风机叶片材料的演变史及今后的发展方向

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一场10级大风才能拔起树木,摧毁建筑物;一场12级飓风才能让波浪滔天。风,你说歌词 是世界上最无形又最具潜能的力量;是地球上取之不尽的能源。它蕴量巨大,比地球上可开发利用的水能总量都要大10倍。很早后后,让.我 就利用风车来抽水、磨面。在今天,风电作为四种 洁净室的可再生能源,如此受到世界各国的重视,不管是在荒无人烟的草原、戈壁,还是环境恶劣的岛屿、海面,都能看过白色的风力发电机擎天而立,迎风飞旋。

一百多年以来,叶片除了越变越长以外,叶片材质有什么改变?

1887年,美国人Charles F.Brush建造了第一台风力发电机组。叶片材料:雪松木,叶片长度:8.5米。‍

2018年,中国吉林重通成飞开发的国内最长海上风电叶片在江苏如东基地成功下线。‍叶片材料:碳纤维增强复合材料,叶片长度:83.6米。

叶片材料的演变经历有另另三个时期:木质材料→金属材料→复合材料。

在叶片的成本中,叶片选材占大头,对叶片综合性能的影响也是最显著。最开始英文的叶片材料为木质叶片,布蒙皮叶片,后后 是金属叶片,最后到现在比较主流的复合材料叶片。

首先,风电叶片要足够轻。在相同的风速下,更轻的叶片更容易旋转,如此其风力转换效率就会大大提高。另外,还都要高效率和高韧性,以满足几十年的服役寿命要求。最后,成本要低,后后 ,叶片材料的发展是有另另三个逐步轻量化,高性能化,低成本化的漫长的筛选和开发过程。

木质叶片

早期的风力发电机组功率容量很小,后后 大多采用木质叶片,但木制叶片不易扭曲成型,且效率不高,在潮湿环境下也容易腐蚀;后后 随着大、中型风力发电机的发展,木质叶片如此无法满足叶片尺寸的增加要求,后后 ,木质叶片逐步退出了历史舞台。

金属叶片

金属叶片克服了木质叶片不易扭曲加工成型的缺点,后后 金属材料的价格低廉,在木质叶片后后的很长一段时间被认为是风电叶片最理想的材料。

铝合金叶片

这里边用到的金属材料主并且铝合金。后后 ,也地处诸多弊端,我随便说说铝合金叶片重量轻、易于加工,但对于叶跟到叶尖渐缩的叶片,铝合金的加工有点硬困难,此外,金属材料在空气中的腐蚀大问题,也对叶片的保养和后期维护提出了挑战。

纤维增强复合材料叶片

19500年,纤维增强复合材料原材料体系被逐步开发,其潜在性能优势不断被发掘,随着应用技术的积累,长纤维增强聚合物基复合材料以其优异的力学性能、工艺性能和耐环境侵蚀性能,成为当今大型风力发电机叶片材料的首选。

这里的纤维主要有玻璃纤维和碳纤维四种 ,由高分子聚合物(环氧树脂,不饱和树脂等)通过特定的成型工艺加工而成。

玻璃纤维(左)和碳纤维(右)

重通成飞国内最长叶片的碳纤维主梁生产线(实现减重500%)

纤维增强复合材料是大型叶片的不二取舍。加工工艺一般采用真空吸注成型工艺,如下图所示。

真空吸注成型工艺

该工艺利用纤维和泡沫形态层的真空,吸入常压下的液态环氧树脂,后后 加热使树脂固化,被树脂浸润的纤维形态随即成为有另另三个整体形态,这是真空吸注成型的原理。不同的叶片型号,会对应有另另三个特定的整体形态,即复合材料叶片。

与传统金属材料叶片相比,纤维增强复合材料叶片的优势更为明显:与真空吸注工艺结合使得生产效率大大提高;通过调控纤维方向可设计不同性能的叶片;一体化成型,产品尺度限制小;高强高韧,有点硬适合制造大型风电叶片。后后 ,基于以上优势,纤维增强复合材料叶片成为现今风电叶片的主导。

重通成飞车间正在铺设的碳纤维布

国内目前风电叶片材料是如此个状态:我国较小型叶片(如22 m长)一般取舍量大、价廉的玻璃纤维增强塑料,基体树脂以不饱和聚酯树脂为主;而较大型叶片(长度42 m以上)的形态设计则取舍碳纤维复合材料或碳纤维与玻璃纤维的混杂复合材料,采用真空导入生产工艺,而基体树脂则以环氧树脂为主。未来的发展方向是低成本、高性能、环保。

后后 ,海上风电正在对叶片材料提出更高的要求。后后 海上风电叶片的严苛要求,陆上大规模使用的玻璃纤维增强复合材料已难以独立胜任。相较之下,碳纤维复合材料叶片的刚度为玻璃纤维复合叶片的两至三倍,极限和疲劳性能都优于玻璃纤维复合材料,是名副我我随便说说的高性能材料。

后后 有有些,碳纤维复合材料的价格要远高于玻璃纤维,这是致命伤,昂贵的价格大大限制了它在风电叶片上的大范围应用。然而,碳纤维复合材料的应用已成为趋势,随着叶片如此长,碳纤维复合材料将成为超长叶片材料的不二取舍。

未来以下四种 材料或会有较大发展潜力

1.碳纤维增强乙烯基树脂‍

碳纤维增强乙烯基树脂顺应低成本的叶片发展趋势。叶片的成本在整个风电机组占比较大,碳纤维价格昂贵,碳纤维加环氧树脂的叶片方案,会大大增加成本。后后 取舍性价比高的乙烯基树脂来替代环氧树脂,可降低风电叶片成本。

另外,乙烯基树脂的工艺性好,能满足机械力学性能、抗疲劳性、刚度等各项性能指标的设计要求。碳纤维增强乙烯基树脂有望降低成本,对于推广碳纤维增强复合材料叶片有利。

2.热塑性复合材料‍

热塑性复合材料叶片顺应环保的发展要求。前面提到的加注成型工艺,多采用热固性树脂,如环氧树脂、不饱和聚酯树脂等,热固性树脂制成的风电叶片在其退役后材料不能自己被回收利用,有环保的压力。与热固性复合材料相比,热塑性复合材料在满足密度小、效率高、抗冲击性好的前提下,兼具可回收再利用的优点。

后后 ,目前热塑性复合材料叶片成本还较高,主要由于在于未大规模推广应用。

3.生物质材料‍

生物质材料也是出于环保的考虑。风电叶片发展一百多年后后,最初的木质叶片又重新登上了历史舞台。目前,市场上以木质/竹制品等生物质材料制成的风电叶片为主,此类风电叶片具有如下优点:刚度高、稳定性好、低温阻尼好、材料可再生、成本低。

从工艺上看,相比碳纤维环氧树脂复合材料,竹材的用量高达500%~70%,环氧树脂用量少,避免了固化过程的过热反应,材料的收缩小;与玻璃纤维复合材料叶片相比,则减少了加工时间,更具有市场竞争能力。

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