复合材料风力发电叶片制造及应用现状Word文档格式.docx
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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
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
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
7结论24
致谢25
参考文献26
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。
鉴于资源的限制和环境保护，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]。
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、以色列等国都有相应的风电发展规划[3]。
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%[2]。
因此，提高叶片的综合性能、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[4]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，旋转直径可达126.3米。
丹麦的LM公司[5]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
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，以大气为工作介质的热能利用发动机[3]。
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/（kW·
h），现在为3～5美分/（kW·
h），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（不包括台湾省装机）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政策激励，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名的地位，中国则从第八名升到第六名[7]。
从图2.1、图2.2、图2.3可见一般。
图2.12006年风电机组累计安装量前10名国家
（a）
（b）
图2.22006年新增风电机组前10名国家（a）、（b）
图2.32001-2006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，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年底的1.459GW[7]。
（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（不包含台湾省装机）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2.12003年全球前10位风电机组供应商及其所占市场份额统计[7]
序号
供应商
国家
市场份额%
1
Vestas
丹麦
21.7
2
GEWIND
美国
18.0
3
Enercon
德国
14.6
4
Gamesa
西班牙
11.5
5
NEGMicon
10.2
6
Bonus
6.6
7
REpower
3.5
8
MADE
2.9
9
Nordex
10
MHI
日本
2.6
表2.22004年全球前10位风电机组供应商及其所占市场份额统计[7]
34.1
17（18.1）
15.8
11.3
SIEMENS
6.2
SUZLON
印度
3.9
3.4
Ecotecnia
2.3
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HornsRev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
据有关研究成果[7]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、西藏、新疆等省/自治区近200km宽的地带，风功率密度在200～300W/m2以上，有的可达500W/m2以上，可开发利用的风能储量约2TW，约占全国陆地可利用储量的79%[7]。
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
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10km宽的地带，年有效风功率密度在200W/m2以上，沿海岛屿风功率密度在500W/m2以上，风功率密度线平行于海岸线，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100MW，开创了中国海上风电发展的新纪元[7]。
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
在陆上除两个风能丰富带之外，风功率密度一般在100W/m2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[7]。
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%，在陆上设计寿命20年的风电机组，在海上可达25～30年[7]。
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
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[8]。
在基布结构方面，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[8]（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
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，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[8]。
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。
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
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