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            复合材料在风力发电中的应用

            2021-08-11 08:19:36

            现阶段风电叶片法兰的发展,复合材料被用到的是广泛的。目前复合材料在风力发电中的应用主要是转子叶片、机舱罩和整流罩的制造。相对而言,机舱罩和整流罩的技术门槛较低,生产开发的难度不大。而风力发电机转子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。


            风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构,一般由根部、外壳和加强筋或梁三部分组成,复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90%以上。复合材料叶片发展之初采用的是廉价的玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂体系,直到今天这仍是大部分叶片采用的材料。


            随着叶片长度的不断增大,自身重量也不断增加,这种体系在某些场合已不能满足要求,于是很自然地,性能更优异的增强材料—碳纤维走进了人们的视野。基于目前国际上碳纤维价格居高不下,有些人认为在叶片生产中采用碳纤维太过昂贵,不应采用,实际上并非如此。


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            一方面由于叶片长度的增加,其对刚度的要求也更加严格,在更大尺寸叶片的制造上,碳纤维的刚度大约是其他材料,如玻纤的3倍,制成的复合材料刚度约是玻璃钢的两倍,从这个意义上说碳纤维的引入是必要也是必须的。另一方面,由于叶片尺寸的加大,其质量也越来越巨大,高性能碳纤维的引入可以在很大程度上实现叶片的减重,而随着叶片重量的减轻,旋翼叶壳、传动轴、平台及塔罩等也可以轻量化,从而可整体降低风力发电机组的成本,抵消或部分抵消碳纤维引入带来的成本增加。


            随着大型、超大型海上风力发电机的制造和陆续投入运行,碳纤维在风电叶片上大规模应用的时代已为时不远。在叶片的制造工艺上,传统的叶片生产一般采用开模工艺,尤其是手糊方式较多,生产过程中会有大量苯乙烯等挥发性有毒气体产生,给操作者和环境带来危害。另外随着叶片尺寸的增加,为保证发电机运行平稳和塔架安全,这就必须保证叶片轻且质量分布均匀。


            这就促使叶片生产工艺由开模向闭模发展。采用闭模工艺,如现在热门的真空树脂导入模塑法,不但可大幅度降低成型过程中苯乙烯的挥发,而且更容易准确控制树脂含量,从而保证复合材料叶片质量分布的均匀性,并可提高叶片的质量稳定性。


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