发电一直走在世界的前列，目前风力发电占总发电量的3.5%，10年后这一比例估计将超过10%。美国在上世纪的90年代以来，利用新的风力发电技术扩大风能利用，从3个州扩大到28个州。美国继2005年的大幅增长之后，

第 4 页 共 26 页

年增长率/%陕西理工学院毕业论文

2006年的新装机量名列全球之首。加拿大亦再创新高，新装机容量自2005年的683MW增至2006年

[7]

底的1.459GW。

（2）亚洲风能三小龙 文献[7]中统计的数据为：亚洲地区在2006年累计风机装置容量达10.667GW，年增长率超过40%；新增容量则为3.079GW。

亚洲风能的三小龙是印度、中国及日本。印度新增风力发电装机容量达1430MW，居冠，其次为中国（不包含省装机）为498MW，日本则新增295MW，居第三。 2.2.3单机容量不断扩大

单机容量是风电机组技术水平的标志。风电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展，单机容量不断扩大。

文献[7]中统计为:目前全球MW级机组的市场份额明显增大，1997年及之前还不到10%，2001年则超过50%，2002年达到62.1%，2003年达到71.4%。2003年安装的风电机组平均单机容量已达到1.2MW。我国风电机组单机容量也从600kW逐步走向MW级。

更大型、性能更好的机组也已经开发出来，并投入生产试运行。如丹麦新建的几个风电场，单机容量都在2MW以上；摩洛哥在北方托莱斯建造的风电场，采用的风电机组功率达到2.1MW。

由于更多国家致力于风能的开发利用，预计这种世界范围的快速增长将持续下去。除了风电大国丹麦、德国、西班牙和美国外，很多其它国家包括英国、法国、巴西和中国也制定了雄心勃勃的计划。

2.2.4主要风电设备供应商

根据有关公司年销售额的业绩，风电机组主要制造商依然集中在欧美国家。亚洲的代表为印度SUZLON能量公司及日本三菱重工（MHI）。

表2.1 2003年全球前10位风电机组供应商及其所占市场份额统计 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

供应商 Vestas GE WIND Enercon Gamesa N E G Micon

Bonus R Epower MADE Nordex MHI

国家 丹麦 美国 德国 西班牙 丹麦 丹麦 德国 西班牙 德国 日本

市场份额% 21.7 18.0 14.6 11.5 10.2 6.6 3.5 2.9 2.9 2.6

[7][7]

表2.2 2004年全球前10位风电机组供应商及其所占市场份额统计 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

供应商 Vestas Gamesa Enercon GE WIND SIEMENS SUZLON R Epower MHI Ecotecnia Nordex

国家 丹麦 西班牙 德国 美国 德国 印度 德国 日本 西班牙 德国

第 5 页 共 26 页

市场份额% 34.1 17（18.1） 15.8 11.3 6.2 3.9 3.4 2.6 2.6 2.3

陕西理工学院毕业论文

表2.1和表2.2分别列出了2003年及2004年世界前10位风电设备供应商及其所占市场份额。从表2.1和表2.2可知，全球当之无愧的风电领头羊丹麦Vestas风能系统公司在2004年成功并购NEGMicon后仍保持了较高的增长率，其市场份额扩大为34.1%；市场份额增长最快的是西班牙Gamesa公司，从2003年的第4位跃升至2004年的第2位，市场份额达到17%（另一统计为18.1%）；GE风能则因美国国内市场的疲软而退居第4；SIEMENS在收购丹麦Bonus公司后一直未有大的动作。在2004年前10位中最值得一提的是印度SUZLON公司，跃居第6位，向世界充分显示了它的强劲发展势头。

2.2.5海上风电场

李祖华在文献[7]中提到2002年丹麦在Horns Rev海域建成了世界上最大的海上风电场，拥有80台2MW机组，装机容量160MW，标志着大规模的商业化海上风电场“起飞”。2003年又建成更大的近海风电场，拥有72台2.3MW机组，装机容量165.6MW。目前，世界近海风电总装机容量为530MW。

德国在北海建设近海风电场，总功率在1GW ，单机功率为5MW，可为6000户家庭提供用电，已于2004年投产。

我国风电发展策略是先陆上，后海上。随着风电技术成熟，成本下降后，我国也将大规模开发海上风电。

3中国风能资源及其分布

3.1风能资源

[7]

据有关研究成果估计，我国风能仅次于俄罗斯和美国，居世界第三位，理论储量32260GW，陆地上离地10m高可开发和利用的风能储量约为2.53亿kW(依据陆地上离地10m高度资料计算)，近海（水深不超过10米）区域，离海面10米高度层可开发和利用的风能储量约为7.5亿kW，共计10亿kW，风能资源非常丰富。 3.2风能资源分布

我国幅员辽阔，地形条件复杂，风能资源状况及分布特点随地形、地理位置不同而有所不同。风能资源丰富的地区主要分布在东南沿海及附近岛屿以及“三北”（东北、华北、西北）地区。另外，内陆也有个别风能丰富点，海上风能资源也非常丰富。图3.1为中国风能分布图、图3.2为中国全年风速>3m/s小时数分布图、图3.3为中国有效风功率密度分布图。

图3.1 中国风能分布图

3.2.1“三北”（东北、华北、西北）地区

“三北”地区指东北3省、河北、内蒙古、甘肃、青海、、等省/自治区近200km宽的

第 6 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

地带，风功率密度在200～300W/m以上，有的可达500W/m以上，可开发利用的风能储量约2TW，约

[7]

占全国陆地可利用储量的79%。该地区风电场地形平坦，交通方便，没有破坏性风速，是我国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模的开发风电场。 3.2.2东南沿海及附近岛屿

22

图3.2 中国风速>3m/s小时数分布图

图3.3 中国有效风功率密度分布图

由图3.1、图3.2和图3.3可知东南沿海及岛屿地区指：包括山东、广西、海南等省/市沿海近

22

10km宽的地带，年有效风功率密度在200W/m以上，沿海岛屿风功率密度在500W/m以上，风功率密

第 7 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

度线平行于海岸线，可开发利用储量为110GW，约占全国陆地可利用储量的4%。东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰富区。

