風力發電機葉片材料選用介紹 zund XL-1200-thermoplastic boards台中雷射切割雕刻代工－周雅雯焦點新聞熱搜

葉片是風力發電機組的重要構件。它將風能傳遞給發電機的轉子，使之旋轉切割磁力線而發電。為確保在野外極其惡劣環境中長期不停、安全地運行，對葉片材料的要求是：①密度小且具有佳的疲勞強度和力學性能，能經受住極端惡劣條件和隨機的負荷（如暴風等）的考驗，確保安全運轉20年以上；②成本（精確說為分攤到每度電的成本）低；③葉片的彈性、旋轉時的慣性及其振動頻率特性曲紅都正常，傳遞給整個發電系統的負荷穩定性好；④耐腐蝕、耐紫外線（UV）照射和抗雷擊性好；⑤維護費用低。
　　FRP完全可以滿足以上要求，是佳的風力發電機葉片材料。
　　1.1 GFRP
　　目前商品化的大型風機葉片大多采用玻璃纖維增強塑料（GFRP）制造。GFRP葉片的特點為：
　　①可根據風機葉片的受力特點來設計強度與剛度風機葉片主要是縱向受力，即氣動彎曲和離心力，氣動彎曲載荷比離心力大得多，由剪切與扭轉產生的剪應力不大。利用玻璃纖維（GF）受力為主的受力理論，可將主要GF布置在葉片的縱向，這樣就可使葉片輕量化。
　　②翼型容易成型，可達到大氣動效率為了達到佳氣動效果，利用葉片復雜的氣動外形，在風輪的不同半徑處設計不同的葉片弦長、厚度、扭角和翼型，如用金屬制造則十分困難。同時GFRP葉片可實現批量生產。
　　③使用時間長達20年，能經受108以上疲勞交變載荷GFRP疲勞強度較高，缺口敏感性低，內阻尼大，抗震性能較好。
　　④耐腐蝕性好由于GFRP具有耐酸、堿、水汽的性能，可將風機安裝在戶外，特別對于近年來大力發展的離岸風電場來說，能將風機安裝在海上，使風力機組及其葉片經受各種氣候環境的考驗。
　　為了提高GFRP的性能，還可通過表面處理，上漿和涂覆等對GF進行改性。美國的研究表明，采用射電頻率等離子體沉積去涂覆E-GF，其拉伸及耐疲勞性可達到碳纖維（CF）的水平。
　　GFRP的受力特點是在GF方向能承受很高的拉應力，而其它方向承受的力相對較小。
　　圖1是典型葉片的截面圖。葉片由蒙皮和主梁組成，蒙皮采用夾芯結構，中間層是硬質泡沫塑料或Balsa木，上下面層為GFRP。面層由單向層和±45°層組成。單向層可選用單向織物或單向GF鋪設，一般用7或4GF布，以承受由離心力和氣動彎矩產生的軸向應力；為簡化成型工藝，可不用±45°GF布層，而采用1:1GF布，均沿軸向鋪設，以承受主要由扭矩產生的剪切應力，一般鋪放在單向層外側。梁的結構形式既可以是夾芯結構，也可以是實心GFRP結構。但是，在蒙皮與主梁的結合部位即梁帽處必須是實心GFRP結構。這是因為此部分梁與蒙皮相互作用，應力較大，必須保證蒙皮的強度和剛度。
　　葉片是風力發電機組的重要構件。它將風能傳遞給發電機的轉子，使之旋轉切割磁力線而發電。為確保在野外極其惡劣環境中長期不停、安全地運行，對葉片材料的要求是：①密度小且具有佳的疲勞強度和力學性能，能經受住極端惡劣條件和隨機的負荷（如暴風等）的考驗，確保安全運轉20年以上；②成本（精確說為分攤到每度電的成本）低；③葉片的彈性、旋轉時的慣性及其振動頻率特性曲紅都正常，傳遞給整個發電系統的負荷穩定性好；④耐腐蝕、耐紫外線（UV）照射和抗雷擊性好；⑤維護費用低。
　　FRP完全可以滿足以上要求，是佳的風力發電機葉片材料。
　　1.1 GFRP
　　目前商品化的大型風機葉片大多采用玻璃纖維增強塑料（GFRP）制造。GFRP葉片的特點為：
　　①可根據風機葉片的受力特點來設計強度與剛度風機葉片主要是縱向受力，即氣動彎曲和離心力，氣動彎曲載荷比離心力大得多，由剪切與扭轉產生的剪應力不大。利用玻璃纖維（GF）受力為主的受力理論，可將主要GF布置在葉片的縱向，這樣就可使葉片輕量化。
　　②翼型容易成型，可達到大氣動效率為了達到佳氣動效果，利用葉片復雜的氣動外形，在風輪的不同半徑處設計不同的葉片弦長、厚度、扭角和翼型，如用金屬制造則十分困難。同時GFRP葉片可實現批量生產。
