风力发电叶片制作工艺介绍

第一篇：风力发电叶片制作工艺介绍

风力发电叶片制作工艺介绍

风力发电机叶片是接受风能的最主要部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素，其成本约为整个机组成本的15%-20%。根据“风机功价比法则”，风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比，增加长度可以提高单机容量，但同时会造成发电机的体积和质量的增加，使其造价大幅度增加。1碳纤维在风力发电机叶片中的应用

叶片材料的发展经历了木制、铝合金的应用，进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻，疲劳强度和机械性能好，能够承载恶劣环境条件和随机负荷，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂。但随着大功率发电机组的发展，叶片长度不断增加，为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架，就要求叶片具有更高的刚度。国外专家认为，玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，不能满足大型叶片的要求，因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。

1）提高叶片刚度，减轻叶片质量

碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3～8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120m的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻璃纤维的相比，质量可减轻40%左右；碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。据分析，采用碳纤维／玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻20％～30％。VestaWindSystem公司的V90型3.0MW发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V80型2.0MW发电机且为39m长的叶片质量相同。同样是34m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。

2）提高叶片抗疲劳性能

风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有良好的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。

3）使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率 使用碳纤维后，叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。

4）可制造低风速叶片

碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。

5）可制造自适应叶片

叶片装在发电机的轮轴上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机的设计风速为13～15m/s(29～33英里/h)，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。美国SandiaNationalLaboratories致力于自适应叶片研究，使1.5MW风机的发电成本降到4.9美分/(kWh)，价格可和燃料发电相比。

6）利用导电性能避免雷击

利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

7）降低风力机叶片的制造和运输成本

由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都减少了，叶片变得轻巧，制造和运输成本都会下降，可缩小工厂的规模和运输设备。

8）具有振动阻尼特性

碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔架短频率间发生任何共振的可能性。

2叶片制造工艺及流程 2.1三维编织体/VARTM技术

2.1.1材料选择

目前的风力发电机叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放、树脂注入成型工艺复合而成。对同一种基体树脂，采用玻璃纤维增强的复合材料制造的叶片的强度和刚度的性能要差于采用碳纤维增强的复合材料制造的叶片的性能。随着叶片长度不断增加，叶片对增强材料的强度和刚性等性能也提出了新的要求，从而对玻璃纤维的拉伸强度和模量也提出了更高的要求。为了保证叶片能够安全的承担风温度等外界载荷，大型风机叶片可以采用玻璃纤维／碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。这样，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

2.1.2三维编织

增强材料预成型加工方法有:手工铺层、编织法、针织法、热成型连续原丝毡法、预成型定向纤维毡法、Comp Form法和三维编织技术等。

编织法过去大多采用经纬交织的机织物来制作玻/碳纤维基布材料，从承载状态上来考虑采用经编织物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。如图1所示：

图

1、经编织物结构图

这类轴向织物由于承受载荷的纱线系统按要求排列并绑缚在一起，因此能够处于最佳的承载状态。另一方面，由于机织物中的纱线呈波浪形弯曲，再加上纱线自身的捻度，使其模量、拉伸强度和抗冲击强度都有一定的损失。而轴向技术使得织物的纱线层能按照特定的方向伸直取向，故每根纤维力学理论值的利用率几乎能达到100%。此外，轴向织物的纱线层层铺叠，按照不同的强度和刚度要求，可以在织物的同一层或不同层采用不同种类的纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维或碳/玻混杂纤维，再按照编织点由编织纱线将其绑缚在一起。

除了经编轴向织物外,还可以利用纬编绑缚系统开发纬编轴向织物,如图2所示：

图

2、纬编织物结构图

根据经纬编结构的特性,纬编轴向织物较经编绑缚结构具有更好的可成型性,因此在风电叶片结构设计中具有极好的应用前景。

三维编织技术的发展是因为单向或二向增强材料所制得的复合材料层间剪切强度低,抗冲击性差,不能用作主受力件。采用三维编织技术不仅能直接编织复杂结构形状的不分层整体编织物,从根本上消除铺层。三维编织复合材料采用了三维编织技术,其纤维增强结构在空间上呈网状分布,可以定制增强体的形状,制成的材料浑然一体,不存在二次加工造成的损伤,因此这种材料不仅具备传统复合材料所具有的高比强度、高比模量等优点,还具有高损伤容限和断裂韧性以及耐冲击、不分层、抗开裂和耐疲劳等特点。

按编织工艺分,常见的编织材料可分为四步编织法、二步编织法和多层联锁编织法等3类。其中四步编织法发明最早,应用最广。按编织预制件的横截面形状,三维编织方法可分为矩形编织、圆形编织和异形编织3大类,其中矩形编织工艺适合编织矩形和板状材料的增强体,而圆形编织适合编织圆形和管型材料的增强体,异形编织则用于编织各种特殊形状的增强体。只要织物的结构形状是由矩形组合或是圆或圆的某一部分组合而成,就可以用编织方法一次成型。

四步编织法发明之初,所有的纱线都参加编织运动,且全部编织纱都在空间3个方向内发生相对运动,因此这种编织方法是一种真正的三维编织工艺。具体编织过程如图3（a）所示,在一个编织周期中,编织纱沿着正交的2个方向依次进行往复运动,一个完整的编织周期中携纱器需要完成4个动作,因此被称为四步法。如图3（b）所示,由于结构中所有纱线在空间中的分布只有4个不同的方向,因此制成的复合材料被称为三维四向编织复合材料。

针对三维编织物的特点,RTM工艺是三维编织复合材料成型的最有效方法。根据三维编织物的形状制成模具,将预成型坯装入模腔,此时同时控制了纤维体积含量和制品形状；预成型坯中纤维束间的空隙为树脂传递提供了通道,而且三维编织体很好的整体性提高了预成型坯耐树脂冲刷的能力。

2.1.3RTM工艺

树脂传递模塑法简称RTM法，是首先在模具型腔中铺放好按性能和结构要求设计的增强材料预成型体,采用注射设备通过较低的成型压力将专用低粘度树脂体系注入闭合式型腔,由排气系统保证树脂流动顺畅,排出型腔内的全部气体和彻底浸润纤维,由模具的加热系统使树脂等加热固化而成型为FRP构件。RTM工艺属于半机械化的FRP成型工艺,特别适宜于一次整体成型的风力发电机叶片,无需二次粘接。与手糊工艺相比,这种工艺具有节约各种工装设备、生产效率高、生产成本低等优点。同时由于采用低粘度树脂浸润纤维以及加温固化工艺,复合材料质量高,且RTM工艺生产较少依赖工人的技术水平,工艺质量仅仅依赖于预先确定好的工艺参数,产品质量易于保证,废品率低，工艺流程如图4所示。

注胶压力的选择一直是RTM成型工艺中一个有争议的问题。低压注胶可促进树脂对纤维表面的浸润;高压注胶可排出残余空气,缩短成型周期,降低成本。加大注胶压力可提高充模速度和纤维渗透率。所以有人赞成在树脂传递初期使用低压以使树脂较好地浸润纤维,而当模具型腔中已基本充满树脂时使用较大压力以逐出残余空气。但压力不能太大,否则会引起预成型坯发生移动或变形。

