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            碳纖維在風電葉片中的應用
             

                    風能作為一種綠色環保型能源是可再生能源中最具開發潛力的能源之一,風機葉片是風力發電系統的關鍵動部件,其良好的設計、可靠的質量和優越的性能是保證機組正常穩定運行的決定因素,是風力發電機獲得較高風能利用系數和較大經濟效益的基礎。

                   隨著現代風電技術的發展及日趨成熟,為了降低風電單位成本,風機功率不斷提高,風力發電機組研究正沿著增大單機容量、減輕單位千瓦質量、提高轉換效率的方向發展。隨著風機葉片的加長,玻璃纖維復合材料葉片已不能滿足性能要求,碳纖維復合材料葉片不僅在風機強度和剛度等力學性能方面都滿足要求,而且輕量化、耐腐蝕的特征也成為海上風能葉片的需求。國外已展開碳纖維風電葉片的應用,維斯塔斯(Vestas)生產的V-90型3.0MW風機葉片與玻璃纖維相比減重32%。歌美颯(Gamesa)生產的長達44m的2.0MW風機葉片采用碳纖維/環氧樹脂預浸料,質量僅7000kg。南通東泰生產的2MW碳纖維風機葉片主梁,既保證葉片高強度,又順應了大型化、輕量化方向。荷蘭戴爾佛理工大學研制的直徑120m風機葉片,梁結構采用碳纖維重量減輕40%。

                   1、碳纖維主要應用部件

             風電葉片發展初期,由于葉片較小,有木葉片、布蒙皮葉片、鋼梁玻璃纖維蒙皮葉片、鋁合金葉片等等,隨著葉片向大型化方向發展,復合材料逐漸取代其他材料幾乎成為大型葉片的唯一可選材料。復合材料具有其它單一材料無法比擬的優勢之一就是其可設計性,通過調整單層的方向,可以獲得該方向上所需要的強度和剛度。更重要的是可利用材料的各向異性,使結構不同變形形式之間發生耦合。比如由于彎扭耦合,使得結構在只受到彎矩作用時發生扭轉。在過去,葉片橫截面耦合效應是一個讓設計人員頭疼的難題,設計工程想方設法消除耦合現象。但在航空領域人們開始利用復合材料的彎扭耦合,拉剪耦合效應,提高機翼的性能。受此啟發人們在風電葉片上引人彎扭耦合設計概念,控制葉片的氣彈變形,這就是氣彈剪裁。通過氣彈剪裁,降低葉片的疲勞載荷,并優化功率輸出。而在選擇葉片材料的問題上,由于碳纖維比玻璃纖維昂貴,采用百分之百的碳纖維制造葉片從成本上來說是不合算的。目前國外碳纖維主要是和玻璃纖維混和使用,碳纖維只是用在一些關鍵的部分。

            主要有以下部位

            (1)橫梁,尤其是橫梁蓋是目前碳纖維在風電葉片中最重要的部位。相比玻璃纖維復合材料,碳纖維復合材料在提高葉片強度的同時卻大幅減輕了自身重量。

            (2)蒙皮表面,蒙皮表面整體使用碳纖維,可以降低作用在內支撐梁上的受力和扭矩,通過設計可以實現“材料誘導式”的葉片受載彎扭耦合。據NEG麥康公司的專利報導,葉片在總長度的60%~85%部分用CFRP條帶加固葉片蒙皮橫截面外部圓周的一個薄層,該薄層可提高蒙皮抵抗拉力和壓力的能力

            (3)前后邊緣,除了提高剛度和降低質量外,還起到避免雷擊對葉片造成損傷的作用,如圖3中涂黑的部分采用碳纖維 

            (4)葉片根部,碳纖維應用于葉片根部時,不僅可以提高根部材料的斷裂強度和承載強度,使施加在螺栓上的動態載荷減小,還可以增加葉根法蘭處的螺栓數量,從而增加葉片和輪轂連接處的靜態強度和疲勞強度

            (5)靠近葉尖部分。由于靠近葉尖的部分采用CFRP,其質量較小,靠近葉根部分可以使用較少的材料,減小了在風機輪轂上的負載。此外,剛度較大的葉尖部分可以減小由于葉片偏振太厲害以致葉片尖部擊打桿塔的危險。相對較硬的葉尖部分和相對較低剛度的葉根部分形成了一個有利的偏斜形狀,氣動阻尼增加,可以減小氣動載荷。