　　③使用時間長達20年，能經受108以上疲勞交變載荷GFRP疲勞強度較高，缺口敏感性低，內阻尼大，抗震性能較好。
　　④耐腐蝕性好由于GFRP具有耐酸、堿、水汽的性能，可將風機安裝在戶外，特別對于近年來大力發展的離岸風電場來說，能將風機安裝在海上，使風力機組及其葉片經受各種氣候環境的考驗。
　　為了提高GFRP的性能，還可通過表面處理，上漿和涂覆等對GF進行改性。美國的研究表明，采用射電頻率等離子體沉積去涂覆E-GF，其拉伸及耐疲勞性可達到碳纖維（CF）的水平。
　　GFRP的受力特點是在GF方向能承受很高的拉應力，而其它方向承受的力相對較小。
　　圖1是典型葉片的截面圖。葉片由蒙皮和主梁組成，蒙皮采用夾芯結構，中間層是硬質泡沫塑料或Balsa木，上下面層為GFRP。面層由單向層和±45°層組成。單向層可選用單向織物或單向GF鋪設，一般用7或4GF布，以承受由離心力和氣動彎矩產生的軸向應力；為簡化成型工藝，可不用±45°GF布層，而采用1:1GF布，均沿軸向鋪設，以承受主要由扭矩產生的剪切應力，一般鋪放在單向層外側。梁的結構形式既可以是夾芯結構，也可以是實心GFRP結構。但是，在蒙皮與主梁的結合部位即梁帽處必須是實心GFRP結構。這是因為此部分梁與蒙皮相互作用，應力較大，必須保證蒙皮的強度和剛度。
　　1.2 CFRP
　　隨著風機葉片設計技術的提高，風力發電向大功率、長葉片的方向發展。葉片長度增加勢必增加葉片的質量。經對長度10~60m的葉片進行的統計表明，葉片質量按長度的三次方增加。葉片輕量化對運行、疲勞壽命、能量輸出有重要的影響。由于葉片運行時其重力產生交變載荷，使葉片本身及機組產生疲勞。葉片減重可相應減少輪轂、機艙、塔架等結構的質量。
　　對于大型葉片，剛度成為主要問題。為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。既要減輕葉片的質量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維增強塑料（CFRP）。CFRP的拉伸性模量是GFRP的2~3倍。大型葉片采用CF增強可充分發揮其高彈輕質的優點。據分析，采用CF/GFRP混雜增強的方案，葉片可減重20%~40%。據歐洲EC公司資助的研究計劃中介紹，在￠120m葉片轉子中添加CF能有效減輕總體質量達38%，另外亦可使其設計成本費用比GF減少14%。另外一個類似的研究分析也指出，添加CF制得的風機葉片質量會比GF減輕約32%。
　　目前上大的CF/GFRP混雜風機葉片是Nodex公司為海上風電5MW機組配套研制的長度56m的葉片。Nodex公司還開發了43m（9.6t）的CF/GFRP風機葉片，可用于陸上2.5MW機組。Enercon公司開發了供4.5MW風力機組使用的CFRP葉片。對于大型葉片是否需用CF增強，目前尚有爭議。一些人認為，在風能產業中引入CF工藝是“奇特”和昂貴的，如果可能應盡量避免。然而許多結構方面的工程師確信，自然的規模法則顯示，當葉片長度增加時，質量的增加要快于能量的提取。因此采用CF或CF/GF混雜纖維對抑制質量的增大是必要的。同時為了降低風能的成本，發展具有足夠剛性的更長葉片也是必要的。
　　能否在風機葉片上大量采用CFRP取決于CF的價格。CFRP的性能雖然遠優于GFRP，且不論葉片還是整個風力發電機組毫玩疑問都是輕量的，但價格也是貴的。即使CF價格降到11美元/Kg，用CFRP制備葉片的價格還是過高。因此現在正從原材料、工藝技術、質量控制等方面深入研究，以求降低CFRP的成本。
　　一般較小型的葉片（如長22m）選用量大價廉的E-GFRP，樹脂基體以不飽和聚酯為主，也可選用乙烯基酯樹脂或環氧樹脂。而較大型的葉片（如長42m以上）一般采用CFRP或CF/GFRP，樹脂基體以環氧樹脂為主。
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