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76工程塑料应用2008年,第36卷,第4期

FRP在大型风力发电机叶片中的应用

王炳雷李树虎陈以蔚
(中国兵器工业集团第五三研究所,济南250031)

摘要介绍树脂基复合材料在大型风力发电机叶片中的应用。玻璃纤维增强塑料(GFRP)一直是风力发电机
叶片的主要材料,但随着对大功率、长叶片需求的不断增加,GFRP风机叶片在强度和轻量化方面已经不能适应使用
要求,因此采用强度比GFRP高几倍的碳纤维增强塑料(CFRP)可有效解决因长度增加引起的叶片质量增加的问题,
使设计更加合理和安全。同时也分析了复合材料风机叶片制造工艺的发展过程和应用前景,另外还对该叶片的发
展趋势等问题进行了探讨。
关键词玻璃纤维增强塑料碳纤维增强塑料风力发电机叶片RTM工艺

随着世界石油资源的日益匮乏,风能作为一种清洁的可转20年以上;②成本(精确说为分摊到每度电的成本)低;
再生能源而逐渐被人们重视。开发和利用风能资源不仅可③叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正
以为21世纪寻找新的替代能源,而且有利于环境保护。常,传递给整个发电系统的负荷稳定性好;④耐腐蚀、耐紫
我国风电产业发展到现在经历了一个由小到大、由慢到外线(UV)照射和抗雷击性好;⑤维护费用低[1]。
快的过程。从20世纪70年代研制成功1kW小型风力发电FRP完全可以满足以上要求,是最佳的风力发电机叶片
机组样机,到1998年的国家“乘风计划”揭开了大型风电机材料。
组国产化的序幕;从1986年我国第一个风电场在山东荣成1.1GFRP
并网发电,到2006年底建成了91个风电场;从1999年首批目前商品化的大型风机叶片大多采用玻璃纤维增强塑
国产化600kW风电机组在达坂城风电一场投入运行,到料(GFRP)制造。GFRP叶片的特点为:
2005年研发MW级国产化风电机组样机;从2004年底总装①可根据风机叶片的受力特点来设计强度与刚度风
机容量76.4万kW到2006年底总装机容量258.9万kW,由机叶片主要是纵向受力,即气动弯曲和离心力,气动弯曲载
此不难看出,我国风电产业在这20多年中逐渐发展、前进、荷比离心力大得多,由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用
壮大。玻璃纤维(GF)受力为主的受力理论,可将主要GF布置在叶
近年来,风电机组技术改进的主要方向是降低制造成片的纵向,这样就可使叶片轻量化。
本、提高单机容量、提高风能转换效率、实现自动控制等。目②翼型容易成型,可达到最大气动效率为了达到最佳
前主流风电机组的单机容量为1.5～2.0MW,容量越大,发气动效果,利用叶片复杂的气动外形,在风轮的不同半径处
电效率越高,技术难度越大。而国外正在开发、应用的机组设计不同的叶片弦长、厚度、扭角和翼型,如用金属制造则十
单机容量为3～5MW。美国NREL(国家可再生能源实验分困难。同时GFRP叶片可实现批量生产。
室)2004年的报告认为在2012年之前,价格上有竞争力的③使用时间长达20年,能经受108次以上疲劳交变载荷
风机产品,陆地为2～5MW,海上风电场(近海)为5MW以GFRP疲劳强度较高,缺口敏感性低,内阻尼大,抗震性能
上。2003年德国Enercon公司安装了第一台4.5MW的风较好。
电机组样机。④耐腐蚀性好由于GFRP具有耐酸、碱、水汽的性
风力发电机叶片是接受风能的最主要部件,也是风力发能[2],可将风机安装在户外,特别对于近年来大力发展的离
电机中最基础和最关键的部件。其良好的设计、可靠的质量岸风电场来说,能将风机安装在海上,使风力机组及其叶片
和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。纤维经受各种气候环境的考验。
增强塑料(FRP)以其轻质、耐腐蚀和高拉伸弹性模量一直是为了提高GFRP的性能,还可通过表面处理、上浆和涂
风力发电机叶片最常用的材料,是复合材料成功应用的典型覆等对GF进行改性。美国的研究表明,采用射电频率等离
大型构件。子体沉积去涂覆E2GF,其拉伸及耐疲劳性可达到碳纤维
1制造风机叶片的主要材料(CF)的水平[3]。
叶片是风力发电机组的重要构件。它将风能传递给发GFRP的受力特点是在GF方向能承受很高的拉应力,
电机的转子,使之旋转切割磁力线而发电。为确保在野外极而其它方向承受的力相对较小。图1是典型叶片的截面图。
其恶劣环境中长期不停、安全地运行,对叶片材料的要求是:叶片由蒙皮和主梁组成,蒙皮采用夹芯结构,中间层是硬质
①密度小且具有最佳的疲劳强度和力学性能,能经受住极
端恶劣条件和随机的负荷(如暴风等)的考验,确保安全运收稿日期:2008201219
王炳雷,等:FRP在大型风力发电机叶片中的应用77

泡沫塑料或Balsa木,上下面层为GFRP。面层由单向层和CFRP的性能虽然远优于GFRP,且不论叶片还是整个风力
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