山东省的风能资源总含量为67GW，相当于3.68个三峡水电站的装机容量，居全国第三。江苏省位于东部沿海的中心，拥有世界最大的海岸辐射沙洲，风能资源极为丰富，有望年内跻身百万千瓦风电大省。上海风能资源丰富，上海东海大桥东侧正在建设国内首个海上风场，总装机容量达

[7]

100MW，开创了中国海上风电发展的新纪元。

我国有海岸线约1800km，岛屿6000多个，大有风能开发利用的前景。该地区经济发达，风能资源丰富，风电场接入系统方便，与水电具有较好的季节互补性。 3.2.3内陆局部风能丰富区

2

在陆上除两个风能丰富带之外，风功率密度一般在100W/m以下，可以利用小时数在3000h以下。但是在一些地区由于湖泊和特殊地形的影响。形成一些风能丰富点，如鄱阳湖附近地区、湖北的九

[7]

宫山和利川、以及湖南八面山等地区，适合建设零星的中小型风电场。如图3.4为陆地风力电场。

图3.4 陆地风力发电场

3.2.4海上风能丰富区

我国海上风能也很丰富。10m高度可利用的风能资源超过7亿kW，而且距离电力负荷中心很近。 海上风速高，而且很少有静风期，可以有效利用风电机组发电容量。海上表面粗糙度低，风速随高度的变化小，可以降低塔架高度。海上风的湍流强度低，没有复杂地形对气流的影响，减少风电机组的疲劳载荷，延长使用寿命。一般估计风速比平原沿岸高20%，发电量增加70%，在陆上设计

[7]

寿命20年的风电机组，在海上可达25～30年。随着海上风电场技术的发展成熟，经济上可行，将来必然会成为重要的可持续能源。如图3.5为海上风力电场。

图3.5 海上风力发电场

4复合材料风力发电机叶片制备加工技术及应用

第 8 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

4.1风机工作原理及叶片的作用

目前国内外风力发电机中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，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，一般与地面垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。目前，大型风力发电机大多属于水平轴的，以水平轴升力型居多。

一部典型的现代水平轴升力型风力发电机包括叶片、轮毂（与叶片合称叶轮）、机舱罩、齿轮箱、发电机、塔架、基座、控制系统、制动系统、偏航系统、液压装置等。文献[8]中提到其工作原理是：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。

风力发电机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于30%～50%之间，经过机电设备转换成电能后的总输出效率约为20%～45%。

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。叶片的数量也会影响到风机的输出。一般来说，2叶、3叶风机效率较高，力矩较低，适用于发电。现代风机的叶片大多采用机翼的翼型。 4.2风力发电机叶片简介 4.2.1风机叶片的结构

风力发电机叶片在结构上分三个部分： 根部:材料一般为金属结构；

外壳:一般为玻璃钢，通常是使用双/多轴向织物为增强体与基体树脂复合而成。织物可以具有

[8]

不同的结构，与不同的材料进行复合，再用树脂进行连结，模塑成半个外壳。在基布结构方面，

[8]

单轴向经编织物（如图4.1）、双轴向经编织物（如图4.2）和多轴向经编织物（如图4.3）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。

龙骨（加强筋或加强框）:一般为玻璃纤维增强复合材料或碳纤维增强复合材料（如图4.4）。

图4.1 单轴向经编织物的结构 图4.2 双轴向经编织物的结构

第 9 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

图4.3 多轴向经编织物的结构

图4.4 典型叶片结构

多轴向经编织物在0°、90°、和 ±θ方向都有增强纱线。θ可以在30~90°之间变化。多层纱片由经平组织或编链组织绑缚在一起。在多轴向织物中纱线完全平行伸直排列，各层取向度很高，

[8]

能够共同承受外来载荷，纱线的性能得到完全利用，因而能获得最佳的拉伸强度。图4.5表示了机织物中纱线层与单轴向经编织物中纱线层的比较。

第 10 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

图4.5 机织物中纱线层与单轴向经编织物中纱线层的比较

4.2.2风机叶片叶尖的分类

叶尖类型多种多样，有尖头、平头、钩头、带襟翼的尖部等。 4.2.3风机叶片的制造工艺

1）主要包括:阳模→翻阴模→铺层→加热固化→脱模→打磨表面→喷漆等。 2）叶片设计难点包括:（1）叶型的空气动力学设计；（2）强度、疲劳、噪声设计；（3）复合材料铺层设计。

3）叶片的工艺难点主要包括:（1）阳模加工；（2）阴模翻制；（3）树脂系统选用。 4）叶片的主要试验项目为疲劳试验。

4.3风机叶片的发展历程和发展方向以及复合材料叶片的优点

叶片是风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。在材料的选取上，也随着环境等因素的改变而有更高的要求。从刚开始的木质叶片及布蒙皮叶片，经过随时代发展而出现的钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金等弦长挤压成型叶片玻璃钢叶片，到现在的各种增强纤维复合材料叶片（如玻璃钢复合材料叶片、碳纤维复合材料叶片等）所使用的材料，都说明了人类在叶片的选材方面取得的巨大成就。陈亚军、吴国庆等人在文献[9]中详细对风机叶片进行了详细说明，以下为部分摘录。 4.3.1木制叶片及布蒙皮叶片

近代的微、小型风力发电机也有采用木制叶片的，但木制叶片不易做成扭曲型。大、中型风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必须承担的力和弯矩。 4.3.2钢梁玻璃纤维蒙皮叶片

叶片在近代采用钢管或D型型钢做纵梁，钢板做肋梁，内填泡沫塑料外覆玻璃钢蒙皮的结构形式，一般在大型风力发电机上使用。叶片纵梁的钢管及D型型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小，以满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量，即做成等强度梁。 4.3.3铝合金等弦长挤压成型叶片

