风力发电机组风轮的叶片材料.pdf

《风力发电机组风轮的叶片材料.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《风力发电机组风轮的叶片材料.pdf（6页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、鎏纂篓溺风力发电机组风轮的叶片材料王丽丽1田德1 2 王海宽许明1 胡学敏1 魏玉通11 内蒙古农业大学机电工程学院；2 华北电力大学可再生能源学院【摘要】介绍了风力机叶片的材料，分析了各种叶片材料的特点，介绍了国内外风力机叶片的发展概况及发展趋势，提出了我国的差距和未来发展的建议。通过对叶片材料的特性分析比较。可以发现叶片的发展趋势为重量更轻。使用寿命更长，造价更低廉。现在使用的风力机叶片大部分都是采用玻璃纤维增强材料。其它候选材料包括碳纤维增强塑料、混合复合材料、W i n d s t l a l l d T M 增强材料等。随着风力机风轮直径的增大，叶片生产材料必然向着强度更大。抗疲劳特

2、性更好的方向发展。在对造价更低、性能更为可靠的材料的追求之下。还会出现其他更加优异的材料。【关键词】风力发电叶片材料风力发电是风能利用的主要方式叶片是用来转换风能的最重要的部件。风力机叶片主要受拉和受弯。因此。材料必须有足够的抗拉强度和抗弯强度。同时也应当有足够的刚性和韧性。一般来讲，叶片的材料越轻。强度和刚度越高，则叶片承受载荷的能力就越大这样叶片就可以做的更长，它的捕风能力也越强。目前，风力机叶片材料的选择方法是对候选材料进行各种性能的综合比较最终确定一个相对较好的选择1 1 1。叶片材料的选择是叶片结构设计之前很重要的一项工作优良的材料是风力机叶片具有优良特性的重要保证。1各种叶片材料的

3、性能1 1 合金钢与铝舍金合金钢因其价格低廉易加工成细长的形状，并且可以按照翼型的形状来成形因而曾经一度被认为是首选的风力机叶片材料。然而，它的密度太大，疲劳特性差易腐蚀。难以加工成扭曲形状因而慢慢被别的材料所替代。铝合金的密度为钢铁的1 1 3 常用来制造等弦长叶片易于加工制造并且能满足屈曲设计的要求。但是还没有很好的挤压成形技术可以将铝合金加工成从根部到尖部的细长形状。1 2 纤维增强复合材料纤维增强复合材料是由纤维和基体材料组成的，纤维起着承受载荷的主要作用，基体起着粘结、支持、保护增强物和传递应力的作用，基体包括聚酯和环氧树脂【1 1。增强纤维目前叶片基体材料大量地使用不饱和聚酯树脂(

4、U P R)和乙烯基酯树脂(V E R)、环氧树J I 旨(E P R)等 2 1，聚酯树脂价格低廉。成型工艺性好但性能一般，环氧树脂则相反性能较优但价格较高且工艺操作性不好，所以目前成本和性能等介于二者之间的乙烯基树脂被一些叶片制造商大量采用1 3 1。以环氧树脂为基体的复合材料的力学性能更好，特别是当使用碳纤维时。机体材料多以环氧树脂为主I-Z l。浓村牧区机械化2 0 0 9 年第2 期(总第8 1 期壤3 9 万方数据隧颡麓潮纤维增强复合材料是一种高功能材料，它在力学性能、物理性能和化学性能等方面都明显优于单一材料。复合材料重量轻，而强度和刚度大；抗疲劳性能良好：具有较好的抗声振疲劳性

5、能；减振性能良好；耐高温；安全性好；成型工艺简单。固化后残余应力很小。但是复合材料中还有许多常规材料中不存在的力学问题，如层间应力(层间正应力和剪应力耦合会引起复杂的断裂和脱层现象)、边界效应以及纤维脱胶、纤维断裂、基体开裂等。1 2 1 玻璃纤维复合材料。玻璃纤维复合材料有很多的优点，如高比强度，很好的疲劳特性、防腐性能、减振性等。玻璃钢复合材料叶片有很多显著特点：第一。与金属材料制造的叶片相比，重量轻。第二，玻璃钢复合叶片可以根据其受力条件对叶片的强度和刚度进行设计，从而达到减轻重量和降低离心载荷的目的。此外，玻璃钢复合叶片容易制造，气动特性好；具有较高的固有频率。能够避免共振带来的破坏。

