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碳纤维复合材料与风电叶片
查看:879  发稿日期:2016/12/15 9:14:55

    在风电机组中,采用复合材料制作的部件有叶片、机舱罩和导流罩等部件,其中用量最大的就是叶片。复合材料风机叶片是风力发电系统的关键动部件,直接影响着整个风电系统的性能。因此,叶片的材料选择,制造工艺对风力发电叶片十分重要。

     在风力发电机发展历史中,叶片材料经历了木制叶片、布蒙皮叶片、铝合金叶片等。随着风电机组大型化的发展,近年来已基本采用复合材料制造,采用复合材料制造风机叶片可以充分利用复合材料的可设计性,对叶片的强度、刚度进行优化设计;对于复杂的外形和表面要求,利用复合材料可以制作出外形复杂、轻质高强的叶片,而且维修性好、周期短、可以现场施工;由于复合材料具有疲惫强度高、缺口敏感性低、内部阻尼大、耐候性优良的特点,所以采用复合材料来制造风机叶片可以取得优异的综合性能。

    目前,复合材料风机叶片多采用的是玻璃纤维为增强材料,不饱和聚酯树脂、环氧树脂或乙烯基树脂为基体材料的材料体系。但随着叶片长度的不断增加,这种体系在某些场合已不能满足要求,于是性能更优异的碳纤维增强材料进进了叶片生产者的视野。

    碳纤维与玻璃纤维相比,碳纤维刚度是玻纤维的3倍,制成的复合材料是玻璃钢的2倍,另外,由于叶片的长度的未几增加,叶片的重量也随之增加,使用碳纤维复合材料将大大减轻叶片的重量。基于这几点,使用碳纤维复合材料将是未来叶片制造的发展趋势。

    在国外,很多叶片制造厂家已采用碳纤维材料制造叶片:

1、丹麦LM公司61.5m长的5MW风机叶片中,在横梁和翼缘等要求较高的部位使用碳纤维作为增强材料,单   片叶片质量达17.7 t;

2、VESTAS公司在V-90型3.0MW风机叶片中,其样品试验采用了碳纤维材料,另外,Vestas在为V90型      3.0MW风机配套的44m系列叶片主梁上野使用了碳纤维,叶片自重只有6t,与V80型2MW,39m叶片自重一样;

3、GAMESA在其直径为87m、90m的风机叶片制造中使用了碳纤维;

4、德国叶片制造商Nordex Rotor在5WM长56米的风机叶片上采用碳纤维制造整个主梁结构;

5、德国Repower公司的5MW叶片由碳纤和玻纤混杂制造而成,单个叶片重量达18吨,可用于海上及陆地使用。

    由于碳纤维价格比玻璃纤维昂贵。目前国外碳纤维主要是和玻纤混和使用,碳纤维只在叶片中横梁(尤其是横梁盖)、前后边沿及页面表面有所应用。

    不光在国外,国内南通东泰团体于08年8月使用碳纤维材料作为叶片主梁生产出国内第一片2兆瓦风力发电机叶片,填补了我国风电行业的一项空缺,碳纤维具有高弹性和高强度,用作主梁,具有极佳的疲惫强度和机械性能;同时,在保证叶片强度性能的条件下,叶片重量降低了,减轻了叶片对整机的载荷,顺应了叶片大型化和轻量化的发展方向。

    随着发电单机功率的增大,要求叶片长度不断增加,碳纤维在叶片中将扮演重要的角色,但碳纤维价格昂贵,影响了目前它在风力发电上的大范围应用。全尽管如此,全球各大叶片制造商正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面进行深进研究,以求降低本钱,使碳纤维能在风力发电上得到更多的应用。目前采用碳纤维和玻璃纤维共混结构是降低本钱的好办法,随着大丝束碳纤维的出现,价格明显较低,也给风机叶片应用提供了良好的机遇。

    在叶片制造工艺中,传统复合材料风力发电机叶片多采用手糊工艺制造。手糊工艺的主要特点在于手工操纵、开模成型、生产效率低以及树脂固化程度往往偏低,适合产品批量较小、质量均匀性要求较低复合材料制品的生产。另外一种是预浸料成型工艺:纤维先制成预浸料,现场展放,加温(或常温)加压固化,生产效率高,现场工作环境好,VESTAS公司和GAMESA公司都在采用预浸料法成型工艺。叶片最新发展的成型方法是RTM,即树脂转移模塑成型法。将纤维预成型体置于模腔中,然后注进树脂,加温加压成型。RTM是目前世界上公认的低本钱制造方法,采用新型成型加工技术,也是降低本钱的途径之一。

    此外,还需要降低模具的本钱,大型叶片模具制造的可由复合材料代替原来的金属材料,一方面,叶片长度可以增加,另一方面,由于模具与叶片采用了相同的材料,模具材料的热膨胀系数与叶片材料基本相同,制造出的复合材料叶片的精度和尺寸稳定性均优于金属模具制造的叶片产品。

    现今碳纤维材料主要以航空应用为主。但碳纤维的应用将会逐步增加。目前全球风能发电装机容量的增长速度正在加快,高碳纤维含量的长叶片制成的大容量风机将成为必然趋势。

 
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