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      復合材料在風力發電中的應用

      2021-08-11 08:19:36

      現階段風電葉片法蘭的發展,復合材料被用到的是廣泛的。目前復合材料在風力發電中的應用主要是轉子葉片、機艙罩和整流罩的制造。相對而言,機艙罩和整流罩的技術門檻較低,生產開發的難度不大。而風力發電機轉子葉片則是風力發電機組的關鍵部件之一,其設計、材料和工藝決定風力發電裝置的性能和功率。


      風力發電機葉片是一個復合材料制成的薄殼結構,一般由根部、外殼和加強筋或梁三部分組成,復合材料在整個風電葉片中的重量一般占到90%以上。復合材料葉片發展之初采用的是廉價的玻璃纖維增強不飽和聚酯樹脂體系,直到今天這仍是大部分葉片采用的材料。


      隨著葉片長度的不斷增大,自身重量也不斷增加,這種體系在某些場合已不能滿足要求,于是很自然地,性能更優異的增強材料—碳纖維走進了人們的視野?;谀壳皣H上碳纖維價格居高不下,有些人認為在葉片生產中采用碳纖維太過昂貴,不應采用,實際上并非如此。


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      一方面由于葉片長度的增加,其對剛度的要求也更加嚴格,在更大尺寸葉片的制造上,碳纖維的剛度大約是其他材料,如玻纖的3倍,制成的復合材料剛度約是玻璃鋼的兩倍,從這個意義上說碳纖維的引入是必要也是必須的。另一方面,由于葉片尺寸的加大,其質量也越來越巨大,高性能碳纖維的引入可以在很大程度上實現葉片的減重,而隨著葉片重量的減輕,旋翼葉殼、傳動軸、平臺及塔罩等也可以輕量化,從而可整體降低風力發電機組的成本,抵消或部分抵消碳纖維引入帶來的成本增加。


      隨著大型、超大型海上風力發電機的制造和陸續投入運行,碳纖維在風電葉片上大規模應用的時代已為時不遠。在葉片的制造工藝上,傳統的葉片生產一般采用開模工藝,尤其是手糊方式較多,生產過程中會有大量苯乙烯等揮發性有毒氣體產生,給操作者和環境帶來危害。另外隨著葉片尺寸的增加,為保證發電機運行平穩和塔架安全,這就必須保證葉片輕且質量分布均勻。


      這就促使葉片生產工藝由開模向閉模發展。采用閉模工藝,如現在熱門的真空樹脂導入模塑法,不但可大幅度降低成型過程中苯乙烯的揮發,而且更容易準確控制樹脂含量,從而保證復合材料葉片質量分布的均勻性,并可提高葉片的質量穩定性。


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