注胶温度取决于树脂体系的活性期和达到最低粘度的温度。在不至于过大缩短树脂凝胶时间的前提下,为了使树脂能够对纤维进行充分的浸润,注胶温度应尽量接近树脂达到最低粘度的温度。温度过高会缩短树脂的活性期，影响树脂的化学性质,进而可能影响到制品的力学性能;温度过低会使树脂粘度增大,压力升高,也阻碍了树脂正常渗入纤维的能力。注射温度和模具预热温度的选择要结合增强体的特性及模具中的纤维量等综合考虑。

RTM工艺的技术含量高,无论是模具设计和制造、增强材料的设计和铺放、树脂类型的选择与改性、工艺参数(如注塑压力、温度、树脂粘度等)的确定与实施,都需要在产品生产之前通过计算机模拟分析和实验验证来确定。

2.1.4VARTM工艺

随着技术的发展，现已开发出多种较先进的工艺，如预浸料工艺、机械浸渍工艺及真空辅助灌注工艺。真空辅助灌注成型工艺是近几年发展起来的一种改进的RTM工艺。它多用于成型形状复杂的大型厚壁制品。真空辅助是在注射树脂的同时,在排气口接真空泵,一边注射一边抽真空,借助于铺放在结构层表面的高渗透率的介质引导将树脂注入到结构层中。这样不仅增加了树脂传递压力,排除了模具及树脂中的气泡和水分,更重要的是为树脂在模具型腔中打开了通道,形成了完整通路。另外,无论增强材料是编织的还是非编织的,无论树脂类型及粘度如何,真空辅助都能大大改善模塑过程中纤维的浸润效果。所以,真空辅助RTM(VARTM)工艺能显著减少最终制品中夹杂物和气泡的含量,就算增大注入速度也不会导致孔隙含量增加,从而提高制品的成品率和力学性能。

用真空灌注工艺生产碳纤维复合材料存在困难。碳纤维比玻纤更细，表面更大，更难有效浸渍，适用的树脂粘度更低。SP公司的SPRINT工艺技术就采用树脂膜交替夹在碳纤维中，经加热和真空使树脂向外渗透。树脂沿铺层的厚度方向浸渍，浸渍快且充分，同时采用真空加速树脂的流动。

2.2叶片复合材料结构设计流程

2.2.1常规制备流程

1)制造外壳和主梁外壳由玻璃钢在模具内进行制造，主梁在真空袋中高温浇注而成；

2)安置模具，在模具内喷涂胶衣树脂，形成叶片的保护表面； 3)把外壳放入模具中，并铺覆玻璃纤维； 4)安装主梁，起到支撑作用； 5)安装泡沫材料；

6)在泡沫材料上铺覆玻璃纤维； 7)在玻璃纤维和泡沫材料上铺放真空膜； 8)灌注树脂，并进行高温真空浇注； 9)取下真空膜；

10)用相同方法制成另外一半壳体； 12)安装腹板(腹板为夹层结构)； 13)安装避雷装置等；

14)安置主模具，在壳体边缘和腹板上涂胶粘剂，粘合两壳体； 15)加热，使玻璃纤维更硬；

16)叶片脱模，进行最终加工(切割和打磨)。

模具由符合材料制作而成，这样模具更轻，刚度更高。另外，用同种材料制造的叶片和其模具在灌注树脂时对温升的反应相同。2.2.2加入碳纤维改进

随着叶片长度的增加，对材料刚度提出了更高的要求。玻璃纤维复合材料的性能已经达到应用极限，不能有效满足材料要求，因此碳纤维在风机叶片中的应用逐年增加。但是由于碳纤维比玻璃纤维昂贵，采用100%的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前国外碳纤维主要是和玻璃纤维混合使用，碳纤维只是用到一些关键的部分。碳纤维在叶片中应用的主要部位有，如图5所示：

1)横梁，尤其是横梁盖。

2)前后边缘，除了提高刚度和降低重量外，还起到避免雷击对叶片造成的损伤。

3)叶片的表面，采用具有高强度特性的碳纤维片材。

采用三维四步编织术，主体使用GFR,在图5所示的5、6、7、8区域轴向加入CFR,织出与模具形状一致的预制件。将预制件固定在模具中，采用VARTM的方式注入树脂。

第二篇：风力发电复合材料叶片现在和发展

风力发电复合材料叶片现在和发展

2008-3-21 23:24:14纤维复合材料

来源:张晓明(中国复合材料集团有限公司）

叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件。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、耐久性好的复合材料成为目前大型风力发电叶片的首选材料。

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1.5 2.0 MW，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5 MW，旋转直径可达126.3米。丹麦的LM公司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。

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。设计者和制造商已经完全可以针对不同的地区风力发电的需要，选择最佳的设计方案和制造技术，生产适合不同需求的复合材料风力发电叶片。目前正在服役的风力发电叶片多为复合材料叶片。这些叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与E一玻璃纤维、s一玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放或树脂注入等成型工艺复合而成，以满足不同风场的使用要求。由于玻璃纤维的价格仅为碳纤维价格的1/10左右，目前的叶片制造采用的增强材料仍以玻璃纤维为主。例如，在54米长的大型复合材料叶片制造中依然以玻璃纤维为增强材料，最轻的叶片重量仅为13.4吨。随着超大型叶片的出现，叶片长度不断增加，叶片对增强材料的强度和刚度等性能也提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足。LM公司在制造61．5米的大型复合材料叶片时，为保证叶片能够安全地承担风、温度等外界载荷，单纯的玻璃纤维增强材料已经很难满足叶片对强度和刚度的要求。因此，该叶片采用了玻璃纤维/碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。这样，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成损伤。

风力发电机组在工作过程中，复合材料叶片不仅要承受强大的风载荷，还要经受气体冲刷、砂石粒子冲击、以及强烈的紫外线照射等外界的侵蚀。为了充分发挥增强材料的增强作用，提高复合材料叶片的承担载荷、耐腐蚀和耐冲刷等项性能，LM公司等复合材料叶片的制造商们还对树脂基体系统进行了精心设计和

改进。采用性能优异的环氧树脂代替不饱和聚酯树脂，改善了玻璃纤维/树脂界面的粘结性能，提高了叶片的承载能力，扩大了玻璃纤维在大型叶片中的应用范围。为提高复合材料叶片在恶劣工作环境中的长期使用性能，sP公司专门研究开发出耐紫外线辐照的新型环氧树脂系统，以满足风力发电叶片耐久性的要求。在风力发电的初期阶段，由于发电机的功率较小，需要的复合材料叶片尺寸也比较小，叶片质量分布的均匀性对发电机和塔座的影响不十分显现；而且，当时人们对开模成型工艺时苯乙烯挥发给大气环境造成的污染，对操作人员造成的身体危害并未引起足够的认识。因此，最初的小型复合材料叶片制造基本采用简单易行的手糊成型工艺。随着风力发电机功率的不断提高，安装发电机的塔座和捕捉风能的复合材料叶片做的越来越大。

为了保证发电机运行平稳和塔座安全，不仅要求叶片的质量轻，也要求叶片的质量分布必须均匀、外形尺寸精度控制准确、长期使用性能可靠。若要满足上述要求，需要相应的成型工艺来保证。另外，复合材料制造过程中苯乙烯挥发对环境和操作人员产生的不良影响也越来越引起人们的重视，一些发达国家已经制定出相应的法规，我国也对生产过程中产生的有害挥发物有明确的限制规定。因此，复合材料成型工艺随之发生变化，逐渐由开模工艺向闭模工艺改进，以减少苯乙烯自然挥发对环境和人体的危害。

