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風力發電復合材料葉片現在和發展

 文章類別:技術支持 發布日期:2014-4-17 點擊次數:3511

葉片是風力發電機組有效捕獲風能的關鍵部件。在發電機功率確定的條件下,如何提高發電效率,以獲得更大的風能,一直是風力發電追求的目標,而捕風能力的提高與葉片的形狀、長度和面積有著密切的關系,葉片尺寸的大小則主要依賴于制造葉片的材料。葉片的材料越輕、強度和剛度越高,葉片抵御載荷的能力就越強,葉片就可以做得越大,它的捕風能力也就越強。因此,輕質高強、耐久性好的復合材料成為目前大型風力發電葉片的首選材料?! ?


    無論是陸地風力發電,還是海上風力發電,每千瓦時的發電成本均隨著發電機單機容量的增加而下降,發電裝備的大型化已經成為風力發電的發展趨勢。近幾年,隨著全球風力發電市場的逐漸成熟,大型風力發電機相繼出現。目前商業化風力發電所用的電機容量一般為 1.5 2.0 MW,與之配套的復合材料葉片長度大約30—40米。據報道,現今世界上最大的風力發電機的裝機容量為5 MW,旋轉直徑可達126.3米。丹麥的LM公司為此裝備配套研制了61.5米長的復合材料葉片,單片葉片的重量接近18噸,成為世界最大的復合材料葉片 “巨人”。這一實例成功地體現了材料、結構和工藝的三者的完美結合?! ?/P>


    在復合材料風力發電葉片的研究開發過程中,德國、丹麥、美國等風能資源利用較好的國家針對大型葉片的材料體系、外形設計、結構設計、制造工藝、質量檢驗、在線實時監測和廢棄物處理作了大量的研究開發工作,并取得了豐碩的成果。設計者和制造商已經完全可以針對不同的地區風力發電的需要,選擇******的設計方案和制造技術,生產適合不同需求的復合材料風力發電葉片。


    目前正在服役的風力發電葉片多為復合材料葉片。這些葉片基本上是由聚酯樹脂、乙烯基樹脂和環氧樹脂等熱固性基體樹脂與E一玻璃纖維、s一玻璃纖維、碳纖維等增強材料,通過手工鋪放或樹脂注入等成型工藝復合而成,以滿足不同風場的使用要求。由于玻璃纖維的價格僅為碳纖維價格的1/10左右,目前的葉片制造采用的增強材料仍以玻璃纖維為主。例如,在54米長的大型復合材料葉片制造中依然以玻璃纖維為增強材料,最輕的葉片重量僅為13.4噸。隨著超大型葉片的出現,葉片長度不斷增加,葉片對增強材料的強度和剛度等性能也提出了新的要求,玻璃纖維在大型復合材料葉片制造中逐漸顯現出性能方面的不足。LM公司在制造61.5米的大型復合材料葉片時,為保證葉片能夠安全地承擔風、溫度等外界載荷,單純的玻璃纖維增強材料已經很難滿足葉片對強度和剛度的要求。因此,該葉片采用了玻璃纖維/碳纖維混雜復合材料結構,尤其是在翼緣等對材料強度和剛度要求較高的部位,則使用碳纖維作為增強材料。這樣,不僅可以提高葉片的承載能力,由于碳纖維具有導電性,也可以有效地避免雷擊對葉片造成損傷。


    風力發電機組在工作過程中,復合材料葉片不僅要承受強大的風載荷,還要經受氣體沖刷、砂石粒子沖擊、以及強烈的紫外線照射等外界的侵蝕。為了充分發揮增強材料的增強作用,提高復合材料葉片的承擔載荷、耐腐蝕和耐沖刷等項性能,LM公司等復合材料葉片的制造商們還對樹脂基體系統進行了精心設計和改進。采用性能優異的環氧樹脂代替不飽和聚酯樹脂,改善了玻璃纖維/樹脂界面的粘結性能,提高了葉片的承載能力,擴大了玻璃纖維在大型葉片中的應用范圍。為提高復合材料葉片在惡劣工作環境中的長期使用性能,sP公司專門研究開發出耐紫外線輻照的新型環氧樹脂系統,以滿足風力發電葉片耐久性的要求。


    在風力發電的初期階段,由于發電機的功率較小,需要的復合材料葉片尺寸也比較小,葉片質量分布的均勻性對發電機和塔座的影響不十分顯現;而且,當時人們對開模成型工藝時苯乙烯揮發給大氣環境造成的污染,對操作人員造成的身體危害并未引起足夠的認識。因此,最初的小型復合材料葉片制造基本采用簡單易行的手糊成型工藝。隨著風力發電機功率的不斷提高,安裝發電機的塔座和捕捉風能的復合材料葉片做的越來越大。


