CN102465844A

CN102465844A - 一种风力发电机叶片

Info

Publication number: CN102465844A
Application number: CN2010105329962A
Authority: CN
Inventors: 杜志全; 杨文涛; 韩新月; 刘兰
Original assignee: Sany Electric Co Ltd
Current assignee: Sany Electric Co Ltd; Sany Electric Co Ltd Japan
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2012-05-23

Abstract

本发明提供一种风力发电机叶片，所述风力发电机叶片由复合材料制成，所述复合材料包括多层纤维层和附着形成在所述多层纤维层上的基体材料；所述纤维层包括碳纤维和玻璃纤维，所述碳纤维和玻璃纤维的体积比为1∶4～4∶1。本发明提供的风力发电机叶片中的纤维层包括碳纤维和玻璃纤维至少两种纤维，碳纤维具有强度高和重量轻的优点；玻璃纤维具有韧性好的优点，而且与树脂具有良好的界面浸润性。本发明将玻璃纤维和碳纤维制成纤维层再铺叠制成风力发电机叶片后，既能保证风力发电机叶片具有很好的拉伸强度，又能够提高其韧性，而且由于多层纤维层都含有玻璃纤维，因此可以使纤维层与树脂达到更好的浸润效果，从而提高风力发电机叶片的剪切强度。

Description

一种风力发电机叶片

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机叶片。

背景技术

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，其蕴量巨大。目前，利用风能进行发电是风能利用的一种重要途径。风力发电的基本原理是将风的动能转变为机械能，再把机械能转化为电能。风力发电所使用的装置称为风力发电机组，风力发电机组大体包括风轮、发电机和塔筒三部分。

风轮是把风的动能转变为机械能的重要部件，它由至少两只螺旋桨形的风力发电机叶片组成，当风吹向风力发电机叶片时，叶片上产生气动力驱动风轮转动。研究表明，风力发电机组捕获风能的多少与风轮直径的平方成正比，与风速的3次方成正比。如图1所示，为风力发电机叶片示意图，包括蒙皮11、支撑蒙皮的主梁12和腹板13。

制作风力发电机叶片的材料一般选用强度高和重量轻的材料，现有技术中一般采用纤维增强复合材料制作风力发电机叶片，常用的增强纤维是玻璃纤维。制作玻璃纤维增强复合材料时，一般采用真空灌注技术(SCVRIMP)技术，即先利用薄膜将增强纤维密封于单边模具上，完全借助于真空将低黏度树脂吸入，树脂沿着增强纤维的表面快速浸渍，并同时向增强纤维厚度方向进行浸润，树脂固化之后便得到纤维增强复合材料。

然而，随着风力发电技术的不断发展，风力发电机叶片正逐步向着大型化的方向发展。当叶片长度不断增加时，对增强材料的刚度和强度提出了更高的要求，玻璃纤维应用到大型复合材料风力发电机叶片中时，由于强度有限，因此已经不能满足未来的需要；此外，由于玻璃纤维的密度比较大，在大型风力发电机叶片的使用中也受到的一定的限制。

与玻璃纤维相比，碳纤维具有重量轻和强度高的优点，也可以用于制作风力发电机叶片。但碳纤维的延伸率、抗冲击性能和断裂韧性较玻璃纤维差，在极端风载下，容易失效；此外，当碳纤维的铺层数目较多时，其复合材料的浸润效果较差，这也会影响风力发电机叶片的性能。

发明内容

本发明要解决的问题在于提供一种即具有良好强度又具有良好韧性的风力发电机叶片。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种风力发电机叶片，所述风力发电机叶片由复合材料制成，所述复合材料包括多层纤维层和附着形成在所述多层纤维层上的基体材料；所述纤维层包括碳纤维和玻璃纤维，所述碳纤维和玻璃纤维的体积比为1∶4～4∶1。

