frp在大型风力发电机叶片中应用

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1、FRP在大型风力发电机叶片中的应用     随着世界石油资源的日益匮乏，风能作为一种清洁的可再生能源而逐渐被人们重视。开发和利用风能资源不仅可以为21世纪寻找新的替代能源，而且有利于环境保护。  　　我国风电产业发展到现在经历了一个由小到大、由慢到快的过程。从20世纪70年代研制成功1KW小型风力发电机组样机，到1998年的国家“乘风计划”揭开了大型风电机组国产化的序幕；从1986年我国第一个风电场在山东荣成并网发电，到2006年底建成了91个风电场；从1999年着批国产化600KW风电机组在达

2、坂城风电一场投入运行，到2005年研发MW级国产化风电机组样机；从2004年总装机容量76.4万KW到2006年底总装机量258.9KW，由此不难看出，我国风电产业在这20多年中逐渐发展、前进、壮大。  　　近年来，风电机组技术改进的主要方向是降低制造成本、提高单机容量、提高风能转换效率、实现自动控制等。目前主流风电机组的单机容量为1.5~2.0MW,容量越大，发电效率越高，技术难度越大。而国外正在开发、应用的机组单机容量为3~5MW。美国NREL（国家可再生能源实验室）2004年的报告认为在2

3、012年之前，价格上有竞争力的风机产品，陆地为2~5MW，海上风电场（近海）为5MW以上。2003年德国Eneroon公司安装了第一台4.5MW的风电机组样机。  　　风力发电机叶片是接受风能的最主要部件，也是风力发电机中最基础和最关键的部件。其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。纤维增强塑料（FRP）以其轻质、耐腐蚀和高拉伸弹性模量一直是风力发电机叶片最常用的材料，是复合材料成功应用的典型大型构件。  　　1  制造风机叶片的主要材料  　　叶片是风力发电机组的

4、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。 

5、 　　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

6、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

7、-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。 图1是典型叶片的截面图。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，上下面层为GFRP。面层由单向层和±45°层组成。单向层可选用单向织物或单向GF铺设，一般用7或4GF布，以承受由离心力和气动弯矩产生的轴向应力；为简化成型工艺，可不用±45°GF布层，而采用1:1GF布，均沿轴向铺设，以承受主要由扭矩产生的剪切应力，一般铺

8、放在单向层外侧。梁的结构形式既可以是夹芯结构，也可以是实心GFRP结构。但是，在蒙皮与主梁的结合部位即梁帽处必须是实心GFRP结构。这是因为此部分梁与蒙皮相互作用，应力较大，必须保证蒙皮的强度和刚度。       　　1.2  CFRP 　　随着风机叶片设计技术的提高，风力发电向大功率、长叶片的方向发展。叶片长度增加势必增加叶片的质量。经对长度10~60m的叶片进行的统计表明，叶片质量按长度的三次方增加。叶片轻量化对运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。由于叶片运行时其重力产生交变载荷，使叶片本