玻璃钢复合材料在可再生能源-风能中的应用

核心提示：　　1国外风能发展概况据统计，全球风能资源在500000TW*h/年。考虑到社会、地理环境等因素，实际可开发的风能资源约为总的风能资源的1/10.风电起源于20世纪70年代，由于受环境与能源的双重压力

　　1国外风能发展概况据统计，全球风能资源在500000TW*h/年。考虑到社会、地理环境等因素，实际可开发的风能资源约为总的风能资源的1/10.风电起源于20世纪70年代，由于受环境与能源的双重压力，美国政府对发展风电给予一系列优惠政策，推动了风电的发展，也使人们开始真正认识了风电。风电技术成熟于80年代，由于许多国家相继成立了风电科研机构与开发部门，风力机单机容量成倍增加，其可利用率也提高到95%以上，使得风力机达到实用化目标。并网型风力机从80年代的20~50kW，到90年代的500~800kW.90年代中期1~2MW风力机样机研制成功，并投人商品化运行。目前3 ~6MW样机也研制成功，将主要用于海上风场。风电的投资主体发生了较大变化。国家、地区、电力部门、金融机构、财团等纷纷集资用于风电开发建设。全世界风电每年以30%的速度增长。世界年累计装机容量由所示。

　　从世界范围来看，德国风力发电位于世界之首，累计装机容量6107MW.美国总装机容世界年累计装机容量前4位最大制造商在1998年占据市场份额70%.根据丹麦风力机制造商协会统计，1998年丹麦制造商生产1210MW风力机，产值10亿美元。推测全球风力机制造企业销售20亿美元。90年代风力机制造业平均年增长率达30%，今后若干年也将有相同的增长率。风力机制造业是世界增长率最快的行业之一。

　　2我国风能发展概况我国风能资源极其丰富。理论储量为16亿kW，全国可开发利用的风能资源总量为2.53亿kW，大于我国的水能资源。根据资源、土地、交通、电网等条件确定近期具备开发条件的风场约50个，分布在全国11个省，其中新疆达坂城、内蒙辉腾锡勒、河北张北、吉林通榆、上海崇明、广东南澳等地均具备装机100MW的条件。自70年代起，为了解决西部草原牧区、东部海岛及边远山区的用电问题，国家鼓励开发独立式小型风力机。国内各风电科研机构主要从事小型风力机的研制开发，并形成相当规模。目前国内拥有这类风力机18万台，为电网不能达到的地区的60万居民解决了用电问题。我国小型风力机的生产能力、生产量、社会保有量均为世界之首。

　　1993年我国明确提出了要将风电作为一个产业来抓，％年国家制订了“乘风”计划。此计划旨在通过组建合资企业，引进技术，通过消化吸收，达到自主开发、自行设计制造大型风力机。届家又制订了“光明工程”，开发利用可再生能源，包括风能，为远离电网的地区提供电能。由于政府的支持，90年代中后期，我国的风能达到了长足的发展，风电场数量与规模逐步扩大，在建设、运行、管理等方面都取得了许多成功经验，初步具备了规模性开发建设风电的能力和条件。目前全国有十几家公司从事风电场的建设、开发运量为2610MW，丹麦2341MW，西班牙2836MW.欧洲的风电占世界的75%.根据规划，2010年全欧装机容量要达到40，000MW，2020年达到100，000MW.丹麦计划到2030年，可再生能源包括风能可供全国40 ~50%的电力消耗。在过去的20年里，风力机工业发展成专业的高技术产业。风力机制造商集中在少数公司，大多数为欧洲公司。为世界10大风力机制造商2000年累计产量。

　　营。建成规模不等的风电场20多个，装机容量已超过400MW.为中国年累计装机容量。

　　根据规划，到2005年全国累计装机容量要达到1500MW，2006 ~2010年装机容量达到4000MW，2011~2015年累计全国装机容量达到7000MW. 3叶片技术进展随着风力机单机容量的不断增大，叶片长度也随之增大。由200KW风力机叶片10m长度增加到600KW的21m长度。1~2MW风力机叶片长30~40m.目前最长的叶片长60m左右。叶片长度增加，极大增加了叶片设计、材料、制造的难度。故大型叶片技术的进展是设计、材料、工艺、装备综合技术的进展。