优选的，所述多层纤维层中的一层纤维层中的碳纤维和玻璃纤维交替排列。

优选的，所述多层纤维层中相邻的纤维层中的纤维所成的角度为0°～90°。

优选的，所述纤维层还包括石墨纤维、芳族聚酰胺纤维、碳化硅纤维、硼纤维、碳化钨纤维、玄武岩纤维中的一种或多种。

优选的，所述复合材料由预浸料热压成型、真空灌注成型、手湖成型、注射成型、模压成型、拉挤成型或缠绕成型制成。

优选的，所述风力发电机叶片包括蒙皮、支撑所述蒙皮的主梁和腹板，所述蒙皮中的碳纤维和玻璃纤维的体积比为4∶1～2∶1。

优选的，所述主梁中的碳纤维和玻璃纤维的体积比为1∶4～4∶1。

优选的，所述腹板中的碳纤维和玻璃纤维的体积比为1∶3～2∶3。

优选的，所述基体材料为固化后的合成树脂。

优选的，所述合成树脂为环氧树脂、酚醛树脂、乙烯酯树脂、不饱和聚酯树脂、双马来酰胺树脂、双马来酰胺三嗪树脂、氰酸酯树脂、苯并噁嗪树脂、丙烯酸系树脂。

与现有技术相比，本发明提供的风力发电机叶片中的纤维层包括碳纤维和玻璃纤维至少两种纤维，碳纤维具有强度高和重量轻的优点；玻璃纤维具有韧性好的优点，而且与树脂具有良好的界面浸润性。将该两种纤维制成纤维层再铺叠制成风力发电机叶片后，既能保证风力发电机叶片具有很好的拉伸强度，又能够提高其韧性。此外，由于多层纤维层都含有玻璃纤维，因此可以使纤维层与树脂达到更好的浸润效果，从而提高风力发电机叶片的剪切强度。因此，本发明制备的风力发电机叶片可以满足更严格的使用要求。

附图说明

图1为风力发电机叶片的结构示意图；

图2为本发明制备单取向预浸料的示意图。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

本发明提供一种风力发电机叶片，所述风力发电机叶片由复合材料制成，所述复合材料包括多层纤维层和附着形成在所述多层纤维层上的基体材料，所述纤维层包括碳纤维和玻璃纤维，所述碳纤维和玻璃纤维的体积比为1∶4～4∶1。

按照本发明，所述纤维层中的碳纤维和玻璃纤维的体积比优选为1∶3～3∶1。本发明中所述基体材料优选为固化后的合成树脂。按照本发明，对于所述风力发电机叶片中的纤维的含量，以重量百分比计优选为10wt％～80wt％，更优选为30wt％～75wt％，更优选为40wt％～65wt％。

本发明提供的风力发电机叶片中的纤维层包括碳纤维和玻璃纤维，纤维层中的碳纤维和玻璃纤维优选为交替排列的方式。碳纤维具有强度高、重量轻的优点，因此可以保证风力发电机叶片的强度；玻璃纤维具有韧性好的特点，因此可以保证叶片的韧性。此外，由于多层纤维层都含有玻璃纤维，而玻璃纤维与合成树脂具有更好的浸润效果，因此可以使纤维层与合成材料达到更好的浸润效果，从而提高风力发电机叶片的剪切强度。

进一步地，当风力发电机叶片在极端风载下使用时，即使延伸率较低的部分碳纤维首先破坏，形成分层微裂纹，而高延伸率的玻璃纤维则能够起到抑制微裂纹延伸的作用，因此可以提高风力发电机叶片的使用寿命。

按照本发明，所述纤维层还可以包括石墨纤维、芳族聚酰胺纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳化钨纤维、玄武岩纤维中的一种或多种，优选为石墨纤维，可以适当提到复合材料的模量。制备蒙皮时，所述石墨纤维优选替代1％～5％的体积比的碳纤维；制备主梁时，所述石墨纤维优选替代2％～8％体积比的碳纤维；制备腹板时，所述石墨纤维优选替代5～8％的体积比的碳纤维。对于纤维层中的碳纤维的强度，优选大于等于3000MPa，更优选大于3500MPa，拉伸模量优选大于等于190GPa，更优选大于200GPa；对于玻璃纤维的强度，优选大于2000MPa，更优选大于2100MPa，拉伸模量优选大于80GPa，更优选大于85GPa。

