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大型风机叶片材料的应用和发展

2012-07-10 15:39
野明月
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  1 概述

  风能作为一种清洁的可再生能源,其开发潜力已被世界各国所认可。到2006年底,风电发展已涵盖世界各大洲,装机容量已达7422万kW,比上年增加1520万kW,增长25.6%,并继续呈现快速增长趋势,从图1中2006年世界新增装机容量的国家分布情况可见一斑。来自电力部门的数据显示,截至2006年底,我国风电装机总容量已达到260万kW,新增装机容量约134万kW,比2005年增长105%。根据我国最新公布的《可再生能源中长期发展规划》(以下简称《规划》),今后一个时期,风能将成为我国可再生能源发展的重点之一,到2010年,全国风电总装机容量达到500万kW,到2020年,全国风电总装机容量达到3000万kW。按照《规划》,未来15年间,我国风电年均增速1.52倍。新能源政策的实施和风电行业的快速发展,为我国风电事业的发展带来了机遇和挑战。作为风力发电装置最关键最核心的部件-叶片,其设计与选材决定着风力发电装置的性能与功率,是保证机组正常稳定运行的重要因素,其成本也占到了风机设备的20~30%。因此,提高叶片的综合性能、降低发电成本对叶片的设计和选材提出了更高的要求。本文就叶片的选材进行了探讨,提出了叶片材料发展的相关建议。表1所示为国内外各主要风机厂叶片占风机设备成本的情况。

  2 叶片材料的应用和发展

  风力发电机组在恶劣的环境中长期不停运转,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侵蚀。在风力发电初期,由于发电机功率小,所需的叶片尺寸也小,其质量分布的均匀性对发电机和塔座的影响并不明显。叶片的类型主要有木制叶片、布蒙皮叶片、钢梁玻璃纤维蒙皮叶片、铝合金等弦长挤压成型叶片等。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叶片也越做越大,叶片的质量也越来越大,对叶片的要求也越来越高:质量轻且分布均匀,外形尺寸精度控制准确;具有最佳的疲劳强度和机械性能,能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验;叶片旋转时的振动频率特性曲线正常,传递给整个发电系统的负荷稳定性好;耐腐蚀、抗紫外线照射和抗雷击的性能好;发电成本较低,维护费用最低[7]。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、耐蚀性好、具有可设计性的复合材料是目前大型风机叶片的首选材料。

  2.1 玻璃纤维复合材料叶片

  玻璃纤维增强聚脂树脂和玻璃纤维增强环氧树脂是目前制造风机叶片的主要材料,E-玻纤则是主要的增强材料。美国的研究表明,采用射电频率等离子体沉积去涂覆E-玻纤,可降低纤维间的微振磨损,其耐拉伸疲劳强度就可以达到碳纤维的水平。为了更好的发挥E-玻纤在结构中的强度和刚度作用,使其能与树脂进行良好匹配,目前已经开发了单轴向、双轴向、三轴向、四轴向甚至三维立体结构等编织形式,以满足不同的需要,使灵活的结构设计得到更好的体现。但是,E-玻纤密度较大,随着叶片长度的增加,叶片的质量也越来越重,如图2所示,完全依靠玻璃纤维复合材料作为叶片的材料已逐渐不能满足叶片发展的需要。例如,采用玻璃纤维增强聚酯树脂作为叶片用复合材料,当叶片长度为19m时,其质量为1.8t;长度增加到34m时,叶片质量为5.8t;如叶片长度达到52m,则其质量高达21t[10]。叶片越重,对发电机和塔座要求就越高,同时也影响到发电机组的性能和效率,因此,需要寻找更好材料以适应大型叶片发展的要求。

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