在大型复合材料叶片制造过程中也反映出这一成型工艺的变化：首先，叶片的制造工艺由手糊成型向着湿法铺放工艺的转变，增强材料的现场浸渍逐渐转向预先浸渍，开始采用玻璃纤维/聚酯或玻璃纤维/环氧预浸料，大幅度的降低了成型过程中苯乙烯的挥发。这样，不仅树脂含量容易精确控制，保证了复合材料叶片的质量分布均匀，而且增强材料铺设角度准确，可以有效地发挥增强材料的性能，提高复合材料的承载能力。其次，开模成型工艺向着闭模工艺发展，为了改善成型环境，减少有害气体的挥发，进一步提高叶片的质量稳定性，大型复合材料叶片的制造开始引入树脂注人工艺技术。在树脂注人工艺中，树脂基体在真空压力的作用下，可以更完全的浸渍增强材料，不仅能够准确地控制树脂含量，充分发挥增强材料的作用，提高复合材料叶片的承载能力，而且无需大型专用设备，制造成本较低。

与此同时，叶片的制造模具也在悄悄地发生变化。大型复合材料叶片的外形尺寸与其制造模具有着极其密切的关系。为保证复合材料叶片设计外形和尺寸精度，叶片长度越长，成型时对模具刚度和强度的要求就越高，模具的重量和成本也会大幅度地提高。为了降低模具成本，减轻模具重量，大型复合材料叶片的制造模具也逐渐由金属模具向着复合材料模具转变，这也意味着复合材料叶片可以做得更长。另外，由于模具与叶片采用了相同的材料，模具材料的热膨胀系数与叶片材料基本相同，制造出的复合材料叶片的精度和尺寸稳定性均优于金属模具制造的叶片产品。

此外，随着计算机技术和自动控制技术应用领域的扩大，大型复合材料叶片的制造技术也在不断的进步。LM公司将机器人技术用于大型叶片的纤维铺覆和粘结，并将计算机技术应用于工艺过程的实施监控和数据记录，为用户提供可追溯的资料作为可靠性保证的依据。

选择最佳的材料体系和制造工艺，制造出质量最好的复合材料叶片，以满足风力发电快速发展的需求，未来的成型工艺将给复合材料叶片制造提供最优的实施手段。

以最小的叶片重量获得最大的叶片面积，使得叶片具有更高的捕风能力，叶片的优化设计显得十分重要，尤其是符合空气动力学要求的大型复合材料叶片的最佳外形设计和结构优化设计的重要性尤为突出，它是实现叶片的材料有效结合的软件支撑。另外，计算机仿真技术的应用也使得叶片的结构与层合板设计更加细化，有利的支持了最佳工艺参数的确定。

早在1920年，德国的物理学家舢bert Betz就对风力发电叶片进行过详细的计算。基于当时的计算条件和对风力发电叶片的认识，Be￡z在叶片计算时采用了一些假设条件。随着计算机技术发展，计算手段的显著提高，风力发电技术的快速发展，人们对风力发电叶片的认识和理解也在逐步深人。尤其是近十年来，经过研究人员对风力发电叶片进行的多次现场载荷、声音和动力测量以后，发现叶片的理论预测值与实际记录值有较大的偏离。这可能是由于过多地相信了风洞试验，而对叶片服役期间可能遇到的较强动态环境和湍流条件考虑不足造成的。因此，一些相关人员对当时的叶片计算采用的假设条件提出了质疑。流体动力学计算和软件的改进使得研究人员能够更精确地模拟叶片实际的受力状态。在此基础上，进一步改善叶片的空气动力学特性，即使叶片在旋转速度降低5%的情况下，捕风能力仍可以提高5%；随着叶片旋转速度的降低，叶片运行的噪音大约可以降低3dB。同时，较低的叶片旋转速度要求的运行载荷也较低，旋转直径可以相应的增加。在此项研究的基础上，德国的E~ercon公司将风力发电机的旋转直径由30米增加到33米，复合材料叶片也随着相应的增加。由于叶片长度的增加，叶片转动时扫过的面积增大，捕风能力大约提高了25%。Enercon公司还对33米叶片进行了空气动力试验，经过精确的测定，叶片的实际气动效率为56%，比按照Betz计算的最大气动效率低约3—4个百分点。为此，该公司对大型叶片外形型面和结构都进行了必要的改进：包括为了抑制生成扰流和漩涡，在叶片端部安装“小翼”；为改善和提高涡轮发电机主舱附近的捕风能力，对叶片根茎进行重新改进，缩小叶片的外形截面，增加叶径长度；对叶片顶部与根部之间的型面进行优化设计。在此基础上，Enercon公司开发出旋转直径7l米的2MW风力发电机组，改进后叶片根部的捕风能力得以提高。E~ercon公司在4．5MW风力发电机设计中继续采用此项技术，旋转直径为112米的叶片端部仍安装的倾斜“小翼”，使得叶片单片的运行噪音小于3个叶片(旋转直径为66米)运行时产生的噪音。

丹麦的LM公司在61.5米复合材料叶片样机的设计中对其叶片根部固定进行了改进，尤其是固定螺栓与螺栓孔周围区域。这样，在保持现有根部直径的情况下，能够支撑的叶片长度可比改进前增加20%。另外，LM公司的叶片预弯曲专有技术也可以进一步降低叶片重量和提高产能。

随着计算机技术和控制技术的进步，近年来，大型复合材料的叶片也向着智能化发展。在最新一代的Enercon叶片中开始采用叶片自动监测和控制系统，监测系统能够将叶片运行状态下的数百个电子信息自动地传递给叶片的控制系统，计算机管理系统每个月都会报告叶片的运行情况、早期损伤情况，以利于使用者能够对损伤叶片进行及时地修补。

LM公司将光纤控制技术用于制造智能复合材料叶片。在大型叶片制造中，尤其是近海风场用的大型风力发电机，由于风场的气候条件恶劣，监测和维护困难，对外界温度、叶片裂纹、雷击等对叶片损伤的早期预警显得十分重要。为了能够实现对复合材料叶片的实时监控，LM公司将光纤监控技术用于复合材料叶片的制造，开发出具有智能功能的复合材料叶片。在制造大型复合材料叶片时，LM公司将光纤传感器埋设和固定于复合材料内部。当这种智能复合材料叶片工作时，光纤传感器就会将叶片工作时的状态实时反映给数据采集和处理系统，相关数据经过处理后，将其反馈给风力发电机的控制系统。一旦叶片所承受外界载荷(温度、风速、风载等)超过设计载荷、叶片主体产生裂纹、外界雷击等可能对叶片造成损伤时，叶片的监控系统就会发出早期预警信号，此时才需要对叶片进行必要的保养和维护工作，可以大大降低叶片的日常维护费用。目前，这项工作正在模拟的外界环境中进行20年服役期的可靠性加速试验。LM公司目前也将此系统安装在40米的叶片上进行试验，不久将在61.5米的叶片上进行试验。目前使用的复合材料叶片属于热固性复合材料，很难自然降解。废弃物处理一般采用填埋或者燃烧等方法处理，基本上不再重新利用。面对日益突出的复合材料废弃物对环境造成的危害，一些制造商开始探讨复合材料的回收和再利用技术。

