Izbor materijala lopatica za vjetroturbine

Izbor materijala lopatica za vjetroturbine

Lopatice su važna komponenta vjetroturbina. On prenosi energiju vjetra na rotor generatora, uzrokujući da se rotira i reže magnetne sile koje generišu električnu energiju. Da bi se osigurao dugoročan, siguran rad u ekstremno teškim uvjetima na terenu, zahtjevi za materijale noža su: 1 niska gustoća i optimalna čvrstoća na zamor i mehanička svojstva, sposobni da izdrže ekstremne uvjete i slučajna opterećenja (kao što su oluje). (itd.) osigurava siguran rad više od 20 godina; 2 trošak (tačno naveden kao trošak dodijeljen svakom kilovatu) je nizak; 3 elastičnost noža, inercija rotacije i frekventne karakteristike vibracija su normalne i prenose se u cjelinu Stabilnost opterećenja sistema za proizvodnju električne energije je dobra; 4. otpornost na koroziju, otpornost na ultraljubičasto (UV) zračenje i otpornost na udare munje su dobri; 5 troškovi održavanja su niski.

FRP može u potpunosti zadovoljiti gore navedene zahtjeve i najbolji je materijal lopatica za vjetroturbine.

1.1GFRP

Većina velikih komercijalnih lopatica koje se trenutno proizvode izrađene su od plastike ojačane staklenim vlaknima (GFRP). Karakteristike GFRP noževa su:

1 Prema karakteristikama sila lopatica ventilatora, čvrstoća i krutost lopatica ventilatora su uglavnom uzdužna sila, odnosno aerodinamična savijanja i centrifugalna sila. Aerodinamično opterećenje pri savijanju je mnogo veće od centrifugalne sile, a napon smicanja koji nastaje smicanjem i torzijom nije velik. Koristeći teoriju sile kojom dominira staklena vlakna (GF), glavni GF se može postaviti u uzdužnom pravcu oštrice, tako da sečivo može biti lakše.

2 aeroprofil jednostavan za oblikovanje, može postići maksimalnu aerodinamičku učinkovitost Kako bi se postigao najbolji aerodinamički učinak, koristeći složeni aerodinamički oblik noža, dizajnirati različite duljine akorda noževa, debljine, torzionog kuta i aeroprofila na različitim radijusima kotača, kao metal Proizvodnja je veoma teška. U isto vreme, GFRP sečiva se mogu masovno proizvoditi.

3 Vreme upotrebe je do 20 godina, može izdržati više od 108 zamornih opterećenja na zamor GFRP ima veću čvrstoću na zamor, nisku osjetljivost na usjek, veliko unutarnje prigušenje i dobre seizmičke performanse.

4 Dobra otpornost na koroziju Zbog toga što GFRP ima otpornost na kiseline, alkalije i vodene pare, ventilator se može instalirati na otvorenom. Posebno za off-shore vjetroelektrane koje su razvijene posljednjih godina, vjetroturbine se mogu instalirati na moru, tako da vjetroturbine i njihove lopatice doživljavaju test raznih klimatskih uvjeta.

U cilju poboljšanja performansi GFRP, GF se može modificirati i obradom površine, dimenzioniranjem i premazivanjem. Studije u Sjedinjenim Američkim Državama pokazale su da upotreba radiofrekventnog plazma taloženja za oblaganje E-GF-a, njegova otpornost na istezanje i zamor može doseći nivo ugljičnih vlakana (CF).

Sila koja je karakteristična za GFRP je da može izdržati visoka naprezanja u GF smjeru, dok je sila u drugim smjerovima relativno mala.

Oštrica se sastoji od kože i glavnog snopa. Koža je u sendviču, srednji sloj je kruta pjena ili Balsa drvo, a gornji i donji slojevi su GFRP. Gornji sloj se sastoji od jednosmjernog sloja i sloja od ± 45 °. Jednosmerni sloj se može polagati sa jednosmernim materijalom ili jednosmernim GF-om, uglavnom sa 7 ili 4GF tkaninom da izdrži aksijalni napon generisan centrifugalnom silom i pneumatskim momentom savijanja; kako bi se pojednostavio proces oblikovanja, sloj ± 45 ° GF se može izostaviti. Koristi se tkanina 1: 1GF, koja se postavlja duž aksijalnog smjera da izdrži naprezanje smicanja uglavnom uzrokovano obrtnim momentom, i općenito se postavlja izvan vanjskog sloja. Strukturni oblik grede može biti ili sendvič struktura ili čvrsta GFRP struktura. Međutim, zglob kože i glavni snop, tj. Kapica za spariranje, mora biti čvrsta GFRP struktura. To je zato što dio grede stupa u interakciju s kožom i stres je velik, a čvrstoća i krutost kože moraju biti osigurani.

