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【碳纤维在叶片上的应用】碳纤维在风力发电机叶片中的应用

时间:2021-05-28点击次数:20信息来源:Rev1

当叶片长度增加时,重量的增加要快于能量的提取,因为重量的增加和风叶长度的立方成正比,而风机产生的电能和风叶长度的平方成正比。

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。减轻叶片的重量,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,由于现有材料性不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于叶片时,采用忏能更好的碳纤维复合材料是势在必行。根据国外有关资料报导,当风力机超过3MW、叶片长度超过40米时,在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纤叶片便宜,因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降了。


(1)提高叶片刚度,减轻叶片重量

碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%,强度大40%,尤其是模量高3至8倍。大型叶片采用碳纤维增强可充分发挥其高弹轻质的优点。荷兰戴尔弗理工大学研究表明,一个旋转直径为120米的风机的叶片,由于梁的品质超过叶片总品质的一半,梁结构采用碳纤维,和采用全玻纤的相比,重量可减轻40%左右;碳纤维复合材料叶片刚度是玻璃纤维复合材料叶片的两倍。据分析,采用碳/玻混杂增强方案,叶片可减重20%~30%。


(2)提高叶片抗疲劳性能

风机总是处在条件恶劣的环境中,并且24小时的处于工作状态。这就使材料易于受到损害。相关研究表明,碳纤维合成材料具有出众的抗疲劳特性,当与树脂材料混合时,则成为了风力机适应恶劣气候条件的最佳材料之一。


(3)使风机的输出功率更平滑更均衡,提高风能利用效率

使用碳纤维后,叶片重量的降低和刚度的增加改善了叶片的空气动力学性能,减少对塔和轮轴的负载,从而使风机的输出功率更平滑和更均衡,提高能量效率。同时,碳纤维叶片更薄,外形设计更有效,叶片更细长,也提高了能量的输出效率。


(4)可制造低风速叶片

碳纤维的应用可以减少负载和增加叶片长度,从而制造适合于低风速地区的大直径风叶,使风能成本下降。


(5)可制造自我调整叶片

叶片装在发电机的轮轮上,叶片的角度可调。目前主动型调节风机的设计风速为13 to15m/sec(29 to 33mph),当风速超过时,则调节风叶斜度来分散超过的风力,防止对风机的损害。斜度控制系统对逐步改变的风速是有效的。但对狂风的反应太慢了,自我调整的各向异性叶片可说明斜度控用系统(thepitch control system),在突然的、瞬间的和局部的风速改变时保持电流的稳定。自我调整叶片充分利用了纤维增强材料的特性,能产生非对称性和各向异性的材料,采用弯曲/扭曲叶片设计,使叶片在强风中旋转时可减少暂态负载。美国Sandia National Laboratories致力于自我调整叶片(“adzptive”blade)研究,使1.5W风能从每KWh 5美分降到4.9分,价格可和燃料发电相比。


(6)利用导电性能避免雷击

利用碳纤维的导电性能,通过特殊的结构设计,可有效地避免雷击对叶片造成的损伤。


(7)降低风力机叶片的制造和运输成本

由于减少了材料的应用,所以纤维和树脂的应用都减少了,叶片变得轻巧,制造和运输成本都会下降。可缩小工厂的规模和运输设备。


(8)具有振动阻尼特性。碳纤维的振动阻尼特性可避免叶片自然频率与塔暂短频率间发生任何共振的可能性。

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