到2004年底，全世界新增的风力发电能力接近8GW，风力发电装机的总容量已达47.4GW，正在服役的风力发电叶片已达数千片。在未来十年间，仍以10%以上的增长速度快速发展。复合材料风力发电叶片的使用寿命一般为2030年。虽然最初的叶片为木质结构，但绝大多数的服役叶片仍为复合材料结构。在未来的十几年间，这些叶片将陆续退役，退役后叶片如何处理也将成为材料科学家和环保工作者必须面对的现实问题。以利用风能发电最好的德国为例，目前德国的风力发电量约占全年总发电量的6%。如果德国实现由风力发电来提供25%的电力需求的发展目标，则该国需要安装7500个超大型风力发电装置，至少需要22500个大型复合材料叶片与之配套。这些叶片在生产过程中将产生大量的苯乙烯有害气体，也会产生一些固体废弃物，而退役叶片造成的废弃物则更是数量惊人。

目前，复合材料废弃物的回收和再利用多集中在废弃物粉碎后作为填料使用，或者燃烧废弃物利用其热能。复合材料叶片的制造商正在探讨热固性复合材料(如预浸料)分离处理技术的可行性，试图将未固化的复合材料进行热固性树脂与增强纤维分离，然后分别再利用。废弃物的回收和再利用是退役复合材料叶片最理想的处理方法，这就是为什么人们积极研究开发热塑性复合材料叶片——“绿色叶片”的重要原因。

与热固性复合材料相比，热塑性复合材料具有质量轻、抗冲击性能好、生产周期短等一系列优异性能。在相同的尺寸条件下，热塑性复合材料由于密度低，叶片的重量更轻，随之带来安装塔座和发电机重量的减小，同时运输和安装费用也相应地降低。但是，该类复合材料的制造工艺技术与传统的热固性复合材料成型工艺差异较大，制造成本较高，成为限制热塑性复合材料用于风力发电叶片的关键问题。随着热塑性复合材料制造工艺技术研究工作的不断深人和相应的新型热塑性树脂的开发，制造热塑性复合材料叶片已经不仅仅是一个新概念，正在一步步地走向现实。

最近，爱尔兰Gaoth风能公司与日本三菱重工和美国Cyclics公司正在探讨如何共同研制低成本热塑性复合材料叶片。Gaoth公司认为热塑性复合材料叶片制造成本较高的主要原因是目前热塑性复合材料的制造工艺成本较高，如果能够开发出一种新的低成本制造技术，就有可能使得热塑性复合材料的制造成本低于热固性复合材料。在爱尔兰有关企业的资助下，Limerick大学和Galway国立大学开展了热塑性复合材料的先进成型工艺技术的基础研究。为了解决热塑性复合材料叶片的纤维浸渍和大型热塑性复合材料结构件制造过程的树脂流动

性问题，美国的Cyclics公司为此开发出一种低粘度的热塑性工程塑料基体材料——cBT 树脂。这种像水一样低粘度的热塑性工程塑料CBTR树脂流动性好，易于浸渍增强材料，可以充分发挥增强材料的性能，赋予复合材料良好的韧性。该项技术的实施，不仅可以提高叶片的抗冲击能力，还可以大幅度提高成型速度，具有技术和经济上的优势。Cyclics公司声称当叶片退役后，平均每台风力发电机组可再利用的叶片材料可达19吨，这是前所未有的。

在“绿色叶片”研究的最初阶段，爱尔兰的Gaoth公司将负责12．6米长的热塑性复合材料叶片的制造，Mitsubishi(三菱)公司将负责在风力发电机上进行“绿色叶片的试验”。此项试验成功后，他们将继续研究开发30米以上的热塑性复合材料标准叶片。根据有关资料介绍，与环氧树脂/玻璃纤维复合材料大型叶片相比较，如果采用热塑性复合材料叶片，每台大型风力发电机所用的叶片重量可以降低10%，抗冲击性能大幅度提高，制造成本至少降低1/4，制造周期至少降低1/3，而且可以完全回收和再利用。安全快捷地制造“绿色”的复合材料叶片正期待着复合材料叶片制造商去实现，Gaoth公司及其合作伙伴就是实现这一目标的先驱。

作为可再生的清洁能源之一，我国已经开始注重风能的开发和利用。在国家科技攻关项目和863项目的共同支持下，我国已基本掌握了风力发电机组及复合材料叶片的设计和制造技术；“十五”期间，将完成MW级风力发电机组的研制，为我国风电产业参与常规能源市场竞争奠定基础。“十五”期间，风力发电事业在我国得到快速发展。根据最近的资料报道，到2020年，我国将投资2000亿人民币用于风力发电建设，新增风力发电能力将达3000MW，并要求风力发电装备本土化。这项举措将对我国生态环境保护、能源结构调整、实现国民经济可持续发展起到积极的促进作用。为此，国内的一些企业和研究机构正在加紧研究开发1．5MW风力发电装备和与之配套的大型复合材料叶片。国际上风力发电技术先进的国家也看好了潜力巨大的中国风力发电市场，丹麦、美国等国家为了降低生产成本，增强竞争力，纷纷在中国建厂。国家对可再生清洁能源的支持，加快了风力发电的发展速度，也为我国的大型复合材料叶片开发提供了一个不可多得的发展机遇。面临着巨大的市场需求和强劲的国际竞争，我国大型复合材料叶片的发展机遇与挑战共存。

第三篇：风力发电机叶片工艺流程

风力发电机叶片制作工艺流程

传统能源资源的大量使用带来了许多的环境问题和社会问题，并且其存储量大大降低，因而风能作为一种清洁的可循环再生的能源，越来越受到世界各国的广泛关注。风力发电机叶片是接受风能的最主要部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素，其成本约为整个机组成本的15%-20%。根据“风机功价比法则”，风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比，增加长度可以提高单机容量，但同时会造成发电机的体积和质量的增加，使其造价大幅度增加。并且，随着叶片的增大，刚度也成为主要问题。为了实现风力的大功率发电，既要减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，这就对叶片材料提出了很高的要求。

碳纤维在风力发电机叶片中的应用

叶片材料的发展经历了木制、铝合金的应用，进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻，疲劳强度和机械性能好，能够承载恶劣环境条件和随机负荷，目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯（环氧）树脂。但随着大功率发电机组的发展，叶片长度不断增加，为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架，就要求叶片具有更高的刚度。国外专家认为，玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，不能满足大型叶片的要求，因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。

1）提高叶片刚度，减轻叶片质量

碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，强度大40%，尤其是模量高3～8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为120m的风机的叶片，由于梁的质量超过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻璃纤维的相比，质量可减轻40%左右；碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的2倍。据分析，采用碳纤维／玻璃纤维混杂增强方案，叶片可减轻20％～30％。Vesta Wind System 公司的V90型3.0 MW发电机的叶片长44m，采用碳纤维代替玻璃纤维的构件，叶片质量与该公司V80 型2.0MW发电机且为39m长的叶片质量相同。同样是34 m长的叶片，采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg，采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg，而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%，而且成本下降约16%。

2）提高叶片抗疲劳性能

风机总是处在条件恶劣的环境中，并且24h处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明，碳纤维合成材料具有良好的抗疲劳特性，当与树脂材料混合时，则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。

3）使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率

使用碳纤维后，叶片质量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能，减少对塔和轮轴的负载，从而使风机的输出功率更平滑更均衡，提高能量效率。同时，碳纤维叶片更薄，外形设计更有效，叶片更细长，也提高了能量的输出效率。

