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其设计、材料和工艺决定风力发电装置的性能和功率
浏览: 发布日期:2018-07-30

  复合材料在风力发电中的应用主要是转子叶片、机舱罩和整流罩的制造。相对而言,机舱罩和整流罩的技术门槛较低,生产开发的难度不大。而风力发电机转子叶片则是风力发电机组的关键部件之一,其设计、材料和工艺决定风力发电装置的性能和功率。在风力发电机兴起100多年的历史里,叶片材料经历了木制叶片、布蒙皮叶片、铝合金叶片等。随着联网型风力发电机的出现,风力发电进入高速发展时期,传统材料的叶片在日益大型化的风力发电机上使用时某些性能已达不到要求,于是具有高比强度的复合材料叶片发展起来。现在,几乎所有的商业级叶片均采用复合材料为主体制造,风电叶片已成为复合材料的重要应用领域之一。采用复合材料叶片主要有以下优点:①轻质高强,刚度好。众所周知复合材料性能具有可设计性,可根据叶片受力特点设计强度与刚度,从而减轻叶片重量;②叶片设计寿命按20年计,则其要经受108周次以上的疲劳交变,因此材料的疲劳性能要好。复合材料缺口敏感性低,内阻尼大,抗震性能好,疲劳强度高;③风力机安装在户外,近年来又大力发展海上风电场,要受到酸、碱、水汽等各种气候环境的影响,复合材料叶片耐候性好,可满足使用要求;④维护方便。复合材料叶片除了每隔若干年在叶片表面进行涂漆等工作外,一般不需要大的维修。2.1复合材料叶片的材料体系风力发电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构,一般由根部、外壳和加强筋或梁三部分组成,复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90%以上。复合材料叶片发展之初采用的是廉价的玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂体系,直到今天这仍是大部分叶片采用的材料。随着叶片长度的不断增大,这种体系在某些场合已不能满足要求,于是很自然地,性能更优异的增强材料—碳纤维进入了叶片生产者的视野。文献[6,7]探讨了碳纤维的添加对于复合材料叶片的影响。一般认为,22m以下的叶片采用玻璃纤维,而大于42m的叶片则采用碳纤维或碳玻混杂纤维[8]。树脂基体方面,聚酯树脂价格低廉,成型工艺性好,但性能一般,环氧树脂则刚好相反,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。鉴于目前国际上碳纤维价格居高不下,有些人认为在叶片生产中采用碳纤维太过昂贵,不应采用,实际上并非如此,一方面由于叶片长度的增加,其对刚度的要求也更加严格,在更大尺寸叶片的制造上,单纯的玻璃纤维已不能满足要求,碳纤维的刚度大约是玻纤的3倍,制成的复合材料刚度约是玻璃钢的两倍,从这个意义上说碳纤维的引入是必要也是必须的;另一方面,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[9],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。随着大型、超大型海上风力发电机的制造和陆续投入运行,碳纤维在风电叶片上大规模应用的时代已为时不远。

  现在的叶片成型工艺一般是先在各专用模具上分别成型叶片蒙皮、主梁及其他部件,然后在主模具上把两个蒙皮、主梁及其它部件胶接组装在一起,合模加压固化后制成整体叶片。具体成型工艺又大致可分为七种[10]:①手糊;②真空导入树脂模塑(VIP);③树脂传递模塑(RTM);④西门子树脂浸渍工艺(SCRIMP);⑤纤维缠绕工艺(FW);⑥木纤维环氧饱和工艺(WEST);⑦模压。上述工艺中,①、④、⑤和⑥是开模成型工艺,而②、③和⑦是闭模模塑工艺。

  传统的叶片生产一般采用开模工艺,尤其是手糊方式较多,生产过程中会有大量苯乙烯等挥发性有毒气体产生,给操作者和环境带来危害;另一方面,随着叶片尺寸的增加,为保证发电机运行平稳和塔架安全,这就必须保证叶片轻且质量分布均匀。这就促使叶片生产工艺由开模向闭模发展。采用闭模工艺,如现在热门的真空树脂导入模塑法,不但可大幅度降低成型过程中苯乙烯的挥发,而且更容易精确控制树脂含量,从而保证复合材料叶片质量分布的均匀性,并可提高叶片的质量稳定性。 随着叶片尺寸的不断增加,其生产和制造过程中产生了一些在以往的中小型叶片生产中未曾碰到过的新问题。

  大型复合材料叶片的外形尺寸与其制造模具有着极其密切的关系。为保证复合材料叶片设计外形和尺寸精度,叶片长度越长,成型时对模具刚度和强度的要求就越高,模具的重量和成本也会大幅度提高。为减轻模具重量,降低模具成本,大型复合材料叶片的制造模具也逐渐由金属模具向复合材料模具转变,这也意味着叶片可以做得更长。采用复合材料模具主要有以下优点:①为达到最佳气动效果,叶片具有复杂的气动外形,在风轮的不同半径处,叶片的弦长、厚度、扭角和翼型都是不同的,如用金属来制造,要在模具上实现这些变化,其加工难度很高,实现代价高昂,采用复合材料模具可大大降低其工艺难度;②由于模具与叶片采用同质的材料,模具的热膨胀系数与叶片材料基本相同,故制造出的复合材料叶片的精度和尺寸稳定性均优于金属模具制造的叶片产品;③采用复合材料模具亦可大大缩短模具的制作周期,提高生产效率。