    為了保證發電機運行平穩和塔座安全,不僅要求葉片的質量輕,也要求葉片的質量分布必須均勻、外形尺寸精度控制準確、長期使用性能可靠。若要滿足上述要求,需要相應的成型工藝來保證。另外,復合材料制造過程中苯乙烯揮發對環境和操作人員產生的不良影響也越來越引起人們的重視,一些發達國家已經制定出相應的法規,我國也對生產過程中產生的有害揮發物有明確的限制規定。因此,復合材料成型工藝隨之發生變化,逐漸由開模工藝向閉模工藝改進,以減少苯乙烯自然揮發對環境和人體的危害。


    在大型復合材料葉片制造過程中也反映出這一成型工藝的變化:首先,葉片的制造工藝由手糊成型向著濕法鋪放工藝的轉變,增強材料的現場浸漬逐漸轉向預先浸漬,開始采用玻璃纖維/聚酯或玻璃纖維/環氧預浸料,大幅度的降低了成型過程中苯乙烯的揮發。這樣,不僅樹脂含量容易精確控制,保證了復合材料葉片的質量分布均勻,而且增強材料鋪設角度準確,可以有效地發揮增強材料的性能,提高復合材料的承載能力。其次,開模成型工藝向著閉模工藝發展,為了改善成型環境,減少有害氣體的揮發,進一步提高葉片的質量穩定性,大型復合材料葉片的制造開始引入樹脂注人工藝技術。在樹脂注人工藝中,樹脂基體在真空壓力的作用下,可以更完全的浸漬增強材料,不僅能夠準確地控制樹脂含量,充分發揮增強材料的作用,提高復合材料葉片的承載能力,而且無需大型專用設備,制造成本較低。


    與此同時,葉片的制造模具也在悄悄地發生變化。大型復合材料葉片的外形尺寸與其制造模具有著極其密切的關系。為保證復合材料葉片設計外形和尺寸精度,葉片長度越長,成型時對模具剛度和強度的要求就越高,模具的重量和成本也會大幅度地提高。為了降低模具成本,減輕模具重量,大型復合材料葉片的制造模具也逐漸由金屬模具向著復合材料模具轉變,這也意味著復合材料葉片可以做得更長。另外,由于模具與葉片采用了相同的材料,模具材料的熱膨脹系數與葉片材料基本相同,制造出的復合材料葉片的精度和尺寸穩定性均優于金屬模具制造的葉片產品。


    此外,隨著計算機技術和自動控制技術應用領域的擴大,大型復合材料葉片的制造技術也在不斷的進步。LM公司將機器人技術用于大型葉片的纖維鋪覆和粘結,并將計算機技術應用于工藝過程的實施監控和數據記錄,為用戶提供可追溯的資料作為可靠性保證的依據。


    選擇******的材料體系和制造工藝,制造出************的復合材料葉片,以滿足風力發電快速發展的需求,未來的成型工藝將給復合材料葉片制造提供最優的實施手段。


    以最小的葉片重量獲得最大的葉片面積,使得葉片具有更高的捕風能力,葉片的優化設計顯得十分重要,尤其是符合空氣動力學要求的大型復合材料葉片的******外形設計和結構優化設計的重要性尤為突出,它是實現葉片的材料有效結合的軟件支撐。另外,計算機仿真技術的應用也使得葉片的結構與層合板設計更加細化,有利的支持了******工藝參數的確定。


    早在1920年,德國的物理學家舢bert Betz就對風力發電葉片進行過詳細的計算?;诋敃r的計算條件和對風力發電葉片的認識,Be£z在葉片計算時采用了一些假設條件。隨著計算機技術發展,計算手段的顯著提高,風力發電技術的快速發展,人們對風力發電葉片的認識和理解也在逐步深人。尤其是近十年來,經過研究人員對風力發電葉片進行的多次現場載荷、聲音和動力測量以后,發現葉片的理論預測值與實際記錄值有較大的偏離。這可能是由于過多地相信了風洞試驗,而對葉片服役期間可能遇到的較強動態環境和湍流條件考慮不足造成的。因此,一些相關人員對當時的葉片計算采用的假設條件提出了質疑。