4）可制造低风速叶片

碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度，从而制造适合于低风速地区的大直径风叶，使风能成本下降。

5）可制造自适应叶片

叶片装在发电机的轮轴上，叶片的角度可调。目前主动型调节风机的设计风速为13～15m/s(29～33英里/h)，当风速超过时，则调节风叶斜度来分散超过的风力，防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了，自适应的各向异性叶片可帮助斜度控制系统，在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自适应叶片充分利用了纤维增强材料的特性，能产生非对称性和各向异性的材料，采用弯曲/扭曲叶片设计，使叶片在强风中旋转时可减少瞬时负载。美国Sandia National Laboratories致力于自适应叶片研究，使1.5MW风机的发电成本降到4.9美分/(kW•h)，价格可和燃料发电相比。

6）利用导电性能避免雷击 利用碳纤维的导电性能，通过特殊的结构设计，可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。

7）降低风力机叶片的制造和运输成本

由于减少了材料的应用，所以纤维和树脂的应用都减少了，叶片变得轻巧，制造和运输成本都会下降，可缩小工厂的规模和运输设备。

8）具有振动阻尼特性

碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔架短频率间发生任何共振的可能性。

叶片制造工艺及流程

2.1 三维编织体/VARTM 技术

2.1.1 材料选择

目前的风力发电机叶片基本上是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放、树脂注入成型工艺复合而成。对同一种基体树脂，采用玻璃纤维增强的复合材料制造的叶片的强度和刚度的性能要差于采用碳纤维增强的复合材料制造的叶片的性能。随着叶片长度不断增加，叶片对增强材料的强度和刚性等性能也提出了新的要求，从而对玻璃纤维的拉伸强度和模量也提出了更高的要求。为了保证叶片能够安全的承担风温度等外界载荷，大型风机叶片可以采用玻璃纤维／碳纤维混杂复合材料结构，尤其是在翼缘等对材料强度和刚度要求较高的部位，则使用碳纤维作为增强材料。这样，不仅可以提高叶片的承载能力，由于碳纤维具有导电性，也可以有效地避免雷击对叶片造成的损伤。华东理工大学华昌聚合物有限公司与上海玻璃钢研究院有限公司合作，成功研发出具有自主知识产权、适用于大型风机叶片的复合材料——高性能环氧乙烯基酯树脂。高性能环氧乙烯基酯树脂黏结性能良好，力学性能优异，收缩率低，成本较低。2.1.2 三维编织

增强材料预成型加工方法有: 手工铺层、编织法、针织法、热成型连续原丝毡法、预成型定向纤维毡法、CompForm 法和三维编织技术等。

编织法过去大多采用经纬交织的机织物来制作玻/碳纤维基布材料，从承载状态上来考虑采用经编织物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。如图1所示：

图

1、经编织物结构图

这类轴向织物由于承受载荷的纱线系统按要求排列并绑缚在一起，因此能够处于最佳的承载状态。另一方面，由于机织物中的纱线呈波浪形弯曲，再加上纱线自身的捻度，使其模量、拉伸强度和抗冲击强度都有一定的损失。而轴向技术使得织物的纱线层能按照特定的方向伸直取向，故每根纤维力学理论值的利用率几乎能达到100%。此外，轴向织物的纱线层层铺叠，按照不同的强度和刚度要求，可以在织物的同一层或不同层采用不同种类的纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维或碳/玻混杂纤维，再按照编织点由编织纱线将其绑缚在一起。

除了经编轴向织物外, 还可以利用纬编绑缚系统开发纬编轴向织物, 如图2所示：

图

2、纬编织物结构图

根据经纬编结构的特性, 纬编轴向织物较经编绑缚结构具有更好的可成型性, 因此在风电叶片结构设计中具有极好的应用前景。

三维编织技术的发展是因为单向或二向增强材料所制得的复合材料层间剪切强度低,抗冲击性差, 不能用作主受力件。采用三维编织技术不仅能直接编织复杂结构形状的不分层整体编织物,从根本上消除铺层。三维编织复合材料采用了三维编织技术,其纤维增强结构在空间上呈网状分布,可以定制增强体的形状,制成的材料浑然一体,不存在二次加工造成的损伤, 因此这种材料不仅具备传统复合材料所具有的高比强度、高比模量等优点,还具有高损伤容限和断裂韧性以及耐冲击、不分层、抗开裂和耐疲劳等特点。按编织工艺分,常见的编织材料可分为四步编织法、二步编织法和多层联锁编织法等3类。其中四步编织法发明最早,应用最广。按编织预制件的横截面形状,三维编织方法可分为矩形编织、圆形编织和异形编织3大类, 其中矩形编织工艺适合编织矩形和板状材料的增强体, 而圆形编织适合编织圆形和管型材料的增强体, 异形编织则用于编织各种特殊形状的增强体。只要织物的结构形状是由矩形组合或是圆或圆的某一部分组合而成,就可以用编织方法一次成型。树脂传递模塑法简称RTM法，是首先在模具型腔中铺放好按性能和结构要求设计的增强材料预成型体,采用注射设备通过较低的成型压力将专用低粘度树脂体系注入闭合式型腔, 由排气系统保证树脂流动顺畅, 排出型腔内的全部气体和彻底浸润纤维, 由模具的加热系统使树脂等加热固化而成型为 FRP构件。RTM 工艺属于半机械化的 FRP成型工艺, 特别适宜于一次整体成型的风力发电机叶片,无需二次粘接。与手糊工艺相比,这种工艺具有节约各种工装设备、生产效率高、生产成本低等优点。同时由于采用低粘度树脂浸润纤维以及加温固化工艺,复合材料质量高, 且 RTM工艺生产较少依赖工人的技术水平,工艺质量仅仅依赖于预先确定好的工艺参数, 产品质量易于保证,废品率低，工艺流程如图4所示。

图

4、RTM工艺流程图

注胶压力的选择一直是 RTM 成型工艺中一个有争议的问题。低压注胶可促进树脂对纤维表面的浸润;高压注胶可排出残余空气,缩短成型周期,降低成本。加大注胶压力可提高充模速度和纤维渗透率。所以有人赞成在树脂传递初期使用低压以使树脂较好地浸润纤维, 而当模具型腔中已基本充满树脂时使用较大压力以逐出残余空气。但压力不能太大, 否则会引起预成型坯发生移动或变形。

注胶温度取决于树脂体系的活性期和达到最低粘度的温度。在不至于过大缩短树脂凝胶时间的前提下, 为了使树脂能够对纤维进行充分的浸润,注胶温度应尽量接近树脂达到最低粘度的温度。温度过高会缩短树脂的活性期，影响树脂的化学性质,进而可能影响到制品的力学性能;温度过低会使树脂粘度增大,压力升高,也阻碍了树脂正常渗入纤维的能力。注射温度和模具预热温度的选择要结合增强体的特性及模具中的纤维量等综合考虑。

RTM 工艺的技术含量高, 无论是模具设计和制造、增强材料的设计和铺放、树脂类型的选择与改性、工艺参数(如注塑压力、温度、树脂粘度等)的确定与实施,都需要在产品生产之前通过计算机模拟分析和实验验证来确定。