用铝合金挤压成型的等弦长叶片易于制造，可连续生产，又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现。铝合金叶片重量轻、易于加工，但不能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片，因为目前世界各国尚未解决这种挤压工艺。

第 11 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

4.3.4玻璃钢叶片

所谓玻璃钢(glass fiber reinforced plastic，简称GFRP)就是环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料。增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂，其它部分填充泡沫塑料。玻璃纤维的质量还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进。LM玻璃纤维公司现致力于开发长达54m的全玻纤叶片，其单位kWh成本较低。 4.3.5玻璃钢复合材料叶片

上世纪末，世界工业发达国家的大、中型风力发电机产品的叶片，基本上采用型钢纵梁、夹层玻璃钢肋梁及叶根与轮毂连接用金属结构的复合材料做叶片。风力发电转子叶片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、玻璃纤维增强环氧

[9]

树脂和碳纤维增强环氧树脂。 4.3.6碳纤维复合材料

随着发电单机功率的增大，要求叶片长度不断增加，其在风力发电上的应用也将会不断扩大。对叶片来讲，刚度也是一个十分重要的指标。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两至三倍。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。 4.3.7叶片材料的发展方向

（1）碳纤维增强乙烯基树脂

文献[10]中马振基、林育锋认为，用性价比更高的乙烯基树脂取代目前广泛采用的环氧树脂，将成为未来风力机叶片材料的应用趋势。

由于叶片成本占整个发电装置成本的比重较大，因此需选择性价比高的材料，用乙烯基树脂替代环氧树脂最突出的优势是可降低叶片成本。乙烯基树脂目前的价格约为30元/kg，环氧树脂约为40元/kg，仅通过更换叶片材料就能减少至少10%的成本。

乙烯基树脂替代EPR（乙丙橡胶）的另一优势是工艺性好。乙烯基树脂可以在不改变原EPR成型结构设计的基础上，直接替换EPR。由于乙烯基树脂与另一叶片主要用材UPR（不饱和聚酯树脂）类似，因此可以借鉴现有不饱和树脂制备叶片的成熟工艺。乙烯基树脂还满足机械力学性能，抗疲劳、刚度等各性能指标的设计要求。

乙烯基树脂之前已大量应用于船舶、游艇，其各项性能得到多家厂方的确认。虽然乙烯基树脂有很大优势，但其开发应用仍处于初级阶段，受各种因素制约，真正大范围的商业化生产尚需时日，目前国内外企业正在积极开展乙烯基树脂在叶片上的应用研究。

（2）热塑性复合材料（CBT树脂系统）

正如文献[10]中提到的，当前叶片多由热固性复合材料制成，如玻璃纤维增强环氧树脂、碳纤维增强环氧树脂等，这种材料制成的叶片在其生产过程中会有大量含有苯基的有毒气体产生，导致环境的污染，而且该类叶片在其退役后很难被回收利用。就目前的发展形势看，一种由热塑性复合材料制成的绿色叶片的使用是必然的趋势。与热固性复合材料相比，热塑性复合材料有可回收再利用，密度小，强度高，抗冲击性能好等优点。

（3）WindStrandTM增强材料

[11]

Owens Corning提出的WindStrandTM增强材料是新一代的增强玻璃纤维。这一技术的产生使得叶片生产商能够继续使用玻璃纤维材料而不必采用其他昂贵的材料。Wind2StrandTM增强材料与目前应用的材料相比有很多的优点:与E2玻纤增强材料相比，刚度提高了17%、强度提高了30%、疲劳寿命提高了10倍，这一特性使得风轮在叶片偏航和抗风中表现出一种很高的水平，同时使得风能利用率和风力机寿命得到了大大的提高。除此之外，WindStrandTM增强材料还具有质量轻的优点，这样叶片可以做的更长，最终可以达到降低单位电量的成本目的。 4.3.8复合材料叶片优点

叶片的外形和受力情况非常复杂，而且对尺寸精度、表面光洁度及质量分布等都有较高的要求。由于加工等方面的要求，现代风机的叶片都采用纺织复合材料，叶片是一个大型的复合材料结构。

第 12 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

与金属叶片相比，文献[10]中详细总结了复合材料叶片的优点：

（1）可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度。

风力机叶片主要是纵向受力，即气动弯曲和离心力，气动弯曲荷载比离心力大得多，由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用纤维受力为主的受力理论，可把主要纤维安排在叶片的纵向，这样就可减轻叶片的质量（甚至比铝叶片还轻）。而质量的减轻可以降低叶片的离心力及重力引起的交变载荷。采用空腹夹层结构和设置加强肋可提高叶片的刚度。

（2）翼型容易成型，并达到最大气动效率。

复合材料叶片的成型工艺简单，只要有模具即可，而且制成的叶片表面光滑、叶型精确。 （3）抗振性好，自振频率可自行设计。

复合材料的内阻尼大，抗振性好是制作叶片的理想材料；而且叶片的自振频率可以在很大范围内进行设计调整，从而避开共振区。

（4）疲劳度较高。

复合材料缺口敏感性低，缺口扩展受到完好纤维的制约，可以提高叶片的安全性。 （5）耐腐蚀性和耐气候性好。

风力机安装在户外，近年来又大力发展离岸风电场，风力机安装在海上，风力机组及叶片要受到各种气候环境的影响选择合适的原材料，可以使复合材料叶片具有良好的耐酸、耐碱、耐海水、耐气候等性能。

