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利用热固性树脂和玻纤制备风力发电叶片工艺方法

利用热固性树脂与玻璃纤维制备风力发电叶片产品工艺、设备及方法

一、概述

传统能源资源的大量使用带来了许多的环境问题和社会问题,并且其存储量大大降低,因而风能作为一种清洁的可循环再生的能源,越来越受到世界各国的广泛关注。风力发电机叶片是接受风能的最主要部件,其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证发电机组正常稳定运行的决定因素,其成本约为整个机组成本的15%-20%。根据“风机功价比法则”,风力发电机的功率与叶片长度的平方成正比,增加长度可以提高单机容量,但同时会造成发电机的体积和质量的增加,使其造价大幅度增加。并且,随着叶片的增大,刚度也成为主要问题。为了实现风力的大功率发电,既要减轻叶片的重量,又要满足强度与刚度要求,这就对叶片材料提出了很高的要求。

二、碳纤维在风力发电机叶片中的应用

叶片材料的发展经历了木制、铝合金的应用,进入了纤维复合材料时代。纤维材料比重轻,疲劳强度和机械性能好,能够承载恶劣环境条件和随机负荷,目前最普遍采用的是玻璃纤维增强聚酯(环氧)树脂。但随着大功率发电机组的发展,叶片长度不断增加,为了防止叶尖在极端风载下碰到塔架,就要求叶片具有更高的刚度。国外专家认为,玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限,不能满足大型叶片的要求,因此有效的办法是采用性能更佳的碳纤维复合材料。

1)提高叶片刚度,减轻叶片质量

碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%,强度大40%,尤其是模量高3~8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120m的风机的叶片,由于梁的质量超过叶片总质量的一半,梁结构采用碳纤维,和采用全玻璃纤维的相比,质量可减轻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2倍。据分析,采用碳纤维/玻璃纤维混杂增强方案,叶片可减轻20%~30%。Vesta Wind System 公司的V90型3.0 MW发电机的叶片长44m,采用碳纤维代替玻璃纤维的构件,叶片质量与该公司V80 型2.0MW发电机且为39m长的叶片质量相同。同样是34 m长的叶片,采用玻璃纤维增强聚脂树脂时质量为5800kg,采用玻璃纤维增强环氧树脂时质量为5200kg,而采用碳纤维增强环氧树脂时质量只有3800kg。其他的研究也表明,添加碳纤维所制得的风机叶片质量比采用玻璃纤维的轻约32%,而且成本下降约16%。

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24h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良好的抗疲劳特性,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,叶片质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