风力发电机叶片材料的选用
叶片是风力发电机组的重要构件。它将风能传递给发电机的转子,使之旋转切割磁力线
而发电。为确保在野外极其恶劣环境中长期不停、安全地运行,对叶片材料的要求是:
①密
度小且具有最佳的疲劳强度和力学性能,能经受住极端恶劣条件和随机的负荷(如暴风
等)的考验,确保安全运转
20 年以上;
②成本(精确说为分摊到每度电的成本)低;③叶
片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲红都正常,传递给整个发电系统的负荷稳定性
好;
④耐腐蚀、耐紫外线(UV)照射和抗雷击性好;⑤维护费用低。
FRP 完全可以满足以上要求,是最佳的风力发电机叶片材料。
1.1 GFRP
目前商品化的大型风机叶片大多采用玻璃纤维增强塑料(
GFRP)制造。GFRP 叶片的
特点为:
①可根据风机叶片的受力特点来设计强度与刚度 风机叶片主要是纵向受力,即气动弯
曲和离心力,气动弯曲载荷比离心力大得多,由剪切与扭转产生的剪应力不大。利用玻璃纤
维(
GF)受力为主的受力理论,可将主要 GF 布置在叶片的纵向,这样就可使叶片轻量化。
②翼型容易成型,可达到最大气动效率 为了达到最佳气动效果,利用叶片复杂的气动
外形,在风轮的不同半径处设计不同的叶片弦长、厚度、扭角和翼型,如用金属制造则十分
困难。同时
GFRP 叶片可实现批量生产。
③使用时间长达 20 年,能经受 108 以上疲劳交变载荷 GFRP 疲劳强度较高,缺口敏感
性低,内阻尼大,抗震性能较好。
④耐腐蚀性好 由于 GFRP 具有耐酸、碱、水汽的性能,可将风机安装在户外,特别对于
近年来大力发展的离岸风电场来说,能将风机安装在海上,使风力机组及其叶片经受各种
气候环境的考验。
为了提高
GFRP 的性能,还可通过表面处理,上浆和涂覆等对 GF 进行改性。美国的研
究表明,采用射电频率等离子体沉积去涂覆
E-GF,其拉伸及耐疲劳性可达到碳纤维
(
CF)的水平。
GFRP 的受力特点是在 GF 方向能承受很高的拉应力,而其它方向承受的力相对较小。
叶片由蒙皮和主梁组成,蒙皮采用夹芯结构,中间层是硬质泡沫塑料或
Balsa 木,上