（6）维修简便，易于修补。

复合材料叶片除了每隔若干年要在叶片表面进行适当维修（例如均匀涂漆）以外，一般不需要大的维修。

4.5复合材料风机叶片的几种主要的制造工艺

随着对叶片要求的越来越高，其制造工艺技术也越来越精密，以下为文献[8]中所记载的关于复合材料风机叶片的几种主要的制造工艺。 4.5.1手糊工艺

传统复合材料风力发电机叶片多采用手糊工艺制造。手糊工艺的主要特点在于以手工劳动为主，简便易行、成本低，但效率亦低、质量不稳定且工作环境差，多用于中小型叶片的成形。因此手糊工艺生产风机叶片的主要缺点是产品质量对工人的操作熟练程度及环境条件依赖性较大，生产效率低，而且产品质量均匀性波动较大，产品的动静平衡保证性差，废品较高。特别是对高性能的复杂气动外型和夹芯结构叶片，还往往需要黏接第二次加工，黏接工艺需要黏接平台或型架以确保黏接面的贴合，生产工艺更加复杂和困难。 4.5.2空腹薄壁填充泡沫结构合模工艺

这种结构形式的叶片在国内使用极为普遍，它由玻璃钢壳和泡沫芯组成，它的成型方法比较简单，主要有两种，一种是预发泡沫芯后整体成型，另一种是先成型两个半壳，粘接后再填充泡沫。它的特点是抗失稳和局部变形能力较强，成型时采用上下对模、螺栓或液压等机械加压成型，对模具的刚度和强度要求高。这种方法只在小型叶片生产中采用。

上述两种结构工艺通常只用于生产叶片长度比较短和批量比较小的时候。 4.5.3 闭模真空浸渗工艺（RTM）

闭模真空浸渗工艺又称真空灌注成型工艺（RTM），即树脂转移模塑成型法。其原理是，一个耐压的密闭模腔内先填满纤维增强材料，再用压力将液态树脂注入模腔使其浸透增强纤维，然后固化成型。其工艺流程如图4.6。采用闭模真空浸渗工艺制备风力发电转子叶片时，首先把增强材料铺覆在涂硅胶的模具上，增强材料的外形和铺层数根据叶片设计确定，在先进的现代化工厂，采用专用的铺层机进行铺层，然后用真空辅助浸渗技术输入基体树脂，真空可以保证树脂能很好地充满到增强材料和模具的每一个角落。

第 13 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

模具准备 装入增强材料 抽真空 压注树脂后密封模具 配置树脂 储料罐 固化 加压 后处理 制品 （1）

图4.6 RTM法的工艺流程图

（2）

其主要特点有：闭模成型，产品尺寸和外型精度高，适合成型高质量的复合材料整体构件（整个叶片一次成型）；初期投资小；制品表在光洁度高；成型效率高，适合成型产能为20000件/批左

-7

右的复合材料制品；环境污染小（有机挥发份<2³10，是唯一符合国际环保要求的复合材料成型工艺）。

RTM是目前世界上公认的低成本制造方法，发展迅速，应用广泛。应该指出的是RTM 是该法的一个总称，其中可有多种分支。生产大型叶片多用的是VARTM和SCRIMP法。VARTM即真空辅助RTM一边抽真空一边注入树脂，此时只用单面模具，另一面用真空袋。SCRIMP即西曼复合材料熔塑成形法，为美国人西曼所发明，仅需单面模具且要求简单，另一面亦为真空袋，适用于制造大型复杂制件。

真空辅助浸渗技术制备风力发电转子叶片的关键有:

（1）优选浸渗用的基体树脂。特别要保证树脂的最佳粘度及其流动性；

（2）模具设计必须合理。特别对模具上树脂注入孔的位置、流通分布更要注意，确保基体树脂能均衡地充满任何一处。

（3）工艺参数要最佳化。真空辅助浸渗技术的工艺参数要事先进行实验研究，保证达到最佳化。 （4）增强材料在铺放过程中保持平直，以获得良好的力学性能。同时注意尽可能减少复合材料中的孔隙率。

闭模真空浸渗工艺适用于大型叶片的生产（叶片长度在40米以上时）和大批量的生产，闭模真空浸渗工艺被认为效率高、成本低、质量好，因此为很多生产单位所采用。

复合材料叶片的成型工艺各有特点，表4.1为各种成型工艺特点的比较。

第 14 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

表4.1复合材料叶片成型工艺特点

工艺名称

手糊工艺

特点

手工操作，开模成型、生产效率低以及树脂固化程度往往偏低，适合产品批量较小、质量均匀性要求较低的复合材料制品生产

优缺点

此种工艺制造的叶片在使用过程中出现问题往往是由于制造过程中的含胶量不均匀、纤维或树脂浸润不良及固化不完全等引起的裂纹、断裂和叶片变形等。此外在制造叶片过程中伴有大量有害物质和溶剂的释放，会造成环境污染等问题

空腹薄壁填充泡沫结构合模工艺

闭模真空浸渗工艺

抗失稳和局部变形能力较强，成型时采用上下对模、螺栓或液压等机械加压成型，对模具的刚度和强度要求高 较少的依赖工人的技术水平、工艺质量仅仅依赖确定好的工艺参数、产品质量易于保证、技术含量高于手糊工艺

此工艺由于是闭模成型，因此具备污染小、叶片产品质量稳定、生产效率高等优点

这种方法只在小型叶片生产中采用

4.5.4纤维缠绕工艺(Fw)

这种纤维缠绕成型工艺主要是借鉴了复合材料管道的缠绕成型工艺，维缠绕成型较其它各类复合材料成型工艺，具有制品强度高、质量稳定、可重复性好等优点。纤缠绕工艺制备主要涉及纤维张力控制、缠绕速率和缠绕角等的控制。这种成型工艺还在试验之中，由于叶片是典型的非回转体构件，采用这种方法不但成本很高，而且线性设计复杂，有待于进一步发展。

国外大型风机叶片大多采用复合材料D型主梁或O型主梁与复合材料壳体组合的结构形式。该种结构的大型叶片一般采用分别缠绕成型D型或O型主梁、（RTM）成型壳体，然后靠胶接组合成整体的工艺方法。

4.6 复合材料风机叶片制造的主要技术介绍 4.6.1复合材料风机叶片的结构设计概要

复合材料风机叶片设计中要进行风力空气动力学计算和结构力学计算。叶片的外形是通过空气动力学设计确定的，尺寸较复杂，而且其尺寸、表面光洁度以及质量分布、疲劳强度等都有较高要求。叶片的结构形式是通过结构力学计算确定的，常见的形式为设有加强筋的空腹薄壁和薄壁泡沫塑料夹芯结构。确定合理的结构，以防止在受载（离心力、弯矩和扭矩）时失稳或局部变形。

