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FRP在大型风力发电机叶片中的应用

放大字体 缩小字体 发布日期:2018-09-04 22:23:13   来源:新能源网  编辑:全球新能源网  浏览次数:382


  由于风力发电每千瓦成本随风力发电的单机功率的增大而降低,因此风力发电的单机功率一直在不断增长,叶片的长度也在不断增加。1992~1999年,欧洲风力发电的单机功率从200KW增加到700KW,叶片的长度则由12m增加到22m。1999~2000年,风力发电的单机功率平均增长到900KW。目前国内风力发电机单机功率为1.5MW左右,叶片长度为34~37m;在国外,20~35MW的风机已经成功装机,长度为50~60m的叶片已研制成功并准备大规模安装。世界上风力发电叶片最大的制造商LM Glasfiber公司关闭了一个位于丹麦Jutland的叶片生产厂,而该厂是专业生产长度小于24m的风机叶片的厂家。宣布关闭厂房的原因是市场对风机叶片的需求已经不再是24m以下的小叶片,而是大功率的叶片。更大型、性能更好的机组也已开发出来并投入生产运行,如丹麦新建的几个风电场,单机容量都在2MW以上;摩洛哥在北方脱莱斯建造的风电场采用的风电机组功率达到2.1MW。

  随着海上风电场的建设,需要单机容量更大的机组。预计2010年将开发出10MW的风电机组。

  3.2 FRP叶片不断更新设计

  由于风力发电向大功率、长叶片方向发展,除了要求提高材料的性能之外,叶片结构更要不断地更新设计。比如,为了保证叶片与塔柱的间隙,除了提高叶片材料的刚度外,从设计角度可以在风力作用的反方向将叶片设计成预弯曲外形,然后在风力作用下使预弯曲叶片变直。又如,在叶片结构设计中采用“弯曲·扭转”耦合效应,实现控制载荷和应力,最终达到降低载荷峰值并减少疲劳破坏的目的。

  目前市场上的风机叶片基本上是预扭结构,这样可以使叶片在工作时能使所有旋转部位都较大的升阻比(升力系数与阻力系数之比)。同时为了工艺方便,基本上都是沿着叶片轴向铺设纤维。

  “弯·扭”耦合是当今风力发电机FRP叶片结构设计的主要思想。为了提高叶片的性能,很多人提出了沿叶片长度方向偏置一定角度铺设单向CF层,称之为“偏轴CF”,这样可以通过“弯·扭”耦合效应使结构的最大应力方向与CF的铺层方向一致,发挥CF拉抻强度高的优点,提高结构的安全性。但是这种结构设计也带来了一定问题其一是偏轴纤维铺层比较困难;其二是偏轴纤维会在蒙皮的结合部位发生断层和扭曲,这会大大降低蒙皮粘合后结构的强度,很容易在铺设纤维时产生剪切,这可能会在树脂内产生附加应力,从而使疲劳极限载荷降低。

  为了克服偏轴纤维的不利因素,在保留“弯·扭”耦合效应、避免纤维断层的基础上,M Zuteck提出一种新颖的叶片结构形式,采用“扫略式”的结构使叶片尖部在弦线方向有一定扭转角度,使叶片看起来像个“弯刀”状结构。这种结构可在工作时产生弯矩引起一定扭转,以实现控制载荷和应力,最终达到降低载荷峰值并减少疲劳破坏的目的。

  最近,美国Sandia国家实验室与圣地亚哥Knight&Carver公司合作,研发设计出一种新型风机叶片。研究人员承诺这种设计将会比目前的设计更有效,而且可以大幅度降低低风速地区的风机能源成本。这种名为“STAR”的叶片的最大特点是叶尖逐渐弯曲。这不同于目前使用的大多数巨大的叶片,是专门为低风速地区设计的。这些低风速地区高空10m处所测的年均风速约为5.8m/s。美国低风速地区很广,这些地区对风能的利用可使风能的可经济利用面积增加20倍。Sandia国家实验室叶片设计研究负责人Tom-Ash-will称,这种设计可以使叶片比传统设计更有弯曲度,从而减少飓风对叶片造成的损坏。

  4 结语

  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理想的材料。近年来商业化生产的风机叶片尺寸增长迅速,这为风机从自然界中汲取更多能量提供更好的条件。随着风机叶片的大型化,势必寻求叶片的轻量化及长寿化,而GFRP在其强度等性能方面受到限制,因此在GF中加入性能更好的CF是必然趋势。随着全球对绿色能源的需求的不断提高,风电市场逐渐成熟和壮大,FRP在风机叶片上的应用前景也会越来越广。

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关键词: 风力发电机 风能

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