作者：

方鯤1 劉康1 馬力1

1.北京碳復科技有限公司

序言

近年來，海上風力發電為中心的風車葉片的大型化和提高風力發電機組的利用率是大勢所趨。為此開展了以提高風力發電設備利用率為目的，實現成電葉片輕量化的技術研發。特別是，如何提高風電傳動系統的可靠性和使用壽命是首要目標，所以結合樹脂和成型方法的改進，開發葉片輕量化的技術。

高可靠性風電葉片材料的開發

在現在的風力發電機組中，葉片的大型化是提升單機容量的關鍵，也是提高發電效率的重要路徑。隨著風電系統的大型化，葉片也成比例地變長，但由于其重量與轉子直徑的成3次方比例地變重，所以對風電系統來說是很大的負擔，有可能因發電效率降低或傳動系統的負荷增加而導致故障增加。因此，要求將由玻璃纖維/環氧樹脂組成的增強纖維復合材料（以下稱為FRP）構成的葉片的機械強度維持為與現行產品相同，同時實現葉片的輕量化。為此，需要提高FRP的強度，但目前使用的FRP是玻璃纖維捻合而取向性低，尚達不到所期待的強度要求。

因此，通過使玻璃纖維在取向的狀態下固化，開發出含有高強度且實現輕量化的高取向玻璃纖維樹脂（高取向FRP）是主要目標（如圖1）。

圖1高取向FRP的成型示意圖

為了制造該高取向FRP，在保持張力的狀態下用樹脂進行固化，因此速固化技術成為關鍵，應用特殊光的固化技術和低溫速固化技術，實現葉片的高強度化和輕量化目標。另外，通過開發上述樹脂及成型方法，不是以往的勞動集約型的VaRTM成型，而是不依賴人力的自動化和機械化。

高信賴性風電葉片

3.1高強度樹脂的開發

在高強度樹脂開發中，應用了具有的特殊光固化技術和低溫速固化技術，開發了特殊改性環氧樹脂材料PMX，其混合粘度、固化時間如表1所示，樹脂物性如圖2所示。

表1樹脂的代表特性（混合粘度、固化時間）

圖2樹脂的物性

 

3.2特殊光快速固化系統的開發

在PMX開發過程中，特別對特殊光的快速固化進行了研究。為了利用特殊光使FRP固化，如果僅加熱表面，則會產生未固化部分，有可能無法保持玻璃纖維的取向性，因此從樹脂內部加熱并固化變得尤為重要。通過利用抑制對表面對流加熱的特殊光，利用從PMX所具有的內部發熱的特征，可以實現快速固化，其固化性的評估如圖3所示。

圖3特殊光的固化性能評估

3.3高取向FRP成形裝置的成型研究

如上所述，高取向FRP成型裝置是在對纖維施加張力的狀態下，將浸漬樹脂的纖維固化的裝置，成型裝置如圖4所示。

圖4高取向FRP成型裝置

在本裝置中，將“玻璃纖維的開纖”、“纖維的取向”、“樹脂浸漬”、“利用紅外線的樹脂固化”作為一個循環的成型過程，通過反復進行該工序并重疊層疊，能夠自動化的完成成型。我們使用開發的速固化樹脂PMX，利用高取向FRP成型裝置開展成型研究。其結果，通過90ply的層疊，成功地制作了厚度為50mm的FRP（圖5），FRP的纖維體積含有率Vf為約60%，得到不遜色與通過VaRTM成型的FRP。

圖5高取向FRP（90層疊層）

3.4高取向FRP的物性

針對制作的高取向FRP實施各種靜強度試驗，其與標準FRP的結果比較如圖6~圖8所示。

圖6拉伸強度測試

圖7彎曲強度測試

圖8壓縮強度測試

由圖可知高取向FRP的拉伸、彎曲、壓縮強度與標準FRP相比分別為1.4倍、2.2倍、2.4倍非常高的強度（如圖6~8）。特別是關于彎曲強度，測量值約1800MPa，基本上與CFRP同等的強度（1600~200MPa）（如圖7）。上述結果表明，纖維的高取向化對FRP的高強度化有很大貢獻。另一方面，在本成型法中，由于包含層疊工序，有可能會影響層間剪切強度，但從圖9可以看出，與標準FRP相比顯示出非常高的值，層間密合性也沒有受大的影響。

圖9層間剪切強度測試

由于風電系統的葉片等結構物承受連續疲勞負荷，因此抗疲勞特性也是FRP的重要因素。為了研究高取向FRP的抗疲勞特性，對產品進行了拉伸疲勞試驗（圖10）。其結果表明，與標準FRP相比，高取向FRP的S-N曲線平緩，而且在重復最大應力相同的情況下，直到斷裂為止的重復次數也較大，因此具有優異的抗疲勞特性。

