关键词：复合材料；风电叶片；分段组装技术发展现状
引言
风能作为清洁、可再生能源的一员，具有容量大、开发和维护成本低的优势。近年来，在全球范围内得到了大规模发展。全球风能理事会统计数据表明风能已经成为全球能源结构的重要组成部分，对缓解环境污染发挥着越来越重要的作用。风电叶片作为风电机组的关键部件是能量吸收的载体，占据机组约20%的成本，同时，也是风电机组载荷的主要来源，风电叶片的强度和可靠性对风电机组的寿命和能量输出至关重要。
1复合材料概述
复合材料是由包含两种及以上的材料通过各种手段而合成的材料。ISO对复合材料进行了界定，除了字面上的两种以上材料各自的特点之外，复合材料还对组成材料的性能进行了界定，即材料必须在化学意义上或者在物理意义上有所区别，同时必须是多相固体。多相固体指的就是拥有两种不同功能的固体，这种功能不是我们传统意义上指的使用功能，而是一个部分起到复合效应，另一部分起到传递应力的作用。也就意味着，科研人员要想设计出性能较强的复合材料，需要付出更多的努力和实验，才能改善材料的物理及化学性能。为了便于理解碳纤维复合材料，在此对复合材料的发展史进行简单的说明。实际上，早在远古时代，世界上就已经拥有复合材料，那就是植物的自生长长纤维增强复合材料，这种复合材料多见于树木中，在竹子中也很常见，但是受到当时技术限制，这种复合材料的使用基本上不发生化学上的改变，一般只是物理性能上的叠加。在当时人口并不密集的社会中，自生长的长纤维增强复合材料并未被大范围应用。原始人摆脱了居住山顶和岩洞的习惯，开始居住房屋，用于房屋建筑的稻草和黏土就成为了另一种需要人工参与制作的复合材料。后来随着人类智慧的开发，越来越多性能更强的复合材料被应用于社会生产和生活中。在接下来的20世纪40年代，出现了一种具有革命性的代表型复合材料，它的出现为复合材料的发展画上了浓墨重彩的一笔，即玻璃纤维增强符合材料，随后又出现了硼纤维和碳纤维等，使得复合材料得到了进一步的发展与应用。
2自动化智能化制造技术
2.1智能温控模具技术
模具是成型叶片的关键，现有叶片模具加热方法通常为电加热或水加热。电加热重量轻、升温快，容易实现灵活控制;水加热成本低、温度控制能力较稳定;但这两种传统加热方法均具有不能实时反映模具工作面温度的缺点。在叶片的成型过程中，特别是固化阶段，模面温度的精确程度会直接影响叶片材料的最终性能。如果叶片固化温度过低、固化度不够，会导致产品性能无法满足设计要求;而温度过高又可能加剧树脂的反应，导致放热集中，严重的甚至会导致模具或产品的报废。因此可进行温度智能控制和调节的模具是确保风电叶片生产可靠性的关键。设计了一种风电叶片模具智能电加热控制设备，该系统主要由中央处理设备、电热丝、温度探头、功率控制设备等组成。该系统通过将电阻丝纵向、分段布置于模具夹层内，并在模具工作面下部装有若干温度探头的方法，实现模具分段加热和模具各点温度实时监测，最后通过中央处理设备可实时实现远程监测、控制。该装置可以远程控制模具面上各点的温度、加热时间、升温速率。但通常此方法由于采温点较多，控温复杂，温控受到元器件质量及性能影响较大。在水加热智能模具中，构建了一种不同于以往加热方式的风电叶片模具智能水加热控制系统，该系统基于Bang-Bang算法和自适应模糊控制理论控制，主要由可编程逻辑控制器(PLC)、内部含有可控硅移相触发板和可控硅等的可调功率水加热器及终端设备组成。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其基本原理如下:可调功率水加热器将水加热，加热的水在模腔内部铺设的散热管内快速流动、循环;叶片模具根部的传感器将温度反馈给控制系统后，控制系统通过电压模拟信号控制和改变加热器可控硅的导通角，实现模腔水温的实时调节功能。通过控制器、触摸屏及计算机终端设备之间的通讯，实现数据共享及网络信息化。
2.2预浸料铺放技术
随着风电叶片大型化、轻量化的发展，碳纤维已成为叶片应用的趋势。与玻璃纤维主梁设计相比，如使用碳纤维主梁设计的70m左右的风电叶片，其重量可降低约30%。但碳纤维由于其固有特性，如采用真空灌注，其产品浸润缺陷不易辨别，质量控制上有较大难度。使用碳纤维预浸料工艺制作主梁风险低、更稳定可靠。碳纤维预浸料自动控制技术可实现预浸带定位、切割、铺放等功能，可节约制造成本，大幅降低材料的废品率，特别适合平面或小曲率曲面构件的自动化成型。其主要工艺为:采用龙门或卧式多轴机械臂对铺带位置进行控制、自动定位;铺设头按程序自动完成预浸带输送、剪裁;加热辊加压铺叠在模具上等。但目前此技术由于设备昂贵等多重因素通常在航空制造领域应用较多，叶片上暂时还无法应用。目前叶片碳纤维预浸料通常采用特定简易工装工具进行铺设，该工装在铺设过程中起到定位和保证铺设质量的作用。由于主梁是扭角变化的，为避免铺设位置有偏差，铺设工具行走路径的设计很重要，应确保工装的行走路径与主梁的扭角变化相匹配，使每层预浸料以对称中心重合的方式铺放在模具上。
2.3管式连接
管式连接原理是采用粘合剂或真空灌注增强纤维树脂或其他连接部件将相匹配的阴阳管梁牢牢地相互固定在一起，实现分段叶片的连接。这种连接形式有效地增大了接触面积，能够保证分段叶片的牢固连接。这种连接件结构单一，如果粘结过程中阴阳管梁没有充分接触，会造成局部承载过大，因此对连接工艺提出了很高的要求。同时，这种单一的结构一旦失效将面临整个叶片连接结构的破坏，存在不可控的安全风险。
2.4胶接
胶接主要依靠胶粘剂粘结而不是机械连接。将两段分段叶片端对端连接，叶片段在成型时包含有楔形连接区域，楔形区域内充满胶粘剂，然后将相应的上、下部连接件施加于分段叶片的楔形连接带。一旦连接，连接带就会形成很多嵌接或锥形连接形成的胶接，可以有效地传递分段叶片之间的荷载，且不会对叶片的气动性能产生不利影响。这种方法也被广泛应用于大型飞机的复合材料主承力件中。当然，这种分段叶片连接形式也会存在一些问题，比如，粘结过程中局部会出现气泡、中空以及粘结层厚度不均等，这些都会引起连接强度的不足。
结语
综上所述，使用传统的材料制作风电叶片会出现风力发电效率降低的问题，特别是在恶劣天气中，其发电质量也比较差，由于碳纤维复合材料具有高耐久性和耐热性，以及较强刚性等特点，将其应用于风电叶片中，能够有效提升风力发电设备的工作效率，同时，发电的质量和利用率也有所提升，未来随着科技的发展，碳纤维复合材料将会在风力发电领域得到更广泛的应用。
参考文献
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论文作者:王玉红 张金玲 姜岩岩 白杨
论文发表刊物:《科学与技术》2019年20期
论文发表时间:2020/4/17
标签：叶片论文; 复合材料论文; 风电论文; 模具论文; 碳纤维论文; 温度论文; 材料论文; 《科学与技术》2019年20期论文;