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風電葉片的復合材料風電葉片的發展現狀

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風電葉片的復合材料風電葉片的發展現狀

發布日期:2018-04-25 作者: 點擊:

風電葉片

復合材料在風力發電中的應用主要是轉子葉片、機艙罩和整流罩的制造。相對而言,機艙罩和整流罩的技術門檻較低,生產開發的難度不大。而風力發電機轉子葉片則是風力發電機組的關鍵部件之一,其設計、材料和工藝決定風力發電裝置的性能和功率。


在風力發電機興起100多年的歷史里,葉片材料經歷了木制葉片、布蒙皮葉片、鋁合金葉片等。隨著聯網型風力發電機的出現,風力發電進入高速發展時期,傳統材料的葉片在日益大型化的風力發電機上使用時某些性能已達不到要求,于是具有高比強度的復合材料葉片發展起來。現在,幾乎所有的商業級葉片均采用復合材料為主體制造,風電葉片已成為復合材料的重要應用領域之一。


采用復合材料葉片主要有以下優點:

①輕質高強,剛度好。眾所周知復合材料性能具有可設計性,可根據葉片受力特點設計強度與剛度,從而減輕葉片重量;

②葉片設計壽命按20年計,則其要經受108周次以上的疲勞交變,因此材料的疲勞性能要好。復合材料缺口敏感性低,內阻尼大,抗震性能好,疲勞強度高;

③風力機安裝在戶外,近年來又大力發展海上風電場,要受到酸、堿、水汽等各種氣候環境的影響,復合材料葉片耐候性好,可滿足使用要求;④維護方便。復合材料葉片除了每隔若干年在葉片表面進行涂漆等工作外,一般不需要大的維修。


2.1復合材料葉片的材料體系風力發電機葉片是一個復合材料制成的薄殼結構,一般由根部、外殼和加強筋或梁三部分組成,復合材料在整個風電葉片中的重量一般占到90%以上。復合材料葉片發展之初采用的是廉價的玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂體系,直到今天這仍是大部分葉片采用的材料。隨著葉片長度的不斷增大,這種體系在某些場合已不能滿足要求,于是很自然地,性能更優異的增強材料—碳纖維進入了葉片生產者的視野。文獻[6,7]探討了碳纖維的添加對于復合材料葉片的影響。


一般認為,22m以下的葉片采用玻璃纖維,而大于42m的葉片則采用碳纖維或碳玻混雜纖維[8]。樹脂基體方面,聚酯樹脂價格低廉,成型工藝性好,但性能一般,環氧樹脂則剛好相反,性能較優但價格較高且工藝操作性不好,所以目前成本和性能等介于二者之間的乙烯基樹脂被一些葉片制造商大量采用。鑒于目前國際上碳纖維價格居高不下,有些人認為在葉片生產中采用碳纖維太過昂貴,不應采用,實際上并非如此,一方面由于葉片長度的增加,其對剛度的要求也更加嚴格,在更大尺寸葉片的制造上,單純的玻璃纖維已不能滿足要求,碳纖維的剛度大約是玻纖的3倍,制成的復合材料剛度約是玻璃鋼的兩倍,從這個意義上說碳纖維的引入是必要也是必須的;另一方面,由于葉片尺寸的加大,其質量也越來越巨大,高性能碳纖維的引入可以在很大程度上實現葉片的減重,而隨著葉片重量的減輕,旋翼葉殼、傳動軸、平臺及塔罩等也可以輕量化[9],從而可整體降低風力發電機組的成本,抵消或部分抵消碳纖維引入帶來的成本增加。隨著大型、超大型海上風力發電機的制造和陸續投入運行,碳纖維在風電葉片上大規模應用的時代已為時不遠。


2.2復合材料葉片的制造工藝現在的葉片成型工藝一般是先在各專用模具上分別成型葉片蒙皮、主梁及其他部件,然后在主模具上把兩個蒙皮、主梁及其它部件膠接組裝在一起,合模加壓固化后制成整體葉片。


具體成型工藝又大致可分為七種[10]:

①手糊;

②真空導入樹脂模塑(VIP);

③樹脂傳遞模塑(RTM);

④西門子樹脂浸漬工藝(SCRIMP);

⑤纖維纏繞工藝(FW);

⑥木纖維環氧飽和工藝(WEST);

⑦模壓。上述工藝中,①、④、⑤和⑥是開模成型工藝,而②、③和⑦是閉模模塑工藝。傳統的葉片生產一般采用開模工藝,尤其是手糊方式較多,生產過程中會有大量苯乙烯。


本文網址:http://www.qskv.top/news/367.html

關鍵詞:風電葉片,復合材料,風機

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