碳纤维复合材料在风力发电中的应用

碳纤维复合材料在风力发电中的应用

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时间:2018-08-29

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1、碳纤维复合材料在风力发电中的应用摘要:为了降低风电单位成本,风机功率不断提高,随之叶片长度也不断增加,使碳纤维在风电叶片中的应用成为必然。介绍了碳纤维在风电叶片上应用的优势和不足,以及解决的技术途径。关键词:风电机叶片;风力发电;碳纤维增强复合材料ABSTRACT:Inordertoreduceper-unitwindpowercost,turbinepoweriscontinuouslyrising,whichleadtobiggerbladelength,sotheapplicationofcarbonfiberinwindturbinebladeisinevi

2、table.Thispaperintroducestheadvantagesanddisadvantagesofcarbonfiberinwindturbineblade,andgivesthewaystosettlethem.KEYWORDS:windturbineblade;windpower;carbonfiberreinforcedcomposite1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

3、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。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

4、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。表1不同风叶尺寸、风机功率下的风电成本对比表年份主力型号风机功率/kW风叶长度/m风电成本/(美元·(kW·h)-1)199220012.00.03199970022.0200090025.00.0

5、620051500-2500(陆基)35.0-45.00.0420053000-5000(海基)45.0-61.50.04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[1-3]。2碳

6、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

7、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[4]。目前国外把碳纤维用于叶片制造的厂家主要有:(1)丹麦LMGlassfiber“未来”叶片家族中61.5m长、5MW风机的叶片在梁和根部都选用了碳纤维。(2)德国叶片制造商NordexRotor新制造的56m长,5MW风机叶片的整个梁结构也采用了碳纤维,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璃纤维的高。(3)Vest

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