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FRP在大型风力发电机叶片中的应用

2012-07-11 16:13
Hsiao Chen
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  随着世界石油资源的日益匮乏,风能作为一种清洁的可再生能源而逐渐被人们重视。开发和利用风能资源不仅可以为21世纪寻找新的替代能源,而且有利于环境保护。

  我国风电产业发展到现在经历了一个由小到大、由慢到快的过程。从20世纪70年代研制成功1KW小型风力发电机组样机,到1998年的国家“乘风计划”揭开了大型风电机组国产化的序幕;从1986年我国第一个风电场在山东荣成并网发电,到2006年底建成了91个风电场;从1999年着批国产化600KW风电机组在达坂城风电一场投入运行,到2005年研发MW级国产化风电机组样机;从2004年总装机容量76.4万KW到2006年底总装机量258.9KW,由此不难看出,我国风电产业在这20多年中逐渐发展、前进、壮大。

  近年来,风电机组技术改进的主要方向是降低制造成本、提高单机容量、提高风能转换效率、实现自动控制等。目前主流风电机组的单机容量为1.5~2.0MW,容量越大,发电效率越高,技术难度越大。而国外正在开发、应用的机组单机容量为3~5MW。美国NREL(国家可再生能源实验室)2004年的报告认为在2012年之前,价格上有竞争力的风机产品,陆地为2~5MW,海上风电场(近海)为5MW以上。2003年德国Eneroon公司安装了第一台4.5MW的风电机组样机。

  风力发电机叶片是接受风能的最主要部件,也是风力发电机中最基础和最关键的部件。其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。纤维增强塑料(FRP)以其轻质、耐腐蚀和高拉伸弹性模量一直是风力发电机叶片最常用的材料,是复合材料成功应用的典型大型构件。

  1 制造风机叶片的主要材料

  叶片是风力发电机组的重要构件。它将风能传递给发电机的转子,使之旋转切割磁力线而发电。为确保在野外极其恶劣环境中长期不停、安全地运行,对叶片材料的要求是:①密度小且具有最佳的疲劳强度和力学性能,能经受住极端恶劣条件和随机的负荷(如暴风等)的考验,确保安全运转20年以上;②成本(精确说为分摊到每度电的成本)低;③叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲红都正常,传递给整个发电系统的负荷稳定性好;④耐腐蚀、耐紫外线(UV)照射和抗雷击性好;⑤维护费用低。

  FRP完全可以满足以上要求,是最佳的风力发电机叶片材料。

  1.1

  目前商品化的大型风机叶片大多采用玻璃纤维增强塑料(GFRP)制造。GFRP叶片的特点为:

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