             (6) 定槳矩風機葉尖剎車段的碳纖維軸。在風力發電葉片的材料選用上,混雜纖維增強技術需要發揮各種纖維的性能優勢,保證良好的浸潤性,保證碳纖維的伸直取向,在保證性能優良的情況下降低成本。我國還需要進一步探索這種混雜技術。目前碳纖維主要應用在風機的主梁結構,未來3年風機功率將從2MW向5MW過渡,而主梁會采用碳纖維/玻璃纖維混合的方式以實現性價比最大化。

                   2、碳纖維復合材料的優勢(1)提高葉片剛度,減輕葉片重量碳纖維的密度比玻璃纖維小約30%,強度大40%,尤其是模量高3至8倍。大型葉片采用碳纖維增強可充分發揮其高彈輕質的優點。荷蘭戴爾弗理工大學研究表明,一個旋轉直徑為120米的風機的葉片,由于梁的質量超過葉片總質量的一半,梁結構采用碳纖維,和采用全玻纖的相比,重量可減輕40%左右;碳纖維復合材料葉片剛度是玻璃纖維復合材料葉片的兩倍。據分析,采用碳/;祀s增強方案,葉片可減重20%~30%。

            (2)使風機的輸出功率更平滑更均衡,提高風能利用效率  使用碳纖維后,葉片重量的降低和剛度的增加改善了葉片的空氣動力學性能,減少對塔和輪軸的負載,從而使風機的輸出功率更平滑和更均衡,提高能量效率。同時,碳纖維葉片更薄,外形設計更有效,葉片更細長,也提高了能量的輸出效率。

            (3)提高葉片抗疲勞性能  風機總是處在條件惡劣的環境中,并且24小時的處于工作狀態。這就使材料易于受到損害。一般認為CFRP相比GFRP韌性較小,更具有脆性,但是相關研究表明,當碳纖維與樹脂材料混合時,通過一定的復合加工成型工藝,以及生產質量的控制和葉片結構和幾何形狀的優化,就可以保證葉片的壽命要求,能夠滿足在惡劣氣候環境狀況下的正常工作。 

            (4)可制造低風速葉片  碳纖維的應用可以減少負載和增加葉片長度,從而制造適合于低風速地區的大直徑風葉,使風能成本下降。

            (5)可制造自適應葉片  葉片裝在發電機的轉輪上,葉片的角度可調。目前主動型調節風機的設計風速為13 to15m/s,當風速超過時,則調節風葉斜度來分散超過的風力,防止對風機的損害。斜度控制系統對逐步改變的風速是有效的,但對狂風的反應太慢了,自適應的各向異性葉片可幫助斜度控用系統(thepitch control system),在突然的、瞬間的和局部的風速改變時保持電流的穩定。自適應葉片充分利用了纖維增強材料的特性,能產生非對稱性和各向異性的材料,采用彎曲/扭曲葉片設計,使葉片在強風中旋轉時可減少瞬時負載。美國Sandia National Laboratories致力于自適應葉片的研究,使1.5MW的風機發電成本降到4.9美分/(kW·h),價格可和燃料發電相比。

            (6)利用導電性能避免雷擊  利用碳纖維的導電性能,通過特殊的結構設計,可有效地避免雷擊對葉片造成的損傷。具有振動阻尼特性。碳纖維的振動阻尼特性可避免葉片自然頻率與塔暫短頻率間發生任何共振的可能性。

                  21世紀是高效、潔凈和安全利用新能源的時代,隨著風電單機容量的增大,葉片尺寸趨于大型化,全球風電行業迫切需要先進復合材料及其制造技術,使得葉片生產材料必然向著強度更大、抗疲勞特性更好、質量更輕的方向發展,所以碳纖維復合材料葉片具有極大優勢和發展前景。研究結果和實際應用情況均證實碳纖維應用到風機葉片中的可行性,于此同時我們應該清楚認識到在進一步推廣應用碳纖維復合材料所遇到的問題,然后從原材料的制備、葉片結構的優化,成型工藝技術的提升、質量控制等方面深入研究,不斷提高技術水平和創新能力,以求碳纖維增強材料在風電領域得到更進一步的應用。


             

             

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