6、因此。玻璃纤维材料被广泛应用于风力机叶片。(1)E 一玻璃纤维。E 一玻璃纤维是一种铝硼硅酸盐玻璃，一般来说，E 一玻璃纤维用于叶片长度小于2 2 m 的风力机叶片，但是它的密度很大，人们正在积极寻找它的替代材料。f 2)S 一玻璃纤维。S 一玻璃纤维是一种抗拉强表1 叶片长度与不同复合材料的叶片重量的关系不同复合材料的叶片重I 当f 蚝玻璃纤绀聚酯玻璃纤维，环氧碳纤维，j 研聿【l 咖l O O O5 鲫1 9 1 0 2 0 05 2 3 8 0 01 0 6 0 08 4 0 02 1 0 0 08 8 0 01 7 0(1 01 9 0 0 04 0 表2 层压复合木板材料特性度极高的

7、硅酸铝一镁玻璃纤维。虽然S 一玻璃纤维也是玻璃纤维材料。但是它的模量高达8 5 5 G P a 比E 一玻璃纤维材料的7 2 4G P a 高出了1 8；它的纤维拉伸强度为4 6 0 0 M P a，比E 一玻璃纤维的3 4 5 0 M P a 增加了3 3。从技术角度来讲，它是风力机叶片的热门材料，然而它的价格居高不下使得它目前难以成为风力机叶片的主流材料。1 2 2 碳纤维。碳纤维材料较玻璃纤维材料在叶片制造上有很多方面的优点，它的重量轻，刚度大碳纤维复合材料的刚度约为玻璃纤维复合材料的2 3 倍。它具有很好的疲劳特性；它有助于降低叶片端部附近的柔曲性：具有导电性有效避免雷击对叶片的损伤。

8、碳纤维较玻璃纤维还有更重要的特点就是可避免叶片自然频率与塔暂短频率间发生任何共振的可能性，因为碳纤维有振动阻尼特性H。目前全碳纤维的叶片应用较少。多以混杂复合材料应用为主，如主承力梁是碳纤维的。蒙皮则仍为玻璃纤维的。由于叶片尺寸的加大。其质量也越来越巨大，高性能碳纤维的引入可以在很大程度上实现叶片的减重，而随着叶片重量的减轻旋翼叶壳、传动轴、平台及塔罩等也可以轻量化。从而可整体降低风力发电机组的成本抵消或部分抵消碳纤维引入带来的成本增加四。随风力发电单机功率的增长，碳纤维复合材料在风力发电上的应用会不断扩大翻。农村牧区机械化2 0 0 9 年第2 期(总第8 1 期)掌度糊缸悖匆弘鹅铂驼M 弱

9、万方数据由不同复合材料制成叶片的重量与其长度的关系如表1 所示I l】o1 3 层压复合木板虽然层压复合木板被归入复合材料的行列但是它在形式上明显有别于玻璃纤维复合材料，在这种复合材料中纤维被木材所取代。已应用于或正在考虑应用于叶片制造中的一些木材的性能如表2 所示。最常用的木材为花旗松。木材重量轻，成本低，阻尼特性良好；其缺点是易受潮，加工成本高 8 1。1 4 混合复合材料1 4 1 碳E 一玻璃混合材料。鉴于碳纤维高昂的价格碳纤维与玻璃纤维的混和材料在叶片中被应用。1 4 2 碳，木E 一玻璃混合材料。“Z e b r a w o o d”是一个通俗名称，指的是在环氧包裹花旗松木层之间包

10、含碳纤维的结构。这种情况下，环氧树脂既可以起到连接薄片层的作用又可以对碳进行润湿。这样。重量和费用的增长不会超过碳纤维材料很多。由于杉木和碳纤维在工作疲劳性能方面的近似性。研究生产这种木质环氧叶片是很经济的。另外杉木可以保护所有碳结构免受外部撞击。在价格方面Z e b r a w o o d 和S 一玻璃纤维差不多，甚至可以低至E 一玻璃纤维的程度，而且有可能在将来大丝束碳纤维材料成本降低时成为最经济的材料。1 5 新材料1 5 1 热塑性复合材料(C B T 树脂系统)。当前叶片都是采用热固性复合材料制成的，如玻璃纤维环氧树脂复合材料，碳纤维环氧树脂复合材料。由于环氧树脂的使用。使得这种材料