2.1.4 VARTM工艺

随着技术的发展，现已开发出多种较先进的工艺，如预浸料工艺、机械浸渍工艺及真空辅助灌注工艺。真空辅助灌注成型工艺是近几年发展起来的一种改进的 RTM工艺。它多用于成型形状复杂的大型厚壁制品。真空辅助是在注射树脂的同时, 在排气口接真空泵,一边注射一边抽真空, 借助于铺放在结构层表面的高渗透率的介质引导将树脂注入到结构层中。这样不仅增加了树脂传递压力,排除了模具及树脂中的气泡和水分,更重要的是为树脂在模具型腔中打开了通道, 形成了完整通路。另外, 无论增强材料是编织的还是非编织的,无论树脂类型及粘度如何, 真空辅助都能大大改善模塑过程中纤维的浸润效果。所以, 真空辅助RTM(VARTM)工艺能显著减少最终制品中夹杂物和气泡的含量, 就算增大注入速度也不会导致孔隙含量增加,从而提高制品的成品率和力学性能。

用真空灌注工艺生产碳纤维复合材料存在困难。碳纤维比玻纤更细，表面更大，更难有效浸渍，适用的树脂粘度更低。SP公司的SPRINT工艺技术就采用树脂膜交替夹在碳纤维中，经加热和真空使树脂向外渗透。树脂沿铺层的厚度方向浸渍，浸渍快且充分，同时采用真空加速树脂的流动。

2.2 叶片复合材料结构设计流程

2.2.1 常规制备流程

1)制造外壳和主梁外壳由玻璃钢在模具内进行制造，主梁在真空袋中高温浇注而成；

2)安置模具，在模具内喷涂胶衣树脂，形成叶片的保护表面；

3)把外壳放入模具中，并铺覆玻璃纤维；

4)安装主梁，起到支撑作用；

5)安装泡沫材料；

6)在泡沫材料上铺覆玻璃纤维；

7)在玻璃纤维和泡沫材料上铺放真空膜； 8)灌注树脂，并进行高温真空浇注；

9)取下真空膜；

10)用相同方法制成另外一半壳体；

12)安装腹板(腹板为夹层结构)；

13)安装避雷装置等；

14)安置主模具，在壳体边缘和腹板上涂胶粘剂，粘合两壳体；

15)加热，使玻璃纤维更硬；

16)叶片脱模，进行最终加工(切割和打磨)。

模具由符合材料制作而成，这样模具更轻，刚度更高。另外，用同种材料制造的叶片和其模具在灌注树脂时对温升的反应相同。

2.2.2 加入碳纤维改进

随着叶片长度的增加，对材料刚度提出了更高的要求。玻璃纤维复合材料的性能已经达到应用极限，不能有效满足材料要求，因此碳纤维在风机叶片中的应用逐年增加。但是由于碳纤维比玻璃纤维昂贵，采用100%的碳纤维制造叶片从成本上来说是不合算的。目前国外碳纤维主要是和玻璃纤维混合使用，碳纤维只是用到一些关键的部分。碳纤维在叶片中应用的主要部位有，如图5所示：

1)横梁，尤其是横梁盖。

2)前后边缘，除了提高刚度和降低重量外，还起到避免雷击对叶片造成的损伤。

3)叶片的表面，采用具有高强度特性的碳纤维片材。

采用三维四步编织术，主体使用GFR,在图5所示的5、6、7、8区域轴向加入CFR,织出与模具形状一致的预制件。将预制件固定在模具中，采用VARTM的方式注入树脂。市场投资区域选择

1）位于长江三角洲东北翼的如东，东枕黄海，南临长江，西接苏中腹地，北连欧亚大陆桥，沿途一百多公里海岸线，滩涂广袤，拥有丰富的风能，如东近海岸带70米高处平均风速每秒7.2米，浅海滩涂70米高处平均风速每秒7.5米，滩涂广阔，环境空旷，把风能转换成电流，发展风力发电的条件得天独厚。

2）江苏省如东风力发电场是亚洲最大的风力发电场、中国风力发电领域第一个国家特许示范项目。如东的绿色能源产业正不断做大，已获得国家发改委授予的“绿色能源示范县”荣誉称号。

3）港口带动滨江临海新经济

目前，洋口港开发建设已正式启动，随着大港经济的推动以及如东绿色能源的吸引，石化产业，冶金及铁矿石、煤炭中转储运，造船、物流等一大批沿海投资热点项目将逐一实现，大港的巨大优势势必引领经济风潮，而风力发电场项目的开发也必然会给江苏乃至整个沿海经济新一轮腾飞带来巨大的支撑。

（a）四步编织过程（b）材料结构

图

3、四步编织法

四步编织法发明之初, 所有的纱线都参加编织运动,且全部编织纱都在空间 3个方向内发生相对运动, 因此这种编织方法是一种真正的三维编织工艺。具体编织过程如图3（a）所示,在一个编织周期中,编织纱沿着正交的2个方向依次进行往复运动, 一个完整的编织周期中携纱器需要完成 4个动作, 因此被称为四步法。如图3（b）所示,由于结构中所有纱线在空间中的分布只有4 个不同的方向,因此制成的复合材料被称为三维四向编织复合材料。

针对三维编织物的特点, RTM 工艺是三维编织复合材料成型的最有效方法。根据三维编织物的形状制成模具,将预成型坯装入模腔,此时同时控制了纤维体积含量和制品形状;预成型坯中纤维束间的空隙为树脂传递提供了通道, 而且三维编织体很好的整体性提高了预成型坯耐树脂冲刷的能力。

2.1.3 RTM工艺

第四篇：风力发电考试

1.电力系统：用于生产，传输，交换，分配，消耗电能的系统：

一次部分：用于能量生产，传输，交换，分配，消耗的部分

二次部分：对一次部分进行检测，监视，控制和保护的部分

2.风电场和常规电厂的区别：单机容量小；电能生产比较分散，发电机数目多；输出的电压等级低；类型多样化；功率输出特性复杂；并网需要电力电子换流设备

3.风电厂电气一次系统组成：风电机组；集电系统；升压站；厂用电系统。

4．变压器铜损：铜导线存在着电阻，电流流过消耗一定功率，变为热量

变压器铁损：铁心中的磁滞损耗和涡流损耗

5.常用的开关电器：断路器（切断电路），隔离开关（在电气设备和熔断器间形成明显的电压断开点，运行方式改变时倒闸操作），熔断丝（有故障电流时断开电路），接触器（电路正常开合闸，无法断开故障电路）。

6.集肤效应：靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象。随电流频率升高，集肤效应使导体的电阻增大，电感减小！

7.电流互感器：串接一次系统，将大电流变为小电流

二次开路后果：出现的高压电危机人身及设备安全；铁心中产生大量剩磁；长时间作用铁心过热

8.电压互感器作用:并接一次系统，将高电压变成低电压

二次侧短路：引起很大短路电流，造成互感器烧毁

9.电气设备选择的技术条件：按照正常工作状态选择；按照短路状态校验；电气选择的环境因素；环境保护

10.电流继电器和电压继电器有何作用？他们如何接入电气一次系统?

