风电叶片技术现状与发展

作者：中材科技 陈淳

欢迎访问e展厅 展厅 3 风力发电机展厅 风力发电机,... LM公司研发部经理Frank V．Nielsen认为未来叶片设计的关键已从效率最大化转移到能量成本(COE)最优化，叶片将会更加细长，这种设计技术将会降低叶片载荷，叶片质量分布更加优化。 一、叶片朝大型化、轻量化、高效率方向发展 二、可选择的复合材料原材料品种多样 1、叶片用树脂基体 1）不饱和聚酯树脂工艺性良好，价格低，在中小型叶片的生产中占有绝对优势，但固化时收缩率大，放热剧烈，成型时有一定的气味和毒性。 2）环氧树脂具有良好的力学性能，耐化学腐蚀性能和尺寸稳定性，是目前大型风电叶片的首选树脂，缺点是成本较高。 3）乙烯基树脂性能介于二者之间，目前在大型叶片中应用较少，随着各厂家对成本的要求越来越高，乙烯基树脂可能会进入兆瓦级叶片的选材。 2、叶片用增强材料 3、碳纤维材料在大型叶片中具有较好的应用前景 采用碳纤维，可增加叶片临界长度，提高叶片刚度，减轻叶片重量。研究也表明，添加碳纤维所制得的风机叶片质量比玻璃纤维的轻约30％，以目前的成本估算，成本增加可控制在30％以内。 4、碳纤维在叶片中应用的主要部位 碳纤维在风电叶片中应用实例 公司 产品 技术状态 Gamesa - GAMESA在其直径为87米、90米叶轮的叶片制造中包含了碳纤维。 LM 61.5米叶片 采用了玻纤／碳纤维混杂复合材料结构，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。 Vestas VESTAS V-90型风力机3.0MW 叶片长44m，其样品试验采用了碳纤维制造。 Vestas为V903.OMW机型配套的44m系列叶片主梁上使用了碳纤维，叶片自重只有6t，与V802MW,39m叶片自重一样。 GE 7MW GE公司的7MW机组研发，将使用碳纤维 NEG Micon 40m叶片 40米的叶片中采用了碳纤维增强环氧树脂 Nordex Rotor 44m叶片 56m叶片 44 m长CFRP叶片质量为9.6t, 可用于2．5 MW的风电机组。此外，还开发了56 m长的CFRP叶片，他们认为叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片的制作成本并不比玻纤的高。 Repower 5MW叶片 转轮直径126米，该叶片由碳纤和玻纤混杂而成，单个叶片重量达18吨，可用于海上及陆地使用。 NEG Micon 40米叶片 碳纤维增强环氧树脂的40米叶片 kirkldand - 和TPI Composites公司合作，发展碳纤维风机叶片，以求得最大的能量获得，同时减轻风机的负载。制造和测试证明了先进碳纤维混编设计叶片的商业化可行性。 5、叶片材料的新发展——热塑性复合材料应用 *与环氧／玻纤复合材料大型叶片相比较，若采用热塑性复合材料叶片，每台大型风力发电机所用的叶片重量可降低10％，抗冲击性能大幅度提高，制造成本至少降低1／4，制造周期至少降低1／3，且可完全回收和再利用。 *爱尔兰Gaoth风能公司与日木三菱重工及美国Cyclics公司正在探讨如何共同研制低成本热塑性复合材料叶片。 *LM G1asfibre公司正开展此项研究，目的是用玻璃钢、碳纤维和热塑材料的混合纱丝制造叶片，这可能会使叶片的生产时间缩短50％。 *安全快捷地制造“绿色”的复合材料叶片正期待着复合材料叶片制造商去实现。 三、叶片设计技术不断进步 叶片设计分为气动设计和结构设计两大阶段，通常这两阶段不是独立的，而是一个迭代的过程。风轮叶片的优化设计要满足的目标: 年输出功率最大化；最大功率限制输出；振动最小化和避免出现共振；材料消耗最小化；叶片结构满足适当的强度要求和刚度要求；保证叶片结构局部和整体稳定性。 1、翼型是叶片设计的基础 国内缺乏相关的数据库，国外典型翼型和优势如下： 1）美国Seri和NREL系列， Seri系列对翼型表面粗糙度敏感性低。 2）丹麦RISO—A系列，在接近失速时具有良好的失速性能且对前缘粗糙度敏感性低； 3）瑞典FFA．W系列，该系列具有良好的后失速性能。丹麦LM公司已在大型风机叶片上采用瑞典FFA．且该翼型将会在风机叶片设计中广泛应用。 4）荷兰DU系列和其它。 目前所能利用的典型风力机翼型特性 2、通过气动外形优化，大幅提高气动效率 通过改进叶片外形型面，改进空气动力和叶片受力状态，增加可靠性和对风能捕获量。 1）优化叶片根部翼型 Enercon司为抑制生成扰流和旋涡在叶片端部安装“小翼”，为改善和提高涡轮发电机主舱附近的捕风能力，对叶片根茎进行重新改进，缩小叶片的外形截面，增加叶径长度；对叶片顶部和根部之间的型面进行优化设计。在此基础上，Enercon公司在其71m的2MW风力发电机组，改进后叶片根部的捕风能力得以提高。在4.5MW风力发电机设计中继续采用此项技术，旋转直径为112m的叶片端部仍安装有倾斜“小翼”，使得叶片单片的运行噪音小于3个叶片(旋转直径为66m)运行时产生的噪音。 2）细长形叶片设计 丹麦LM公司提出了“Future Blade”的概念，且已在其54m和61.5m巨型叶片上使用了这种设计概念。LM公司研发部经理Frank V．Nielsen认为未来叶片设计的关键已从效率最大化转移到能量成本(COE)最优化，叶片将会更加细长，这种设计技术将会降低叶片载荷，叶片质量分布更加优化。 3）柔性和预弯设计是目前大型号叶片中广泛采用的设计技术 叶尖采用“柔性”设计理念进行设计，叶尖轻微弯曲。 降低了叶片风压和风机的驱动扭矩，并最大限度捕获所有可用风速范围内的风能，包括边缘的低风速区域，比传统的叶片捕风能力提高了5～10％。 四、复合材料制造工艺进步，促进了叶片的技术发展 1、湿法手糊成型：增强材料浸胶，一层一层地紧贴在模具上，手动赶出气泡/真空压实。 2、预浸料成型：提高性能、降低重量 预浸料成型方法是按设计要求的铺层顺序先将预浸料铺放在模具内，然后用真空袋将尚未成型的制件密封，抽真空，以排除在铺层内的气泡、挥发分和袋内的空气，按最佳的固化工艺参数在热压罐内固化成型叶片。对于40m以上叶片，VESTAS和GAMESA仍使用预浸料工艺。 3、真空灌注成型（RIM）：提高性能、降低制造成本 先将纤维织物等增强材料铺放在模腔里，然后抽真空，树脂基体在真空压力的作用下被导入模腔浸渍增强材料。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/13/2010)