对于作为基体材料的合成树脂，可以按照本领域技术人员熟知的公知常识根据材料设计要求进行选择，本发明并无特别限制。例如，所述合成树脂的例子可以为环氧树脂、酚醛树脂、乙烯酯树脂、不饱和聚酯树脂、双马来酰胺树脂、双马来酰胺三嗪树脂、氰酸酯树脂、苯并噁嗪树脂、丙烯酸系树脂，但不限于此。优选的，合成树脂为环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、双马来酰亚胺三嗪树脂、氰酸酯树脂，更优选为环氧树脂。

按照本发明，制备所述风力发电机叶片时，可以采用本领域技术人员熟知的多层预浸料热压成型或者真空灌注成型。对于预浸料，可以为单向布、平纹布或斜纹布。

采用单向布预浸料热压成型时，先将纤维单向排列，优选使玻璃纤维和碳纤维交替排列，然后与树脂复合制成单向预浸料。制成单向预浸料之后，将多层单向预浸料叠加在模具上，模具可以为蒙皮模具、主梁模具或腹板模具。相邻的单向布中的纤维所成的角度为0°～90°，更优选为45°～90°，更优选为60°～90°，更优选为大体垂直，即按照0°/90°的方式排列。

对于预浸料的叠加层数，本发明并无特别的限制，可以按照材料设计强度要求确定。铺叠预浸料后，密封在真空密封袋内，然后抽真空成型得到蒙皮、主梁和腹板，然后再将蒙皮、主梁和腹板粘接组装成风力发电机叶片。在抽真空成型时，对于成型温度，优选为120℃～200℃，更优选为140℃～180℃；对于成型压力，优选为≥0.5MPa，更优选≥1MPa，上限最高可以不超过100MPa。

按照本发明，采用真空灌注成型时，按照材料涉及要求，分别取碳纤维和玻璃纤维交替排列在模具上得到第一纤维层，模具可以为蒙皮模具、主梁模具和腹板模具；然后，按照同样的排列方式，在所述第一纤维层上铺叠第二纤维层，第一纤维层和第二纤维层之间的纤维所成角度优选为0°～90°，更优选为45°～90°，更优选为60°～90°，更优选为大体垂直。根据材料设计强度要求铺叠多层纤维层之后，将铺叠后的模具放置在真空袋内，然后进行真空灌注成型。对于成型温度，优选为120℃～200℃，更优选为140℃～180℃；对于成型压力，优选为≥0.5MPa，更优选≥1MPa，上限最高可以不超过100MPa。

按照本发明，对于复合材料的成型方法，还可以采用本领域技术人员熟知的手糊成型、注射成型、模压成型、拉挤成型或缠绕成型等，只要能够制备包括多个纤维层的复合材料均可，优选为预浸料热压成型或真空灌注成型，预浸料热压成型具有成型效果好的优点，真空灌注成型具有成型效率高的优点。另外，对于制作蒙皮、主梁和腹板时所使用的模具，优选为本领域技术人员熟知的木制模具或玻璃钢模具，这样可以达到更好的定位精度。

按照本发明，制备风力发电机叶片中的蒙皮时，所述玻璃纤维和碳纤维的体积比优选为3∶1～2∶1，更优选为2∶1。制备风力发电机叶片的主梁时，所述玻璃纤维和碳纤维的体积比优选为1∶4～4∶1，更优选为1∶2～2∶1，更优选为1∶1。制备风力发电机叶片的腹板时，所述玻璃纤维和碳纤维的体积比优选为1∶3～2∶3，更优选为2∶4～2∶5，更优选为1∶2。