电流继电器反应一次回路中的电流越限，用于二次系统的保护回路，用以启动时间继电器的动作或直接触发断路器分闸。

电流继电器用于继电保护装置中的过电压保护或欠电压闭锁

11.配电装置的最小净距：无论在正常最高工作电压或出现内，外部过电压时，都不至使空气间隙被击穿。

12.A,B,C,D,E类安全净距的具体含义

A1：带电部分至接地部分之间的最小安全净距

A2：不同相的带电导体之间

B1：带电部分至栅状遮栏间的距离和可移动设备在移动中至带电裸导体间的距离 B2：带电部分至网状遮栏

C：无遮拦裸导体至地面

D：停电检修的平行无遮栏

E：屋内配电装置通向屋外的出线套管中心线

12.雷电类型：直击雷；感应雷；球星雷。

13.雷电防护：避雷针，避雷线，避雷器，避雷带和避雷网，接地装置

14.风电场防雷性能衡量标准：耐雷水平，雷击跳闸率

15.变流系统的功能，电力变换，控制功率，控制转矩，调节功率因素

第五篇：风力发电报告

国内外风力发电技术 的现状与发展趋势

风能是一种可再生的清洁能源。近30年来，国际上在风能的利用方面，无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风力发电技术日臻完善，并网型风力发电机单机额定功率最大已经到5MW，叶轮直径达到126m。截止2005年世界装机容量已达58,982MW，风力发电量占全球电量的1%。中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一，其总装机容量居世界第8位，2005年新增装机容量居世界第6位。今后，国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快。引

言

风是最常见的自然现象之一，是太阳对地球表面不均衡加热而引起的“空气流动”，流动空气具有的动能称之为风能。因此，风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。

风能是一种技术比较成熟、很有开发利用前景的可再生能源之一[1]。风能的利用方式不仅有风力发电、风力提水，而且还有风力致热、风帆助航等。因此，开发利用风能对世界各国科技工作者具有极强的魅力，从而唤起了世界众多的科学家致力于风能利用方面的研究。在本文中，将对国内外风力发电技术的现状和发展趋势进行论述。风力发电基本知识

2.1 风能的计算公式

空气运动具有动能。风能是指风所具有的动能。如果风力发电机叶轮的断面积为A，则当风速为V的风流经叶轮时，单位时间风传递给叶轮的风能为

（1）

其中：单位时间质量流量m=ρAV

（2）

在实际中，式中：

PW—每秒空气流过风力发电机叶轮断面面积的风能，即风能功率，W；

（3）Cp—叶轮的风能利用系数；

m—齿轮箱和传动系统的机械效率，一般为0.80—0.95，直驱式风力发电机为1.0； e—发电机效率，一般为0.70—0.98； —空气密度，kg/m3；

A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2； V—风速，m/s。

2.2 贝茨（Betz）理论

第一个关于风轮的完整理论是由德国哥廷根研究所的A·贝茨于1926年建立的。

贝茨假定风轮是理想的，也就是说没有轮毂，而叶片数是无穷多，并且对通过风轮的气流没有阻力。因此这是一个纯粹的能量转换器。此外还进一步假设气流在整个风轮扫掠面上的气流是均匀的，气流速度的方向无论在风轮前后还是通过时都是沿着风轮轴线的。

通过分析一个放置在移动空气中的“理想”风轮得出风轮所能产生的最大功率为

—空气密度，kg/m3；

（4）

式中：Pmax—风轮所能产生的最大功率；

A—风力发电机叶轮旋转一周所扫过的面积，m2； V—风速，m/s。

这个表达式称为贝茨公式。其假定条件是风速与风轮轴方向一致并在整个风轮扫掠面上是均匀的[2]。将(4)式除以气流通过扫掠面A时风所具有的动能，可推得风力机的理论最大效率

（5）

(5)式即为有名的贝兹（Betz）理论的极限值。它说明，风力机从自然风中所能索取的能量是有限的，其功率损失部分可以解释为留在尾流中的旋转动能。

能量的转换将导致功率的下降，它随所采用的风力机和发电机的型式而异，因此，风力机的实际风能利用系数Cp<0.593[3]。

2.3 温度、大气压力和空气密度

通过温度计和气压计测试出实验地点的环境温度和大气压，由下式计算出空气密度。

（6）

式中：ρ—空气密度，kg/m3； h—当地大气压力，Pa； t—温度，℃。

从空气密度公式可以看出，空气密度的大小与大气压力、温度有关。

2.4 风力机的主要组成

1)小型风力发电机

小型水平轴风力机主要组成部分有：风轮、发电机、塔架、调向机构、蓄能系统、逆变器等。（1）风轮 风轮是风力机从风中吸收能量的部件，其作用是把空气流动的动能转变为风轮旋转的机械能。水平轴风力发电机的风轮是由1~3个叶片组成的。叶片的结构形式多样，材料因风力机型号和功率大小而定，如木心外蒙玻璃钢叶片、玻璃纤维增强塑料树脂叶片等。

（2）发电机

在风力发电机中，已采用的发电机有3种，即直流发电机、同步交流发电机和异步交流发电机。小型风力发电机多采用同步或异步交流发电机，发出的交流电通过整流装置转换成直流电。

（3）塔架

塔架用于支撑 发电机和调向机构等。因风速随离地面的高度增加而增加，塔架越高，风轮单位面积捕捉的风能越多，但造价、安装费等也随之加大。

（4）调向机构

垂直轴风力机可接受任何方向吹来的风，因此不需要调向机构。对于水平轴风力机，为了得到最高的风能利用效率，应用风轮的旋转面经常对准风向，需要对风装置。常用的调向机构主要有尾舵、舵轮、电动对风装置。

（5）限速机构

当风速高于风力机的设计风速时，为了防止叶片损坏，需要对风轮转速进行控制。（6）贮能装置

贮能装置对独立运行的小型风力机是十分重要的。其贮能方式有热能贮能、化学能贮存。（7）逆变器

用于将直流电转换为交流电，以满足交流电气设备用电的要求。2)大型风力发电机

大型风力发电机组由两大部分组成：气动机械部分和电气部分。气动机械部分包括风轮、低速轴、增速齿轮箱、高速轴，其功能是驱动发电机转子，将风能转换为机械能。电气部分包括异步发电机、电力电子变频器、变压器和电网，其功能是将机械能转换为频率恒定的电能。近年来，又研制成功了直驱式变速恒频风力发电机组（无增速齿轮箱）。风力机与风力发电技术

3.1 风力机与风力发电技术的发展史

风能，是人类最早使用的能源之一。远在公元前2000年，埃及、波斯等国已出现帆船和风磨，中世纪荷兰与美国已有用于排灌的水平轴风车。我国是世界上最早利用风能的国家之一，早在距今1800年前，我国就有风力提水的记载。1890年丹麦的P·拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。自二十世纪初至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段[4]。

随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展，1970年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，到二十世纪六十年代末相继都停止了运转。这一阶段的试验研究表明，这些中、大型机组一般在技术上还是可行的，它为二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。

1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。主要机组容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麦在Vindeby建成了世界上第一个海上风电场，由11台丹麦Bonus 450kW单机组成，总装机4.95MW。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。

目前，已经备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家，主要有丹麦的Vestas（包括被其整合的NEG-Micon），美国的GE风能，德国的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德国著名的Enercon公司。单机额定功率覆盖范围从2MW、2.3MW、3.6MW、4.2MW、4.5MW到5MW。叶轮直径从80m、82.4m、100m、110m、114m、116m到126m。

3.2 风力机的种类

风力发电机是把风能转换为电能的装置，鉴于风力发电机种类繁多，因此分类法也是多种。按叶片数量分，单叶片，双叶片，三叶片，四叶片和多叶片；按主轴与地面的相对位置分，水平轴、垂直轴(立轴)式；按桨叶工作原理分，升力型、阻力型。目前风力发电机三叶片水平轴类型居多。

水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行，如图1所示；垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，如图2所示。国内外风力发电的现状