叶根设计是叶片结构设计的关键。因为在叶根处的荷载最大，而叶根连接大多靠复合材料的剪切强度、挤压强度或胶层剪切强度来传递荷载的，而复合材料的这些强度均低于其拉伸压缩及弯曲强度。选择根端形式时要注意防止根端出现较大的剪应力，尤其要避免出现层间剪切应力。目前用于大中型风力机复合材料叶片的根端连接形式主要有复合材料翻边法兰、金属法兰和预埋螺栓。其中复合材料法兰和预埋螺栓是运用最广泛的两种方法。 4.6.2叶片铺层设计简介

叶片的铺层是由叶片所受的外载荷决定的。无论是弯矩、扭矩和离心力都是从叶尖向叶根逐渐递增的，所以叶片结构的壁厚也是从叶尖向叶根逐渐递增的。由于复合材料具有高强度和低弹性模量的特性，叶片除满足强度条件外，尚需满足变形条件，特别是较长的风力机叶片尤其要注意叶片和塔架的碰撞。叶身设计尽可能按等强度布置，且在叶根部分需有较大的安全系数。 4.6.3制造工艺简介

叶片的制造工艺向着工艺技术多样化的先进制造工艺方向发展，采用最新工艺、多种工艺综合

第 15 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

技术来生产叶片，如缠绕、VARRIM、RTM、热融性环氧预浸料、硬质泡沫发泡和多轴铺层技术等。而目前我国能实现批产的只有采用手糊工艺制造的叶片，真空预浸合模、RTM 工艺正处于试验阶段，而国外已实现先进工艺的产业化应用，因此，国内迫切需要解决或引进批产化生产制造叶片的先进工艺制造技术。目前，国内已有厂家与国外合作，引进了部分生产线。 4.7碳纤维复合材料与风机叶片

4.7.1碳纤维在风力发电机叶片中的应用

当叶片长度增加时，质量的增加要快于能量的提取，因为质量的增加和风叶长度的立方成正比，而风机产生的电能和风叶长度的平方成正比。同时随着叶片长度的增加，对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求，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。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的质量，又要满足强度与刚度

[15]

要求，有效的办法是采用碳纤维增强。事实上，当叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片反而比玻璃纤维叶片便宜，因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。高会焕在文献[16]中对碳纤维在风力发电机叶片上的应用做了具体介绍。 4.7.2碳纤维在风力发电机叶片中应用的主要部位

由于碳纤维比玻璃纤维昂贵，采用百分之百的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前国外清洁能源碳纤维主要是和玻璃纤维混和使用，碳纤维只是用在一些关键的部分。碳纤维在叶片中应用的主要部位有（图4.7）：

图4.7 碳纤维用于叶片前后边缘和横梁盖制造

（1）横梁（Spar），尤其是横梁盖（Spar Caps）。

（2）前后边缘，除了提高刚度和降低质量外，还起到避免雷击对叶片造成损伤（专利US57943B1）的作用。

（3）叶片的表面，采用具有高强度特性的碳纤维片材（日本专利JP2003214322）。 4.7.3碳纤维在风力发电机叶片中的应用优势

（1）提高叶片刚度，减轻叶片质量

碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3~8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120m的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻璃纤维的相比，质量可减轻40%左右；碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。据分析，采用碳纤维／

[16]

玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻20％～30％。图4.8为完全碳纤维叶片和目前欧洲商业化的叶片质量比较图。

第 16 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

70006000 full glass blade full carbon5000叶片质量/kg400030002000100000510152025303540叶片半径/m图4.8 完全碳纤维叶片和目前欧洲商业化的叶片质量比较

（2）提高叶片抗疲劳性能

风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。

（3）使风机的输出功率更平滑更均衡，提高风能利用效率

使用碳纤维后，叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。

（4）可制造低风速叶片

碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。

（5）可制造自适应叶片（“self-adaptive”blade）。

叶片装在发电机的轮轴上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机（active utility -size wind turbines）的设计风速为13~15m/s（29~33英里/h），当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统（the pitch control system），在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。

（6）利用导电性能避免雷击

利用碳纤维的导电性能， 通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。 （7）降低风力机叶片的制造和运输成本

由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都减少了，叶片变得轻巧，制造和运输成本都[16]

会下降。可缩小工厂的规模和运输设备。

（8）具有振动阻尼特性

碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔暂短频率间发生任何共振的可能性。 4.7.4碳纤维应用的主要问题和解决途径

第 17 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

每种材料的应用在现实中都会遇到或多或少的问题，遇到问题就要解决，表4.2中是碳纤维在风力发电叶片应用中遇到的主要问题及其解决途径。

表4.2碳纤维应用的主要问题和解决途径

背景

碳纤维在风力发电发电叶片中的应用

主要问题

碳纤维是一种昂贵纤维材料，在碳纤维应用过程中，价格是主要障碍，性价比影响了它在风力发电上的大范围应用

CFRP比GFRP更具脆性，一般被认为更趋于疲劳

采用特殊的织物混编技术，根据叶片结构要求，把碳纤维铺设在刚度和强度要求最高的方向，达到结构的最优化设计。

直径较小的碳纤维表面积较大，复合材料成型加工浸润比较困难

采用新型成型加工技术，如预浸料工艺和真空辅助树脂传递模塑工艺

解决途径

用碳纤维代替玻璃纤维，叶片尺寸越大，相对成本越低。

4.8纺织复合材料在风力发电叶片制造中的应用研究 4.8.1纺织复合材料简介

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

[17]

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。 4.8.2纺织复合材料常见类型介绍

（1）玻璃纤维复合材料

[18]

