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最火风电叶片技术现状与发展

发布时间:2021-09-20 05:52:45 阅读: 来源:护手厂家

风电叶片技术现状与发展

LM公司研发部经理Frank V.Nielsen认为未来叶片设计的关键已从效率最大化转移到能量成本(COE)最优化,叶片将会更加细长,这种设计技术将会降低叶片载荷,叶片质量分布更加优化。

一、叶片朝大型化、轻量化、高效率方向发展

二、可选择的复合材料原材料品种多样

1、叶片用树脂基体

1)不饱和聚酯树脂工艺性良好,价格低,在中小型叶片的生产中占有绝对优势,但固化时收缩率大,放热剧烈,成型时有一定的气味和毒性。

2)环氧树脂具有良好的力学性能,耐化学腐蚀性能和尺寸稳定性,是目前大型风电叶片的首选树脂,缺点是成本较高。

3)乙烯基树脂性能介于二者之间,目前在大型叶片中应用较少,随着各厂家对成本的要求越来越高,乙烯基树脂可能会进入兆瓦级叶片的选材。

2、叶片用增强材料

3、碳纤维材料在大型叶片中具有较好的应用前景

采用碳纤维,可增加叶片临界长度,提高叶片刚度,减轻叶片重量。研究也表明,添加碳纤维所制得的风机叶片质量比玻璃纤维的轻约30%,以目前的成本估算,成本增加可控制在30%以内。

4、碳纤维在叶片中应用的主要部位

碳纤维在风电叶片中应用实例

公司产品技术状态 Gamesa-GAMESA在其直径为87米、90米叶轮的叶片制造中包含了碳纤维。LM61.5米叶片采用了玻纤/碳纤维混杂复合材料结构,在横梁和翼缘等要求较高的部位使用碳纤维作为增强材料,单片叶片质量达17.7 t。VestasVESTAS V-90型风力机3.0MW叶片长44m,其样品试验采用了碳纤维制造。 Vestas为W机型配套的44m系列叶片主梁上使用了碳纤维,叶片自重只有6t,与V802MW,39m叶片自重一样。GE7MWGE公司的7MW机组研发,将使用碳纤维NEG Micon 40m叶片40米的叶片中采用了碳纤维增强环氧树脂Nordex Rotor44m叶片 56m叶片44 m长CFRP叶片质量为9.6t, 可用于2.5 MW的风电机组。此外,还开发了56 m长的CFRP叶片,他们认为叶片超过一定尺寸后,碳纤维叶片的制作成本并不比玻纤的高。Repower5MW叶片转轮直径126米,该叶片由碳纤和玻纤混杂而成,单个叶片重量达18吨,可用于海上及陆地使用。 NEG Micon40米叶片碳纤维增强环氧树脂的40米叶片kirkldand-和TPI Composites公司合作,发展碳纤维风机叶片,以求得最大的能量获得,同时减轻风机的负载。制造和测试证明了先进碳纤维混编设计叶片的商业化可行性。

5、叶片材料的新发展——热塑性复合材料应用

*与环氧/玻纤复合材料大型叶片相比较,若采用热塑性复合材料叶片,每台大型风力发电机所用的叶片重量可降低10%,抗冲击性能大幅度提高,制造成本至少降低1/4,制造周期至少降低1/3,且可完全回收和再利用。

*爱尔兰Gaoth风能公司与日木三菱重工及美国Cyclics公司正在探讨如何共同研制低成本热塑性复合材料叶片。

*LM G1asfibre公司正开展此项研究,目的是用玻璃钢、碳纤维和热塑材料的混合纱丝制造叶片,这可能会使叶片的生产时间缩短50%。

*安全快捷地制造“绿色”的复合材料叶片正期待着复合材料叶片制造商去实现。

三、叶片设计技术不断进步

叶片设计分为气动设计和结构设计两大阶段,通常这两阶段不是独立的,而是一个迭代的过程。风轮叶片的优化设计要满足的目标: 年输出功率最大化;最大功率限制输出;振动最小化和避免出现共振;材料消耗最小化;叶片结构满足适当的强度要求和刚度要求;保证叶片结构局部和整体稳定性。

1、翼型是叶片设计的基础

国内缺乏相关的数据库,国外典型翼型和优势如下:

1)美国Seri和NREL系列, Se实验数据亦可按行业标准或企业标准进行计算、整理、输出ri系列对翼型表面粗糙度敏感性低。

2)丹麦RISO—A系列,在接近失速时具有良好的失速性能且对前缘粗糙度敏感性低;

3)瑞典FFA.W系列,该留出地脚螺钉和下钳口丝杆所用的孔和其他电线装置管道等安装系列具有良好的后失速性能。丹麦LM公司已在大型风机叶片上采用瑞典FFA.且该翼型将会在风机叶片设计中广泛应用。

4)荷兰DU系列和其它。

目前所能利用的典型风力机翼型特性

2、通过气动外形优化,大幅提高气动效率

通过改进叶片外形型面,改进空气动力和叶片受力状态,增加可靠性和对风能捕获量。

1)优化叶片根部翼型

Enercon司为抑制生成扰流和旋涡在叶片端部安装“小翼”,为改善和提高涡轮发电机主舱附近的捕风能力,对叶片根茎进行重新改进,缩小叶片的外形截面,增加叶径长度;对叶片顶部和根部之间的型面进行优化设计。在此基础上,Enercon公为工人提供基于的平台服务司在其71m的2MW风力发电机组,改进后叶片根部的捕风能力得以提高。在4.5MW风力发电机设计中继续采用此项技术,旋转直径为112m的叶片端部仍安装有倾斜“小翼”,使得叶片单片的运行噪音小于3个叶片(旋转直径为66m)运行时产生的噪音。

2)细长形叶片设计

丹麦LM公司但大部份都停留在实验室技术提出了“Future Blade”的概念,且已在其54m和61.5m巨型叶片上使用了这种设计概念。LM公司研发部经理Frank V.Nielsen认为未来叶片设计的关键已从效率最大化转移到能量成本(COE)最优化,叶片将会更加细长,这种设计技术将会降低叶片载荷,叶片质量分布更加优化。

3)柔性和预弯设计是目前大型号叶片中广泛采用的设计技术

叶尖采用“柔性”设计理念进行设计,叶尖轻微弯曲。 降低了叶片风压和风机的驱动扭矩,并最大限度捕获所有可用风速范围内的风能,包括边缘的低风速区域,比传统的叶片捕风能力提高了5~10%。

四、复合材料制造工艺进步,促进了叶片的技术发展

1、湿法手糊成型:增强材料浸胶,一层一层地紧贴在模具上,手动赶出气泡/真空压实。

2、预浸料成型:提高性能、降低重量

预浸料成型方法是按设计要求的铺层顺序先将预浸料铺放在模具内,然后用真空袋将尚未成型的制件密封,抽真空,以排除在铺层内的气泡、挥发分和袋内的空气,按最佳的固化工艺参数在热压罐内固化成型叶片。对于40m以上叶片,VESTAS和GAMESA仍使用预浸料工艺。

3、真空灌注成型(RIM):提高性能、降低制造成本

先将纤维织物等增强材料铺放在模腔里,然后抽真空,树脂基体在真空压力的作用下被导入模腔浸渍增强材料。

(end)

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