  真空树脂导入模塑法(VIP)在众多叶片成型工艺中的优越性逐渐显现,具有投入少、操作简单、工作环境好、制品性能好等诸多优点,目前在叶片制造领域正获得越来越广泛地应用。传统VIP工艺中,一般先把树脂、促进剂、固化剂等按比例混合好,然后开始真空吸注。只要控制好促进剂和固化剂的用量,这种方法用在一般尺寸的制件上没有问题。但在制造例如叶片等大尺寸复合材料构件时,由于吸胶注胶的时间较长,如控制不好很容易出现树脂未注完即凝胶的现象。另外在用胶量较大时,桶中配好的胶液还可能发生爆聚。为防止此类情况发生,可考虑设计一种树脂和固化剂的混合装置,吸注前树脂和固化剂分别在不同的容器内,吸注时树脂与固化剂实时混合实时吸注,从而可避免爆聚和过快凝胶,即增加了生产安全性,同时也节省了原材料的用量。

  在叶片的生产过程中,由于模具尺寸巨大,一般无法采用烘箱等传统的外部加热方式对其进行升温固化,生产一般只是在室温下进行,这就造成叶片固化周期较长,难以进行较连续化的生产。解决办法是叶片在模具上基本成型后即脱模,然后在室外利用光照进行后固化处理。当前很多企业采用的都是这种叶片生产方式,如国内叶片的领军企业中航保定惠腾等。但这种方式也有其先天不足,生产受制于天气并且制品脱模前存在模具中的时间较长,会影响生产效率。为此,可考虑在模具中内置热源,如铺设流体加热管路或电热布等,通过内置热源对模具的加热来实现叶片的快速固化,从而达到不受自然条件制约的、可连续进行的生产。而且,由于光照后固化方式受气候因素制约严重,目前的叶片生产基地多建在光照较充足的北方。采用内置热源的叶片模具后大大放宽了叶片生产对气候的要求,可以谋求在南方建立叶片生产基地,从而在全国构建起更加合理的叶片产业格局。

  目前,世界上所有风电叶片都是采用整体模具生产的,这种模具尺寸、重量巨大,叶片生产只能在生产基地进行,于是叶片的运输问题便日益突出起来:一方面,出于安全考虑,世界各国铁路、公路管理部门对运载货物的长度、高度等都是有限制的,风力发电机组的叶片和塔架长度在几十米或更长,机舱罩一般在三米或更高,塔架下法兰直径超过三米,这些都属于超限范围;另一方面,我国风电场分布非常广泛,很多位置偏远、交通不便,建造风电场时大型叶片运输成本非常高昂,有些地区甚至根本无法送达。可以说,长途运输问题已经越来越成为制约风电发展的一个瓶颈。在这方面,可以考虑采用组合模具来制造叶片,即把风电叶片成型模具设计成可拆装、易运输的组合模具,通过普通公路或铁路运输把模具、工装、重要部件和原材料运抵大型风电场附近,快速搭建简易工房,在风电场现场进行叶片制造;还有一种思路就是采用组合叶片,即把叶片分成几段来制造,使其尺度在公路运输最大许可范围内,运送到风电场后再进行叶片的组装,但这种构想能否在实践中应用还有待实验验证,目前尚未有这方面的报道。

  风力发电是可持续的产业之一,但目前使用的复合材料叶片则属于不可回收材料,这已成为复合材料叶片最大的隐忧。采用热固性树脂生产的复合材料叶片,目前的工艺水平难以对其回收再利用,一般的处理仅仅是在露天堆放,随着风电叶片的尺寸越来越大,数量激增,这些叶片退役后给环境造成的影响不可忽视,这与我们目前倡导可持续发展的宗旨也是相违背的。

  针对这一问题,目前的发展趋势:是对叶片的增强材料进行改进,如采用生物质材料,即采用木材与树脂复合,通过积层制作叶片。有文献称,目前的分级竹篾层积材料比模量已超过玻纤增强的复合材料,比强度也达到与其相同的数量级,但竹篾积层材料虽减少了树脂用量,仍需要使用热固性树脂,只能治标而不能治本。最彻底的解决方式还是发展可回收利用的热塑性复合材料叶片,这方面的研究目前也取得了一定成果。爱尔兰Gaoth Tec Teo公司、日本三菱重工、美国Cyclics公司签署了合作协议开发热塑性复合材料叶片,并已采用玻璃纤维增强Cyclics公司的低粘度热塑性CBT®树脂制造出世界上首个12.6m可循环利用风电叶片。据称,这种叶片退役后,每套叶片回收的材料平均可达到19t,这是一个史无前例的数据。但在更大尺寸叶片的制造上,这种热塑性树脂目前的性能可能还不是很理想。据称,目前上述几家公司正在研制30米以上的叶片。这种“绿色叶片”究竟能否在大型风力发电机上获得广泛应用还有待时间来验证。

  目前总体上看风力发电的形势一片大好,但也有反对的声音存在,如有的动物保护主义者认为风力发电机会危及一些动物的生存,也有人认为风力发电存在噪声污染并影响景观,另外虽然目前风力发电机以每年3~5%的速度在降价,但我国风力发电的上网电价仍然偏高[14]。应该指出的是,任何一种技术都不是完美无缺的,都可能存在瑕疵。作为一项可惠及子孙的事业,风力发电总体上来说是利大于弊的。在这个问题上,一方面政府需要加大宣传力度,纠正公众对风力发电若干问题的看法;另一方面政府也可考虑在政策上增加对风电的扶持和指导,提高风电的价格竞争力,以实现我国风电事业又好又快的发展。 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,满足快速发展的风力发电的需求,这是我们追求的目标。目前来看,内置热源的大型复合材料组合模具、改进的真空导入树脂模塑工艺以及可回收利用的热塑性叶片树脂基体等新设想、新工艺可能在今后会发展成为引领风电叶片研究和制造的新热点。

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