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。玻璃纤维按照组成、性质和用途，可分为不同的级别，E2级别的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，S2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E2玻璃纤维高18%，且强度高出33%。仅从技术角度上来讲，这种高强高断裂应变的S2玻纤在风力机叶片上的应用有着很大的潜力。

（2）碳纤维复合材料

[15]

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。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。

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。

（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

[10]

采用碳/玻混杂增强方案，其叶片可减重20%~30%。 4.9多轴向经编针织物在风力发电中的应用现状

第 18 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

4.9.1多轴向经编针织物

（1）结构和性能

[19]

多轴向经编技术是一种新型的多头衬纬编织技术。利用这种技术，平行、伸直、无卷曲的纱线垂直或以所需的角度被引入织物结构中，实现最有效的结构预设计定向增强。多轴向经编针织物具有尺寸稳定、延伸率较小等特点，能够更合理地利用材料中每一个组成部分的优良性能。以针织经编结构为增强骨架的复合材料以其结构的多样性、性能的综合性、形态的可设计性、良好的成型性和渗透性在产业用领域已受到广泛的重视。

多轴向经编针织物是在 0°、90°和±θ方向上按照尽可能多的层数衬有增强纱线，最多可衬入7层纱线，θ可在0～90°内变化，增强纱线层由一个绑缚系统组合在一起。0°、90°、±45°这种增强纱的组合形式是性价比最高的一个组合，4组衬纱平行伸直排列形成4个衬纱层，再由编

[19]

链或经平组织连接起来。图4.9所示为由编链组织连接的四轴向经编增强织物的示意图。

图4.9 四轴向经编增强织物结构示意图

（2）用于风力发电叶片的多轴向经编针织物

由于风力发电叶片蒙皮的各个部位的受力特点和大小不同，因此双轴向、三轴向、四轴向经编针织物在风力发电叶片上都有应用。

表4.3双轴向、三轴向、四轴向经编针织物的比较

种类

双轴向经编针织物

衬入纱线的衬入角度

衬入纱线的连接形式 0°/90°的组合可以用编链或者经平连接起来；－45°/45°接

三轴向经编针织物

－45°/45°/0°

可根据需要对衬入纱线的穿纱形式进行适当的调节，然后可由编链或者经平组织进行连接组成整体

四轴向经编针织物

0°/45°/90°/－45°

可根据需要对衬入纱线的穿纱形式进行适当的调节，然后可由编链或者经平组织进行连接组成整体

0°/90°、45°/－45°两种组合 这种组合一般只采用编链组织连

李丽娟等人在文献[19]中总结道，增强材料中的每层纱线是严格平行的，因此具有准各向同性

第 19 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

特点，铺设性和预成型性也都很好，能够充分利用纱线的性能，使得织物具有较高的拉伸强力，又因为当对其进行撕裂时，其平行排列的纱线层会产生集聚现象，因此织物还具有很高的撕裂强力。

在这种结构中还可以和短切毡、泡沫复合，并且所形成复合材料的纤维含量较高，有利于树脂充分浸润，形成结构和性能均匀的复合材料叶片；另外由于增强层中增强纱线都具有很高的强力，经过树脂整理后，最终制得的增强复合材料具有很好的抗冲击能力。

2

用于风力发电叶片的多轴向经编针织物，其克重一般在600g/m左右，各层衬入纱线所占的比重基本相当。除非对某一方向性能要求特别高时，会加大此方向衬纱的铺设量，而编织纱即上述所说的编链或经平组织的克重一般占总量的1%左右，若在此结构中与短切毡、泡沫复合，那么这些复合物的重量一般占总重的20% 左右。 4.9.2多轴向经编增强复合材料叶片

1）叶片结构

图4.10所示为典型叶片的截面图，叶片由蒙皮和主梁组成。蒙皮一般采用夹芯结构，中间层为硬质泡沫塑料或Balsa木，上下层为增强复合材料；梁结构形式即可以是夹层结构，也可以是实心的增强复合材料结构。但是在蒙皮和主梁的结合部位即梁帽处必须是实心增强复合材料结构，现多采用由碳纤维制造的多轴向经编增强复合材料，这是因为此部分梁和蒙皮相互作用，应力较大，必

[19]

须保证蒙皮的强度和刚度。

2）叶片材料常见类型介绍 （1）玻璃纤维复合材料叶片

玻璃纤维增强聚酯树脂和玻璃纤维增强环氧树脂是目前制造风机叶片的主要材料，从性能来讲碳纤维增强环氧树脂较好。美国的研究表明，采用射电频率等离子体沉积去涂覆E–玻纤，其耐拉

[19]

伸疲劳强度就可以达到碳纤维的水平。但是，E–玻纤密度较大，随着叶片长度的增加，叶片也越来越重（图4.11），完全依靠玻璃纤维复合材料作为叶片的材料已逐渐不能满足叶片发展的需要。

目前大多数人认为60m长的叶片是单纯使用玻璃纤维增强体临界尺度，因此，需要寻找更好材料以适应大型叶片发展的要求。

（2）碳纤维复合材料叶片

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，但由于其价格昂贵，是玻璃纤

[19]

维的10倍左右，了它在风力发电上的大规模应用。现在碳纤维轴已广泛应用于转动叶片根部，因为制动时比相应的钢轴要轻得多，但在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时，采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。

图4.10 典型叶片的截面图

第 20 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

50006000 玻璃纤维 碳纤维4000风机质量/kg3000

2000100000510152025303540叶片长度/m 图4.11 风机质量和叶片长度的关系

（3）碳纤维／轻木／玻纤混杂复合材料叶片

由于碳纤维的价格是玻璃纤维的10倍左右，目前叶片增强材料仍以玻璃纤维为主。在制造大型

[19]

叶片时，采用玻纤、轻木相结合的方法可以在保证刚度和强度的同时减轻叶片的质量。

目前，碳纤维／玻璃纤维与轻木／PVC（聚乙烯）混杂使用制造复合材料叶片已被各大叶片公司所采用，轻木／PVC作为填充材料，不仅增加了叶片的结构刚度和承受载荷的能力，而且还能最大程度地减轻了叶片的质量，为叶片向长且轻的方向发展提供了有利的条件。