　　风电的发展除在装机容量上有较大的增长，在技术上有十分明显的发展。从功率调节上当前世界上主要流行4种技术：定奖距失速控制、变桨距、主动失速控制、变速恒频。当前MW级风力机大多采用变速恒频技术。风力机不同调节方式对叶片的气动设计乃至叶片结构均有特殊要求。叶片是风力机的关键部件之一，涉及气动、复合材料结构、工艺等领域，尤其MW级大型复合材料叶片的设计制造难度很高。故其价格要占机组的18~22%左右。在国外叶片是专业化生产的，集中在几家专业公司生产。最著名的叶片公司是丹麦的LM公司，至2000年已生产6万片叶片，当年生产7200片叶片，占居世界市场的45%，在全世界有12个工厂，有雇员2200人，并有全球的销售服务网络。在本部有一支专业从事叶片研发的部门，主要课题有叶片结构动力学、雷击、气动、结构测试等。世界十大风力机制造商之一的Vesta则为自己配套生产叶片，其风力机占据世界市场的17%.德国的NOI主要生产MW级风力机叶片。近年来这种由专业化叶片生产商垄断的局面正在被打破。一些著名的风力机制造商开始自己生产叶片，如Nodex生产1.5MW变奖距叶片，其他大公司如Bonus、Game8e、Enercon等也在研发MW级叶片。

　　我国在玻璃钢叶片设计与制造技术方面与国外有一定的差距。叶片技术是风力机的关键技术，国外大公司轻易不肯转让技术或合作生产。为使玻璃钢叶片能国产化，政府有关部门很重视叶片的研发，把叶片列人攻关项目予以支持。攻关项目有“七五”“小型风力机玻璃钢叶片系列研究”，“八五200KW风力机玻璃钢叶片研制九五"*300KW风力机玻璃钢叶片研制”，科研院所专项资金*660KW风力机玻璃钢叶片产业化“。”十五“期间，国家把MW级风力机研制列为*863*项目，包括1.3MW定桨距失速控制风力机、1MW、1.5MW变速恒频风力机。配套的叶片列为专项子课题。经过多年的攻关，我国已研发了200~750KW系列大型风力机玻璃钢叶片，形成了批童生产，为风力机国产化奠定了基础。

　　4叶片技术方面的若干问题气动设计包括风轮气动外形设计及气动性能计算。根据风力机总体性能要求确定风轮直径、叶片数、转速，叶片弦长、叶厚、扭角分布。气动外形设计可采用Wilson的气动性能优化理气动外形。理论设计外形需结合考虑叶片构造、工艺要求进行修正。当气动外形确定后，可进行气动性能计算。对于定桨距失速控制风力机组，应得到不同安装角的风轮输出功率、Cp值、推力等参数，以确定叶片初始安装角及风轮失速性能。对于变距变速风轮，要计算不同安装角及不同转速的风轮性能，以确定风轮运行调节方式。风力机叶片由传统的NACA44、NACA230翼型发展为风力机专用翼型，如NACA63、FX77、NREL-S等。这些翼型有较篼的升阻比，气动性能对叶片表面污染不敏感。我国还没有自己开发的风力机翼型，均采用国外的。由于没有收集到完整的有关翼型的气动性能数据，给叶片气动设计带来较大的影响。

　　商品化的大型风力机叶片有典型的结构形式。叶片根端形式主要有胶接金属法兰，如Vestas生产的叶片；胶接金属螺栓，如LM的叶片；T型螺栓，如NOI、Aerpac生产的叶片。上述形式的根端具有较篼的承载力，根端过渡段曲线柔和，重量也较轻，一改翻边法兰的笨重外观。叶片剖面基本上采用蒙皮加主梁的构造形式。主梁可采用整体箱型梁形式，如Vestas叶片，或用双槽钢形式，如LM叶片，或用加强肋结构。在剖面前、后缘空腹处，根据稳定计算确定是否采用夹层结构。叶片上大部弯曲荷载由主梁承担，蒙皮起气动外形作用，并可承担部分荷载。这种剖面构造可以减轻叶片重量，提篼叶片的强度与刚度，避免叶片由弯曲产生的局部失稳。叶片蒙皮通常采用毡或双向织物增强，主梁用单向程度较高的织物增强，以提高强度与刚度，夹芯材料可采用PVC泡沫或Balsa木。随长度增加，玻璃钢叶片重量增加很大，叶片重童与风轮半径近似有R29关系，如40m长叶片单片叶片重10T，50m长叶片单片叶片重16T.叶片重量增加，加大了由叶片自重产生的疲劳荷载，也增加了机组其他部件的荷载。为减轻叶片重量，可采用碳/*纤混杂增强叶片，如用碳纤维增强主梁，或全碳纤维增强叶片。国外有专家指出，叶片大于40m，应采用碳纤维，但LM公司认为即使更大的叶片，理论上也可采用玻璃钢，可使用篼性能玻纤/环氧方案。即使如此，该公司也在进行碳纤维叶片的研究。目前Nodex已开发了43.8m碳/*纤混杂叶片，重9.6T.Enercon正研发用于直径112m风轮碳纤维叶片，该叶片用于4.5MW商用陆上和海上风场。Enron公司、N0I公司Vestas公司也正进行碳纤维叶片的研发，用于3 ~5MW海上/陆上商用机的应用。据欧美专家分析指出，对于MW级大型风力机叶片，碳/玻纤混杂增强可以降低叶片重量30%，降低成本15%，减少叶尖风轮叶片国家标准及中国船级社关于风力机的认证规范均要求进行叶片结构试验，以验证设计的准确性及制造工艺的质量。结构试验内容主要为设计荷载下叶片的静态强度与刚度、叶片一阶挥舞与摆振频率、疲劳试验。国外风力机制造业发达国家如丹麦、荷兰、美国，均有国家级叶片测试中心，并获得政府授权，可进行叶片认证。我国还未建国家级风力机测试中心，叶片的结构试验在船级社指导下在厂家进行。