4.1 世界风力发电的现状

目前，中、大型风力发电机组已在世界上40多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。如表1所示，截止2005年12月31日世界装机容量已达58,982MW，年装机容量为11,310MW，增长率为24%；风力发电量占全球电量的1%，部分国家及地区已达20%甚至更多。2005年世界风电累计装机容量最多的十个国家见表2，前十名合计51750.9MW，约占世界总装机容量的87.7%。

2005年国际风电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋势：有11个国家的装机容量已高于1,000MW，其中7个欧洲国家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙），3个亚洲国家（印度、中国、日本），还有美国。亚洲正成为发展全球风电的新生力量，其增长率为48%[5]。

2002年欧洲风能协会（EWEA）与绿色和平组织（Greenpeace International）发表了一份标题为“风力 12（Wind Force 12）”的报告，勾画了风电在2020年达到世界电量12%的蓝图。报告声明这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界电力需求的增长和电网容量、风电市场发展趋势和潜在的增长率、与核电和大水电等其他电源技术发展历程的比较以及减排CO2等温室气体的要求，论证了风电达到世界电量12%的可能性。报告还指出中国2020年风电装机有可能达到1.7亿千瓦[6]、[7]。

国内风力发电的现状

根据国家气象科学院的估算[8]，我国陆地地面10米高度层风能的理论可开发量为32亿kW，实际可开发量为2.53亿kW。海上风能可开发量是陆地风能储量的3倍。内蒙古 实际可开发量

0.618亿kW 西藏

实际可开发量

0.408亿kW 新疆

实际可开发量

0.343亿kW 青海

实际可开发量

0.242亿kW 黑龙江

实际可开发量

0.172亿kW

2005年中国除台湾省外新增风电机组592台，装机容量50.3万kW。与2004年当年新增装机19.8万kW相比，2005年当年新增装机增长率为254%。

截至2005年底，中国除台湾省外累计风电机组1864台，装机容量126.6万kW，风电场62个。分布在15个省（市、自治区、特别行政区），它们按装机容量排序如表3所示。与2004年累计装机76.4万kW相比，2005年累计装机增长率为65.6%。2005年风电上网电量约15.3亿kW.h[9]。

中国“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”支持1.5~2.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制；1.5~2.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制；1.5MW以上风电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化；1.5MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化；近海风电场建设关键技术的研究；近海风电机组安装及维护专用设备的研制；大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等16个课题的研究[10]。“十一五”末，我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。

4.3小型风力发电机

4.3.1小型风力发电机行业现状

作为农村可再生能源主要支柱之一的小型风力发电行业在2005得到长足的发展，从事小型风电产业的开发、研制、生产单位达到70家。据23个生产企业报表统计，2005年共生产30kW以下独立运行的小型风力发电机组共33,253台，比上年增长34.4%，其中200W、300W、500W机组共生产24,123台，占全年总产量的72.5%；15个单位共出口小型风力发电机组5,884台，比上年增长40.7%，创汇282.7万美元，主要出口到菲律宾、越南等24个国家和地区。并且，由于汽油、柴油、煤油价格飞涨，且供应渠道不畅通，内陆、江湖、渔船、边防哨所、部队、气象站和微波站等使用柴油发电机的用户逐步改用风力发电机或风光互补发电系统。

4.3.2 小型风力发电机行业发展趋势

1)由于广大农牧民生活水平提高、用电量不断增加，因此小型风力发电机组单机功率在继续提高，50W机组不再生产，100W、150W机组产量逐年下降，而200W、300W、500W和1kW机组逐年增加，占总年产量的80%。

2)由于广大农民迫切希望不间断用电，因此“风光互补发电系统”的推广应用明显加快，并向多台组合式发展，成为今后一段时间的发展方向。

3)随着国家《可再生能源法》及《可再生能源产业指导目录》的制定，相继还会有多种配套措施及税收优惠扶植政策出台，必将提高生产企业的生产积极性，促进产业发展。

4)目前我国尚有2.8万个村、700万户、2,800万人口没有用上电，且分散居住在边远山区、农牧区、常规电网很难达到，有关专家分析700万无电用户中、300万户可用微水电解决用电，而400万户可以用小型风力发电或风光互补发电，满足农牧民用电需要[11]。4.3.3浓缩风能型风力发电机

浓缩风能型风力发电机由内蒙古农业大学新能源技术研究所研制，已获得中国实用新型专利（专利号：ZL94244155.9）。该型风电机组将稀薄的风能经浓缩风能装置加速、整流和均匀化后驱动叶轮旋转发电，从而提高了风能的能流密度，降低了自然风的湍流度，改善了风能的不稳定等弱点，提高了风能品位，降低了风电度电成本。该风力发电机具有的切入风速低、发电量大、噪音低、安全性高、寿命长、度电成本低等特点。浓缩风能型风力发电机可独立运行、风光互补运行、多机联网运行和并入低压电网运行。现已研制开发的系列产品有200W、300W、600W、1kW、2kW等机组。浓缩风能型风力发电机经过中试后，可以向中、大型机组发展。这种新型风电技术在中国和世界的应用，将有效地提高风电系统的供电水平和质量，有效地利用低品位的风能，提高风电商品竞争力，具有重要的经济益和生态环保效益[12]。结

论

在今后的20年内，国际上风力发电产业将是增长速度最快的产业，风力发电技术也将进入快速发展的黄金时期；在中国，并网型风力发电机组装机容量增长速度将明显加快，令世界瞩目，离网型风力发电机组发展的地域广、潜力大，装机总容量最终将超过并网型风力发电机组。

田德，吉林松原人，1958年8月生。内蒙古农业大学教授，华北电力大学教授，博士生导师。1985年赴日本留学，1992年9月获得日本明星大学电气工程学博士学位。现任中国农业工程学会理事、中国太阳能学会理事、《太阳能学报》编委、全国“百千万人才工程”第一、二层次人选。享受国务院政府特殊津贴。省级中青年突贡专家。省级优秀留学回国人员。主持完成的项目获内蒙古自治区科技进步一等奖1项，已获得中国实用新型专利1项。正申请国家发明专利3项。发表研究论文50余篇，多篇被EI收录。主持完成和正在主持的科研项目有：3项国家自然科学基金资助项目、3项国际合作项目、1项国家“十一五”科技攻关项目、9项省部级项目、3项横向项目。现从事离网型风力发电系统、并网型风力发电系统和可再生能源利用的研究。

[参考文献] [1]贺德馨.2020年中国的科学和技术发展研究[J].科技和产业,2004,4(1):36.[2][法]D·勒古里雷斯(著),施鹏飞(译).风力机的理论与设计[M].北京:机械工业出版社,1987:31~33.[3]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社,2006:11~13.[4]陈云程,陈孝耀,朱成名,等.风力机设计与应用[M].上海:上海科学技术出版社,1990:1~11,48~51 [5]世界风能协会.2005年全球风能统计[J].中国风能，2006（1）：17~20

[6] The European Wind Energy Association, Greenpeace International.Wind Force 12.2002.http://，2006.12.17.[11]李德孚.2005年小型风力发电行业现状与发展[J].中国风能,2006,(2):9～11 [12]田

德,王海宽，韩巧丽.浓缩风能型风力发电机的研究与进展[J].农业工程学报(增刊)，中国农业工程学会第七次全国会员代表大会暨学术年会论文集，2003,19:177～181.