（4）热塑性复合材料叶片

风能是清洁无污染的可再生能源，但退役后的风机叶片却是环境的一大杀手。目前叶片使用的复合材料主要是热固性复合材料，不易降解，而且叶片的使用寿命一般为20～30年，其废弃物处理

[19]

的成本比较高，一般采用填埋或者燃烧等方法处理，基本上不再重新利用。

与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有密度小、质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优点，但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，成为热塑性复合材料用于风力机叶片的关键问题。随着热塑性复合材料制造工艺技术研究工作的不断深入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正在一步步地走向

[19]

现实。

5风机叶片设计流程简介

5.1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）确定叶尖速比0和叶片数B

风轮叶片数和叶尖速比系数及风轮转速有着密切的联系，叶片越多，风轮的阻力越大，风轮的

[21]

转速越慢。对于高速风力机来说，叶尖速比在5一8范围内时，风力机具有较高的风能利用系数；本文选取的尖速比0=7。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较为平稳，且具有很好的旋转特性及视觉效果。

（3）选择翼型

翼型的选取对风力机的效率十分重要，一种较好的翼型应该是在某一攻角范围内升力系数Cl较高，而相应的阻力系数Cd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；且具有良

第 21 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

好的制造工艺性。由于风力机叶片的气动性能对其气动外形要求较高，每个叶片都有多种不同的翼

[22]

型，这些翼型对风力机的功率有着重要影响，因此翼型的选择对叶片的设计有着至关重要的作用。 5.2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特性密切相关，叶展形状的设计即叶素弦长和安装角的设计[23]。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。 5.3风机载荷计算

作为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DS 472标准等对风力机的载荷进行了详细的规定。

5.4风机空气动力试验

作为风机设计和研究的重要环节，处在风洞中进行试验外，还可以风电场中进行试验。

6风机叶片的市场分析

6.1我国大型风力发电叶片产业的现状分析 6.1.1大型风力发电叶片的市场分析

2007年底，累计风电装机容量已达到590.6万kW。2010年风电装机500万kW的目标已经提前3年多完成。根据《中国风电发展报告2007》预测，仅依赖现有，中国风电装机容量到2020年

[24]

底可达到5000万kW，如果稍加完善，风电装机容量到2020年底可达8000万kW。

[24]

根据以上数据可估算2008年至2020年国内叶片市场的情况：

若2020年装机目标为3000万kW，从2008年起，平均每年新增的装机容量为185万kW。 按照1.5MW机组折算就是1235台风力机，也就是平均每年对叶片的市场需求为1235，合计3705片。

而2020年总装机容量目标预测各有不同，且差距较大，我们按3000万kW至8000万kW按上述方法测算叶片的需求量，见图6.1。

从下图可看出，风力发电叶片需求量平均每年最少1235套，最多达3799套，这个市场说小不小，说大也不大。在国内目前已形成生产规模的国内叶片企业主要有上海玻璃钢研究院、中航（保定）惠腾公司和中复连众复合材料集团3家，国际知名的叶片制造商丹麦LM公司、Vestas公司、西班牙Gamesa公司和印度Suzlon公司都独资在天津设厂生产叶片。正在开发的企业有40余家，如果有40家建成投产，到2020年按8000万kW总装机容量目标计算，平均每个厂家叶片市场不到100套，而目前一些企业设计产能均在500～1000套/年产，一般企业的产能也至少200套以上，可想而知叶片产业发展尚不到规模化生产，就将面临着重新洗牌的窘境。

第 22 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

2020年不同装机目标下年均叶片需求量

4000

3500年均叶片需求量/套

30002500200015001000100020003000400050006000700080002020年总装机容量/万kw图6.1 2020年总装机容量目标下年均叶片需求量（套）

目前国内企业规模普遍不高，按照2008年产量，绝大多数企业均未超过300套。较低的规模意味着更高的摊销成本、无法与上游关键原料供应商议价。根据目前的竞争格局和国内市场的发展，未来国内将出现千套以上规模的企业。在这个利润逐渐稀释的行业里，只有做大做强才能活下去不

[24]

被边缘化。

6.1.2大型风力发电叶片的技术状况分析及其质量控制

风力发电叶片的核心技术，涉及气动设计、材料选择、载荷计算、结构设计和试验、模具和工艺制造等综合集成技术。在国外风力发电叶片技术经历了近十年的市场考验，开发的系列叶片也经历了设计修改，综合性能更趋完善。而我国在风力发电叶片开发技术方面与国外还存在一定的差距，

[5、13]

因此国内兆瓦级叶片技术主要是通过生产许可证、委托设计、联合设计等方式引进的。

叶片的制造工艺有手糊成型工艺、干法预浸料成型工艺、湿法预浸料成型工艺和真空灌注成型工艺等等。目前大型风力发电叶片以真空灌注成型工艺居多，该工艺投资适中，产品质量高，性能

[8、14]

稳定，成本适宜。但采用该工艺若工艺条件控制不力，质量控制不严，将很易造成报废。

文献[24]中提到，叶片质量是通过过程的控制来实现的。运行良好的质量保证体系是保证叶片生产质量的重要手段。在风力发电叶片制造过程中，有很多的特殊过程（纤维铺设、树脂固化、胶接、表面涂装等）和关键过程。如何保证这些过程的质量是叶片成型过程质量控制的关键。在这些过程中要严格按特殊工序和关键工序的要求，执行“三定一确认”的原则，使各个因素都处于受控状态。成型过程中做好记录，建立完备的成型过程档案，保证每片叶片的质量可追溯性和技术档案的有效性。避免主要成型过程不出现大的缺陷，是过程质量控制的关键。

