Вибір матеріалу лопаті вітротурбіни

Вибір матеріалу лопаті вітротурбіни

Лопатки є важливим компонентом вітрових турбін. Він передає енергію вітру на ротор генератора, змушуючи його обертати і розрізати магнітні силові лінії для вироблення електроенергії. Для забезпечення довготривалої, безпечної експлуатації в надзвичайно жорстких умовах на місцях, вимоги до матеріалів леза: 1 низька щільність і оптимальна втомна міцність і механічні властивості, здатні витримувати екстремальні умови і випадкові навантаження (наприклад, шторми). (і т.д.) забезпечує безпечну експлуатацію більше 20 років; 2 вартість (точно визначена як витрата, що виділяється кожному кіловаті) є низькою; 3 еластичність лопаті, інерція обертання і частотна характеристика вібрації є нормальними, і передаються в цілому Стабільність навантаження системи генерації електроенергії хороша; 4 стійкість до корозії, ультрафіолетове (УФ) стійкість і удари блискавки гарні; 5 вартість обслуговування низька.

FRP може повністю відповідати вищезазначеним вимогам і є найкращим матеріалом лопаті вітротурбіни.

1.1GFRP

Більшість великих комерційних лопаток вентиляторів, що виготовляються в даний час, виготовлені зі склопластику (GFRP). Характеристики лопаток GFRP:

1 Відповідно до силових характеристик лопаток вентилятора, міцність і жорсткість лопаток вентилятора складаються в основному з поздовжньої сили, тобто аеродинамічного вигину і відцентрової сили. Аеродинамічне згинальне навантаження набагато більше, ніж відцентрова сила, а напруга зсуву, спричинене зсувом і крученням, не велике. Використовуючи теорію сили, якою володіє скловолокно (GF), основний GF можна розмістити в поздовжньому напрямку лопаті, так що лопатка може бути світліше.

2 аеродинамічної плівки легко формується, може досягати максимальної аеродинамічної ефективності Для того, щоб досягти найкращого аеродинамічного ефекту, використовуючи складну аеродинамічну форму лопаті, конструюйте різну довжину хорди леза, товщину, кут кручення і аеродинамічний профіль при різних радіусах вітрового колеса, наприклад Як метал Виготовлення дуже важко. У той же час GFRP лопатки можуть бути масово виготовлені.

3 Час використання до 20 років, може витримувати понад 108 стомлюваного змінного навантаження GFRP має більш високу втомну міцність, низьку чутливість при виїмці, велике внутрішнє демпфірування і хороші сейсмічні характеристики.

4 Гарна стійкість до корозії Оскільки GFRP має стійкість до кислот, лугів і парів води, вентилятор може бути встановлений на відкритому повітрі. Особливо для офшорних вітрових електростанцій, які були розроблені в останні роки, вітрові турбіни можуть бути встановлені на морі, так що вітрові турбіни та їхні лопаті відчувають випробування різних кліматичних умов.

З метою підвищення продуктивності GFRP, GF можна також модифікувати за допомогою обробки поверхні, калібрування та покриття. Дослідження в США показали, що використання радіочастотного плазмового осадження для покриття E-GF, його розтягування і опору втомним може досягати рівня вуглецевого волокна (CF).

Характерною силою GFRP є те, що він може витримувати високі напруги при розтягуванні в напрямку GF, тоді як сила в інших напрямках є відносно невеликою.

Лезо складається з шкіри і головного пучка. Шкіра затиснута, середній шар - тверда піна або бальза, а верхній і нижній - GFRP. Верхній шар складається з односпрямованого шару і шару ± 45 °. Односпрямований шар може бути укладений з однонаправленою тканиною або односпрямованою GF, як правило, з 7 або 4GF тканиною, щоб витримувати осьові напруги, що створюються відцентровою силою і пневматичним згинальним моментом; щоб спростити процес формування, шари ± 45 ° GF можна опустити. Використовується тканина 1: 1GF, яка прокладена вздовж осьового напрямку, щоб витримати напругу зсуву, головним чином викликану крутним моментом, і, як правило, закладається на зовнішній стороні односпрямованого шару. Структурна форма пучка може бути або сендвіч-структурою, або твердою структурою GFRP. Однак суглоб шкіри і основний пучок, тобто лонжеронний ковпачок, повинен бути твердою структурою GFRP. Це пояснюється тим, що частина променя взаємодіє з шкірою, а напруга велика, а міцність і жорсткість шкіри повинні бути забезпечені.