　　全尺寸叶片疲劳试验是重要试验内容，在实验室里验证叶片能否使用20年。根据叶片疲劳荷载谱，在20年使用期，疲劳荷载交变次数达10*次量级。疲劳加载频率一般为叶片的一阶频率，对于大型叶片在1Hz左右，故加载速度1~2次/8.为加速疲劳试验速度，应加大荷载，一般加载次数达100~500万次，需2~3个月。试验荷载谱应根据损伤等效原则确定。我们在实验室进行了300kW、660kW叶片疲劳试验，试验均进行了500万次，通过了船级社的认证。

　　大型风力机叶片大多采用开模工艺。分别在两个阴模上成型气动面与工作面半壳。叶片主梁及其他玻璃钢部件分别在专用模具上成型，然后胶接组装成整体叶片。叶片成型工艺由早期的手糊工艺发展到目前较先进的工艺。如LM公司采用VARTM工艺。应用此项工艺解决了成型大型玻璃钢构件的系列技术难题。该项工艺技术可提高玻璃钢纤维含量，增加了强度。Vestas采用预浸料工艺。德国NOI公司采用湿法预浸料工艺。我国玻璃钢叶片制造厂家由于受市场、技术、资金等方面的影响，大多采用湿法手糊工艺，常温固化。工艺相对简单，不需要加温加压装置。随着我国风电事业的发展，市场需要质量更篼的玻璃钢叶片，采用先进的成型工艺是必由之路。目前国内厂家已开始这方面的研究工作。

　　国际上极大多数国家要求所安装的风力机得到认证，以保证其质量。欧盟建议采用IEC标准统一认证规则和要求。在IEC系列标准中与叶片有关技术标准是IEC1400 -1*风力机系统安全》。此标准规定了叶片荷载工况、局部安全系数、检验要求等；IEC1400 -23*风轮叶片测量技术“。它规定了叶片静态强刚度测量、频率测量及疲劳测试方法。我国风力机标准委员会组织制订了一系列标准规范，其中关于大型风力机叶片的标准是”风力机组风轮叶片“。该标准基本上参照了IEC标准与劳埃德标准。标准对复合材料叶片的材料选择、制造工艺、结构设计等方面均作出规定。中国船级社组织制订了风力机认证规范。国家标准及认证规范的颁布实施使国内生产厂家按国际标准等效的技术要求进行整机及部件的设计、生产与质量控制，使产品能在一个高的起点上参与国内及国际竞争。

　　5在机舱罩及导流罩上应用风力机的重要部件如主轴、变速箱、电机等均安装在机舱罩内，故机舱罩主要保护设备免受环境影响，并提供人员安装维修条件。导流主要用以改善风轮气动性能。虽然这二部件在机组中技术含量不篼，但风力机制造商对其制造要求很篼，因其外观质量对制造商的品牌有影响。我曾和Vestas合作为其生产660KW机组用机舱罩、导流罩。在对方专家的指导下，采用对方的技术进行模具及产品制造，目前已能为国内风力机制造商批量生产玻璃钢机舱及导流罩。

　　6结束语风能是当今世界上发展得最快的少数几个行业之一。随着人们对能源危机及环境问题的日益重视，可以预计今后相当长一段时期内风能将继续保持篼速增长，同时也成为玻璃钢复合材料一个重要的应用领域。