按照本发明，采用上述方法分别制作蒙皮、主梁和腹板后，可以按照本领域技术人员熟知的技术将蒙皮、主梁和腹板采用结构胶粘结在一起包边处理后得到风力发电机叶片，常用的结构胶可以为环氧树脂。

以下以具体实施例说明本发明的效果，但是本发明的保护范围不受以下实施例的限制。

以下实施例和比较例中，使用的原料如下：

碳纤维：强度为3.5GPa，拉伸模量为210GPa，纤维直径为20μm；

玻璃纤维：强度为3.1GPa，拉伸模量为95GPa，纤维直径为7μm；

石墨纤维：由所述碳纤维在2500℃炭化4小时后得到，模量为550GPa；

树脂：环氧树脂AG-80；乙烯基树脂：亚仕兰D601-200。

本发明中，复合材料的拉伸强度按照ASTM3039标准进行测试，剪切强度按照ASTM3518标准测量V型缺口梁剪切强度，弯曲强度按照ASTMD790测量三点弯曲强度。

实施例1

请参见图2，将碳纤维21与玻璃纤维22按照体积比为1∶1的比例交替单向排列，然后浸渍环氧树脂，固化后得到面密度为125g/m²的单取向预浸料，纤维总量与环氧树脂按重量比为70∶30。

测量复合材料板的拉伸强度为2500MPa、弯曲强度为1890MPa、剪切强度为51MPa。

取18层预浸料按照表1的铺层顺序以及0°的方式铺叠后在主梁模具上抽真空热压成型，成型温度为180℃，成型压力为10MPa，得到主梁。

表1某型号叶片主梁铺层方式

实施例2

将碳纤维与玻璃纤维按照体积比为2∶1的比例交替单向排列，然后浸渍环氧树脂，固化后得到面密度为112g/m²的单取向预浸料，纤维总量与环氧树脂按重量比为65∶35。

测量复合材料板的拉伸强度为2680MPa、弯曲强度为1780MPa、剪切强度为48MPa。

取20层预浸料按照表2的铺层顺序以及0°/90°的方式铺叠后在蒙皮根端模具上抽真空热压成型，成型温度为175℃，成型压力为8MPa，得到蒙皮。

表2、根端铺层方式

实施例3

将碳纤维与玻璃纤维按照体积比为1∶2的比例交替单向排列，然后浸渍环氧树脂，固化后得到面密度为135g/m²的单取向预浸料，纤维总量与环氧树脂按重量比为68∶32。

测量复合材料板的拉伸强度为2350MPa、弯曲强度为1940MPa、剪切强度为54MPa。

取18层预浸料按照表3的铺层顺序及0°/90°的方式铺叠后在腹板模具上抽真空热压成型，成型温度为165℃，成型压力为9MPa，得到腹板芯材下铺层。

表3根端腹板铺层方式

实施例4

将碳纤维与玻璃纤维按照体积比1∶4、1∶2、2∶1、4∶1的比例单向排列，然后浸渍环氧树脂，固化得到预浸料。

取18层预浸料按照表4的铺层顺序且每层以0°的方式铺叠后在主梁模具上抽真空成型，成型温度为180℃，成型压力为10MPa。其中，每层预浸料碳纤维与比例纤维的比例、预浸料面密度和预浸料中纤维与树脂的比例详见表4。

