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国外兆瓦级风机叶片制造技术动向

2012-07-10 15:37
龙凰
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  风力发电依靠涡轮机完成,其中配套涡轮机的FRP复合材料叶片是重要的零部件,其占整个风电设备成本的20%左右。叶片的设计、选材和工艺又是决定风电装置性能与功率的主要因素,以及风力发电的单位成本。纵观全球叶片技术的发展趋势,并兼顾风机效能和降低成本两因素,叶片的制作正向大型化发展。单机功率愈大,每KW的发电成本就愈低。因此全球风电设备都在向兆瓦级大功率和长叶片方向开发。

        典型的丹麦LM公司是全球风力发电最大的集团,具有25年的生产实践经验。其叶片月产达7000片以上,已在中国天津设厂。LM公司也是全球唯一有In-House测试能力的公司,可针对其叶片进行Full-Scale的测试,所有的新设计叶片均可通过20年运转状况的测试才能获准投产。这些测试项目包括静态、动态、雷击测试等,其测试设备中的激光扫描仪,更为叶片提供精确的几何数据。LM公司目前生产最长的叶片为61.5m,是全球最长的叶片,重量为17.7吨,材质为环氧基玻纤增强复合材料,叶端等处采用碳纤,已按装在芬兰REpower公司的5MW海上风机上。LM公司叶片制造技术包括多功能机械手铺设玻纤,以提高铺设进度25%;在螺栓的支撑力上进行创新,可增加叶片20%的长度;采用RIM法缩短树脂渗透时间15-20%;以FRP模具取代钢模,实现低成本。可以认为,LM的兆瓦级叶片的设计,制造技术是全球最先进,最富竞争力的。

  在叶片设计上,LM公司还在10年前推出了一种新型具有弹性挠度的叶片概念,简称为预弯型叶片。该叶片在叶尖部分向外弯曲,使叶片在转动状态下,甚至处于强风时还能与塔体保持一定距离,避免叶片撞击塔架。预弯型叶片因其许可弯曲量变大,刚度相当,从而材料用量减少,重量减轻,而获取更多的风能。据有关方面透露,这种预弯型叶片与标准型叶片相比,风场在2.6m/秒风速条件下即可起动。LM公司设计的这种预弯型叶片于2004年在中国申请了发明专利。另据了解,LM公司与GE公司合作的项目中对开发加长叶片增加电量进行案例分析测定。GE公司用40.3m长的叶片替换了原有1.5MW风机上的37.5m长的叶片,结果标明发电量增加7%,究其原因是其外圆扫风面积比内圆扫风面积增加了14.8%。(附效果图)

  为降低发电成本,除叶片设计外,材料和工艺成型日新月异,通过材料和工艺的选择达到轻量化和功能化,从而提高风能的效能。叶片制造通常经过五个步骤完成:叶梁→叶片分瓣外壳→组装粘结→固化加热硬化→离模后装修磨光处理。从1992~1999年,欧洲风电单机平均功率为200~700kw,叶片长度从12m~22m。2000年开始,单机功率增至900kw,叶片长度达25m。这两年单机功率由1~2.0MW以上发展,叶片长度达到40m,当前研发正朝着3-5MW,叶片长度向50~60m迈进。

  制造叶片的材料工艺对其成本具有决定性,因此,材料的选择,制作工艺的优化十分重要,通常材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料,目前最普通采用的是GF/UP、GF/VE、GF/EP。随着发电机功率的增大,叶片长度不断加长,因此必须使用先进的材料来减轻重量,以达到轻质高强和高刚性。

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