    流體動力學計算和軟件的改進使得研究人員能夠更精確地模擬葉片實際的受力狀態。在此基礎上,進一步改善葉片的空氣動力學特性,即使葉片在旋轉速度降低5%的情況下,捕風能力仍可以提高5%;隨著葉片旋轉速度的降低,葉片運行的噪音大約可以降低3dB。同時,較低的葉片旋轉速度要求的運行載荷也較低,旋轉直徑可以相應的增加。在此項研究的基礎上,德國的E~ercon公司將風力發電機的旋轉直徑由30米增加到 33米,復合材料葉片也隨著相應的增加。由于葉片長度的增加,葉片轉動時掃過的面積增大,捕風能力大約提高了25%。Enercon公司還對33米葉片進行了空氣動力試驗,經過精確的測定,葉片的實際氣動效率為56%,比按照Betz計算的最大氣動效率低約3—4個百分點。為此,該公司對大型葉片外形型面和結構都進行了必要的改進:包括為了抑制生成擾流和漩渦,在葉片端部安裝“小翼”;為改善和提高渦輪發電機主艙附近的捕風能力,對葉片根莖進行重新改進,縮小葉片的外形截面,增加葉徑長度;對葉片頂部與根部之間的型面進行優化設計。在此基礎上,Enercon公司開發出旋轉直徑7l米的2MW風力發電機組,改進后葉片根部的捕風能力得以提高。E~ercon公司在4.5MW風力發電機設計中繼續采用此項技術,旋轉直徑為112米的葉片端部仍安裝的傾斜“ 小翼”,使得葉片單片的運行噪音小于3個葉片(旋轉直徑為66米)運行時產生的噪音。


    丹麥的LM公司在61.5米復合材料葉片樣機的設計中對其葉片根部固定進行了改進,尤其是固定螺栓與螺栓孔周圍區域。這樣,在保持現有根部直徑的情況下,能夠支撐的葉片長度可比改進前增加20%。另外,LM公司的葉片預彎曲專有技術也可以進一步降低葉片重量和提高產能。


    隨著計算機技術和控制技術的進步,近年來,大型復合材料的葉片也向著智能化發展。在最新一代的 Enercon葉片中開始采用葉片自動監測和控制系統,監測系統能夠將葉片運行狀態下的數百個電子信息自動地傳遞給葉片的控制系統,計算機管理系統每個月都會報告葉片的運行情況、早期損傷情況,以利于使用者能夠對損傷葉片進行及時地修補。


    LM公司將光纖控制技術用于制造智能復合材料葉片。在大型葉片制造中,尤其是近海風場用的大型風力發電機,由于風場的氣候條件惡劣,監測和維護困難,對外界溫度、葉片裂紋、雷擊等對葉片損傷的早期預警顯得十分重要。為了能夠實現對復合材料葉片的實時監控,LM 公司將光纖監控技術用于復合材料葉片的制造,開發出具有智能功能的復合材料葉片。在制造大型復合材料葉片時,LM公司將光纖傳感器埋設和固定于復合材料內部。當這種智能復合材料葉片工作時,光纖傳感器就會將葉片工作時的狀態實時反映給數據采集和處理系統,相關數據經過處理后,將其反饋給風力發電機的控制系統。一旦葉片所承受外界載荷(溫度、風速、風載等)超過設計載荷、葉片主體產生裂紋、外界雷擊等可能對葉片造成損傷時,葉片的監控系統就會發出早期預警信號,此時才需要對葉片進行必要的保養和維護工作,可以大大降低葉片的日常維護費用。目前,這項工作正在模擬的外界環境中進行20年服役期的可靠性加速試驗。LM公司目前也將此系統安裝在40米的葉片上進行試驗,不久將在61.5米的葉片上進行試驗。


    目前使用的復合材料葉片屬于熱固性復合材料,很難自然降解。廢棄物處理一般采用填埋或者燃燒等方法處理,基本上不再重新利用。面對日益突出的復合材料廢棄物對環境造成的危害,一些制造商開始探討復合材料的回收和再利用技術。


    到2004年底,全世界新增的風力發電能力接近8GW,風力發電裝機的總容量已達47.4GW,正在服役的風力發電葉片已達數千片。在未來十年間,仍以10%以上的增長速度快速發展。復合材料風力發電葉片的使用壽命一般為2030年。雖然最初的葉片為木質結構,但絕大多數的服役葉片仍為復合材料結構。在未來的十幾年間,這些葉片將陸續退役,退役后葉片如何處理也將成為材料科學家和環保工作者必須面對的現實問題。以利用風能發電最好的德國為例,目前德國的風力發電量約占全年總發電量的6%。如果德國實現由風力發電來提供25%的電力需求的發展目標,則該國需要安裝7500個超大型風力發電裝置,至少需要22500個大型復合材料葉片與之配套。這些葉片在生產過程中將產生大量的苯乙烯有害氣體,也會產生一些固體廢棄物,而退役葉片造成的廢棄物則更是數量驚人。


