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碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用

导读: 风电的价格和风机功率成反比,风机功率越 大,单位发电成本越低(表1)。随着现代风电技术的发展及日趋成熟,风力发电机组研究沿着增大单机容量、减轻单位千瓦质量、提高转换效率的方向发展。

  1、风力发电技术的发展

  风电的价格和风机功率成反比,风机功率越 大,单位发电成本越低(表1)。随着现代风电技术的发展及日趋成熟,风力发电机组研究沿着增大单机容量、减轻单位千瓦质量、提高转换效率的方向发展。上世纪80年代早期到中期,典型的风电机组单机容量仅20——60kW;90年代初期,增加到500kW; 90年代中期,为750kW——1MW;90年代末,已达到 2.5MW;目前世界平均单机容量为1MW,最大单机容量为5MW。预计2010年将开发出单机容量为10MW的风电机组。

碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用

  叶片是风力机的关键部件之一,涉及气动、复合材料结构、工艺等领域。叶片的长度和风机的功率成正比,风机功率越大,叶片越长。对于500kW~ 2.5MW的风力机,叶片长13.5~ 39.0m(丹麦LMGlasfiber公司制造);660kW~1.65MW的风力机,叶 片长23~39m(丹麦VestasWindSystemsAS制造)。在兆瓦级风电机组中,如1MW的叶片长31m,每片重约4~5t;1.5MW主力机型风力机叶片长34~ 37m,每片重约6t;目前商业化风力发电所用的电机容量一般为1.5~2.0MW,与之配套的复合材料叶片长度大约32~ 40m,重6~ 8t;现代的54m大型叶片重l3t。现今世界上最大5MW的风力发电机的叶片长61.5m,单片叶片的质量接近18t,旋转直径可达126.3m。 叶片也是风机中成本最高的部件,虽然它的质量不到风机质量的15%。却占风机成本的15%~ 20%。风叶类似于航空叶片,要求提高“提升比”(Lift-to-dragratio),并且其提升特性不易受叶片表面污染和粗糙度影响。从结构考虑要求叶片有较厚的叶型。叶片要经受20a应用,以经受风力造成的疲劳次数达108(也有以500万次作标准)作标准。随着风机功率的增加,风叶尺寸也相应增加。表1所示为不同年份风机功率、风叶尺寸和风电价格的变化趋势。

  2、碳纤维在风力发电机叶片中的应用

  当叶片长度增加时,质量的增加要快于能量的提 取,因为质量的增加和风叶长度的立方成正比(图1),而风机产生的电能和风叶长度的平方成正比。同时随着叶片长度的增加,对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求,玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架,叶片必须具有足够的刚度。减轻叶片的质量,又要满足强度与刚度要求,有效的办法是采用碳纤维增强。国外专家认为:“由于现有材料不能很好满足大功率风力发电装置的需求,玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限,因此,在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时,采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。”他们认为当风力机超过3MW、叶片长度超过40m时,叶片制造时采用碳纤维已成为必要的选择。事实上,当叶片超过一定尺寸后,碳纤维叶片反而比玻璃纤维叶片便宜,因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。

碳纤维复合材料在风力发电机叶片中的应用

图1 商业叶片质量与旋转半径之间的变化趋势

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