风力发电叶片的质量包含产品寿命内的全过程，因此建立完善的风力发电叶片制造档案，保证可追溯性的有效。风力发电叶片运行寿命为20年，在运行过程中，不可避免会发生碰伤、裂纹等缺陷，甚至更换叶片的情况。保存完好的风力发电叶片档案是正确维护、维修叶片的基础。在整个叶片成型过程中，要建立完善、齐全的叶片成型档案。从原材料的编号、批号，到成型过程中的各工序质量状况，直至出厂检验情况均应记录在案，与叶片同寿命保存。以方便叶片的维护、维修，分析发生破坏的原因等。 6.2市场发展前景

文献[24]中的数据显示，1994年之前，世界上大量使用的风电机单机容量在200千瓦以下，1996

第 23 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

年300千瓦机组成为主流机型，1998年600千瓦机组成了主力机型。1999年以后，兆瓦级机组占当年世界新增风电机组容量的9.7%，2001年达到52.3%，2003年达到71.4%。目前美国主流机型为1.5兆瓦，丹麦主流机型为20兆瓦至3.0兆瓦。业内专家分析指出，从我国现有的风电项目来看，2004年以前建成的项目选用的机型基本为600千瓦至850千瓦，从2004年起国内风电场开始选用兆瓦级机组，部分正在立项的海上风电场选用了2兆瓦的机组。上海目前规模各为10万千瓦的东海大桥海上风电场和奉贤海上风电场已经完成可行研究，两处风电场均将选择单机容量2兆瓦机型。由于兆瓦级机组在任何风场条件下，在投资、运营等方面相对于小机组（如850千瓦）都具有明显的经济性。根据专家估计，十一五期间，全国新建风电场2/3左右将采用1.5兆瓦及以上机型。只有山区等交通、运输、吊装等受到的地区将采用1.5兆瓦以下的机型。而2兆瓦机组陆上风电的优势不明显，更适合海上风电场。因此，1.5兆瓦在相当长时间内会成为一种主流机型，在国内将有一个较大的市场。

随着我国风电市场的迅猛发展和国家相关的出台，从风电机组到风机叶片的国产化步伐会逐渐加快。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。

7结论

风能作为一种清洁的可再生能源能源，鉴于资源的和环境保护，无疑使其以及风力发电受到了各国的重视。叶片技术是风力发电中的重要组成部分，而复合材料以其高的比强度、比刚度，及金属材料无可比拟的优越性，加上耐疲劳、结构稳定、抗腐蚀、耐高温等优势，成为大型风力发电叶片的首选材料。在复合材料风机叶片的制造技术上，从最初的手糊工艺到现如今的各种新型工艺，也有了非常显著的发展，为风力发电及能源和环境保护上做出了不少的贡献。

第 24 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

致谢

通过这将近三个月的努力，我的毕业设计终于要接近尾声了，这也意味着我的大学生活也马上要结束了。在这四年的学习和生活中，我得到了多方面的提高：在学习上，我得到了老师的谆谆教诲，这让我早早就为自己就树立了奋斗目标；在生活上，通过四年和同学们的朝夕相处，我也懂得了不管做什么都要为别人考虑一些；而就这次的毕业设计而言，我觉得除了自己要有意识外，与指导老师也有很大的关系，作为一个综述性的毕业设计，资料的搜集和整理是一个很重要的环节，而在这一方面上，我自己基本完成，但是在归类整理成论文时，张老师也给了我很大的帮助，让我不至于很迷茫，也在同时学到了很多技巧，从而使得这次的毕业设计能够如此顺利地完成。在此，我要对帮助过我的老师和同学们表示我深深地谢意。

第 25 页 共 26 页

陕西理工学院毕业论文

参考文献

[1]李俊峰.风力-在中国[M].北京:化学工业出版社，2005，(2):66-70.

[2]钟方国，赵鸿汉.风力发电发展现状及复合材料在风力发电上的应用[J].纤维复合材料，2006，(3):48-546. [3]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，(4):1-4. [4]陈绍杰，申振华，徐鹤山.复合材料与风力机叶片[J].可再生能源，2008，(2):90-92.

[5]陈宗来，陈佘岳.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):53-56.

[6]施鹏飞，2005年中国风电场装机容量统计（修订稿）[M].中国风能协会网站资料中心，2006，(3):108-233. [7]李祖华.风力发电发展现状和复合材料在风力发电机叶片上的应用[J].玻璃钢/复合材料增刊，2008，(1): 53-67. [8]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. [9]陈亚君，吴国庆，倪红军，曹阳，茅靖峰，陈立新.风力发电机组叶片材料综述[J]，2010，(4):24-67. [10]马振基，林育锋.复合材料在风力发电上的应用发展[J].高科技纤维与应用，2005，30(4):5-8.

[11]Janssen L G J.Wind Turbine Materials and Constructions[J].Journal of Solar Energy Engineering，2003 ，(11):125-133.

[12]Mansour H，Mohamed Kyle K，Wetzel. 3D Woven Carbon/Glass Hybrid Spar Cap for Wind Turbine Rotor Blade[J]. Journal of Solar Energy Engineering，128(1):562-573.

[13]罗永康，李炜，胡红，樊中力，李旺.碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用[A]，2008，(1):74-88. [14]何东晓，黄力刚，杨松等.我国复合材料风机叶片的几种制造工艺与发展前景［J］.纤维复合材料，2007，(2)58-． [15]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):60-63. [16]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):104-108. [17]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)：2-4

[18]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.

[19]李丽娟，蒋高明，缪旭红.多轴向经编针织物在风力发电中的应用，2009(5):38-43.

[20]李成良，王继辉，薛忠民等.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. [21]吴智映.风力发电及其应用展望[J].电机电器技术，2005，(4):54-55. [22]张效博.在风力发电叶片蒙皮中的应用[A]，2010，(1):53-86.

[23]潘艺，周鹏展，王进.风力发电机叶片技术发展概述[J].湖南工业大学学报，2007，(3):48-51. [24]黄晓东，，孙正军.风机叶片的发展概况和趋势[J].太阳能，2007，(4):37-38.

第 26 页 共 26 页