表4根端腹板铺层方式

实施例5～实施例8

本实施例中制备主梁所用复合材料，本四个实施例中，对纤维和树脂的比例进行了改进，见表5，其它参数与实施例1相同，最后制备得到的复合材料性能结果也列于表5中。

表5实施例5-实施例7工艺参数及复合材料性能测试结果

实施例9～实施例12

本实施例中制备蒙皮所用复合材料，本四个实施例中，对纤维和树脂的比例进行了改进，见表6，其它参数与实施例2相同，最后制备得到的复合材料性能结果也列于表6中。

表6实施例9-实施例12工艺参数及复合材料性能测试结果

实施例13～实施例16

本实施例中制备腹板所用复合材料，本四个实施例中，对纤维和树脂的比例进行了改进，见表7，其它参数与实施例3相同，最后制备得到的复合材料性能结果也列于表7中。

表7实施例13-实施例16工艺参数及复合材料性能测试结果

比较例1

将碳纤维单向排列，然后浸渍环氧树脂，固化后得到面密度为104g/m²的单取向预浸料，纤维总量与环氧树脂按重量比为70∶30。

取18层预浸料按照0°/90°的方式铺叠后，抽真空热压成型，成型温度为180℃，成型压力为10MPa，得到复合材料板。

测量复合材料板的拉伸强度为2740MPa、弯曲强度为1650MPa、剪切强度为41MPa。

取18层预浸料按照0°/90°的方式铺叠后在蒙皮模具上抽真空热压成型，成型温度为180℃，成型压力为10MPa，得到蒙皮。

比较例2

将玻璃纤维单向排列，然后浸渍环氧树脂，固化后得到面密度为145g/m²的单取向预浸料，纤维总量与环氧树脂按重量比为70∶30。

取18层预浸料按照0°/90°的方式铺叠后，在抽真空热压成型，成型温度为180℃，成型压力为10MPa，得到复合材料板。

测量复合材料板的拉伸强度为2100MPa、弯曲强度为1952MPa、剪切强度为58MPa。

比较例3

取9层比较例1制备的玻璃纤维预浸料；

再取9层比较例2制备的碳纤维预浸；

将所述玻璃纤维预浸料和碳纤维预浸料按照0°/90°的方式依次将碳纤维预浸料和玻璃纤维预浸料交替铺叠在一起，然后抽真空热压成型，成型温度为180℃，成型压力为9.5MPa，得到复合材料板。

测量复合材料板的拉伸强度为2540MPa、弯曲强度为1860MPa、剪切强度为43MPa。

从以上实施例和比较例的结果可以看出，本发明提供的复合材料板由多层预浸料制成，每层预浸料中都包含碳纤维和玻璃纤维。本发明制备的复合材料与玻璃纤维增强复合板相比具有高的强度，与碳纤维增强复合材料相比具有很好的韧性，与玻璃纤维和碳纤维的层间混合的方式相比得到的复合材料相比具有很好的剪切强度。

以上对本发明所提供的风力发电机叶片进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种风力发电机叶片，其特征在于，所述风力发电机叶片由复合材料制成，所述复合材料包括多层纤维层和附着形成在所述多层纤维层上的基体材料；所述纤维层包括碳纤维和玻璃纤维，所述碳纤维和玻璃纤维的体积比为1∶4～4∶1。

2.根据权利要求1所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述多层纤维层中的一层纤维层中的碳纤维和玻璃纤维交替排列。

3.根据权利要求2所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述多层纤维层中相邻的纤维层中的纤维所成的角度为0°～90°。

4.根据权利要求1所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述纤维层还包括石墨纤维、芳族聚酰胺纤维、碳化硅纤维、硼纤维、碳化钨纤维、玄武岩纤维中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述复合材料由预浸料热压成型、真空灌注成型、手糊成型、注射成型、模压成型、拉挤成型或缠绕成型制成。

6.根据权利要求1至5任一项所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述风力发电机叶片包括蒙皮、支撑所述蒙皮的主梁和腹板，所述蒙皮中的碳纤维和玻璃纤维的体积比为4∶1～2∶1。

7.根据权利要求6所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述主梁中的碳纤维和玻璃纤维的体积比为1∶4～4∶1。

8.根据权利要求7所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述腹板中的碳纤维和玻璃纤维的体积比为1∶3～2∶3。

9.根据权利要求1至5任一项所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述基体材料为固化后的合成树脂。

10.根据权利要求9所述的风力发电机叶片，其特征在于，所述合成树脂为环氧树脂、酚醛树脂、乙烯酯树脂、不饱和聚酯树脂、双马来酰胺树脂、双马来酰胺三嗪树脂、氰酸酯树脂、苯并噁嗪树脂、丙烯酸系树脂。