圖10疲勞強度試驗

3.5高強度化的因素

如上所述，高取向FRP與標準FRP相比，靜強度和抗疲勞特性都顯示出優良的特性。為了確定其原因，對試驗片進行X射線CT掃描，調查高取向FRP的成型狀態。

首先，將FRP成型物的纖維的取向程度標準FRP和高取向FRP進行比較（圖11）。在標準FRP中，纖維以波浪起伏的狀態成型，但在高取向FRP中，可以確認纖維相對筆直地取向。使用單向纖維布的FRP在拉伸方向上相對于纖維方向的角度越大，其強度越低。因此，通過在高取向FRP中消除在標準FRP中看到的纖維皺褶，可以提高強度。

圖11 X射線觀察的纖維取向

然后，對FRP成型物的截面進行觀察，確認纖維的分散度（圖12）。在標準FRP中，由于使用單向GF布料，所以觀察到成纖維束的部分和僅樹脂的部分。與此相反，在高取向FRP中纖維均勻地分散。在高取向成型工序中，為了發現纖維取向性，包含了纖維開纖工序，所以纖維得以均勻的分散。

圖12 X射線觀察的FRP斷面

在高取向FRP中，由于纖維分散，施加在纖維上的負荷被均勻地分散，在絲束上承擔負荷，從拉伸試驗后的試驗片破壞方式可以看出其強度變高（圖13）。在標準FRP中，發生纖維束的破壞，而在高取向成型中，是每一根纖維發生了細小的破壞，這意味著在高取向FRP中，是整個絲束承受負荷。

圖13拉伸試驗后的斷裂的樣子（左：標準FRP，右：高取向FRP）

盡管高取向FRP包括層疊工藝，但顯示出高的層間剪切強度。在對實施層間剪切試驗后的斷裂試驗片截面進行X射線掃描后發現，在標準FRP中，龜裂筆直地發生在層間并擴展直至破壞，與此相反，在高取向FRP中，看不到明確的層，龜裂是不規則地發展直至破壞（圖14）。從以上的結果可知，在高取向FRP中，分層消失，所以層間剪切強度得到提高，但分層消失的原因目前尚不明確，需要進一步的研究。

圖14層間剪切試驗后斷面（X射線）

3.6葉片輕量化模擬

本項目開發的高取向成形FRP對風力發電葉片的輕量化有多大貢獻，對作為風力發電機葉片的橫梁蓋在實際應用時葉片輕量化進行了模擬。具體而言，以Vestas V661、750kW風車的33m葉片為對象，實施了通過減少橫梁蓋的厚度來優化層疊結構。為了優化，使用結構分析工具Co-Blade，在結構的限制條件（拉伸、壓縮、剪切壓曲強度）和翼端的撓曲以及葉片固有頻率的限制條件下，改變葉片內部結構（結構部件的寬度厚度、形狀），進行質量的最小化。

結果表明，與使用標準FRP的情況相比，葉片重量從6.1t降低20%至4.9t（圖15）。另外，以最優化得到的層疊結構、厚度為基礎，構筑葉片的有限元模型，進行基于FEM的線性壓曲分析，結果表明，與使用標準FRP的葉片相比，壓曲強度是標準FRP的約3倍。從以上結果可知，高取向FRP對今后大型化的風力發電機葉片的輕量化有很大的貢獻空間。

圖15最優化葉片重量

3.7 30kW風力發電機葉片的實地試驗

為了實地驗證上述模擬的結果，對30kW風電用葉片進行了實地驗證。成型后葉片的參數如表2所示。

•  
• 30kW風電葉片
• 葉片長度
• 約5m
• 重量
• 約54kg
• 固有頻率
• 約6Hz

表2 30kW風力發電機用葉片

圖16 30kW風力發電機組葉片（左：壓力面和吸力面，右：涂裝后葉片）

作為成形的葉片的耐久性評估，對風速50m/s時施加在葉片上的載荷進行FEM分析（圖17），使用圖18所示的裝置對其算出的載荷實施靜載荷試驗。

圖17 30kW風力發電機組葉片的有限元分析

圖18 30kW風力發電機組葉片的靜態負載試驗模擬

在風速50m/s時的負荷下未觀察到損傷，即使施加約3倍的負荷也未觀察到葉片的損傷。得到了與3.6項所進行的模擬結果大致相同的結果，與以往的樹脂材料制成的風車葉片相比，不僅增加了強度，而且實現了輕量化。

圖19實際試驗的30kW風力發電機組

結束語

本研究開發了一種能夠在高取向狀態下成型纖維的裝置，采用此裝置可以得到比標準FRP強度高的高取向FRP。此外，通過將高取向FRP應用于MW級風力發電機組的葉片，可以實現葉片的20%輕量化、提高壓曲強度。

參考文獻

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2）（株）ADEKA森野一英稻留將人藤田直博，（株）ー助宗剛木村學，高強度?速固化FRP用環氧樹脂組合物的開發，第7回日本復合材料會議1D-11,1D-14.（2016）

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