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标题: 国外兆瓦级风机叶片制造技术动向 [打印本页]

作者: whtlhg1817 时间: 2012-11-20 11:38 标题: 国外兆瓦级风机叶片制造技术动向

　　风力发电依靠涡轮机完成，其中配套涡轮机的FRP复合材料叶片是重要的零部件，其占整个风电设备成本的20%左右。叶片的设计、选材和工艺又是决定风电装置性能与功率的主要因素，以及风力发电的单位成本。纵观全球叶片技术的发展趋势，并兼顾风机效能和降低成本两因素，叶片的制作正向大型化发展。单机功率愈大，每KW的发电成本就愈低。因此全球风电设备都在向兆瓦级大功率和长叶片方向开发。典型的丹麦LM公司是全球风力发电最大的集团，具有25年的生产实践经验。其叶片月产达7000片以上，已在中国天津设厂。LM公司也是全球唯一有In-House测试能力的公司，可针对其叶片进行Full-Scale的测试，所有的新设计叶片均可通过20年运转状况的测试才能获准投产。这些测试项目包括静态、动态、雷击测试等，其测试设备中的激光扫描仪，更为叶片提供精确的几何数据。LM公司目前生产最长的叶片为61.5m，是全球最长的叶片，重量为17.7吨，材质为环氧基玻纤增强复合材料，叶端等处采用碳纤，已按装在芬兰REpower公司的5MW海上风机上。LM公司叶片制造技术包括多功能机械手铺设玻纤，以提高铺设进度25%；在螺栓的支撑力上进行创新，可增加叶片20%的长度；采用RIM法缩短树脂渗透时间15-20%；以FRP模具取代钢模，实现低成本。可以认为，LM的兆瓦级叶片的设计，制造技术是全球最先进，最富竞争力的。
　　在叶片设计上，LM公司还在10年前推出了一种新型具有弹性挠度的叶片概念，简称为预弯型叶片。该叶片在叶尖部分向外弯曲，使叶片在转动状态下，甚至处于强风时还能与塔体保持一定距离，避免叶片撞击塔架。预弯型叶片因其许可弯曲量变大，刚度相当，从而材料用量减少，重量减轻，而获取更多的风能。据有关方面透露，这种预弯型叶片与标准型叶片相比，风场在2.6m/秒风速条件下即可起动。LM公司设计的这种预弯型叶片于2004年在中国申请了发明专利。另据了解，LM公司与GE公司合作的项目中对开发加长叶片增加电量进行案例分析测定。GE公司用40.3m长的叶片替换了原有1.5MW风机上的37.5m长的叶片，结果标明发电量增加7%，究其原因是其外圆扫风面积比内圆扫风面积增加了14.8%。
　　为降低发电成本，除叶片设计外，材料和工艺成型日新月异，通过材料和工艺的选择达到轻量化和功能化，从而提高风能的效能。叶片制造通常经过五个步骤完成：叶梁→叶片分瓣外壳→组装粘结→固化加热硬化→离模后装修磨光处理。从1992~1999年，欧洲风电单机平均功率为200~700kw，叶片长度从12m~22m。2000年开始，单机功率增至900kw，叶片长度达25m。这两年单机功率由1~2.0MW以上发展，叶片长度达到40m，当前研发正朝着3-5MW，叶片长度向50~60m迈进。
　　制造叶片的材料工艺对其成本具有决定性，因此，材料的选择，制作工艺的优化十分重要，通常材料根据叶片长度不同而选用不同的复合材料，目前最普通采用的是GF/UP、GF/VE、GF/EP。随着发电机功率的增大，叶片长度不断加长，因此必须使用先进的材料来减轻重量，以达到轻质高强和高刚性。
　　E玻璃纤维：E玻纤为目前叶片主流增强材料，与许多树脂、成型工艺匹配性较佳，目前开发的许多编织形式，如单轴向、双轴向、三轴向、四轴向甚至三维立体结构等，以满足不同的需要，使灵活的结构设计得到更好的体现。但是，E玻璃纤维的密度比较大，因此，超大型叶片上较难适合。
　　S玻璃纤维：S玻璃纤维模量能达到85.5Gpa，比E玻璃纤维高18%，且强度高出33%，从技术角度而言，人们对于应用高强度高断裂应变的S玻璃纤维在风力机叶片上比较感兴趣，但价格很高，因此未能成为叶片主导增强材料。一些生产商看到了S玻璃纤维在风能市场的潜力，美国AGY公司决定加强S-2玻纤的生产规划和投资。
　　PVC轻质夹芯和导流技术：PVC轻质夹芯概念应用于结构，据瑞典DIAB公司资料报导可用于60米长的风机叶片芯件。采用这种芯材及导流技术，可减少50%的周期时间，降低30%的劳动力成本。与敞开放型技术相比，夹芯导流技术减少90%的苯乙烯散发，并使整个叶片达到轻质高强。DIAB公司在中国昆山厂推出的PVC轮廓板根据产品“量体裁衣”直接用到了叶片制作上，省时省料，降低成本。
　　碳纤维或碳/玻Hybrid纤维（3D织物）：叶片长度的不断增加使得轻质、高强的碳纤维在风力发电上应用不断扩大，大丝束碳纤维价格的下降成为风力机的首选结构材料，同样是34米长的叶片，采用GF/UP质量为5800公斤，采用GF/EP质量为5200公斤，采用CF/EP质量为3800公斤。因此，叶片材料开发的趋势是采用CF/EP，但同时也面临价格的压力。国外正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面深入研究降低成本。
　　可回收利用的热塑性叶片的开发：GaothTecTeo与三菱重工以及Cyclics公司签署了一份合作协议，共同为全球大规模风场开发热塑性复合材料风机叶片，制作了全球首个12.6米可循环风力机叶片，此叶片退役后，平均每套风力机可回收19吨叶片塑料材料，此在风电工业上堪称史无前列。虽然热塑性树脂较热固性树脂轻，它易于发生蠕变，且用胶粘剂胶接热塑性树脂基复合材料壳体较困难，因此，不适用于大型风力机叶片的开发。

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