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碳纤维在风电叶片中的应用

2012-07-11 16:43
FlappyBird
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  (1)提高叶片刚度,减轻叶片重量

  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至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120米的风机的叶片,由于梁的质量超过叶片总质量的一半,梁结构采用碳纤维,和采用全玻纤的相比,重量可减轻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两倍。据分析,采用碳/玻混杂增强方案,叶片可减重20~30%Vesta Wind System公司的V90 3 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 2 MW 发电机且为39米长的叶片质量相同。同样是34m长的叶片,采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量5800kg,采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量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玻璃纤维的轻约32%,而且成本下降约16%。表2所示为玻纤和碳纤及复合材料性能比较。图5为完全碳纤维叶片和目前欧洲商业化的叶片重量比较。

  (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24小时的处于工作状态。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出众的抗疲劳特性,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,叶片重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和更均衡,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轮上,叶片的角度可调。目前主动型调节风机(active utility-size wind turhines)的设计风速为13 to 15m/sec(29 to 33mph),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用系统(the pitch control system),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(“adzptive”blade)研究,使1.5W风能从每kwh5美分降到4.9分,价格可和燃料发电相比。

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