11、制成的叶片有两个缺陷：第一。生产过程中产生大量含有苯基的有毒气体。增加了从事生产的人员发生皮肤、呼吸道的疾病的几率。第二，热固性材料制作的叶片，很难在其退役后被回收利用。与热固性复合材料相比。热塑性复合材料有很多优异特性，比如密度小，抗冲击性能好，蒌。譬二誉：二茸2 藿生产时间短等。1 5 2W i n d S t r a n d T M 增强材料。O w e n sC o m i n g提出的W i n d S t r a n d T M 增强材料是新一代的增强玻璃纤维。W i n d S t r a n d T M 增强材料与目前应用的材料相比有很多的优点：与E 一玻璃纤维增强材料相比。刚

12、度提高1 7、强度提高3 0、疲劳寿命提高1 0 倍这一特性使得风轮在叶片偏航和抗风中表现出一种很高的水平。同时使得风力机寿命和风能利用率大大提高。此外。W i n d S t r a n d T M增强材料重量轻1 0，这样叶片可以做的更长，最终可以降低单位电量的成本。除上述材料外一些新型纤维也可用作候选对象如超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维、生物质复合材料等。玄武岩纤维是一种新型元机纤维由宣武岩石在高温熔融状态下拉丝而成。有更好的耐酸碱和耐高温性能1 2 1。生物质复合材料是指用动物和植物为原料制造的复合材料，其性能与玻璃纤维增强塑料(G r R P)相比还有一定的差距。先进生物质复合材料

13、则是以径向分级、密实化、蒸汽氧化等方法进行性能改进后的生物质复合材料。将其用于风电叶片结构，性能与G F R P 相近，具有成本低、可再生性好、废旧产品易处理、可持续使用等优点 6 1。各种有关纤维的主要性能见表3 田。2 叶片材料的发展概况初期的风力发电机大多采用木制叶片。制作叶片的木材一般是优质木材，如桦木、核桃木等，来源困难，造价高，维修不便。但是可以利用层压木板加玻璃钢蒙皮做成实心木制叶片，或者加入填充物，作为部分实心木质叶片，也是具有一些优越性叨。随着叶片的大型化，叶片材料由最初的木制品逐步过渡到玻璃钢，目前世界上绝大多数叶片采用玻璃钢复合材料制造。主要考虑玻璃钢，复合材料有一些优点

14、是其它材料所不具备的。(1)它可根据风力机叶片的受力特点设计农村牧区机械化2 0 0 9 年第2 期(总第8 1 期蓖4 1 万方数据錾萼?篆纂一囊。霪强度与刚度，利用纤维受力为主的理论，可把主要纤维安排在叶片的纵向，减少材料用量，减轻叶片的重量。(2)容易成型。叶片具有复杂的气动外形，如用金属制造相当困难。而用复合材料制造则容易得多，模具制成后，可以进行批量生产。(3)优良的力学性能。叶片使用寿命约2 0年，要求叶片具有良好的疲劳强度。玻璃钢的疲劳强度较高，缺口敏感性低，具有良好的疲劳性能。此外，玻璃钢的内阻尼大，抗震性能较好。(4)耐腐蚀性好。风力机安装在外，近年来又大力发展离岸风电场，风

15、力机安装在海上，风力机组及叶片要受到各种气候环境的影响，要具有耐酸、碱、水汽的性能。而玻璃钢复合材料具有这种优良的性能能在这种恶劣环境下较长时间的工作翻。3 叶片材料的发展趋势随着风力机单机容量增大。叶片长度也相应增长。叶片的长度增加，则重量也增加。叶片重量与风轮半径R 近似成3 次方关系。故对复合材料叶片设计者来说，解决大型风力机复合材料叶片的强刚度与重量的矛盾是一个挑战。风力发电的发展依赖于生产制造大量的风力发电机，风力发电机离不开叶片，而制造叶片则需要复合材料产业的支撑。对我国的复合材料产业来说，风力发电是一个难得的机遇。选择最佳的材料体系和制造工艺，制造出质量上乘的复合材料叶片，满足快

