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复合材料风机叶片发展现状及成型工艺进展

2012-07-12 16:45
木中君
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  摘要:简述了我国复合材料风电叶片产业的发展概况,针对叶片生产的材料体系及成型工艺进行了较为详细的论述,并指出我国的产业政策将有利于风电叶片产业的发展。

  1 引 言

  随着世界能源危机的日益严重以及公众对于生态环境要求的呼声日益高涨,发展可再生能源成为当前21世纪世界一个共同的趋势。目前,全球约有50个国家颂布了支持可再生能源发展的相关法规,而风能作为可再生能源的重要组成部分, 自然受到世界各国政府的重视。各国正加快对风力发电机组的研究步伐,不断推出新的技术装备和成型工艺。风力产业正逐步发展成为初具规模的新兴产业。

  根据我国“十一五”能源规划,风机发电将作为可再生能源重点支持发展的对象。我国可开发利用的风能资源有10亿kW。其中陆地2.5亿kW,现在仅开发了不到0.2%;近海地区有7.5亿kW,风能资源十分丰富。风能资源丰富的地区主要分布在“三北”(东北、西北、华北)地区及东南沿海地区。三北地区可开发利用的风力资源有2亿kW,占全国陆地可开发利用风能的79%。根据风力发电中长期发展规划,到2005年全国风电总装机容量为100万kW,2010年400万kW,2015年1000万kW,2020年2000万kW。这一规划将极大的促进我国风力产业的发展。

  叶片是风力发电机组有效捕获风能的关键部件。在发电机功率确定的条件下,如何提高发电效率,以获得更大的风能,一直是风力发电追求的目标,以获得更大的风能,一直是风力发电追求的目标,而捕风能力的提高与叶片的形状、长度和面积有着密切的关系,叶片尺寸的大小和强度则主要依赖于制造叶片的材料和理想的成型工艺。叶片的材料越轻、强度和刚度越高,叶片抵御载荷的能力就越强,叶片就可以做得越大,它的捕风能力也就越强。

  目前世界上绝大多数叶片采用玻璃钢/复合材料制造,主要考虑玻璃钢/复合材料有一些优点是其它材料所不具备的。①它可根据风力机叶片的受力特点设计强度与刚度,利用纤维受力为主的理论,可把主要纤维安排在叶片的纵向,减少材料用量,减轻叶片的重量;②容易成型。叶片具有复杂的气动外形, 如用金属制造相当困难,而用复合材料制造则容易得多,模具制成后,可以进行批量生产;③优良的力学性能。叶片使用寿命约20年,要求叶片具有良好的疲劳强度。玻璃钢的疲劳强度较高,缺口敏感性低,具有良好的疲劳性能。此外,玻璃钢内阻尼大,抗震性能较好;④耐腐蚀性好。风力机安装在外,近年来又大力发展离岸风电场,风力机安装在海上,风力机组及叶片要受到各种气候环境的影响,要具有耐酸、碱、水汽的性能。

  2 材料体系

  复合材料在风力发电中的应用主要是转子叶片、机舱罩和整流罩。相对而言,机舱罩和整流罩的技术门槛较低,开发生产的难度不大。而风力发电机叶片则是风力发电机组的关键部件之一,其设计、材料和工艺决定风力发电装置的性能和功率。在风力发电机兴起100多年的历史里,叶片材料经历了木制叶片、布蒙皮叶片、铝合金叶片等。伴随着联网型风力发电机的出现,风力发电进入高速发展时期。传统材料的叶片已不能满足日益大型化的风力发电机上某些使用性能的要求,于是具高比强度、高比刚度的复合材料叶片随之发展起来。风电叶片已成为复合材料的重要应用领域之一。

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