1.2CFRP

Poboljšanjem tehnologije projektovanja lopatica vjetroagregata, proizvodnja vjetroelektrana se razvija u smjeru velike snage i dugih noževa. Povećanje dužine noža ima tendenciju da poveća kvalitet noža. Statistike o dužini lopatice od 10 do 60 m ukazuju da se masa noža povećava za kocku dužine. Mala težina noža ima važan utjecaj na rad, vijek trajanja i energiju. Kako nož generira naizmjenično opterećenje zbog svoje gravitacije, sama oštrica i jedinica su umorni. Smanjenje težine noževa može smanjiti kvalitet konstrukcije glavčine, gondole, tornja i slično.

Za velike noževe, krutost je veliki problem. Kako bi se osiguralo da vrh lopatice ne dodiruje toranj pod ekstremnim opterećenjima vjetra, oštrica mora imati dovoljnu krutost. Da bi se smanjio kvalitet noža i da bi se zadovoljili zahtjevi za čvrstoću i krutost, efikasna metoda je upotreba plastike ojačane ugljičnim vlaknima (CFRP). Modul zatezanja CFRP je 2 do 3 puta veći od GFRP. Veliki noževi sa CF pojačanjem mogu u potpunosti iskoristiti svoju visoku elastičnost i malu težinu. Prema analizi, CF / GFRP hibridna shema poboljšanja može smanjiti težinu lišća za 20% ~ 40%. Prema istraživačkom planu koji je finansirala evropska kompanija, dodavanje CF na rotor od 120m može učinkovito smanjiti ukupni kvalitet za 38%, a također i smanjiti troškove dizajna za 14% u odnosu na GF. Još jedna slična analiza studije takođe je ukazala da će se kvalitet lopatice ventilatora, koji se dobija dodavanjem CF, smanjiti za oko 32% u poređenju sa GF.

Trenutno, najveći svjetski CF / GFRP hibridni ventilator je oštrica dužine 56m koju je razvio Nodex za snage vjetra snage 5MW. Nodex je takođe razvio 43m (9.6t) CF / GFRP lopatice ventilatora za kopnene 2.5MW jedinice. Enercon je razvio CFRP lopatice za upotrebu u vjetroagregatima snage 4,5 MW. Da li je CF poboljšan za velike noževe još uvijek je kontroverzan. Neki ljudi vjeruju da je uvođenje CF tehnologije u industriji energije vjetra “specifično” i skupo, i treba ga izbjegavati ako je moguće. Međutim, mnogi građevinski inženjeri su uvjereni da pravilo prirodnog mjerila pokazuje da se s povećanjem duljine oštrice masa povećava brže od ekstrakcije energije. Stoga je upotreba hibridnih vlakana CF ili CF / GF neophodna za suzbijanje porasta mase. U isto vrijeme, kako bi se smanjila cijena energije vjetra, također je potrebno razviti duže oštrice s dovoljnom krutošću.

Mogućnost korištenja CFRP-a u velikim količinama na ventilatorskim lopaticama ovisi o cijeni CF. Iako su performanse CFRP-a mnogo bolje od GFRP-a, a oštrica ili cijela vjetroturbina je najlakša, cijena je i najskuplja. Čak i ako cijena CF-a padne na 11 USD / kg, cijena sečiva pripremljenog sa CFRP je još uvijek previsoka. Zato sada detaljno proučavamo sirovine, procesne tehnologije, kontrolu kvaliteta, itd., Kako bismo smanjili troškove CFRP-a.

Generalno, manji tip oštrice (na primer, dužine 22 m) je napravljen od velike količine jeftinog E-GFRP-a, a matrica smole je uglavnom sastavljena od nezasićenog poliestra, a vinil-estarska smola ili epoksidna smola može također se koristi. Veći noževi (kao što je 42 m duži) obično koriste CFRP ili CF / GFRP, a matrica smole je uglavnom epoksidna smola.