    目前,復合材料廢棄物的回收和再利用多集中在廢棄物粉碎后作為填料使用,或者燃燒廢棄物利用其熱能。復合材料葉片的制造商正在探討熱固性復合材料(如預浸料)分離處理技術的可行性,試圖將未固化的復合材料進行熱固性樹脂與增強纖維分離,然后分別再利用。廢棄物的回收和再利用是退役復合材料葉片最理想的處理方法,這就是為什么人們積極研究開發熱塑性復合材料葉片——“綠色葉片”的重要原因。


    與熱固性復合材料相比,熱塑性復合材料具有質量輕、抗沖擊性能好、生產周期短等一系列優異性能。在相同的尺寸條件下,熱塑性復合材料由于密度低,葉片的重量更輕,隨之帶來安裝塔座和發電機重量的減小,同時運輸和安裝費用也相應地降低。但是,該類復合材料的制造工藝技術與傳統的熱固性復合材料成型工藝差異較大,制造成本較高,成為限制熱塑性復合材料用于風力發電葉片的關鍵問題。隨著熱塑性復合材料制造工藝技術研究工作的不斷深人和相應的新型熱塑性樹脂的開發,制造熱塑性復合材料葉片已經不僅僅是一個新概念,正在一步步地走向現實。


    最近,愛爾蘭Gaoth風能公司與日本三菱重工和美國Cyclics公司正在探討如何共同研制低成本熱塑性復合材料葉片。Gaoth公司認為熱塑性復合材料葉片制造成本較高的主要原因是目前熱塑性復合材料的制造工藝成本較高,如果能夠開發出一種新的低成本制造技術,就有可能使得熱塑性復合材料的制造成本低于熱固性復合材料。在愛爾蘭有關企業的資助下,Limerick大學和Galway國立大學開展了熱塑性復合材料的先進成型工藝技術的基礎研究。為了解決熱塑性復合材料葉片的纖維浸漬和大型熱塑性復合材料結構件制造過程的樹脂流動性問題,美國的Cyclics公司為此開發出一種低粘度的熱塑性工程塑料基體材料——cBT 樹脂。這種像水一樣低粘度的熱塑性工程塑料CBTR樹脂流動性好,易于浸漬增強材料,可以充分發揮增強材料的性能,賦予復合材料良好的韌性。該項技術的實施,不僅可以提高葉片的抗沖擊能力,還可以大幅度提高成型速度,具有技術和經濟上的優勢。Cyclics公司聲稱當葉片退役后,平均每臺風力發電機組可再利用的葉片材料可達19噸,這是前所未有的。


    在“綠色葉片”研究的最初階段,愛爾蘭的Gaoth公司將負責12.6米長的熱塑性復合材料葉片的制造,Mitsubishi(三菱)公司將負責在風力發電機上進行“綠色葉片的試驗”。此項試驗成功后,他們將繼續研究開發30米以上的熱塑性復合材料標準葉片。根據有關資料介紹,與環氧樹脂/玻璃纖維復合材料大型葉片相比較,如果采用熱塑性復合材料葉片,每臺大型風力發電機所用的葉片重量可以降低10%,抗沖擊性能大幅度提高,制造成本至少降低1/4,制造周期至少降低1/3,而且可以完全回收和再利用。安全快捷地制造“綠色”的復合材料葉片正期待著復合材料葉片制造商去實現,Gaoth公司及其合作伙伴就是實現這一目標的先驅。


    作為可再生的清潔能源之一,我國已經開始注重風能的開發和利用。在國家科技攻關項目和863項目的共同支持下,我國已基本掌握了風力發電機組及復合材料葉片的設計和制造技術;“十五”期間,將完成MW級風力發電機組的研制,為我國風電產業參與常規能源市場競爭奠定基礎?!笆濉逼陂g,風力發電事業在我國得到快速發展。根據最近的資料報道,到2020年,我國將投資2000億人民幣用于風力發電建設,新增風力發電能力將達3000MW,并要求風力發電裝備本土化。這項舉措將對我國生態環境保護、能源結構調整、實現國民經濟可持續發展起到積極的促進作用。為此,國內的一些企業和研究機構正在加緊研究開發1.5MW風力發電裝備和與之配套的大型復合材料葉片。國際上風力發電技術先進的國家也看好了潛力巨大的中國風力發電市場,丹麥、美國等國家為了降低生產成本,增強競爭力,紛紛在中國建廠。國家對可再生清潔能源的支持,加快了風力發電的發展速度,也為我國的大型復合材料葉片開發提供了一個不可多得的發展機遇。面臨著巨大的市場需求和強勁的國際競爭,我國大型復合材料葉片的發展機遇與挑戰共存。

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