风力发电机组风轮的叶片材料

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1、鎏纂篓溺万方数据风力发电机组风轮的叶片材料王丽丽1田德※1．2王海宽’许明1胡学敏1魏玉通11．内蒙古农业大学机电工程学院；2．华北电力大学可再生能源学院【摘要】介绍了风力机叶片的材料，分析了各种叶片材料的特点，介绍了国内外风力机叶片的发展概况及发展趋势，提出了我国的差距和未来发展的建议。通过对叶片材料的特性分析比较。可以发现叶片的发展趋势为重量更轻。使用寿命更长，造价更低廉。现在使用的风力机叶片大部分都是采用玻璃纤维增强材料。其它候选材料包括碳纤维增强塑料、混合复合材料、Windstl'al'ldTM增强材料等。随着风力机风轮直径的增大，叶片生产材料必然向着强度更大。抗疲

2、劳特性更好的方向发展。在对造价更低、性能更为可靠的材料的追求之下。还会出现其他更加优异的材料。【关键词】风力发电叶片材料风力发电是风能利用的主要方式．叶片是用来转换风能的最重要的部件。风力机叶片主要受拉和受弯。因此。材料必须有足够的抗拉强度和抗弯强度。同时也应当有足够的刚性和韧性。一般来讲，叶片的材料越轻。强度和刚度越高，则叶片承受载荷的能力就越大．这样叶片就可以做的更长，它的捕风能力也越强。目前，风力机叶片材料的选择方法是对候选材料进行各种性能的综合比较．最终确定一个相对较好的选择111。叶片材料的选择是叶片结构设计之前很重要的一项工作．优良的材料是风力机叶片具有优良特性

3、的重要保证。1各种叶片材料的性能1．1合金钢与铝舍金合金钢因其价格低廉．易加工成细长的形状，并且可以按照翼型的形状来成形．因而曾经一度被认为是首选的风力机叶片材料。然而，它的密度太大，疲劳特性差．易腐蚀。难以加工成扭曲形状．因而慢慢被别的材料所替代。铝合金的密度为钢铁的113．常用来制造等弦长叶片．易于加工制造并且能满足屈曲设计的要求。但是还没有很好的挤压成形技术可以将铝合金加工成从根部到尖部的细长形状。1．2纤维增强复合材料纤维增强复合材料是由纤维和基体材料组成的，纤维起着承受载荷的主要作用，基体起着粘结、支持、保护增强物和传递应力的作用，基体包括聚酯和环氧树脂【11。增

4、强纤维目前叶片基体材料大量地使用不饱和聚酯树脂(UPR)和乙烯基酯树脂(VER)、环氧树JI旨(EPR)等[21，聚酯树脂价格低廉。成型工艺性好．但性能一般，环氧树脂则相反．性能较优但价格较高且工艺操作性不好，所以目前成本和性能等介于二者之间的乙烯基树脂被一些叶片制造商大量采用131。以环氧树脂为基体的复合材料的力学性能更好，特别是当使用碳纤维时。机体材料多以环氧树脂为主I-Zl。’浓村牧区机械化2009年第2期(总第81．期壤·39·隧颡麓潮万方数据纤维增强复合材料是一种高功能材料，它在力学性能、物理性能和化学性能等方面都明显优于单一材料。复合材料重量轻，而强度和刚度大；

5、抗疲劳性能良好：具有较好的抗声振疲劳性能；减振性能良好；耐高温；安全性好；成型工艺简单。固化后残余应力很小。但是．复合材料中还有许多常规材料中不存在的力学问题，如层间应力(层间正应力和剪应力耦合会引起复杂的断裂和脱层现象)、边界效应以及纤维脱胶、纤维断裂、基体开裂等。1．2．1玻璃纤维复合材料。玻璃纤维复合材料有很多的优点，如高比强度，很好的疲劳特性、防腐性能、减振性等。玻璃钢复合材料叶片有很多显著特点：第一。与金属材料制造的叶片相比，重量轻。第二，玻璃钢复合叶片可以根据其受力条件对叶片的强度和刚度进行设计，从而达到减轻重量和降低离心载荷的目的。此外，玻璃钢复合叶片容易制造

6、，气动特性好；具有较高的固有频率。能够避免共振带来的破坏。因此。玻璃纤维材料被广泛应用于风力机叶片。(1)E一玻璃纤维。E一玻璃纤维是一种铝硼硅酸盐玻璃，一般来说，E一玻璃纤维用于叶片长度小于22m的风力机叶片，但是它的密度很大，人们正在积极寻找它的替代材料。f2)S一玻璃纤维。S一玻璃纤维是一种抗拉强表1叶片长度与不同复合材料的叶片重量的关系不同复合材料的叶片重I当f蚝玻璃纤绀聚酯玻璃纤维，环氧碳纤维，j研．聿【l咖lOOO5鲫19∞1020052∞3800106008400210008800170(1019000·40·表2层压复合木板材料特性度极高的硅酸铝一镁玻璃纤维

7、。虽然S一玻璃纤维也是玻璃纤维材料。但是它的模量高达85．5GPa．比E一玻璃纤维材料的72．4GPa高出了18％；它的纤维拉伸强度为4600MPa，比E一玻璃纤维的3450MPa增加了33％。从技术角度来讲，它是风力机叶片的热门材料，然而它的价格居高不下．使得它目前难以成为风力机叶片的主流材料。1．2．2碳纤维。碳纤维材料较玻璃纤维材料在叶片制造上有很多方面的优点，它的重量轻，刚度大．碳纤维复合材料的刚度约为玻璃纤维复合材料的2～3倍。它具有很好的疲劳特性；它有助于降低叶片端部附近的柔曲性：具有导电性有效避免雷击