16、速发展的风力发电的需求是其追求的目标 3 1。表3 增强纤维主要力学性能4 2-叶片的尺寸越来越大，数量激增，给环境造成的影响不可忽视。无法持续发展成为G F R P叶片最大的隐忧。G F R P 难以燃烧，基体材料又不易分解废旧产品的处理十分困难。复合材料又被称为占地材料(f i e l df i l l)，废旧产品需要大量土地堆放。从可持续发展角度看。大量大尺寸的废旧G F R P 风电叶片的堆放，需要耗费大量的土地资源。我国对电力的需求量大可以预见未来将大规模生产风电叶片。如果发展G F R P叶片，对环境的危害较大，应未雨稠谋，研制环保、可持续发展的新型叶片材料。研制具有我国自主知识产

17、权的先进生物质复合材料是解决这一难题的途径之一，也是发展我国风电技术，使之达到世界先进水平的关键技术之一。参考文献【1】张礼达，任腊春，陈荣盛，毛金铎，廉玲军，王旭风力机叶片材料特性分析与评价】M C 现代零部件。2 0 0 8。6：6 1-6 3【2】陈绍杰，申振华，徐鹤山复合材料与风力机叶片明可再生能源，2 0 0 8，4：9 0-a 9 2【3】戴春晖，刘钧，曾竞成，边力平复合材料风电叶片的发展现状及若干问题的对策D】玻璃钢复合材料。2 0 0 8。1：5 3-5 6【4 1 罗益锋世界风能及其叶片材料发展概况与趋势田高科技纤维与应用，2 0 0 3，2 8(5)：1 唧【5 1 赵稼祥

18、复合材料在风力发电上的应用高科技纤维与应用2 0 0 3 8：2 4【6】江泽慧，孙正军，任海青先进生物质复合材料在风电叶片中的应用】复合材料学报，2 0 0 6，6：1 2 7 1 2 9r 7 1 盖小玲小型浓缩风能行风力发电机叶轮功率特性的试验研究p】呼和浩特市：内蒙古农业大学2 0 0 6 2 1 2 2【8】宫靖远，贺德馨，孙如林，吴运东风电场工程技术手册【M】北京：机械工业出版社，2 0 0 4：8 9【9 1 陈余岳，张锦南玻璃钢复合材料风力机叶片的开发】上海电力，2 0 0 7，4：3 7 1 3 7 4农村牧区机械化2 0 0 9 年第2 期(总第8 1 期)墨万方数据风力发

19、电机组风轮的叶片材料风力发电机组风轮的叶片材料作者：王丽丽，田德，王海宽，许明，胡学敏，魏玉通作者单位：王丽丽,王海宽,许明,胡学敏,魏玉通(内蒙古农业大学机电工程学院)，田德(内蒙古农业大学机电工程学院;华北电力大学可再生能源学院)刊名：农村牧区机械化英文刊名：NONGCUN MUQU JIXIEHUA年，卷(期)：2009，(2)引用次数：0次 参考文献(9条)参考文献(9条)1.张礼达.任腊春.陈荣盛.毛金铎.廉玲军.王旭 风力机叶片材料特性分析与评价 20082.陈绍杰.申振华.徐鹤山 复合材料与风力机叶片期刊论文-可再生能源 2008(2)3.戴春晖.刘钧.曾竟成.边力平 复合材料风

20、电叶片的发展现状及若干问题的对策期刊论文-玻璃钢/复合材料2008(1)4.罗益锋 世界风能及其叶片材料发展概况与趋势期刊论文-高科技纤维与应用 2003(5)5.赵稼祥 复合材料在风力发电上的应用期刊论文-高科技纤维与应用 2003(4)6.江泽慧.孙正军.任海青 先进生物质复合材料在风电叶片中的应用期刊论文-复合材料学报 2006(3)7.盖小玲 小型浓缩风能行风力发电机叶轮功率特性的试验研究 20068.宫靖远.贺德馨.孙如林.吴运东 风电场工程技术手册 20049.陈余岳.张锦南 玻璃钢/复合材料风力机叶片的开发期刊论文-上海电力 2007(4)相似文献(10条)相似文献(10条)1.