1.2CFRP

Завдяки вдосконаленню технології проектування лопат вітрових турбін, вітроенергетика розвивається в напрямку високої потужності та довгих лопаток. Збільшення довжини лопаті має тенденцію до підвищення якості лопаті. Статистика по довжині лопаті від 10 до 60 м вказує на те, що маса лопаті збільшується на куб довжини. Легка вага леза має важливий вплив на роботу, довговічність та вихід енергії. Оскільки лопатка генерує змінне навантаження завдяки своїй силі тяжіння, сам лезо і пристрій втомилися. Зниження ваги леза може знизити якість конструкції маточини, гондоли, вежі тощо.

Для великих лопатей жорсткість є основною проблемою. Щоб забезпечити, щоб кінчик лопаті не торкався вежі під сильним навантаженням на вітер, лопатка повинна мати достатню жорсткість. Щоб знизити якість лопаті і задовольнити вимоги до міцності і жорсткості, ефективним методом є використання пластмаси з вуглецевого волокна (CFRP). Модуль розтягування CFRP становить від 2 до 3 разів, ніж модуль GFRP. Великі леза з підкріпленням CF можуть повністю скористатися їх високою еластичністю і малою вагою. Згідно з аналізом, схема гібридного покращення CF / GFRP може зменшити вагу листя на 20% - 40%. Згідно з планом досліджень, що фінансується Європейською компанією ЄС, додавання CF до ротора ro 120 м може ефективно знизити загальну якість на 38%, а також знизити проектну вартість на 14% у порівнянні з GF. Інший аналогічний аналіз дослідження також вказував на те, що якість вентиляторної лопатки, виготовленої шляхом додавання CF, буде знижена приблизно на 32% порівняно з GF.

Сьогодні найбільший у світі гібридний вентилятор CF / GFRP - це лопатка довжиною 56м, розроблена компанією Nodex для блоків морського вітру потужністю 5 МВт. Nodex також розробив лопатки вентилятора CF / GFRP потужністю 43м (9.6т) для наземних блоків 2,5 МВт. Компанія Enercon розробила лопатки CFRP для використання на вітрових турбінах потужністю 4,5 МВт. Підвищення CF для великих лопатей залишається спірним. Деякі люди вважають, що впровадження технології CF у вітроенергетиці є «своєрідним» і дорогим, і його слід уникати, якщо це можливо. Проте багато структурних інженерів переконані, що правило природного масштабу показує, що при збільшенні довжини лопаті маса збільшується швидше, ніж видобуток енергії. Тому використання CF або CF / GF гібридних волокон необхідно для придушення збільшення маси. У той же час для того, щоб знизити витрати вітрової енергії, необхідно також розробити довші лопаті з достатньою жорсткістю.

Можливість використання CFRP у великих кількостях на лопатках вентилятора залежить від ціни CF. Хоча продуктивність CFRP набагато краще, ніж GFRP, а леза або вся вітряна турбіна є найлегшою, ціна також є найдорожчою. Навіть якщо ціна CF знизиться до $ 11 / Kg, ціна лопаті, підготовленої з CFRP, ще занадто висока. Тому зараз ми глибоко вивчаємо сировину, технологічні процеси, контроль якості та ін., Щоб знизити витрати на CFRP.

Як правило, менший тип лопаті (наприклад, довжиною 22 м) виготовляють з великої кількості недорогого E-GFRP, і матриця смоли в основному складається з ненасиченого поліефіру, а вініловий ефір або епоксидна смола також можна використовувати. Більші лопатки (такі як 42 м довше) зазвичай використовують CFRP або CF / GFRP, а матриця смоли в основному епоксидна смола.