21、期刊论文 李祖华.LI Zu-hua 风力发电现状和复合材料在风机叶片上的应用(2)-高科技纤维与应用2008,33(3)由于资源的限制和环境保护,一些发达国家把眼光投向风力发电,把风能作为新型能源.叙述了世界风力发电发展现状、中国风能现状及资源分布和介绍了复合材料叶片的优点及其在风力发电上的应用.2.期刊论文 李祖华.LI Zu-hua 风力发电现状和复合材料在风机叶片上的应用(1)-高科技纤维与应用2008,33(2)由于资源的限制和环境保护,一些发达国家把眼光投向风力发电,把风能作为新型能源.叙述了世界风力发电发展现状、中国风能现状及资源分布和介绍了复合材料叶片的优点及其在风力发电上的应

22、用.3.会议论文 李祖华 风力发电发展现状和复合材料在风力机叶片上的应用 2008 由于资源的限制和环境保护，一些发达国家把眼光投向了风力发电，把风能作为新型能源。本文叙述了世界风力发电发展现状、中国风能现状及资源分布并介绍了复合材料叶片的优点及其在风力发电上的应用。4.期刊论文 陈玲.江泽慧.黄晓东.任海青 风力发电叶片用杉木薄板层积材环氧树脂浸渍量的研究-太阳能2008(11)采用常规浸渍的方法,杉木薄板的环氧树脂浸渍量低,制成的风力发电叶片复合材料的物理力学性能偏低.针对这一问题,采用加压浸渍的方法来提高杉木薄板的环氧树脂浸渍量.试验证明:通过加压的方式可明显提高杉木薄板的环氧树脂浸渍量

23、,随着浸渍量的增加,用于风力发电叶片复合材料的杉木薄板层积材的物理力学性能提高明显.5.会议论文 梁晓宁.李炜.罗永康 开发风力发电叶片应注意的问题 2008 复合材料风力发电叶片目前在我国已具备一定规模的生产能力，但在生产过程中仍旧存在一些问题。本文介绍了国内外针对液体模塑成形工艺所开展的各类研究，指出液体模塑成形过程模拟、预成型体渗透率和工艺过程在线监测是提高风力发电叶片生产质量所必需注意的关键问题。6.会议论文 李巨峰.张云华 风力发电与我国复合材料叶片产业的发展 2003 本文介绍了风力发电的综合优势、良好的发展空间和风力发电机重要部件-复合材料叶片的设计重点及主要结构形式,并探讨了制

24、造大型风机叶片的工艺,论述了我国风机叶片制造业的发展前景.7.期刊论文 路畅.李成全.王碧珺 小型风力发电机偏心轴叶片设计与计算-辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2009,28(z1)为了小型风力发电达机达到微风启动,强风制动的特点,对发电机叶片结构形式采用偏心轴式设计.首先叙述了偏心叶片的设计机理和特点,其次基于空气动力学基本理论,在一定简化条件下,推导出水平式风力发电风速和风压的计算关系式.以此为基础首次计算得出带有新型偏心轴叶片的小型风力发电机切入风速、切出风速、额定转速、最优偏转角度、偏心距等重要技术参数.该结果为小型风力发电机偏心轴式叶片设计提供一定的理论基础和指导意义.8.期刊论

25、文 覃芮.QIN Rui 风力发电产业与碳纤维增强叶片-高科技纤维与应用2008,33(2)介绍了国内外风力发电产业的现状、发展动向和风机叶片材料的选择,指出碳纤维作为风机叶片增强材料具有广阔的应用前景.9.期刊论文 邱冠雄.刘良森.姜亚明.Qiu Guanxiong.Liu Liangsen.Jiang Yaming 纺织复合材料与风力发电-纺织导报2006(5)鉴于资源的限制和环境保护,一些发达国家把眼光投向风力发电,作为新型能源.风能发电的关键部件之一是风机叶片.文章介绍了复合材料叶片的优点、材料、结构及国内外的主要风力发电机、风机叶片的制造厂商等情况.10.会议论文 李晗 复合材料在风机叶片上的应用与展望 2008 本文综述了风力发电的发展现状以及复合材料在风机叶片上的应用，介绍了风机叶片的材料、几种成型工艺以及结构设计，最后展望了风机叶片的发展趋势。本文链接：http:/